Как работает АЭС: как устроены реактор и атомная электростанция

Атомная электростанция (АЭС) вырабатывает электричество так же, как угольная или газовая: греет воду, получает пар, пар крутит турбину, турбина — генератор. Разница только в источнике тепла. Вместо топки на АЭС стоит ядерный реактор, где тепло выделяется при делении ядер урана. Один килограмм урана-235, если его ядра разделятся полностью, даёт примерно столько же тепла, сколько сгорание почти трёх тысяч тонн угля. Поэтому станции нужно совсем немного топлива, и она не выбрасывает дым. Ниже — как идёт цепная реакция, из чего состоит станция, как тепло превращается в ток, как станцию защищают и какие реакторы работают в России.

Деление урана и цепная реакция

Ядро атома урана-235 — большое и неустойчивое. Если в него попадает нейтрон, ядро раскалывается на два осколка поменьше. При этом выделяется энергия — осколки разлетаются с огромной скоростью, врезаются в соседние атомы и нагревают вещество. И вылетают два-три новых нейтрона. Каждый из них может расколоть следующее ядро. Так возникает цепная реакция. Подробнее о том, из чего состоит ядро, — в статье о строении атомного ядра.

Если позволить каждому делению вызывать больше одного нового, реакция будет ускоряться лавиной. Если меньше одного — затухнет. Искусство реактора в том, чтобы держать ровно одно новое деление на каждое старое: тогда мощность постоянна. Для этого часть нейтронов забирают управляющие стержни из материалов, которые их поглощают, например карбида бора.

Есть ещё одна тонкость. Нейтроны, вылетающие при делении, слишком быстрые, и уран-235 плохо их захватывает. Их нужно замедлить. Этим занимается замедлитель — вода или графит: нейтроны сталкиваются с его ядрами и теряют скорость.

Из чего состоит АЭС

Пройдём по пути тепла на станции с реактором ВВЭР — самым распространённым в России.

Часть	Что делает
Топливные таблетки	Маленькие цилиндры из диоксида урана, в них идёт деление; урана-235 в топливе обычно несколько процентов
Твэлы	Длинные тонкие трубки из циркониевого сплава, в которые запаяны таблетки
Топливные сборки	Пучки из сотен твэлов; из сборок набирают активную зону реактора
Управляющие стержни	Поглощают нейтроны; поднимая и опуская их, регулируют мощность, а при аварии они падают в зону и глушат реакцию
Корпус реактора	Толстостенный стальной сосуд, в котором находится активная зона и вода под высоким давлением
Первый контур	Вода, которая проходит через реактор: замедляет нейтроны и уносит тепло; под давлением она не закипает даже при температуре около 300 °C
Главные циркуляционные насосы	Гоняют воду первого контура по кругу
Компенсатор давления	Поддерживает в первом контуре нужное высокое давление
Парогенератор	Теплообменник: горячая вода первого контура отдаёт тепло воде второго контура, и та превращается в пар
Турбина	Пар раскручивает её лопатки
Генератор	Вращается на одном валу с турбиной и вырабатывает электрический ток
Конденсатор	Охлаждает отработанный пар и превращает его обратно в воду
Градирни или пруд-охладитель	Сбрасывают лишнее тепло в атмосферу или водоём
Защитная оболочка	Бетонное здание-купол вокруг реактора, выдерживающее внутреннее давление и удар снаружи

Как работает атомная станция: по шагам

1. Деление. В активной зоне идёт цепная реакция, таблетки урана нагреваются, твэлы отдают тепло воде.
2. Первый контур. Вода под давлением около 160 атмосфер проходит через зону и нагревается примерно до 320 °C, не закипая. Насосы гонят её в парогенератор.
3. Парогенератор. Вода первого контура течёт по тысячам тонких трубок, а снаружи их омывает вода второго контура под меньшим давлением. Она закипает. Две воды не смешиваются: радиоактивная остаётся в первом контуре.
4. Турбина. Пар второго контура идёт на турбину и раскручивает её. Как устроены лопатки и ступени турбины, рассказано в статье об устройстве турбины.
5. Генератор. На одном валу с турбиной вращается ротор генератора, и в его обмотках возникает ток. Напряжение повышают трансформаторы, и электричество уходит в сеть.
6. Конденсатор. Отработанный пар попадает в конденсатор, где его охлаждает вода из градирни или пруда. Пар становится водой, и её насосы возвращают в парогенератор.
7. Сброс тепла. Вода, нагретая в конденсаторе, остывает в градирне: часть её испаряется, отсюда белые облака над трубами.

Из тепла, выделенного в реакторе, в электричество превращается примерно треть. Остальное неизбежно уходит в атмосферу через градирни или в водоём-охладитель — так устроена любая паровая станция.

Какие реакторы работают в России

Тип	Замедлитель и теплоноситель	Особенности
ВВЭР (водо-водяной энергетический реактор)	Обычная вода — и то и другое	Два контура, радиоактивная вода не идёт на турбину; основа современной атомной энергетики России
РБМК (реактор большой мощности канальный)	Графит — замедлитель, вода — теплоноситель	Один контур: вода кипит прямо в каналах реактора и пар идёт на турбину; такие реакторы стояли на Чернобыльской АЭС, после аварии их конструкцию серьёзно переделали, сейчас их постепенно выводят из работы
БН (на быстрых нейтронах)	Замедлителя нет, теплоноситель — жидкий натрий	Работают на Белоярской АЭС; умеют превращать неделящийся уран-238 в новое топливо
Судовые реакторы	Вода	Стоят на атомных ледоколах и на плавучей АЭС «Академик Ломоносов» на Чукотке

Первая в мире атомная электростанция, подключённая к сети, заработала в 1954 году в Обнинске.

Как обеспечивают безопасность

Главная идея — несколько барьеров на пути радиоактивных веществ, и каждый должен удержать их, даже если предыдущий не выдержал.

1. Топливная таблетка удерживает большую часть продуктов деления внутри себя.
2. Оболочка твэла — герметичная трубка — не выпускает их в воду.
3. Корпус реактора и трубы первого контура держат радиоактивную воду.
4. Защитная оболочка — бетонный купол толщиной больше метра — удерживает всё, если разрушится первый контур.

Кроме барьеров, реакцию глушат аварийные стержни: при сигнале они под собственным весом падают в активную зону. Реакторы ВВЭР устроены так, что при перегреве реакция сама ослабевает: горячая вода хуже замедляет нейтроны. Но даже после остановки реакции топливо ещё долго выделяет тепло от распада осколков, поэтому у станции есть несколько независимых систем аварийного охлаждения и резервные дизель-генераторы. Многие современные системы — пассивные: работают от силы тяжести и естественной циркуляции, без насосов и электричества.

Чем АЭС отличается от других станций

От тепловой (ТЭС). Турбина, генератор, конденсатор и градирни у них почти одинаковы. Разница — в источнике тепла: котёл с горящим углём или газом против реактора. АЭС не выбрасывает дыма и углекислого газа, но оставляет отработанное топливо, которое нужно хранить и перерабатывать.

От ГЭС. Там турбину крутит не пар, а падающая вода, никакого тепла не нужно.

От атомной бомбы. И там и там — деление урана, но в реакторе реакция идёт с постоянной скоростью, а топливо слишком бедно ураном-235, чтобы произошёл ядерный взрыв. Как устроены атомы, из которых всё начинается, объясняет статья о строении атома.

Интересные факты

• Синее свечение в бассейне. Вода вокруг отработанных сборок светится голубым. Это излучение Черенкова: быстрые электроны летят в воде быстрее, чем в ней распространяется свет, и вода отвечает свечением.
• Топливо меняют не всё сразу. Каждые год-полтора реактор останавливают и заменяют часть сборок, а остальные переставляют, чтобы уран выгорал равномерно.