4.1. Теплові схеми атомних станцій

У системі будь-якої АЕС є теплоносій і робоче тіло. Робочим тілом, що здійснює роботу з перетворенням теплової енергії в механічну, є водяна пара. Вимоги до чистоти пари, що поступає на турбіну, настільки високі, що економічно прийнятні показники можуть бути досягнуті при конденсації всієї пари й поверненні конденсату в цикл. Тому контур робочого тіла на АЕС завжди замкнутий й додаткова вода поступає лише в невеликих кількостях для поповнення витоків та інших втрат конденсату.

Теплоносієм, що відводить теплоту з активної зони в енергетичних ядерних реакторах ВВЕР і PWR, є вода. Для запобігання відкладенням на тепловиділяючих елементах активної зони реактора необхідна висока чистота теплоносія. Тому для теплоносія існує замкнутий контур, який одночасно ізолює радіоактивні речовини, утворені у воді випромінюваннями в активній зоні.

Контури теплоносія й робочого тіла можуть бути суміщені, така АЕС називається одноконтурною (наприклад Чорнобильська з ядерним реактором РБМК-1000). За такою схемою працюють всі киплячі ядерні реактори типу РБМК (за кордоном BWR – Boiler Water Reactor).

На малюнку 4.1 представлена теплова схема одноконтурної АЕС з киплячим канальним ядерним реактором. Енергетичний блок АЕС такого типу складається з одного реактора РБМК-1000 й двох турбоагрегатів К-500-65 потужністю по 500 МВт. Реактор має дві циркуляційні петлі, що складаються з чотирьох циркуляційних насосів з подачею 7000 м3/год, двох зовнішніх випаровувачів-сепараторів пари діаметром 2,3 м й завдовжки 30 м та 22 роздаточних групових колекторів діаметром 300 мм, що живлять канали реактора.

Вода в каналах 2 реактора 1 нагрівається до температури кипіння, збирається в колектори й прямує в сепаратори пари 3. Після відділення пари вода направляється циркуляційними насосами 4 в реактор, а насичена пара під тиском 6,5 МПа з вологістю 0,1–0,2% подається на п'ятициліндрову турбіну з одним циліндром високого тиску (ЦВТ) 7 і чотирма циліндрами низького тиску (ЦНТ) 8. Між ЦВТ і ЦНТ встановлені сепаратори пари 10 й проміжні пароперегрівачі 9. Відпрацьована пара з турбоагрегатів потрапляє в конденсатор 13, потім конденсат проходить систему очищення 11 і далі через системи регенеративних підігрівачів високого (ПВТ) й низького (ПНТ) тиску 12 і деаератор 5 за допомогою живильного насоса 6 повертається в сепаратори пари 3. Перетворення води в пару в ядерному реакторі одноконтурної АЕС відбувається при температурі 285°С.

Мал. 4.1. Теплова схема одноконтурної АЕС з канальним киплячим реактором (Ленінградська АЕС): 1 – реактор; 2 – канали активної зони; 3 – сепаратори; 4 – циркуляційні насоси; 5 – деаератор; 6 – живильний насос; 7 – п’ятициліндрова турбіна з одним ЦВТ й чотирма ЦНТ 8; 8 – циліндри низького тиску; 9 – проміжні пароперегрівачі; 10 – сепаратори між ЦВТ й ЦНТ турбіни; 11 – система очищення конденсату; 12 – система регенеративних підігрівачів (ПВТ й ПНТ); 13 – конденсатор

Мал. 4.2. Теплова схема двоконтурної АЕС з реакторами ВВЕР: 1 – деаератор підживлення; 2 – насос підживлення; 3 – реактор ; 4 – компенсатор об’єму теплоносія; 5 – засувка трубопроводу; 6 – головний циркуляційний насос; 7 – парогенератор; 8 – охолоджувач продувної води; 9 – живильний насос дегазованого конденсату ; 10 – деаератор й дегазація конденсату ; 11 – конденсатор відпрацьованої пари; 12 – сепаратор пари ; 13 – перегрівач пари ; 14 – деаератор конденсату та його очищення ; 15 – насос конденсату ; 16 – бак очищеної й освітленої живильної води ; 17 – насос живильної води другого контуру; 18 – іонообмінні фільтри; 19 – освітлювач живильної води другого контуру; 20 – насос продувної води; 21 – охолоджувач води другого контуру; 22 – розширювач води другого контуру; 23 – бак активного конденсату; 24 – сховище рідких відходів; 25 – випарювальні пристрої; 26 – бак чистого конденсату

В одноконтурних системах все устаткування працює в радіоактивних умовах, що ускладнює експлуатацію. Великою перевагою таких систем є простота і економічність. Параметри пари перед турбіною і в реакторі відрізняються на величину втрат в паропроводах. За одноконтурною схемою працюють Ленінградська, Курська й Смоленська АЕС Росії.

Якщо контур теплоносія відокремлений від контура робочого тіла, то АЕС називають двоконтурною. Контур теплоносія називають першим, контур робочого тіла – другим. У таких системах теплоносій прокачується головним циркуляційним насосом через ядерний реактор (охолоджуючи його активну зону), парогенератор і компенсатор об'єму. Пара з парогенератора двоконтурної АЕС поступає в турбіну, потім в конденсатор, з якого конденсат повертається в парогенератор. Устаткування другого контура працює за відсутності радіоактивності, що спрощує експлуатацію АЕС. У двоконтурній системі парогенератор розділяє перший контур від другого, він в рівній мірі належить їм обом. Передача теплоти через поверхню нагріву парогенератора вимагає перепаду температур між теплоносієм першого контура і киплячою водою другого контура. Для цього в першому контурі водного теплоносія підтримується вищий тиск, ніж тиск пари другого контура, що подається в турбіну. Високий тиск води першого контура повинен виключати можливість її закипання, і воно значно перевершує тиск в другому контурі. Максимально можливий тиск теплоносія першого контура визначається можливістю виготовлення могутніх корпусів і складає 16 МПа. Умови однофазності теплоносія на виході з реактора визначають його температуру, вона дорівнює 325°С. Необхідний перепад температур в парогенераторі між теплоносієм і пароводяною сумішшю визначає температуру паротворення рівною 278°С, що відповідає тиску 6,4 МПа. Початкові параметри пари перед турбіною – 6 МПа й 274°С.

За двоконтурною схемою працюють всі АЕС України, основу яких складають ядерні енергетичні реактори з водою під тиском ВВЕР-1000. На мал. 4.2 представлена теплова схема двоконтурної АЕС з реактором ВВЕР. Теплоносій (вода першого контура при температурі 278°С під тиском 16 МПа) нагрівається в активній зоні реактора 3 до температури 325°С й трубопроводами, забезпеченими засувкою 5, поступає в парогенератор 7. У парогенераторі теплоносій передає тепло робочому тілу другого контура й за допомогою головного циркуляційного насоса (ГЦН) 6 повертається в ядерний реактор. Компенсатор об'єму 4 компенсує теплове розширення теплоносія при розігріванні та розхолодженні ядерного реактора. Пара, утворена в парогенераторі, подається в циліндр високого тиску (ЦВТ) турбіни, здійснює роботу й зволожується. Після ЦВТ пара пропускається через сепаратор 12 (для відділення вологи), перегрівач 13 й прямує в циліндр низького тиску (ЦНТ) турбоагрегату. Конденсат із сепаратора поступає на дегазування в деаератор 10. Перегрів пари в перегрівачі 13 здійснюється гострою парою, відібраною з парогенератора 7. Відпрацьована в турбоагрегаті пара конденсується в конденсаторі 11 й за допомогою конденсатного насоса 15 через конденсатоочистку 14 та регенеративні підігрівачі низького тиску (ПНТ) прямує на дегазування в деаератор 10. Конденсація відпрацьованої пари в конденсаторі 11 здійснюється його охолоджуванням технічною водою з моря, річки, ставка-охолоджувача або в градирні. Регенеративний підігрів живильної води збільшує к.к.д. АЕС за рахунок відведення теплоти від пари в турбіні й передачі його живильній воді. Очищення всього конденсату 2-го контура в деаераторі 10 від розчинених у ньому газів відбувається за рахунок скипання при підігріві парою від ЦВТ турбіни. Дегазований конденсат збирається в баку деаератора і за допомогою живильного насоса 9 через регенеративні підігрівачі високого тиску ПВТ прямує в парогенератор 7. Підігрів живильної води в ПВТ здійснюється парою від ЦВТ турбіни. Конденсат, що утворився, прямує на дегазування в деаератор.

Для підтримки чистоти води в першому контурі на заданому рівні необхідне безперервне виведення домішок, що утворюються в результаті корозії металів елементів внутрішньокорпусних конструкцій. Видалення домішок проводиться шляхом відбору частини води (продувки), її очищення і повернення в перший контур. Продувочна вода відбирається із трубопроводу між головним циркуляційним насосом (ГЦН) 6 й засувкою 5 і проходить через охолоджувач продувки 8, що живиться насосом 20, іонообмінні фільтри 18 й повертається в контур.

Разом з безперервною продувкою існує спецводоочистка. Вода першого контура (або протоки, дренажні води тощо) збирається в бак активного конденсату 23 і насосом направляється на випарні установки 25 і далі через фільтри 18 в бак чистого конденсату 26. Очищений конденсат насосом направляється для дегазування в деаератор підживлення 1 і підживлювальним насосом 2 повертається в реактор 3. При глибокому очищенні активність конденсату не перевершує 10-8 Кі/кг. Випар конденсату по спецканалізації прямує в сховище 24.

Очищення (продувка) води другого контура від домішок проводиться її відбором з парогенератора 7 з подачею в розширювач 22, охолоджувач 21 і фільтри 18. Очищена живильна вода збирається в баці 16 і за допомогою насоса направляється в конденсатор турбіни 11. Підживлення живильної води другого контура здійснюється подачею насосом 17 в освітлювач 19, збором освітленої води в баці 16, з якого вона прямує через фільтри 18 в бак чистого конденсату 27. Наведена на мал. 4.2 теплова схема АЕС з водо-водяними реакторами й металевими корпусами тиску широко використовується у вітчизняній та зарубіжній практиці.