Электр генераторы
Периодтық жүйе және атом туралы түсініктің кеңеюі
Д. И. Менделеев жасаған элементтердің периодтық жүйесі материяны оқып-білудің алғашқы кезеңін қорытындылады. Бұл кезеңнің негізінде материяның әртүрлі түрлерінен тұратын бөлшектер мен атомдар туралы түсінік қалыптасты. «Атом» сөзі грек тіліндегі «бөлінбейтін» деген ұғымнан шыққан деп есептелгенімен, қазіргі физика бұл көзқарасты түбегейлі өзгертті: теориялық және эксперименттік зерттеулер атом құрамында ондаған элементар бөлшектер бар екенін дәлелдеді.
Атомның негізгі бөлшектері
Ядро құрамындағы бөлшектер
- Протондар — оң зарядты, салыстырмалы ауыр бөлшектер.
- Нейтрондар — электр заряды жоқ бөлшектер.
Жеңіл және басқа бөлшектер
- Электрондар — теріс зарядты бөлшектер.
- Позитрондар, нейтрино және басқа бөлшектер.
- Аралық типті бөлшектер де кездеседі.
Атомдағы барлық бөлшектер ішкі (ядролық және электромагниттік) күштердің әсерімен байланысып тұрады.
Радиоактивтілік және ядроның ыдырауы
Кейбір радиоактивті элементтерде (уран, торий, плутоний) ядроның өздігінен баяу ыдырауы жүреді. Бұл үдеріс ядродан бөлшектер мен сәулелердің бөлініп шығуымен қатар жүреді; оларды шартты түрде α-, β- және γ-сәулелену деп атайды.
Басқа жағдайларда ядро сыртқы бөлшектермен атқылау нәтижесінде ыдырайды (мысалы, белгілі жылдамдықтағы нейтрондар немесе протондар әсер еткенде). Ядро ыдырағанда ішкі ядролық күштердің энергиясы босап, мол мөлшерде жылуға айналады.
Энергияның өте жоғары тығыздығы
Мәтіндегі бағалау бойынша, атомдық массасы 235 болатын уранның 1 кг мөлшері ыдырағанда бөлінетін жылу энергиясын электр энергиясына айналдыру арқылы шамамен 25 млн кВт·сағ алуға болады. Осы тұрғыдан алғанда, атом ішіндегі энергия сарқылмас қор ретінде қарастырылады.
Алғашқы атом электр станциясы және реактордың рөлі
Дүниежүзіндегі алғашқы қуаты 5000 кВт атом электр станциясы бұрынғы Кеңес Одағында 1954 жылы іске қосылды. Атом электр станциясының негізгі агрегаты — уран қазаны, яғни реактор. Қазіргі кезде реакторлардың көптеген конструкциялары зерттеліп, жасалды.
Алғашқы атом электр станциясында графитті-су реакторы қолданылды. Отын ретінде радиоактивті заттардың стерженьдері, мысалы, уранның изотоптары пайдаланылды.
Басқарылатын тізбекті реакция қалай пайда болады?
Радиоактивті ыдырау кезінде нейтрондар бөлініп шығып, көршілес уран атомдарының ядроларын атқылайды. Бұл өз кезегінде жаңа нейтрондардың бөлінуіне ықпал етеді. Осылайша басқарылатын тізбекті реакция қалыптасады.
Баяулатқыш (модератор)
Нейтрондардың жылдамдығын төмендетіп, реакцияның тиімді жүруіне жағдай жасайды.
- Графит
- Кәдімгі су
- Ауыр су (сирек қолданылады)
Реттеуші стерженьдер
Реакция қарқындылығын бәсеңдету немесе күшейту үшін нейтрондарды сіңіреді.
- Бор
- Кадмий
- Нейтронды қарқынды сіңіретін өзге материалдар
Шағылдырғыш және қорғаныс
Нейтрондардың реактордан шығып кетуін азайтып, адамдарды сәуледен қорғайды.
- Шағылдырғыш: графит, бериллий тотығы және т.б.
- Биологиялық қорғаныс: қорғасын, қалың бетон, су жейдесі
Изотоптар және ауыр су
Егер элемент ядросындағы протондар саны бірдей болып, нейтрондар саны әртүрлі болса, мұндай атомдар изотоптар деп аталады.
Сутек изотоптарының мысалы
Протий
Ядросында 1 протон болады.
Дейтерий
Ядросында 1 протон және 1 нейтрон болады; ауыр судың құрамына кіреді.
Тритий
Ядросында 1 протон және 2 нейтрон болады.
Ауыр су баяулатқыш ретінде сирек қолданылады, себебі оны өндіру қымбат: 1 тонна ауыр су алу үшін электролиз немесе химиялық әдістермен шамамен 30–40 тонна су жұмсалады.
Реактордан турбинаға дейін: энергия өндірудің екі контуры
Атом энергетикалық қондырғыларында бөлінген жылудың орасан зор мөлшері су немесе сұйық металл сияқты жылу тасымалдағыш арқылы әкетіледі. Технологиялық тұрғыдан көптеген станцияларда екі контурлы сұлба қолданылады.
Бірінші контур (радиоактивті)
- Реакторда қыздырылған су сорғы арқылы жылу алмастырғышқа беріледі.
- Бұл су радиоактивті болғандықтан, агрегаттар адамдардан оқшауланып, дистанциялық және автоматты түрде басқарылады.
- Қазіргі қондырғыларда бірінші контур суы шамамен 250°C және 100 атм қысымда ұсталады (қайнап кетпеуі қадағаланады).
Екінші контур (радиоактивті емес)
- Жылу алмастырғышта екінші контур суы қыздырылып, буға айналады.
- Бу турбинаны айналдырып, генератор арқылы электр өндіреді.
- Пайдаланылған бу конденсаторда сұйықтанып, қайтадан айналымға жіберіледі.
Қуаты 210 МВт блок: өндірістік сұлбаның мазмұны
Үлгі ретінде қуаты 210 МВт атом электр станциясының технологиялық сұлбасы сипатталады: бірінші кезектегі қондырғы 210 МВт блоктан тұрады; құрамында бір реактор және әрқайсысы 70 МВт болатын алты генератор бар. Екі бу генераторы бір турбинаны қамтамасыз етеді. Турбиналар бір білікті, екі цилиндрлі; төменгі қысым бөлігі екі конденсаторлы және екі ағынды болып келеді.
Бірінші контурдың негізгі тораптары
Реактор және бассейн
Пайдаланылған отын стерженьдері бассейнде шамамен жарты жыл сақталып, кейін арнайы кассеталармен өңдеуге жіберіледі.
Бу генераторы және сорғылар
Бу генераторлары, негізгі айналма сорғылар және қоректендіру сорғылары реактор мен қазан арасындағы тұйық айналымды қамтамасыз етеді.
Химиялық тазалау
Коррозия өнімдері сияқты радиоактивтілікті арттыратын қоспаларды азайту үшін су үздіксіз химиялық әдіспен тазартылады.
Екінші контур және жылумен жабдықтау
Екінші контурда конденсат деаэратор арқылы өтіп, төменгі және жоғары қысымды жылытқыштарда қыздырылып, бу генераторына қайта беріледі. Сонымен бірге турбинадан алынатын бу іріктемелері жылытқыштар мен бойлерлердегі пайдаланатын суды жылытуға жұмсалуы мүмкін. Жылу жүйесіндегі тармақты сорғылар ыстық судың айналымын қамтамасыз етеді.
Экономика, сенімділік және экологиялық сипат
Атом электр станциясында электр энергиясын өндіру сұлбасы жылу электр станцияларына ұқсас. Экономикалық көрсеткіштері кей жағдайда төмендеу болуы мүмкін, алайда жергілікті отын ресурстары жеткіліксіз өңірлерде атом станциясындағы 1 кВт·сағ энергияның құны жылу станциясынан қымбат болмауы ықтимал.
Өзіндік мұқтаждар және резервтік қорек
АЭС-тің өзіндік мұқтаждары жоғары сенімділікті талап етеді. Сондықтан әдеттегі резервтеуден бөлек, резервтік дизель-генератор қондырғылары қарастырылады: негізгі жүйені шапшаң қосу мүмкін болмаған жағдайда олар іске қосылады. Сондай-ақ аккумулятор батареяларын орнату көзделеді, ал ірі станцияларда жауапты тұтынушыларды жабдықтайтын екі батареялы жүйелер қолданылады.
Атом электр станцияларының ерекшеліктері
- Географиялық тұрғыдан көптеген аймақта, соның ішінде таулы өңірлерде де салынуы мүмкін.
- Сыртқы факторларға тәуелділігі төмен; жұмыс режімі салыстырмалы автономды.
- Отын шығыны аз мөлшерде болады.
- Тұтынушылардың жүктеме графигіне икемделіп жұмыс істей алады.
- Режім өзгерісіне сезімтал (әсіресе жылдам нейтронды реакторларда).
- Атмосфераны салыстырмалы аз ластайды: радиоактивті газдар мен аэрозольдер деңгейі санитарлық нормадан аспайтындай етіп шектеледі.