|
Читайте также: |
Использование нейтронов теплового спектра выгодно потому, что сечение взаимодействия ядер урана-235 с нейтронами, участвующих в цепной реакции, растёт по мере снижения энергии нейтронов, а ядер урана-238 остаётся при низких энергиях постоянным. В результате, самоподдерживающаяся реакция при использовании природного урана, в котором делящегося изотопа 235U всего 0,7%, невозможна на быстрых нейтронах (спектра деления) и возможна на медленных (тепловых).
Активная зона реактора на тепловых нейтронах состоит из замедлителя, ядерного топлива, теплоносителя и конструкционных материалов. Для уменьшения загрузки ядерного топлива в реакторах на тепловых нейтронах применяют конструкционные материалы с малым сечением радиационного захвата нейтронов. К ним относятся алюминий, магний, цирконий и др. Небольшие потери нейтронов в замедлителе и конструкционных материалах дают возможность использовать в качестве ядерного топлива для реакторов на тепловых нейтронах природный и слабообогащённый уран.
В мощных энергетических реакторах не всегда удается подобрать подходящие конструкционные материалы с небольшим сечением поглощения. Тогда оболочки, каналы и другие части конструкции реакторов изготовляют из материалов, интенсивно поглощающих нейтроны, таких, как нержавеющая сталь. Дополнительные потери тепловых нейтронов в конструкционных материалах компенсируются использованием урана с высоким обогащением — до 10 %.
В реакторах на тепловых нейтронах весьма существенно поглощение нейтронов продуктами деления, для компенсации которого в активную зону перед началом кампании добавляют определённую массу ядерного топлива. Эта добавка увеличивается с ростом кампании и удельной мощности реактора.
2.Быстры нейтроны( энергия > 105 эВ)
В активную зону и отражатель реактора на быстрых нейтронах входят в основном тяжёлые материалы. Замедляющие ядра вводят в активную зону в составе ядерного топлива (карбид урана UC, двуокись плутония PuO2 и пр.) и теплоносителя. Концентрацию замедлителя в активной зоне стремятся уменьшить до минимума, так как лёгкие ядра смягчают энергетический спектр нейтронов. Прежде чем поглотиться, нейтроны деления успевают замедлиться в результате неупругих столкновений с тяжёлыми ядрами лишь до энергий 0,1—0,4 МэВ.
Сечение деления в быстрой области энергий не превышает 2 барн. Поэтому для осуществления цепной реакции на быстрых нейтронах необходима высокая концентрация делящегося вещества в активной зоне — в десятки раз больше концентрации делящегося вещества в активной зоне реактора на тепловых нейтронах. Несмотря на это, проектирование и строительство дорогостоящих реакторов на быстрых нейтронах оправданно, так как на каждый захват нейтрона в активной зоне такого реактора испускается в 1,5 раза больше нейтронов деления, чем в активной зоне реактора на тепловых нейтронах. Следовательно, для переработки ядерного сырья в реакторе на быстрых нейтронах можно использовать значительно бо́льшую долю нейтронов. Это главная причина, из-за которой проводят широкие исследования в области применения реакторов на быстрых нейтронах.
Отражатель реакторов на быстрых нейтронах изготовляют из тяжёлых материалов: 238U, 232Th. Они возвращают в активную зону быстрые нейтроны с энергиями выше 0,1 МэВ. Нейтроны, захваченные ядрами 238U, 232Th, расходуются на получение делящихся ядер 239Pu и 233U.
Мощность реактора регулируется подвижными тепловыделяющими сборками, ТВЭЛами со стержнями из природного урана или тория. В небольших реакторах более эффективен как регулятор подвижный отражатель: ходом цепной реакции управляют, изменяя утечку нейтронов. Если слой отражателя удалять из реактора, то утечка нейтронов увеличивается, вследствие чего тормозится развитие цепного процесса, и наоборот. Наиболее эффективны подвижные слои отражателя на границе с активной зоной.
Выбор конструкционных материалов для реакторов на быстрых нейтронах практически не ограничивается сечением поглощения, так как эти сечения в области быстрых энергий у всех веществ очень малы по сравнению с сечением деления. По этой же причине захват нейтронов продуктами деления мало влияет на загрузку ядерного топлива в реактор.
3.Замкнутый ядерный топливный цикл - ядерный топливный цикл, в котором отработавшее ядерное топливо, выгруженное из реактора, перерабатывается для извлечения урана и плутония для повторного изготовления ядерного топлива.
Этапы замкнутого ЯТЦ включают выдержку отработанного ядерного топлива на территории АЭС в течение 3–10 лет; временное контролируемое хранение ОЯТ в автономных хранилищах при радиохимическом заводе (сроком до 40 лет), переработку ОЯТ с выделением из него отдельных (или суммы) делящихся нуклидов и продуктов деления, представляющих коммерческий интерес, отверждение и захоронение отходов. Переработка отработанного ядерного топлива даёт определённые экономические выгоды,
восстанавливая неиспользованный уран и вовлекая в энергетику наработанный плутоний. При этом уменьшается объем высокорадиоактивных и опасных отходов, которые необходимо надлежащим образом хранить, что также имеет определенную экономическую целесообразность. В отработанном ядерном топливе содержится примерно 1% плутония. Это очень хорошее ядерное топливо, которое не нуждается ни в каком процессе обогащения, оно может быть смешано с обедненным ураном и поставляться в виде свежих топливных сборок для загрузки в реакторы. Его можно использовать для загрузки и в реакторы- размножители (коверторы и бридеры).
Приблизительно 96 % урана-238, который используется в реакторе, выводится с отработанным ядерным топливом (расходуется около 1 %). Оставшаяся часть топлива преобразуется в теплоту, радиоактивные продукты распада или образует изотопы плутония и других актиноидов. Переработка уменьшает объём высокоактивных радиоактивные отходы, и может приносить экономическую выгоду.
В отработанное ядерное топливо содержится около 1 % изотопов плутония, на основе которого в смеси с обеднённым ураном изготавливается MOX-топливо (ядерное топливо, содержащее несколько оксидов делящихся материалов. Одним из привлекательных свойств MOX-топлива является то, что при его производстве утилизируются излишки оружейного плутония, которые в противном случае являются ядерными отходами.
Считается, что подобные схемы переработки ядерного топлива не получили распространения, ввиду относительно низких цен на уран.
54 . Термодинамические основы работы ТЭС и ТЭЦ.
Тепловые электростанции различаются по виду отпускаемой энергии. Конденсационные электростанции (КЭС) производят только электрическую энергию, а теплоэлектроцентрали (ТЭЦ) – электрическую энергию и тепло в виде пара и горячей воды. Главное отличие ТЭЦ от КЭС – возможность отобрать часть тепловой энергии пара, после того, как он выработает электрич. эн. В зав-ти от вида паровой турбины, сущ. различ. отборы пара, которые позволяют забирать из нее пар с разными параметрами. Турбины ТЭЦ позволяют регулировать кол-во отбираемого пара. Отобранный пар конденсируется в сетевых подогревателях и передает свою энергию сетевой воде.
Термодинамическую основу ТЭС составляет цикл Ренкина - термодинамический цикл преобразования тепла в работу с пом. водяного пара.
1. изобара (4-5-6-1). Происходит нагрев и испарение воды, а затем перегрев пара. В процессе затрач-ся теплота q1.
2. адиабата (1-2). Процесс расширения пара в турбине, то есть её вращение паром.
3. изобара (2-3). Конденсация отработанного пара с отводом теплоты q2 охлаждающей водой.
4. адиабата (3-4). Сжатие в питат. насосе конденсата до первоначального давления в котле с затратой работы
На КПД цикла Ренкина влияют нач. и конеч. параметры пара:
η = (q1-q2)/q1. Полезная работа цикла увелич. при сниж. давл. пара за турбиной (в конд-ре), увелич. темп-ры и повыш. давл. пара перед турбиной. Давление пара перед турбинами: 13 и 24 МПа с темп-рой перегрева пара 540-565ОС. Давл. пара в конд-ре на уровне 4 кПа, температура 28-35 оС. КЭС имеют η=30-40 %.
Повыш. КПД ТЭС можно достичь организацией теплофикационного режима – производство и электроэнергии, и теплоты (ТЭЦ: η до 80 %.).
Согласно 2-му закону термодинамики получение работы в термодинамич. цикле невозможно без отдачи теплоты холодному источнику тепла. В цикле Ренкина реальная темп-ра холодного источника (окр. среды) находится в пределах 300С, а темп-ра горяч. источ. сущ-но ограничена (630оС). Поэтому даже на лучших ТЭС холодному источнику (конд-ру) отдается около половины полученной рабочим телом теплоты. Превращение этой теплоты в работу практически невозможно, т.к. теплота в конд-ре передается при темп-ре, близкой к темп-ре окр. ср.
Для использования охлаждающей воды в системах отопления ее темп-ру повыш. за счет увелич. давл. пара в конд-ре примерно до атмосферного и превращают конденсатор турбины в теплообменник. При этом уменьш. теплоперепад в турбине, т. е. уменьш-ся кол-во теплоты пара, превращенной в механич. эн. Тепло, пошедшее в конденсатор-теплообменник, не выбрасывается в атмосферу, как в обычном конденсаторе на КЭС, а используется на технологические или бытовые нужды. Это дает возможность полностью использовать теплоту, полученную от горячего источника, частично для получения работы и выработки электроэнергии, частично для получения теплоты.
ДОПОЛНИТЕЛЬНО сравнение ТЭС и ТЭЦ
На крупных промышленных предприятиях обычно имеется два источника электроэнергии: внешняя система электроснабжения (ВСЭ) и собственная электростанция – ТЭЦ (теплоэлектроцентраль). В ВСЭ электроэнергия вырабатывается на различных электростанциях городского, районного или федерального значения: ТЭЦ, КЭС (конденсатных электростанциях), АЭС (атомных электростанциях) и ГЭС (гидроэлектростанциях). ТЭЦ, обычно вырабатывающие наряду с электроэнергией теплоту в виде пара и горячей воды, на металлургических заводах с полным циклом производства стали включают в себя также установки по производству сжатого воздуха для доменных печей, т.е. являются одновременно либо и паровоздуходувными станциями (ПВС), поэтому называются ТЭЦ – ПВС, либо и электровоздуходувными станциями (ЭВС) и называются ТЭЦ – ЭВС. В состав крупных металлургических предприятий обычно входит несколько ТЭЦ, главная (или в первую очередь построенная) из них иногда называется ЦЭС – центральная электростанция.
ТЭС металлургического завода является станцией местного значения, однако может быть присоединена к электрической с-ме высокого напряжения, образованной районными электрическими станциями. Тепловые электрические станции, на кот осуществл теплофикационный цикл, наз ТЭЦ в отличие от тепловых электростанций, работающих по конденсационному режиму КЭС.
ТЭС включает в себя установки по произ-ву электрич энергии и тепловой, т.е. явл ТЭЦ, а также установки по производству сжатого воздуха для обеспечения доменных печей дутьем, т.е. явл одновременно и паровоздушными станциями ПВС, наз ТЭЦ-ПВС.
55. Оборудование ТЭЦ и теплоснабжение металлургич. завода.ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ-НЕТ
ТЭЦ, вырабатывающие наряду с электроэнергией теплоту в виде пара и горячей воды, на металлургич. заводах с полным циклом включают в себя также установки по пр-ву сжатого воздуха для домен. печей, т.е. явл-ся одновременно либо и паровоздуходувными станциями (ПВС) – ТЭЦ-ПВС, либо и электровоздуходувными станциями (ЭВС) – ТЭЦ-ЭВС. В состав крупных металлургич. предприятий обычно входит несколько ТЭЦ.
Система теплоэнергоснабжения обеспечивает промышленное предприятие теплотой (на водяном или паровом теплоносителе), а иногда частично электроэнергией и др. энергоносителями, например, в виде сжатого воздуха.
Крупные предприятия наряду с использованием районных систем теплоэнергоснабжения имеют собственные источники теплоты и электроэнергии. На металлургич. предприятиях основными их источниками явл. ТЭЦ, ТЭЦ-ПВС и ТЭЦ-ЭВС. На предприятиях также имеются паровые котельные ПК, вырабатывающие только теплоту и пар, водогрейные котлы. Прием энергоносителей от внешних систем производится через центральные тепловые и электрораспределительные пункты.
В систему ТЭЦ-ПВС входит несколько котлов, паровых турбин, электрогенераторов и турбовоздуходувок, паровые и водогрейные котлы различных типов. В современные теплостанции могут входить также и газотурбинные установки с котлами-утилизаторами за ними.
На схеме показаны котел 1, турбина 2 с производственным и теплофикационным отборами типа ПТ, турбина 3 с противодавлением типа Р, турбина 4 типа К для вращения турбовоздуходувок.
Турбина ПТобеспечивает производственных потребителей пара 12 и потребителей горячей воды 11 через основные 8 и пиковый 9 сетевые подогреватели. Потребители пара 12 могут использовать пар от редукционно-охладительной установки РОУ 16. Кроме того, турбина имеет отборы пара для регенеративного подогрева питательной воды в подогревателях низкого 14, среднего 15 и высокого 13 давлений.
Турбина 3 типа Р имеет один производственный отбор пара, а отходящий от нее пар используется в конденсационной турбине 4 для привода воздуходувки. Турбина 4, в свою очередь, имеет отборы пара для регенеративного подогрева питательной воды.
Конденсат со всех агрегатов и потребителей тепла конденсатными насосами 7 передается в деаэратор 5, откуда питательными насосами 6 через подогреватели подается в котел 1. Циркуляция воды в системе теплофикационного теплоснабжения осуществляется сетевым насосом 10. Потери пара и конденсата восполняются химически очищенной водой 17, поступающей в деаэратор и систему теплофикационного теплоснабжения.
56. Схема паровой турбины. Преобразование энергии в турбине. Одно- и многоступенчатые турбины, оптимальное число оборотов ротора.
В турбине происходит двойное преобразование энергии: сначала в соплах потенциальная энергия пара преобразуется в кинетическую, а затем в межлопаточном пространстве рабочего колеса турбины кинетическая энергия превращается в механическую, или кинетическую энергию ротора турбины. В зависимости от степени превращения в соплах потенциальной энергии пара в кинетическую различают два типа турбин – активные и реактивные. В соплах активных турбинах происходит практически 100%-ый переход потенциальной энергии пара в кинетическую энергию, в реактивных – лишь около 50% энергии пара превращается в кинетическую.
Принципиальная схема одноступенчатой турбины показана на рис.22. Сопла и выходной патрубок прикреплены к корпусу турбины и представляют ее статор, остаются неподвижными, а вал, диски и рабочие лопатки представляют собой вращающуюся часть турбины, т.е. ее ротор.
Важно заметить, что ротор приводится во вращение только по тому, что пар, протекая по криволинейному каналу между лопатками, оказывает давление на вогнутую поверхность лопаток. Это давление может быть усилено дополнительно реактивным действием потока пара. Удар же струи о стенки лопаток по возможности должен быть исключен.
При адиабатном (изоэнтропийном, идеальном) процессе преобразования энергии в соплах баланс энергии выражается
уравнением
io + 0,5Co2 = i1 + 0,5C12, Дж/кг,
где io, Co и i1, C1 соответственно, энтальпия и скорость пара на входе и выходе из сопла.
Из уравнения следует, что скорости истечения пара из сопл в случае активной и реактивной турбины равны
с1акт = (2(io – i1) + сo2)0,5 = (2ho + сo2)0,5, с1реак = (2ho(1 - r) + сo2)0,5,
где ho = io – i1 - адиабатный теплоперепад в соплах турбины, Дж/кг, r = hо2 /ho – коэффициент реактивности турбины; ho2 = ho – ho1 – адиабатый теплоперепад на лопатках турбины, ho1 – адиабатный теплоперепад в соплах турбины, Дж/кг.
В реальном процессе уравнение баланса энергии в соплах имеет вид
io + 0,5сo2 = i1 + 0,5с12 + hс, Дж/кг,
соответствующие же уравнения для определения скорости выхода пара из сопл
с1акт = j(2ho + сo2)0,5, с1реак = j(2ho(1 - r) + сo2)0,5,
где hс, j = 0,93 – 0,98 - потери теплоты в соплах, Дж/кг, скоростной коэффициент сопла.
Преобразование скорости на лопатках турбины в активном варианте ее работы связано с изменением кинетической энергии пара, в реактивном – с изменением кинетической и потенциальной энергии. относительная скорость входа пара на лопатки
w1 = (c12 + u2 – 2c1 u cosa1)0,5, м/с,
относительная скорость выхода пара из канала между лопатками
w2акт = yw1, w2реак = y(w12 + rho)0,5, м/с.
абсолютная скорость выхода пара из канала между лопатками
c2 = (w22 + u2 – 2w2 u cos b2)0,5, м/с.
Окружная скорость u определяется для середины лопатки
u = pdn/60, м/с,
где d - средний диаметр турбины, м; n - частота вращения ротора турбины, об/мин.
Дата добавления: 2015-07-14; просмотров: 143 | Нарушение авторских прав
| <== предыдущая страница | | | следующая страница ==> |
| Термоядерные реакторы. | | | Одно- и многоступенчатые турбины, оптимальное число оборотов ротора. |