Научно-практическая конференция исследовательских работ обучающихся общеобразовательных организаций
«Кузбасские истоки»
Направление: Точные науки
Тема: «Макет «Принцип действия АЭС»»
Пьянков Александр
МБОУ «Средняя общеобразовательная школа №9»
город Таштагол, Кемеровской области
11 – б класс
Научный руководитель:
,
учитель физики
высшей квалификационной категории
МБОУ «Средняя общеобразовательная школа №9»
1. Введение
Развитие промышленности, транспорта, сельского и коммунального хозяйств требует непрерывного увеличения производства электроэнергии.
Мировое потребления энергии растёт с каждым годом.
Мы настолько привыкли к электричеству, что не задумываемся, откуда оно берётся. В основном, оно вырабатывается на электростанциях, которые используют для этого различные источники. Электростанции бывают тепловые, ветряные, геотермальные, солнечные, гидроэлектростанции, атомные. Именно последние вызывают больше всего споров. Спорят об их нужности, надёжности.
По производительности атомная энергетика сегодня – одна из самых эффективных и её доля в мировом производстве электрической энергии довольно значительна, более четверти.
Как устроена атомная электростанция, за счёт чего она вырабатывает энергию?
2. Основная часть
2.3 Принцип работы АЭС
|
АЭС – комплекс технических сооружений, предназначенных для выработки электрической энергии путем использования энергии, выделяемой при контролируемой ядерной реакции.
|
На рисунке показана схема работы атомной электростанции с двухконтурным водо-водяным энергетическим реактором. Энергия, выделяемая в активной зоне реактора, передаётся теплоносителю первого контура. Далее теплоноситель поступает в теплообменник (парогенератор), где нагревает до кипения воду второго контура. Полученный при этом пар поступает в турбины, вращающие электрогенераторы. На выходе из турбин пар поступает в конденсатор, где охлаждается большим количеством воды, поступающим из водохранилища.
Компенсатор давления представляет собой довольно сложную и громоздкую конструкцию, которая служит для выравнивания колебаний давления в контуре во время работы реактора, возникающих за счёт теплового расширения теплоносителя. Давление в 1-м контуре может доходить до 160 атмосфер.
Помимо воды, в различных реакторах в качестве теплоносителя могут применяться также расплавы металлов: натрий, свинец, эвтектический сплав свинца с висмутом и др. Использование жидкометаллических теплоносителей позволяет упростить конструкцию оболочки активной зоны реактора (в отличие от водяного контура, давление в жидкометаллическом контуре не превышает атмосферное), избавиться от компенсатора давления.
Общее количество контуров может меняться для различных реакторов, схема на рисунке приведена для реакторов типа ВВЭР (Водо-Водяной Энергетический Реактор). Реакторы типа РБМК (Реактор Большой Мощности Канального типа) использует один водяной контур, реакторы на быстрых нейтронах — два натриевых и один водяной контуры, перспективные проекты реакторных установок СВБР-100 и БРЕСТ предполагают двухконтурную схему, с тяжелым теплоносителем в первом контуре и водой во втором.
В случае невозможности использования большого количества воды для конденсации пара, вместо использования водохранилища вода может охлаждаться в специальных охладительных башнях (градирнях), которые благодаря своим размерам обычно являются самой заметной частью атомной электростанции.
2.2. Основные процессы, происходящие во время работы АЭС:
1. Главными циркуляционными насосами вода прокачивается через активную зону реактора, где она нагревается до температуры 320 градусов за счет тепла, выделяемого при ядерной реакции.
2. Нагретый теплоноситель отдает свою теплоту воде второго контура (рабочему телу), испаряя ее в парогенераторе.
3. Охлажденный теплоноситель вновь поступает в реактор.
4. Парогенератор выдает насыщенный пар под давлением 6,4 МПа, который подается к паровой турбине.
5. Турбина приводит в движение ротор электрогенератора.
6. Отработанный пар конденсируется в конденсаторе и вновь подается в парогенератор конденсатным насосом. Для поддержания постоянного давления в контуре установлен паровой компенсатор объема.
7. Теплота конденсации пара отводится из конденсатора циркуляционной водой, которая подается питательным насосом из пруда охладителя.
8. И первый, и второй контур реактора герметичны. Это обеспечивает безопасность работы реактора для персонала и населения.
В случае невозможности использования большого количества воды для конденсации пара, вместо использования водохранилища, вода может охлаждаться в специальных охладительных башнях (градирнях).
Безопасность и экологичность работы реактора обеспечиваются жестким выполнением регламента (правил эксплуатации) и большим количеством контрольного оборудования. Все оно предназначено для продуманного и эффективного управления реактором.
Аварийная защита ядерного реактора – совокупность устройств, предназначенная для быстрого прекращения цепной ядерной реакции в активной зоне реактора.
Активная аварийная защита автоматически срабатывает при достижении одним из параметров ядерного реактора значения, которое может привести к аварии. В качестве таких параметров могут выступать: температура, давление и расход теплоносителя, уровень и скорость увеличения мощности.
Исполнительными элементами аварийной защиты являются, в большинстве случаев, стержни с веществом, хорошо поглощающим нейтроны (бором или кадмием). Иногда для остановки реактора жидкий поглотитель впрыскивают в контур теплоносителя.
Дополнительно к активной защите, многие современные проекты включают также элементы пассивной защиты. Например, современные варианты реакторов ВВЭР включают "Систему аварийного охлаждения активной зоны" (САОЗ) – специальные баки с борной кислотой, находящиеся над реактором. В случае максимальной проектной аварии (разрыва первого контура охлаждения реактора), содержимое этих баков самотеком оказываются внутри активной зоны реактора и цепная ядерная реакция гасится большим количеством борсодержащего вещества, хорошо поглощающего нейтроны
3. Практическая часть
3.1 Описание макета «Принцип действия АЭС»
Для изготовления макета мы выбрали в качестве основания «поликарбонат» на поликарбонатный стенд мы нанесли схему устройства АЭС. На лицевую сторону установлены насосы, которые показывают циркуляцию воды в контурах. В первом контуре находится простая холодная вода, которая закачивается насосом из охладительного бассейна, служащая для охлаждения системы. Вода во втором контуре производит сразу два полезных действия, это охлаждение реактора, тем самым нагреваясь, превращается в пар и приводит в действие турбину, которая вращает генератор, следовательно, вырабатывается электричество. И в дальнейшем охлаждается от первого контура. Вода в третьем контуре «тяжелая» т. е радиоактивная, потому что находится близко к главному реактору, эта вода охлаждается от второго контура, тем самым предотвращает реактор от перегрева, следовательно, от взрыва.
3.2 Конструирование макета
3.2.1 Каркас макета
Материалы: поликарбонат, дерево, пластик.
Поликарбонатовый лист размерами 600х800 мм, на котором изображена принципиальная схема основных узлов АЭС и их принципы действия необходимо поместить на жесткий деревянный каркас. Этот каркас изготовлен из дощечек 30х70 мм. Их длина выбрана по периметру поликарбонатовой пластины.
3.2.2 Насосы
|
С помощью шурупов крепим поликарбонатовую пластину к деревянному каркасу. Для предания наглядности на лицевую сторону макета установили куллеры, имитирующие работу насосов перекачивающих воду в контурах самого реактора,
|
|
3.2.3 Подъемный механизм стержней
В качестве демонстрации подъема и опускания стержней взят червячный механизм из считывающего устройства компьютера (дисковода), усовершенствовав его, и установлен в главной части реактора. Питание данного механизма осуществляется от источника постоянного тока напряжением 12В. |
|
Для имитации движения перекачиваемой воды и пара собраны электрические цепи из светодиодных лампочек таким образом, чтобы имитировали направление потока жидкости и пара. С внутренней стороны поликарбонатовой пластины по направлению течения жидкости и пара высверлены отверстия под светодиодные лампочки, в которые закрепили лампочки. Данная электрическая цепь запитана от источника тока напряжением 35В.3.2.4 Светодиодная электрическая цепь
|
|
На внутренней стороне макета установлены электрические реле, предназначенные для регулирования очередности включения элементов электрических цепей: куллеры и светодиодные лампочки. На лицевой части высверлены и просверлены отверстия для кнопки подъема и опускания стержней, и два шестиконтактных переключателя, один из которых служит для переключения полярности электродвигателя подъема и опускания стержней, а второй для включения питания светодиодных ламп и куллеров.
На устройстве подъема и опускания стержней установлен концевой механизм, включающий реле запуска среднего контура.
3.3 Принцип действия макета АЭС
Полная электрическая цепь собрана таким образом, что сначала включается электрическая цепь подачи охлаждающей воды и кулера: вращается кулер и включается светодиодная подсветка, имитирующая поток охлаждающей жидкости. Вместе с этим замыкается цепь реактора: загораются светодиоды, имитирующие поток воды в реакторе и кулер, показывающий работу насоса. Затем срабатывает механизм системы управления – осуществляется подъём стержней. При достижении верхнего положения срабатывает концевой механизм, включающий с помощью электрического реле средний контур: включается насос и с помощью синих светодиодных ламп показана циркуляция пара.
Для наглядности за стержнями установлена лампочка, которая информирует о протекании реакции в реакторе.
4. Заключение
Мы счмтаем, что за атомной энергетикой – будущее. Согласно Энергетической стратегии России на период до 2020 года, утвержденной распоряжением Правительства Российской Федерации, предусматривается удвоение мощности атомных электростанций.
Это и понятно! Ведь возобновляемые источники энергии намного более безопасны, оказывают намного меньшее воздействие на окружающую среду и имеют стратегическую важность для нынешних и будущих поколений.
Возобновляемая энергетика намного более выгодна в экономическом плане: чем больше в нее делается вложений, тем ниже стоимость технологии.
Кроме того, возобновляемые источники энергии могут послужить стимулом экономической устойчивости и энергетической автономности местности и таким образом уменьшить возможность конфликта, вместо того чтобы быть использованными в качестве оружия.
