Что такое реактор в электрике. Как работает ядерный (атомный) реактор. История создания атомного реактора

Современные автоматические выключатели ликвидируют токи коротких замыканий с минимально возможной выдержкой времени. Но, они не могут противостоять действию электродинамических сил, которые развиваются в первоначальный момент аварии. Для ликвидации их ударного проявления используются другие технические решения, основанные на работе реакторов.

Термин «Реактор» используется для обозначения устройств, работающих за счет проявления сил различных реакций, когда создается ответное воздействие на протекание какого-то определенного процесса, например, биологического, химического, электрического. механического…

Если совершается какое-то действие (обозначаемое корнем слова «акция»), то техническое устройство контролирует этот процесс и осуществляет противодействие его развитию (определяется предлогом «ре»). Название «Реактор» обозначается термином, состоящим из этого корня и предлога. А его окончание завершает определение технического устройства.

Наиболее широко используются сухие реакторы в сетях 6 и 10 кВ. Они выполняются в виде обмотки из изолированного провода, закрепленной на бетонных колоннах. Монтируются с вертикальным, горизонтальным или ступенчатым расположением фаз, в отдельных камерах распределительного устройства. В сетях более высоких напряжений применяются реакторы с масляной изоляцией, с каркасом стержневой или тороидальной формы из изоляционного материала и стальным баком.

Реакторы различают: по исполнению - одинарные и сдвоенные, по месту включения - секционные и линейные, по характеристикам - с линейной или нелинейной характеристикой, управляемые и неуправляемые. Сухие бетонные реакторы относятся к неуправляемым реакторам с линейной характеристикой.

Виды реакторов в энергетике

В высоковольтных электрических системах реакторы работают на принципе контроля и ограничения аварийных токов, стихийно возникающих на оборудовании схемы.

По назначению конструкции они подразделяются на два вида:

1. уменьшающие величины токов коротких замыканий - токоограничивающие;

2. снижающих возникающую электрическую дугу - дугогасящие.

Первый вид электротехнических аппаратов создается для устранения действия ударного тока, образуемого при возникновении короткого замыкания.

Второй - дугогасящие реакторы увеличивают индуктивное сопротивление, противодействующее развитию дуги при аварийной ситуации, связанной с образованием однофазного замыкания на контур земли в сетях, использующих глухоизолированную нейтраль.

Оба вида этих электротехнических устройств при номинальном режиме работы оборудования вносят небольшую погрешность в выходные характеристики системы, но она лежит в пределах рабочих нормативов, вполне допустима.

Токоограничивающие реакторы

Что такое ударный ток короткого замыкания

При номинальном режиме высоковольтная энергия питания расходуется на преодоление полного сопротивления подключенной электрической схемы, состоящего из активной и реактивной нагрузки с индуктивными и емкостными связями. При этом создается рабочий ток, сбалансированный приложенной мощностью, напряжением, полным сопротивлением цепи.

Во время короткого замыкания происходит шунтирование огромной мощности источника случайным подключением нагрузки с маленьким активным сопротивлением, характерным для металлов. В ней отсутствует реактивная составляющая.

Это КЗ устраняет созданное равновесие в рабочей схеме, формирует новые виды токов. При этом переход источника напряжения на режим короткого замыкания происходит не мгновенно, а слегка растянут по времени. Такой кратковременный период называют переходным. При его протекании токи нагрузки изменяют форму и величину от значения гармоничной синусоиды номинального режима до характеристик установившегося подключения к «металлическому замыканию».

В ходе протекания переходных процессов полный ток от КЗ представляет собой вид сложной формы, которую для упрощения расчетов и анализа разделяют минимум на две составляющие:

1. вынужденную периодическую;

2. свободную апериодическую.

Первая часть повторяет форму питающего напряжения, а вторая возникает скачком и постепенно убывает по величине. Она формируется за счет емкостной нагрузки номинального режима, который рассматривается как холостой ход для последующего короткого замыкания.

Обе составляющие, складываясь вместе, создают ток, изменяющийся во времени сложным видом. Его необходимо учитывать при создании защит для принятия действенных мер.

За основу расчета выбирается величина с максимальным мгновенным значением апериодической составляющей. Его и называют ударным током.

Как работает токоограничивающий реактор

Основу конструкции составляет обмотка катушки, обладающей индуктивным сопротивлением, включенным в разрыв основной цепи питания. Ее параметры подбирают таким образом, чтобы при нормальных условиях эксплуатации падение напряжения на ней не превышало четырех процентов от общей величины.

При возникновении аварийной ситуации в защищаемой схеме эта индуктивность гасит большую часть приложенного высоковольтного напряжения и таким образом ограничивает действие ударного тока.

Токоограничивающий реактор рассчитывают по величине максимального тока аварии Im, которому он может противостоять по выражению:

Im= (2,54I н/Хр)х100%

В формуле Iн обозначает значение номинального тока, а Xр - величину реактивного сопротивления обмотки.

Приведенная закономерность наглядно показывает, что увеличение индуктивности катушки ведет к уменьшению ударного тока.

Реактивные свойства обмоток обычно повышают подключением магнитопровода из стальных пластин. В конструкциях подобных реакторов при протекании больших токов по виткам происходит насыщение материала сердечника, что ведет к потере его токоограничивающих свойств. Поэтому от таких конструкций в большинстве случаев отказываются.

Токоограничивающие реакторы, как правило, изготавливают без использования стальных сердечников. Из-за необходимости достижения требуемой индуктивности они обладают повышенными габаритами и весом.

Конструкции токоограничивающих реакторов

По внутреннему исполнению они бывают:

1. бетонными;

2. сухими;

3. масляными;

4. броневыми.

Реакторы из бетонных блоков

Такие конструкции эксплуатируются довольно долгое время в сетях с напряжением до 35 кВ. Их обмотку делают из эластичных проводов, демпфирующих динамические и температурные нагрузки несколькими параллельными цепочками, равномерно распределяющими токи. Этим способом разгружают механическое воздействие на стационарную бетонную конструкцию.

Витки обмоток подобных реакторов выполнены многожильными проводами круглого сечения с изоляцией. Их заливают специальным сортом высокопрочного бетона, смонтированного в вертикальные колонки. При необходимости дополнения в конструкцию металлических частей используют исключительно немагнитные материалы.

Способ включения фазных катушек выбирают таким, что бы магнитные поля от них направлялись встречно. Этим приемом ослабляют динамические усилия при ударных токах КЗ.

Открытое расположение обмоток в пространстве позволяет обеспечивать хорошие условия для естественного охлаждения атмосферным воздухом. Когда тепловые нагрузки при номинальном режиме или коротких замыканиях способны превысить допустимые пределы нагрева обмоток, то применяют принудительный обдув вентиляторами.

При эксплуатации следует учитывать, что при сырой погоде бетон накапливает влажность из воздуха.

Подобные устройства до сих пор массово работают в высоковольтных сетях энергетики, успешно справляются с аварийными ситуациями, но считаются уже морально устаревшими.

Реакторы сухого типа

Они стали появляться благодаря разработке новых изоляционных материалов, основанных на кремнийорганической структуре. Она позволяет создавать изделия, успешно работающие на электрооборудовании до 220 кВ включительно.

Катушка обмотки наматывается прямоугольным многожильным кабелем повышенной прочности и покрывается слоем кремнийорганического лака. Дополнительные эксплуатационные преимущества обеспечивает покрытие кремнийорганической силиконовой изоляцией.

В результате этих доработок сухие токоограничивающие реакторы по сравнению с бетонными аналогами обладают:

меньшими габаритами и весом;

повышенной механической прочностью;

лучшей термостойкостью;

бо́льшим ресурсом работы.

Масляные реакторы

У них медная обмотка проводников изолируется пропитанной кабельной бумагой и монтируется на изоляционных цилиндрах, помещенных в емкость с маслом либо другим жидким диэлектриком, одновременно выполняющим функцию отвода тепла.

Чтобы исключить нагрев металлического корпуса емкости от протекающего по виткам обмотки переменного поля промышленной частоты в подобную конструкцию включают магнитные шунты или электромагнитные экраны.

Магнитный шунт создают из магнитомягких листов стали. размещенных внутри масляной емкости около ее стенок. Образованный таким методом внутренний магнитопровод замыкает на себя магнитный поток, создаваемый обмоткой.

Электромагнитные экраны изготавливают в виде алюминиевых либо медных короткозамкнутых витков, смонтированных у стенок бака. В них индуцируется встречное электромагнитное поле, снижающее действие основного.

Реакторы с броней

Создаются с сердечником. Учитывая возможность насыщения магнитопровода, такие изделия требуют точного расчета и тщательного анализа условий эксплуатации.

Броневые сердечники из электротехнических сортов стали позволяют снижать габариты и вес подобных конструкций реакторов, а заодно и стоимость.

Но при их использовании требуется обязательно учитывать то обстоятельство, чтобы ударный ток не превышал максимального возможного значения для этого типа устройств.

Дугогасящие реакторы

Защищают кабельную ЛЭП по другому принципу, чем их токоограничивающие аналоги.

Об опасности однофазных замыканий на контур земли в схеме с изолированной нейтралью

Энергетические сети с рабочим напряжением 6÷35 кВ создаются для работы на линиях электропередач с нейтралью, изолированной от земли. В этом случае между всеми проводниками образуется емкостное сопротивление, а они сами работают так же, как обкладки конденсатора, то есть накапливают заряды.

При нарушении изоляции любой из фаз на контур земли создается замкнутая электрическая цепочка, через которую начинает стекать только емкостной ток. Он не создает короткое замыкание. Поэтому подобную неисправность допускается действующими документами устранять не мгновенно, а с выдержкой времени до двух часов. Она необходима оперативному персоналу как резерв на изменение схемы питания потребителей поврежденной линии без перерыва их электроснабжения.

С этой целью настраиваются в работу на сигнал, а не на отключение питания. Однако в такой ситуации проявляется двойная опасность:

1. попадания человека под действие шагового напряжения, оказавшегося в случайном месте возникновения неисправности;

2. возникновения электрической дуги, когда емкостной ток станет превышать величину в 20 ампер.

Горение дуги разрушает изоляцию проводов и кабелей, переводит однофазное замыкание в двух- или трехфазное КЗ со всеми негативными последствиями. Ее действие ограничивают защитными устройствами.

Назначение дугогасящих реакторов

Обмотка катушки L включается между нейтралью генератора и контуром земли. Она обладает индуктивным сопротивлением, которое можно регулировать посредством переключения числа витков. Измерительный трансформатор ТА позволяет контролировать проходящий ток для принятия действенных мер.

Такой способ подключения обмотки катушки позволяет создавать последовательную цепочку, состоящую из емкости и индуктивности, к которой приложено напряжение источника фазы с поврежденной изоляцией.

Емкостной и индуктивный токи находятся в противофазе, сдвинуты на общий угол 180 градусов. Действие емкостного тока ограничивается индуктивным, направленным встречно. В итоге суммарная величина, проходящая через поврежденную изоляцию, значительно уменьшается.

Методы классификации

Способы настроек

Дугогасящие реакторы могут создаваться под индивидуальные условия эксплуатации, не требующие специальных настроек для линий ограниченной длины или изготавливаться с возможностью регулировки индуктивного сопротивления катушки:

1. ступенчато:

2. плавно.

В первом случае изменение индуктивности осуществляется за счет переключения числа обмоток, подключенных к отпайкам.

Плавную регулировку выполняют:

плунжерные конструкции, регулирующие воздушный зазор магнитопровода;

реакторы с подмагничиванием постоянным током, использующие принципы магнитных усилителей.

Виды управления

Дугогасящие реакторы постоянной индуктивности создаются без систем управления.

Для регулирования индуктивности используются конструкции с:

ручным переключением числа работающих витков. Этот процесс не только трудоемкий, но и требует снятия напряжения с реактора;

приводом, работающим автоматически под нагрузкой сети;

измерителем емкости, позволяющим автоматически подстраивать индуктивность под результат замера за счет плавного регулирования тока.

Современные конструкции дугогасящих реакторов в управлении используют микропроцессорные технологии, облегчающие возможности эксплуатации предоставлением обслуживающему персоналу расширенной информации по статистике замыканий, поиску повреждений и другим полезным функциям.

План лекции:

4.1 Виды химических реакторов. Реакторы идеального смешения и идеального вытеснения.

4.2 Реакторы для гомогенных процессов

4.3. Реакторы для гетерогенных процессов с твердой фазой

4.4. Реакторы для газо-жидкостных процессов

По первому признаку реакторы делят на периодические, непрерывные и полунепрерывные. Реакторы непрерывные, т.е. с непрерывной подачей реагентов и отводом продуктов, в свою очередь, подразделяются по характеру движения реакционной среды (т.е. по гидродинамической обстановке в реакторе) на реакторы идеального вытеснения и реакторы идеального смешения.

Реакторы периодические характеризуются единовременной загрузкой реагентов. При этом процесс складывается из трех стадий: загрузки сырья, его обработки (химическое превращение) и выгрузки готового продукта. После завершения последовательности этих стадий они повторяются вновь, т.е. работа реактора осуществляется циклически. Продолжительность одного цикла, проводимого в периодическом реакторе, определяется по уравнению

τ п = τ + τ всп, (4.1)

где τ п - полное время цикла; τ - рабочее время (затрачиваемое на проведение химической реакции); τ всп - вспомогательное время (загрузка реагентов и выгрузка продукта).

Реактор идеального смешения периодический представляет собой аппарат с мешалкой, в который периодически загружают исходные реагенты (рис. 4.1). В таком реакторе создается весьма интенсивное перемешивание, поэтому в любой момент времени концентрация реагентов одинакова во всем объеме реактора и изменяется лишь во времени, по мере протекания химической реакции. Такое перемешивание можно считать идеальным.

Рис. 4.1 Реактор идеального смешения периодический

Изменение концентрации исходного реагента А во времени и в объеме реактора показано на рис. 10. Обозначения, приведенные на рис. 4.1 и 4.2 имеют следующие значения: N A, 0, N A - количество исходного реагента Aв реакционной смеси в начале и конце процесса; C A, 0, С A - начальная и конечная концентрации реагента Aв реакционной смеси; X A, 0 , X A - начальная и конечная степень превращения реагента A; τ - время; y - пространственная координата (координата места).

Рис. 4.2. Распределение концентрации реагента в периодическом реакторе идеального смешения: а) по времени, б) по месту (по объему).

Периодические химические процессы по своей природе всегда являются нестационарными (неустановившимися), так как в ходе химической реакции параметры процесса изменяются во времени (например, концентрация веществ, участвующих в реакции, т.е. происходит накопление продуктов реакции).

Реакторы периодического действия просты по конструкции, требуют небольшого числа вспомогательного оборудования, поэтому они особенно удобны для проведения опытных работ по изучению химической кинетики . В промышленности они обычно используются в малотоннажных производствах и для переработки относительно дорогостоящих химических продуктов. Большинство же промышленных процессов оформляется с использованием реакторов непрерывного действия.

В реакторах непрерывного действия (или проточных реакторах) питание реагентами и отвод продуктов реакции осуществляется непрерывно. Если в периодическом реакторе можно непосредственно, по часам, измерить продолжительность реакции, то в реакторе непрерывного действия этого сделать нельзя, так как при установившемся режиме в этих реакторах параметры не меняются со временем. В связи с этим для непрерывных реакторов применяют понятие условного времени пребывания реагентов в системе (времени контакта)

где V r - объем реактора; V 0 - объем реакционной смеси, поступающей в реактор в единицу времени (объемный расход реагентов).

Реактор идеального вытеснения (РИВ) представляет собой трубчатый аппарат, в котором отношение длины трубы L к ее диаметру d достаточно велико. В реактор непрерывно подаются исходные реагенты, которые превращаются в продукты реакции по мере перемещения их по длине реактора (рис. 4.3). Гидродинамический режим в РИВ характеризуется тем, что любая частица потока движется только в одном направлении по длине реактора, обратное (продольное) перемешивание отсутствует; отсутствует также перемешивание по сечению реактора.

Предполагается, что распределение вещества по этому сечению равномерное, т.е. значения параметров реакционной смеси одинаковые. Каждый элемент объема реакционной массы dV r движется по длине реактора, не смешиваясь с предыдущими и последующими элементами объема, и ведет себя как поршень в цилиндре, вытесняя все, что находится перед ним. Поэтому такой режим движения реагентов называется иногда поршневым или режимом полного вытеснения.

Состав каждого элемента объема последовательно изменяется по длине реактора вследствие протекания химической реакции. Концентрация исходного реагента А постепенно меняется по длине реактора от начального значения C А,0 до конечного С А (рис.4.3). Следствием такого режима движения реакционной смеси является то, что время пребывания каждой частицы в реакторе одно и то же. При составлении математического описания РИВ исходят из дифференциального уравнения материального баланса, преобразуя его с учетом указанных выше особенностей этого реактора.

В реальном реакторе гидродинамическая обстановка отличается от обстановки в идеальном реакторе. Например, в реальном реакторе вытеснения, помимо поршневого движения основного потока по длине реактора, возможно перемешивание потока в продольном и радиальном направлениях. Степень отклонения показателей реального реактора от идеального зависит от трех величин: коэффициента продольного перемешивания (конвективной диффузии) D L линейной скорости потока w и длины реактора L. Эти величины сведены в безразмерный комплекс D L /(wL).

Рис. 4.3 Реактор идеального вытеснения и зависимости концентрации реагента С А и степени превращения Х А от длины реактора.

Общий вид реактора и схемы некоторых из них приведены на рис. 4.4.

Ёмкостный реактор 1 оснащён мешалкой, которая перемешивает реагенты (чаще жидкости, суспензии), помещаемые внутрь аппарата. Температурный режим поддерживается с помощью теплоносителя, циркулирующего в рубашке реактора или во встроенном в него теплообменнике. После проведения реакции продукты выгружают, и после очистки реактора цикл повторяется. Процесс периодический.

Ёмкостный реактор 2 является проточным, т.к. реагенты (чаще газ, жидкость, суспензия) непрерывно проходят через него. Газ барботирует через жидкость. Колонный реактор 3 характеризуется отношением высоты к диаметру, которое для промышленных реакторов составляет 4-6 (в емкостных реакторах это отношение около 1). Взаимодействие газа и жидкости такое же, как в реакторе 2.

Рис. 4.4. Схемы химических реакторов:

Г - газ; Ж - жидкость; Т - теплоноситель; Н - насадка; ТВ - твердый реагент; К - катализатор; Хг -холодный газ; Топл. - топливо.

Насадочный реактор 4 оснащен кольцами Рашига или другими небольшими элементами - насадкой. Взаимодействуют газ и жидкость. Жидкость стекает по насадке, а газ движется между элементами насадки.

Реакторы 5-8 в основном используют для взаимодействия газа с твёрдым реагентом. В реакторе 5 твёрдый реагент неподвижен, газообразный или жидкий реагент непрерывно проходит через него. Процесс периодический по твёрдому веществу.

Ректоры 6-8 модифицированы таким образом, чтобы и по твёрдому реагенту процесс являлся непрерывным. Твёрдый реагент продвигается вдоль вращающегося наклонно установленного круглого реактора 6 или просыпается через реактор 7. В реакторе 8 газ попадается снизу под большим давлением так, что твёрдые частицы оказываются во взвешенном состоянии, образуя псевдоожиженный или кипящий слой, обладающий некоторыми свойствами жидкости.

Трубчатый реактор 9 по виду подобен кожухотрубному теплообменнику. Через трубки, в которых протекает реакция, проходят газообразные или жидкие реагенты. Обычно в трубки загружен катализатор. Температурный режим обеспечивают циркуляцией теплоносителя в межтрубном пространстве.

Реакторы 5 и 9 используют также для проведения процессов на твёрдом катализаторе.

Трубчатый реактор 10 часто применяют для осуществления высокотемпературных гомогенных реакций , в том числе в вязкой жидкости (например, пиролиз тяжёлых углеводородов). Нередко такие реакторы называют печами.

Многослойный реактор 11 оснащён системой, позволяющей охлаждать или нагревать реагент, находящийся между несколькими слоями твёрдого вещества, выполняющего роль, например, катализатора. На рисунке показано охлаждение исходного газообразного вещества холодным газом, введенным между верхними слоями катализатора, и теплоносителем через систему теплообменников, помещенных между другими слоями катализатора.

Многослойный реактор 12 предусмотрен для проведения в нём газожидкостных процессов.

Приведенные на рис 4.4 схемы отображают лишь часть применяемых в промышленности реакторов. Однако проведенная далее систематизация конструкций реакторов и протекающих процессов, позволяет разобраться и провести исследование в любом из них.

Для всех реакторов характерны общие структурные элементы, представленные в реакторе на рис. 4.5, аналогичном 11-му на рис. 4.4.

Реакционную зону 1, в которой протекает химическая реакция, представляют несколько слоёв катализатора. Она есть во всех реакторах: в реакторах 1-3 на рис. 4.4 - это слой жидкости, в реакторах 4, 5, 7 - слой насадки или твёрдого компонента, в реакторах 6, 8 - часть объёма реактора с твёрдым компонентом, в реакторах 9, 10 - внутренний объём трубок, где протекает реакция.

Рис. 4.5. Структурные элементы химического реактора:

1 - реакционная зона; 2 - входное и распределительное устройство; 3 - смеситель; 4 - теплообменник; 5 - выходное устройство; Хг - холодный газ; Т - теплоноситель; И и П - исходный и конечный продукты соответственно.

Исходная реакционная смесь подаётся через верхний штуцер. Чтобы обеспечить равномерно распределённое прохождение газа через реакционную зону, обуславливающее однородный контакт реагентов, установлен распределитель потока. Это - устройство ввода 2. В реакторе 2 на рис. 4.4 распределителем газа является барботер, в реакторе 4 - разбрызгиватель.

Между первым сверху и вторым слоями два потока смешиваются в смесителе 3. Между вторым и третьим слоями помещен теплообменник 4. Эти структурные элементы предназначены для изменения состава и температуры потока между реакционными зонами. Теплообмен с реакционной зоной (отвод теплоты, выделяющейся в результате протекания экзотермических реакций или подогрев реагирующей смеси) осуществляется через поверхность встроенных теплообменников или через внутреннюю поверхность рубашки реактора (аппарат 1 на рис. 4.4), либо через стенки труб в реакторах 9, 10. Реактор может быть оснащён устройствами разделения потоков. Продукты выводятся через выходное устройство 5.

В теплообменниках и устройствах ввода, вывода, смешения, разделения, распределения потоков протекают физические процессы. Химические реакции осуществляются в основном в реакционных зонах, которые будут дальнейшим объектом исследования. Процесс, происходящий в реакционной зоне, представляет собой совокупность частичных этапов, которые схематически показаны на рис. 4.6 для каталитического и газожидкостного взаимодействия.

Рис. 4.6. Схема потоков в каталитическом (а) и газожидкостном (б) процессах.

Рис. 4.6,а представляет схему реакционного процесса с участием катализатора, через неподвижный слой которого проходит общий (конвективный) поток газообразных реагентов (1). Реагенты диффундируют к поверхности зерен (2) и проникают в поры катализатора (3), на внутренней поверхности которых протекает реакция (4).

Образующиеся продукты реакции обратным путем отводятся в поток. Выделяющаяся в результате химического превращения теплота за счёт теплопроводности переносится по слою (5), а от слоя через стенку - к хладагенту (6). Возникающие градиенты концентраций и температуры вызывают дополнительные потоки теплоты и вещества (7) к основному конвективному движению реагентов в слое.

На рис. 4.6,б представлен процесс в слое жидкости, через который барботирует газ. Между пузырями (1) газа и жидкостью происходит массообмен реагентами (2). Динамика жидкости складывается из движения около пузырей (3) и циркуляции в масштабе слоя (4). Первое - подобно турбулентной диффузии , второе аналогично циркуляционному конвективному движению жидкости через реакционную зону. В жидкости и, в общем случае, в газе протекает химическое превращение (5).

Приведенные примеры показывают сложную структуру процессов, протекающих в реакционной зоне. Если учесть множество схем и конструкций существующих реакторов, то разнообразие процессов в них многократно возрастает. Необходим научный метод, позволяющий систематизировать это многообразие, найти общность в нём, выработать систему представлений о закономерностях явлений и связей между ними, т.е. создать теорию химических процессов и реакторов.

Использование ядерной энергии для получения электроэнергии осуществляется при помощи специальных аппаратов, которые называют ядерными реакторами . В реакторе процесс высвобождения энергии идет постепенно, поскольку в цепной реакции деления нейтроны освобождаются не одновременно. Большая часть нейтронов образуется менее чем через 0,001 секунды – это так называемые мгновенные нейтроны. Другая часть (около 0,7%) образуется через 13 секунд – это запоздалые нейтроны. Именно они дают возможность регулировать скорость прохождения цепной реакции при помощи специальных стержней, которые поглощают избыток нейтронов. Стержни вводятся в активную зону реактора и стабилизируют процесс размножение нейтронов на безопасном уровне.

Что собой представляет ядерный реактор?

Существует две основные категории реакторов – реакторы на тепловых (медленных) нейтронах и реакторы на быстрых нейтронах. В дальнейшем речь будет идти о реакторах на тепловых нейтронах

Основным элементом ядерного реактора является активная зона , в которую загружают тепловыделяющие элементы (ТВЭЛы). В этих элементах и происходит цепная реакция. ТВЭЛ реактора РБМК – это циркониевая трубка диаметром 10 мм и длинной 3,5 м. В трубке помещены таблетки двуокиси урана (UO 2). ТВЭЛы размещены в замедлителе. В реакторах РБМК Чернобыльской АЭС в качестве замедлителя используют графит. К слову, именно это существенно усугубило ситуацию в апреле 1986 года. В конструкциях других атомных реакторов в качестве замедлителя используют воду.

Тепло, которое выделяется в ТВЭЛах в результате деления урана, отводится при помощи теплоносителя (например, водой). Теплоноситель непрерывно циркулирует сквозь активную зону. Через реактор РБМК-1000 ежечасно проходить 37500 м 3 воды. Управление работой реактора осуществляется при помощи системы управления и защиты (СУЗ). СУЗ обеспечивает запуск, остановку реактора а также осуществляет регулирование его мощности. К ней относятся стержни, которые наполнены веществом сильно поглощающем нейтроны (кадмий, бор и т.д.). Введение в активную зону стержней приводит к остановке реактора, а извлекая их из реактора осуществляется регулировка мощности. Для реакторов на тепловых нейтронах характерным является наличие замедлителя в активной зоне (вода и графит).

Существует большое количество других типов реакторов, которые отличаются конструкцией, типом теплоносителя, энергией используемых нейтронов и т.д.

Принципиальная схема устройства ядерного реактора (активной зоны ) представлена на рисунке.

Тип ядерного реактора на ЧАЭС

На Чернобыльской АЭС было установлено четыре реактора РБКМ-1000. Аббревиатура РБМК – реактор большой мощности канальный. Цифра 1000 указывает мощность энергетической установки, которая способна генерировать 1000 мегаватт электроэнергии в час. Необходимо отметить, что ядерный реактор, кроме энергетической мощности имеет тепловую мощность выделения тепла в реакторе. Тепловая энергия составляет 3000 мегаватт. Используя эти два значения (значения тепловой и энергетической мощности) можно легко рассчитать коэффициент полезного действия ядерного реактора РБКМ–1000 – 31%.

Важной особенностью устройства РБМК является наличие каналов в активной зоне, по которым движется теплоноситель (вода). То есть, наличие каналов в толще замедлителя дает возможность двигаться теплоносителю, который нагреваясь превращается в пар, который в свою очередь вырабатывает электроэнергию. Такая схема генерации энергии позволила сконструировать мощные реакторы. Так, активная зона РБМК имеет вид вертикального цилиндра высотой 7 метров, а диаметр 11,8 метров. Весь внутренний объем реактора заполнен графитовыми блоками размерами 25x25x60 см 3 . Общий вес графита в реакторе составляет 1850 тонн.

Графитовые блоки имеют в центре цилиндрическое отверстие, через которое проходит канал с водой, которая является теплоносителем. Графитовые блоки, которые находятся на периферии реактора отверстий и каналов не имеют. Эти блоки играют роль отражателя. Толщина этого слоя один метр.

Графитовая кладка окружена цилиндрическим металлическим баком с водой. Он играет роль биологической защиты. Графит опирается на плиту, которая состоит из металлоконструкций, а сверху графит также накрыт подобной плитой. Верхняя плита, для защиты от излучений, накрыта дополнительным настилом.

ЧАЭС: Устройство реактора РБМК

Общее устройство реактора РБМК :

1 – опорная металлоконструкция;

2 – индивидуальные водяные трубопроводы;

3 – нижняя металлоконструкция;

4 – боковая биологическая защита;

5 – графитовая кладка;

6 – барабан-сепаратор;

7 – индивидуальные пароводяные трубопроводы;

8 – верхняя металлоконструкция;

9 – разгрузочно-загрузочная машина;

10 – верхнее центральное перекрытие;

11 – верхнее боковое перекрытие;

12 – система контроля герметичности оболочек твэлов;

13 – главный циркуляционный насос.

В реакторах типа РБМК находится 1661 канал в которых размещены кассеты с ядерным топливом. Ядерное топливо – двуокись урана, который запечен в виде таблеток. Такие таблетки имеют диаметр около одного сантиметра и высотой полтора сантиметра. Таблетки собирают в колону в количестве двухсот штук и загружают в ТВЭЛ. ТВЭЛ – пустотелый циркониевый цилиндр с примесью (1%) ниобия, длинной 3,5 метра и диаметров 13,5 мм. 36 ТВЭЛов собирают в кассету, которая вставляется в канал реактора. Общий вес урана, который при этом загружается в реактор – 190 тонн. В других 211 каналах реактора двигаются стержни-поглотители.

Литературные источники:

Бар"яхтар В.Г. та ін. Радіація. Що ми про неї знаємо? / В.Г.Бар"яхтар, В.І. Стрижак, В.О.Поярков. К.: Наук.думка, 1991. – 32 с.
Мухин К.Н. Экспериментальная ядерная физика: В 2-х т. Т.1. Физика атомного ядра. – М.: Атомиздат, 1974 – 584 с.
Пристер Б.С., Лощилов Н.А., Немец О.Ф., Поярков В.А. Основы сельскохозяйственной радиологии. – Киев: Урожай, 1988. - 256 с.

Значение атомной энергетики в современном мире

Атомная энергетика за последние несколько десятилетий сделала огромный шаг вперед, став одним из важнейших источников электроэнергии для многих стран. В то же время следует помнить, что за развитием данной отрасли народного хозяйства стоят огромные усилия десятков тысяч ученых, инженеров и простых рабочих, делающих все для того, чтобы «мирный атом» не превратился в реальную угрозу для миллионов людей. Настоящим стержнем любой атомной электростанции является ядерный реактор.

История создания ядерного реактора

Первое подобное устройство было построено в самый разгар второй мировой войны в США известным ученым и инженером Э. Ферми. Из-за своего необычного вида, напоминавшего стопку сложенных друг на друга графитовых блоков, этот ядерный реактор получил название «Чикагская стопка». Стоит отметить, что работало данное устройство на уране, который помещался как раз между блоками.

Создание ядерного реактора в Советском Союзе

В нашей стране ядерной тематике также уделяли повышенное внимание. Несмотря на то, что основные усилия ученых были сконцентрированы на военном применении атома, они активно использовали полученные результаты и в мирных целях. Первый ядерный реактор под кодовым обозначением Ф-1 был построен группой ученых под руководством знаменитого физика И. Курчатова в конце декабря 1946 года. Значительным его недостатком было отсутствие какой бы то ни было системы охлаждения, поэтому мощность выделяемой им энергии была крайне незначительна. В то же время советские исследователи довели до конца начатые ими работы, результатом чего стало открытие спустя всего восемь лет первой в мире электростанции на ядерном топливе в городе Обнинске.

Принцип действия реактора

Ядерный реактор представляет собой крайне сложное и опасное техническое устройство. Его принцип действия основан на том, что при распаде урана происходит выброс нескольких нейтронов, которые, в свою очередь, выбивают элементарные частицы из соседних атомов урана. В результате этой цепной реакции выделяется значительное количество энергии в виде тепла и гамма-лучей. В то же время следует учитывать тот факт, что если эту реакцию никак не контролировать, то деление атомов урана в максимально короткие сроки может привести к мощному взрыву с нежелательными последствиями.

Для того чтобы реакция протекала в строго очерченных рамках, огромное значение имеет устройство ядерного реактора. В настоящее время каждое подобное сооружение представляет собой своеобразный котел, через который протекает теплоноситель. В этом качестве обычно используется вода, однако существуют АЭС, в которых применяются жидкий графит или тяжелая вода. Современный ядерный реактор невозможно представить себе без сотен специальных кассет шестигранной формы. В них находятся тепловыделяющие элементы, по каналам которых и протекают теплоносители. Данная кассета покрыта специальным слоем, который способен отражать нейтроны и замедлять тем самым цепную реакцию

Ядерный реактор и его защита

Он имеет несколько уровней защиты. Помимо собственно корпуса, сверху его покрывает специальная теплоизоляция и биологическая защита. С инженерной точки зрения данное сооружение представляет собой мощный железобетонный бункер, двери в который закрываются максимально герметично.

Электрическим реактором (дросселем) называется статическое электромагнитное устройство, предназначенное для использования его индуктивности в электрической цепи. Дроссели находят широкое применение в источниках электропитания, являясь неотъемлимой частью практически любого устройства преобразования энергии. Чаще всего дроссель представляет собой магнитопровод той или иной конфигурации, на котором размещается обмотка, включаемая в электрическую цепь последовательно с нагрузкой. Основными параметрами любого реактора являются, прежде всего, индуктивность L и номинальное значение тока I ном его обмотки. Реакторы подразделяются на линейные, ограниченно-линейные и нелинейные. Линейный реактор должен иметь практически постоянную индуктивность, не зависящую от значения тока, протекающего по его обмотке. Из выражений и следует, что в линейном реакторе магнитное сопротивление для магнитного потока должно оставаться неизменным для любого тока, который может возникнуть в цепи, где установлен такой реактор. Магнитопроводы линейных реакторов могут выполняться из магнитодизлектриков, относительная магнитная проницаемость которых остается неизменной при напряженностях магнитного поля в несколько тысяч А/м. Магнито-диэлектрики имеют небольшую относительную магнитную проницаемость (от 60 до 250) и выпускаются виде в колец (тороидальные магнитопроводы) с внешним диаметром от 5 до 44 мм. Ввиду относительно небольших удельных потерь эти магнитопроводы применяются при частотах до 200 кГц. Для линейных реакторов могут применяться также разомкнутые магнитопроводы, выполненные из феррита или электротехнической стали. Так, серийно выпускаемые малогабаритные высокочастотные дроссели типа ДМ представляют собой ферритовый магнитопровод, выполненный в виде стержня цилиндрической формы, на котором размещается обмотка. Дроссели типа ДМ выпускаются на токи до 3 А и имеют индуктивность до 1 мкГн. В отдельных случаях линейные дроссели могут выполняться по конструктивным соображениям без магнитопровода. Например, дроссели высокочастотных вольтодобавочных конверторов на токи в десятки ампер представляют собой соленоиды, выполненные из медной или алюминиевой ленты.

Примерами ограниченно-линейных реакторов являются дроссели сглаживающих фильтров выпрямителей или дроссели импульсных стабилизаторов напряжения постоянного тока. В сглаживающих фильтрах выпрямительных устройств обмотка дросселя должна обладать требуемой индуктивностью для переменной составляющей выходного напряжения выпрямителя во всем диапазоне изменения тока нагрузки несмотря на то, что через эту обмотку протекает постоянная составляющая тока нагрузки. Если выполнять магнитопровод из магнитомягкого ферромагнитного материла (с малой коэрцитивной силой) в виде замкнутого кольца, то постоянная составляющая тока, протекающего через обмотку дросселя, создаст в магнитопроводе постоянное во времени магнитное поле с индукцией В0, равной или большей индукции насыщения. В результате индуктивность обмотки окажется такой же, как и при отсутствии магнитопровода. Для того чтобы исключить насыщение материала магнитопровода, он должен выполняться с немагнитным зазором. Введение некоторого относительно небольшого немагнитного зазора в магнитопровод позволяет обеспечить работу дросселя без захода материала магнитопровода в насыщение и тем самым резко увеличить индуктивность дросселя. Зазор, при котором максимальное мгновенное значение магнитной индукции достигает значения индукции насыщения, является оптимальным, обеспечивающим максимальную индуктивность обмотки дросселя. Дальнейшее увеличение зазора приведет к уменьшению результирующего магнитного сопротивления, а следовательно, к уменьшению индуктивности обмотки. Дроссели с немагнитным зазором являются ограниченно-линейными дросселями, так как увеличение постоянной составляющей тока дросселя или переменной составляющей напряжения, приложенного к обмотке сверх расчетных значений, будет приводить к насыщению материала магнитопровода, а следовательно, к резкому уменьшению индуктивности обмотки. Нелинейные реакторы (дроссели насыщения) имеют, как правило, замкнутый магнитопровод, выполненный из магнитомягкого ферромагнитного материала. Число витков обмотки и поперечное сечение магнитопровода этих реакторов выбираются таким образом, чтобы материал магнитопровода не был в насыщении только определенную часть периода (полупериода) изменения напряжения, приложенного к обмотке реактора. Для этого состояния материала магнитопровода обмотка реактора обладает большой индуктивностью, тогда как на интервале насыщенного состояния материала магнитопровода индуктивность обмотки крайне мала. Чем ближе предельная петля перемагничивания материала магнитопровода к прямоугольной, тем лучше свойства нелинейного реактора как ключа. Нелинейные реакторы, обладающие ярко выраженными ключевыми свойствами, широко применяются в устройствах электропитания как задерживающие реакторы (на время до нескольких десятков микросекунд) для снижения коммутационных потерь в транзисторах и тиристорах при их включении.

Так как магнитная индукция в дросселях насыщения может изменяться практически только в пределах от - B s до +B S , то такие реакторы можно использовать для стабилизации среднего значения напряжения переменного тока. Действительно, если нагрузку, подключенную параллельно обмотке дросселя насыщения, включить в сеть переменного тока через гасящее сопротивление, а то среднее за полупериод значение напряжения на нагрузке, будет стабилизировано на уровне напряжения насыщения U s нелинейного реактора. В соответствии с выражение для напряжения насыщения можно предетавить в следующем виде:

где T(f) - период напряжения (частота тока) питающей сети u 1 , S ст - поперечное сечение стержня магнитопровода; W - число витков обмотки реактора; B s - индукция насыщения.

При напряжениях питания U 1ср меньших, чем (R н + R г)R s /R H магнитная индукция в сердечнике дросселя насыщения L не достигает значения индукции насыщения, и, следовательно, индуктивное сопротивление обмотки дросселя L равно бесконечности, поэтому среднее значение напряжения на нагрузке растет с ростом напряжения питания. При U 1cp >(R H + R r)U s /R H магнитная индукция в дросселе L изменяется в пределах от - B s до +B s , среднее значение напряжения на нагрузке неизменно, а разность напряжений (U 1cp - U s) выделяется на резисторе R r . На практике с целью повышения КПД и коэффициента мощности резистор R r заменяют на линейный дроссель, а параллельно дросселю L подключают конденсатор. Подобные стабилизаторы напряжения переменного тока носят название феррорезонансных стабилизаторов. Эти стабилизаторы достаточно широко применялись, например, в устройствах электропитания для стабилизации выходного напряжения тиристорных инверторов.

Используемая литература: Электропитание устройств и систем телекоммуникаций:
Учебное пособие для вузов / В. М. Бушуев, В. А. Демянский,
Л. Ф. Захаров и др. - М.: Горячая линия-Телеком, 2009. -
384 с.: ил.

Скачать реферат: У вас нет доступа к скачиванию файлов с нашего сервера.