crustgroup (crustgroup) wrote,
crustgroup
crustgroup

Categories:

В поле мирно пашет трактор, за холмом горит реактор (NUC26)

В мире птиц есть уникумы. Различные страусы, курицы, павлины, эму или киви. Эти птицы летают плохо и неуклюже, а иногда и вообще не могут подняться в воздух, используя крылья только для устрашения противника и во время ухаживаний за самкой.
Это и есть проклятие почти всех сложных природных и инженерных систем — чем сложнее устроена система внутри, тем более она приспособлена к каким-то внешним условиям обитания. Ведь именно приспособленность к внешним условиям среды и двигает вперёд эволюцию природных и инженерных систем — иначе бы мы так и оставались беззаботными и позитивными комочками первобытной слизи в глубинах земного протоокеана.
Но, одновременно, вместе с улучшением приспособленности — всё труднее и труднее становится такой усложняющейся системе согласовать все разнообразные связи, которые возникают уже между различными элементами внутри самой системы.

Так и произошло с нелетающими птицами. Или ты быстро бегаешь — или ты хорошо летаешь. Как в старом мультике про "крылья, ноги и хвост".

Однако, к сожалению, многие считают, что в случае инженерных систем об ограничениях мира можно легко забыть. И что адамантиевая броня, титаниумный корпус, плутониевый реактор, и хрендостаниумный каркас позволяют обойти всё и вся, что ограничивает наш смелый полёт инженерной мысли.
Ну и, конечно же, на выходе процесса у нас получаются они. Шушпанцеры.
Жуткие агрегаты, которые успешно сочетают в себе "гибрид ужа и ежа", но при этом не являются колючей проволокой.

801

Тяга к шушпанцерам (вундервафлям, мирным советским тракторам и американским бульдозерам) у человечества неистребима, как и поиск "философского камня" и рецепта вечной молодости.
Более того, часто именно очередной удачный шушпанцер и становился зачинателем очередного прорывного технического решения, которое и двигало вперёд какую-нибудь отрасль инженерного дела.

Мало кто знает сейчас, что изначально двигатель Дизеля пытались приспособить для сжигания угольной пыли и измельчённых опилок.
В 1871 году будущий изобретатель дизельного двигателя, Рудольф Дизель едет в Аугсбург, чтобы учиться у профессора Линде, изобретателя современного холодильника. На лекциях Линде Дизеля очаровал термодинамический цикл великого француза Сади Карно, позволяющий обратить в работу до 70 % тепла сжигаемого топлива.
На полях студенческой тетради Дизеля появляется надпись: "Изучить возможность применения изотермы на практике". Эта фраза становится программой всей его жизни. В своей брошюре, вышедшей через несколько лет после окончания учёбы,  Дизель так описывает свою машину-мечту: "сжатие в цилиндре достигает 250 атмосфер, топливом станет угольная пыль, а водяное охлаждение перестанет быть необходимым." Смотря на дизельный двигатель спустя век, нам стоит сказать, что ни один из пунктов этой программы так и не был выполнен.

Однако, несмотря на это, человечество благодаря Дизелю получило в своё распоряжение самый массовый и эффективный поршневой двигатель внутреннего сгорания.
Однако разговор у нас сегодня не о дизеле, а об АЭС.
Ну ведь и в самом деле — надо же попытаться рассказать о современных АЭС как-то так, чтобы читатели не заснули во время этого рассказа и не сказали, что автор сухарь и ботан, который не может доступно рассказать о столь простом агрегате, как АЭС.
Который, на деле, сука, совсем не простой.

В прошлой записи, рассказав о начале реакторной эры, я лишь эскизно обрисовал основные направления развития реакторов, которые во всех странах были заложены ещё во второй половине 1950-х годов.
Надо сказать, что когда говорят о том, что термояд, возникший в то же время "не оправдал возлагавшихся на него надежд", то комментаторы немного кривят душой.
Ядерная энергетика, возникшая чуть раньше термоядерной, оказалась по факту столь же капризной девушкой, как и термоядерный тор. И реакторы, которые в основном сейчас работают в мире, с точки зрения дедушки Сади Карно не то, что родственники — они практически родные братья.
Поэтому мы начнём наш рассказ с самого массового типа современных реакторов — водо-водяных реакторах на лёгкой и на тяжёлой воде.

Вода, как теплоноситель, известна инженерам уже давно. Воду в качестве теплоносителя использовал в своей паровой машине ещё английский изобретатель Томас Ньюкомен, который построил в 1712 году первый действующий паровой водоподъёмник.
Это, по современным меркам, был жуткий шушпанцер, который вместо расширения пара, как в более поздних агрегатах, использовал для подъёма воды силу атмосферного давления, конденсируя водяной пар в цилиндре:

802

В силу того, что паровая машина Ньюкомена работала только в пределе давлений до одной атмосферы (а большего от вакуумной машины и ожидать-то трудно) и пар из котла был вынужден каждый раз нагревать остывший цилиндр, то её КПД составлял просто таки эпические 0,5%. Однако подъёмник Ньюкомена уже мог использовать энергию угля, а не ставить на насос лошадей, которые требовали уже дефицитный тогда овёс.

Совершенствование машины Ньюкомена, однако, потребовало ещё целого полувека ожидания. Вплоть до 1763 года ёжики мучались и ели кактус горняки сыпали и сыпали тонны угля в топки котлов Папена, которые питали насосы Ньюкомена, но никто особо и не задумывался, "как же оно таки работает".
И лишь в 1763 году В Англии появился исследователь, который смог сделать следующий важный шаг в совершенствовании водяного парового цикла. Это был Джеймс Уатт.

804
"Папа" революции угля и пара.

Зимой 1763 года  приятель Уатта, профессор физики университета Глазго Джон Андерсон, обратился к нему с просьбой отремонтировать действующий макет паровой машины Ньюкомена, который Андерсон использовал в своей преподавательской деятельности. Уатт на то время занимался тем, что делал и чинил музыкальные инструменты.
Макет Андерсона был оснащен 2-дюймовым цилиндром и имел рабочий ход поршня в 6 дюймов — по факту это была лишь настольная игрушка, которую сейчас часто покупают детям для опытов по физике.
Уатт провел ряд экспериментов с макетом Андерсона, в частности, заменил металлический цилиндр на деревянный, смазанный льняным маслом и высушенный в печи, уменьшил количество поднимаемой за один цикл воды и макет, наконец, заработал. При этом Уатт убедился в неэффективности машины и внёс в конструкцию многочисленные усовершенствования. Уатт показал, что почти три четверти энергии горячего пара тратятся неэффективно: при каждом цикле пар должен нагревать цилиндр, так как перед этим в цилиндр поступала холодная вода, чтобы сконденсировать часть пара для уменьшения давления. Таким образом энергия пара тратилась на постоянный разогрев цилиндра, вместо того, чтобы быть преобразованной в механическую энергию.

Уатт проводит ряд опытов над кипением воды, изучает упругость водяных паров при различных температурах. Теоретические и опытные изыскания приводят к его к пониманию важности скрытой теплоты. Опытным путём он устанавливает, что вода, превращённая в пар, может нагреть до кипения в шесть раз большее количество воды. Уатт приходит к выводу: «…Для того, чтобы сделать совершенную паровую машину, необходимо, чтобы цилиндр был всегда так же горяч, как и входящий в него пар; но, с другой стороны, сгущение пара для образования пустоты должно происходить при температуре не выше 30 градусов Реомюра». Уатту остаётся сделать один шаг до того, чтобы отделить «сгущение пара» от цилиндра и осуществлять его в отдельном сосуде. Однако на этот шаг у него уходит очень много времени. А если точно — целых шесть лет. В 1765 году ему, наконец, приходит на ум догадка и начинаются попытки воплотить её в жизнь.
Первым значительным усовершенствованием, которое Уатт запатентовал в 1769 году, была изолированная камера для конденсации. В этот же год ему удаётся построить действующую модель, работающую по этому принципу. Вот принцип её работы:

803

Как видите — шесть лет ушло лишь на то, чтобы додуматься, что водяной пар надо конденсировать в отдельном от рабочего цилиндра объёме. Конечно, глядя сейчас на изобретение Уатта, любой школьник, прошедший курс термодинамики, скажет: "Да конечно же! Элементарно!".
Однако тогда это был поистине революционный прорыв.
Конденсатор Уатта позволил поднять эффективность паровых машин... до 2%. Ну или в четыре раза по сравнению с машинами Нькомена.

Надо сказать, что дальнейшая история, завязанная на персоналию Уатта, могла вполне сложиться совсем иначе. Уже в начале 1770-х годов Уатт получает предложение... от Российской академии наук.
Русское правительство предложило тогда в лице академии английскому инженеру «занятие, сообразное с его вкусом и познаниями» и с ежегодным жалованьем в 1000 фунтов стерлингов.
Однако уже тогда русских жутко не любили в Англии.
Намерение Уатта уехать в Россию вызвало переполох. Поэт Эразм Дарвин, дед создателя теории эволюции Чарльза Дарвина, пишет тогда Уатту: «О Боже, как я был напуган, когда услышал, что русский медведь зацепил Вас своей громадной лапой и тянет в Россию! Умоляю не ездить, если только это возможно… Я надеюсь, что Ваша огненная машина оставит Вас здесь».
Уатт в итоге Россию не поехал и создал, совместно с Мэттью Болтоном всемирно известную потом компанию "Baulton and Watt".

Российской инженерной школе не повезло тогда и ещё один раз.  В 1763 году, задолго до английских опытов с увеличением числа цилиндров, первая в мире двухцилиндровая вакуумная паровая машина была спроектирована механиком И. И. Ползуновым и построена им же в 1764 году для приведения в действие воздуходувных мехов на Барнаульских Колывано-Воскресенских заводах.
Однако, по злому року, сам Ползунов умер от чахотки за неделю до пробного пуска своей машины, по всей видимости, от напряжения постоянной работы над своим революционным механизмом.

В итоге первенство в изготовлении паровых машин всерьёз и надолго захватывают англичане.

К чему же мы пришли после более, чем 300 лет совершенствования паровых машин?
Да, мы по-прежнему кипятим воду. И пусть наши современные агрегаты мощнее машин Ньюкомена, Уатта и Ползунова в миллионы раз, пусть их КПД вырос до невозможных во времена Уатта величин в 40-42%, но мы по прежнему кипятим воду.

И это вызывает всё те же проблемы, которые мучали Уатта и Ньюкомена и которые описал в совём уравнении Сади Карно. И с чем бился всю свою жизнь Рудольф Дизель, пытаясь всячески поднять температуру и степень сжатия для своего двигателя.
Вот это фундаментальное ограничение на КПД любой тепловой машины:

805
Чем выше температура нагревателя, тем выше КПД. Чем ниже температура холодильника, тем выше КПД. Или наоборот.

В 1800 году, путём совершенствования машины Уатта, давления в цилиндрах паровых машин достигало уже 3-3,5 атмосфер. Сейчас это давление рассматривается как очень низкое — давление в современных паровых котлах сейчас в десятки раз выше.
И вот тут мы подходим к интересному факту. Для роста КПД тепловых машин нам надо повышать температуру. Однако, вместе с температурой для воды у нас начинает резко расти и давление.

806
Как видите, температура пара (которая нам, собственно говоря и нужна для КПД) растёт гораздо медленнее, чем давление водяных паров, которое так и норовит разнести нам на кусочки стенки котла.
Поэтому даже суперсовременные так называемые сверхкритические угольные блоки не рискуют запускать в работу при температурах более 600-650 °С. Именно на этой верхней планке сейчас и застыли самые современные угольные электростанции — поднимать давление (и нужную нам температуру!) в водяном цикле выше — уже просто боязно.
Скажу лишь, что при таких давлениях и таких температурах даже высоколегированные стали теряют до 80% своей прочности и каждый следующий десяток градусов вверх даётся современным конструкторам станций с водяным циклом всё труднее и труднее:

807
Каждая марка стали отбирается и испытывается чуть ли не поплавочно, строжайше контролируются химия, структура, процессы прокатки, термообработки и правки готовых труб и листов, сварка производится тоже со всеми предосторожностями и со строжайшим контролем.
Ну и потом — испытания, испытания и ещё раз испытания.  Сотни, тысячи часов испытаний. Или же — годы инженерного труда.

И сейчас вопрос уже стоит отнюдь не в сообразительности или в удаче, как было у мастера музыкальных инструментов Джеймса Уатта. Речь идёт именно о согласовании всех понимаемых, просчитанных и осознанных параметров сложной системы под названием "тепловая электростанция".

Однако, в случае атомных тепловых блоков никто даже и не думает рисковать повреждением какой-то трубы, которая не выдержит давления и температуры водяного пара внутри реактора.
Поэтому первые контура реакторов АЭС работают с водой при гораздо более низких температурах, нежели современные угольные блоки.
Исходя из соображений безопасности температура воды в первом контуре АЭС составляет "детские" 250-350 °С.
Конечно, не времена Джеймса Уатта, но вполне себе середина XIX века по уровню температуры и параметрам давления в котле.
Именно поэтому, как вы понимаете, КПД ядерных реакторов и современных АЭС в целом оказывается гораздо ниже, чем у современных угольных блоков.
Просто дедушка Карно не велит получать больше при такой небольшой разности температур, которая присутствует в современных водо-водяных реакторах АЭС.

А почему водо-водяные, собственно говоря?
Опять-таки, во главе угла у нас не шушпанцер, а безопасность. И поэтому тепло с реактора мы сейчас обычно снимаем не напрямую, а через промежуточный контур.
Как вы уже, наверное, слышали, реакторы у нас имеют первый и второй водяные контуры. Первый контур обычно содержит радиоактивную воду, поскольку постоянно соприкасается с излучающими во все стороны ТВС (тепловыделяющими сборками). Именно он и служит тем промежуточным теплоносителем, который снимает тепло с раскалённой активной зоны реактора.

810

А вот второй контур уже соприкасается только с водой первого контура, которая уже лучит гораздо меньше и практически не выделяет нейтронов распада, которые и наводят радиацию на всё, с чем соприкасаются.
Ведь только нейтроны являются источниками вторичных наводок в теплоносителе и в конструкции — обычные реакции α-распада, β-распада и излучения гамма-лучей никак не изменяют радиоактивность сопредельных материалов. Важен лишь источник нейтронов, а он находится внутри реактора, за щитом надёжной радиационной защиты.

808
Корпус водо-водяного реактора ВВЭР. Всё опасное — внутри.

Сейчас водо-водяные реакторы являются основным типов вновь вводимых в эксплуатацию машин. И именно водо-водяные реакторы уже составляют основу современного парка АЭС.

Однако не всегда в прошлом конструктора поступали столь мудро. До момента создания, в том числе и путём испытаний на "грязных" угольных блоках, материалов для корпусов водо-водяных реакторов, приходилось всё время выбирать между радиационной и конструкционной безопасностью. Ведь даже при температурах в 300 °С давление внутри корпуса реактора ВВЭР достигает 160 атмосфер.
Джеймс Уатт, Иван Ползунов, мы идём вперёд!

Именно таким весьма уродливым (но объективно осознанным) компромиссом и были так называемые кипящие водяные реакторы.
В таких реакторах, в отличии от водо-водяных, радиоактивный пар из первого контура реактора идёт прямо в турбину:

809

Давление воды в первом контуре кипящего водяного реактора составляет всего около 70 атм, по сравнению со 160 атмосферами водо-водяного реактора. При этом давлении вода закипает в объёме активной зоны уже при температуре 280 °C, что тоже ниже 350 °С для реакторов типа ВВЭР. Кипящие реакторы обладают рядом достоинств по сравнению с некипящими, водо-водяными реакторами. В кипящих реакторах корпус работает при более низком давлении, в схеме АЭС нет парогенератора, который в водо-водяных реакторах передаёт тепло из первого контура во второй, а повседневная регулировка такого реактора гораздо проще, чем в случае водо-водяной машины.

Но для устойчивой работы кипящего водяного реактора необходим режим, при котором массовое паросодержание в активной зоне не превышает определённую величину. При больших значениях массового паросодержания работа реактора может быть неустойчивой. Такая неустойчивость объясняется тем, что пар вытесняет воду из активной зоны, а это увеличивает свободный пробег нейтронов до момента замедления. При слишком бурном кипении пробег нейтронов возрастает настолько, что реактор получает отрицательную реактивность и мощность реактора начинает падать. Нейтроны просто "вылетают" из активной зоны, не оказывая никакого влияния на цепную реакцию.
То есть, с одной стороны — кипящие реакторы являются достаточно простыми саморегулируемыми машинами, но, с другой стороны — у них гораздо больше неустойчивых режимов из которых они могут свалиться как в полное "глушение", так и в ситуацию теплового взрыва.

Именно такая несложная регулировка кипящего реактора и простота его конструкции одновременно играет с ним и злую шутку.
Ведь именно к типу кипящих водяных реакторов относился и печально знаменитый реактор РБМК, установленный на Чернобыльской АЭС.
РБМК — это классический кипящий водный реактор, прямой наследник первого курчатовского реактора на Обнинской АЭС. И непонимание того, что лёгкая регулировка кипящего водяного реактора одновременно сопряжена с массой нештатных режимов, персонал станции на кажущейся легкости обращения с реактором бодро загнал его в состояние теплового взрыва.

Кроме того, РБМК в силу малых давлений, характерных для кипящих водяных реакторов, был выполнен вообще по бескорпусной схеме, и в итоге даже взрыв средней силы смог разбросать все его останки по громадной территории.В силу этого основной проблемой позже стало даже не глушение реактора (он остыл уже через неделю), а методичное отскребание графита от битума крыши и цезия от брони мирных бульдозеров.

811
Мирный советский бульдозер убирает внутренности и кишки горящего реактора.

Кстати, Фукусимская АЭС тоже была оснащена кипящими водяными реакторами — только в их американской версии, называющейся BWR  (Boiling water reactor). Поскольку корпус данного реактора совершенно не рассчитан на высокие давления (напомню, кипящие водяные реакторы никто и не проектировал на давления выше 70 атмосфер и температуры выше 280 °C), то и процесс выброса внутренностей и кишок американского собрата чернобыльского реактора произошёл почти столь же скоропалительно, как и в городе на Припяти.

Ну а роботов и мирных японских тракторов для уборки всего радиоактивного мусора, как и зондер-команды пожарников и ликвидаторов в Японии и вообще не нашлось, несмотря на всю продвинутость страны.

812

Вот так и происходит проектирование реальных шушпанцеров в реальном мире: хочешь высокого КПД — повышай параметры всех элементов, долго и нудно экспериментируй с материалами. Или же жертвуй системами безопасности и делай простой реактор, который может при нештатной ситуации выкинуть тебе какой-то непонятный фортель.

Поэтому сейчас реакторы на кипящей воде строят уже совсем уж последние нищеброды, а все передовые ядерные державы вовсю шлифуют концепцию водо-водяного реактора, навешивая на него дополнительные системы безопасности и понемногу поднимая температуру в активной зоне.

813
Ловушка расплава. "Китайский синдром" не пройдёт!

И вот тут мы подходим к ещё одной интересной особенности наших шушпанцеров.
Реакторы на кипящей воде и на воде под давлением (водо-водяные) обладают совершенно неудачным с точки зрения ядерной физики теплоносителем.
Всё дело в том, что вода в реакторе, кроме того, что радует своим нагревом дедушку Карно и всех нас, ещё и служит (в случае обычной воды) замечательным поглотителем и замедлителем нейтронов.
И с этим надо что-то делать — если мы, конечно, хотим выйти за все ограничения водяного цикла и научиться выращивать топливо в реакторах, как мы выращиваем на грядках огурцы или морковь.

Нам нужен какой-то другой элемент для нашего шушпанцера.
Нам нужна замена воде, которая служила нам верой и правдой со времён Ивана Ползунова и Джеймса Уатта.

Нам нужен Прорыв.
Tags: Атом, Европа, Россия, прошлое
Subscribe
promo crustgroup september 5, 2012 16:48 88
Buy for 100 tokens
Начиная цикл статей о ядерной энергии я постараюсь описать несколько моментов, которые часто проговариваются вскольз, либо вообще не упоминаются при разговоре о "ядерной альтернативе" ископаемым минеральным топливам. Стартанём собычных цифр и картинок, которые иногда гораздо более…
  • Post a new comment

    Error

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

    When you submit the form an invisible reCAPTCHA check will be performed.
    You must follow the Privacy Policy and Google Terms of use.
  • 269 comments
Previous
← Ctrl ← Alt
Next
Ctrl → Alt →
Previous
← Ctrl ← Alt
Next
Ctrl → Alt →