Dławiki z naturalnym lub wymuszonym chłodzeniem powietrzem przeznaczone są do ograniczania prądów zwarciowych w sieciach elektrycznych i utrzymywania określonego poziomu napięcia w instalacjach elektrycznych w przypadku zwarcia w systemach elektroenergetycznych o częstotliwości 50 i 60 Hz w warunkach umiarkowanie zimnego klimatu oraz w warunkach suchego i wilgotnego klimatu tropikalnego do montażu wewnątrz i na zewnątrz.
Dławiki stosowane są w obwodach stacji i podstacji elektrycznych o parametrach elektrycznych zgodnych z danymi paszportowymi.
Zastosowanie dławików umożliwia ograniczenie znamionowego prądu wyłączeniowego wyłączników liniowych i zapewnienie rezystancji termicznej przewodów odpływowych. Dzięki dławikowi wszystkie nieuszkodzone linie znajdują się pod napięciem zbliżonym do napięcia znamionowego (dławik utrzymuje napięcie na szynach zbiorczych), co zwiększa niezawodność instalacji elektrycznych i poprawia warunki pracy urządzeń elektrycznych.
Reaktory przeznaczone są do pracy na zewnątrz (modyfikacja klimatyczna UHL, kategoria umieszczenia T 1 według GOST 15150-69) oraz w pomieszczeniach zamkniętych z naturalną wentylacją (modyfikacja klimatyczna UHL, kategoria umieszczenia T 2, 3 według GOST 15150-69).
Warunki korzystania:
- wysokość montażu nad poziomem morza, m 1000;
- rodzaj atmosfery w miejscu instalacji, typ I lub typ II zgodnie z GOST 15150-69 i GOST 15543-70;
- wartość robocza temperatury powietrza otoczenia, °C od minus 50 do plus 45;
- wilgotność względna powietrza w temperaturze plus 27 °C, % 80;
- odporność sejsmiczna w skali MSK-64 GOST 17516-90, punkt 8 - dla montażu pionowego i schodkowego (narożnego); 9 - do montażu poziomego.
SCHEMATY PODŁĄCZENIA I ROZMIESZCZENIE FAZ REAKTORA
Zgodnie ze schematem połączeń sieciowych reaktory dzielą się na pojedyncze i podwójne. Pojedyncze dławiki o prądach znamionowych powyżej 1600 A mogą mieć uzwojenie cewki sekcyjnej składającej się z dwóch połączonych równolegle sekcji. Schematy ideowe włączania fazy pokazano na rysunku 1.
Rysunek 1 - Schematy ideowe przełączania faz
W zależności od miejsca montażu i charakterystyki rozdzielnicy, trójfazowy zestaw dławikowy może mieć pionowy, schodkowy (kątowy) i poziomy układ faz, jak pokazano na rysunkach 2, 3, 4.
Rysunek 2 - Układ pionowy (kątowy).
Rysunek 3 – Układ schodkowy
Rysunek 4 - Układ poziomy
Dławiki wielkogabarytowe, dławiki napowietrzne (kategoria umiejscowienia 1) i dławiki na klasę napięcia 20 kV produkowane są wyłącznie z poziomym układem faz. Fazy reaktora produkowane do montażu pionowego można stosować zarówno do montażu schodkowego (kątowego), jak i poziomego. Fazy reaktora produkowane do montażu schodkowego (narożnego) można również stosować do montażu poziomego. Faz reaktora wyprodukowanych do montażu poziomego nie można stosować ani do montażu pionowego, ani schodkowego (kątowego).
Reaktory są projektowane etapowo.
Każda faza reaktora (patrz rys. 5, 6) jest cewką indukcyjną o liniowej reaktancji indukcyjnej bez stalowego rdzenia magnetycznego. Uzwojenie cewki wykonane jest według schematu uzwojenia kabla w postaci koncentrycznych zwojów wspartych na promieniowo rozmieszczonych kolumnach wsporczych (konstrukcja betonowa lub prefabrykowana). Głośniki zamontowane są na izolatorach wsporczych, które zapewniają wymagany poziom izolacji dla odpowiedniej klasy napięcia. Cewka jest nawinięta na jeden lub więcej równoległych drutów, w zależności od prądu znamionowego. Uzwojenie cewki fazowej wykonane jest ze specjalnego izolowanego drutu reaktora z przewodnikami aluminiowymi. Cewki fazowe konstrukcji „C” do montażu pionowego i konstrukcji „SG” do montażu schodkowego (kątowego) mają kierunek uzwojenia przeciwny do kierunku uzwojenia cewek fazowych konstrukcji „B”, „H”, co zapewnia korzystny rozkład sił występujących w uzwojeniach podczas zwarcie. Przewody uzwojenia wykonane są w postaci płytek aluminiowych, a każdy przewód uzwojenia posiada własną płytkę stykową. Taka konstrukcja sprawia, że instalacja i montaż szyn zbiorczych reaktora jest łatwy i prosty.
W przypadku pojedynczych dławików z uzwojeniem przekrojowym cewka składa się z dwóch połączonych równolegle odcinków uzwojeń nawiniętych w przeciwnych kierunkach.
W reaktorach podwójnych uzwojenie cewki składa się z dwóch gałęzi uzwojeń o dużej indukcyjności wzajemnej i tym samym kierunku uzwojenia uzwojeń gałęzi.
Kąt (Ψ) pomiędzy zaciskami uzwojenia fazowego pokazano na rysunkach 7, 8, 9 i wynosi zwykle 0°; 90°; 180°; 270°. Kąty są liczone przeciwnie do ruchu wskazówek zegara i są określane przez:
- dla pojedynczych reaktorów:
- od dolnego zacisku do górnego zacisku - dla prostego uzwojenia;
- od dolnych i górnych zacisków do środkowego - dla uzwojeń sekcyjnych;
- dla reaktorów podwójnych – od końcówki dolnej do końcówki środkowej i od końcówki środkowej do końcówki górnej.
Rysunek 7 - Kąty między zaciskami uzwojenia fazowego pojedynczego reaktora
Rysunek 8 - Kąty między zaciskami uzwojenia fazowego pojedynczego reaktora z uzwojeniem przekrojowym
Rysunek 9 - Kąty między zaciskami uzwojenia fazowego podwójnego reaktora
Oznaczenie zacisków znajduje się na górze każdej listwy zaciskowej.
Zasada działania dławików polega na zwiększeniu reaktancji uzwojenia w momencie wystąpienia zwarcia, co zapewnia redukcję (ograniczenie) prądów zwarciowych i pozwala na utrzymanie w chwili obecnej poziomu napięcia nieuszkodzonych połączeń zwarcia.
Pojedyncze reaktory umożliwiają jedno- lub dwustopniowe schematy reakcji. W zależności od miejsca montażu w konkretnym schemacie połączeń, dławiki pojedyncze stosuje się jako liniowe (indywidualne), grupowe i przecinające.
Schematy ideowe zastosowania pojedynczych reaktorów pokazano na rysunku 10.
Rysunek 10 - Schematy ideowe zastosowania pojedynczych reaktorów
Dławiki liniowe L1 ograniczają moc zwarciową na linii odpływowej, w sieci oraz w podstacjach zasilających tę linię. Dławiki liniowe zaleca się instalować za wyłącznikiem. W takim przypadku moc wyłączania wyłącznika liniowego dobierana jest z uwzględnieniem ograniczenia mocy zwarciowej przez dławik, ponieważ wypadek w sekcji „rozłącznik - dławik” jest mało prawdopodobny.
Dławiki grupy L2 stosuje się w przypadkach, gdy można łączyć przyłącza małej mocy w taki sposób, aby dławik ograniczający całą grupę połączeń nie powodował niedopuszczalnego spadku napięcia w trybie normalnym. Reaktory grupowe pozwalają zaoszczędzić objętość rozdzielnic (RU) w porównaniu z opcją stosowania dławików liniowych.
Reaktory międzysekcyjne L3 stosowane są w układach rozdzielczych stacji i podstacji mocy. Wydzielając poszczególne sekcje, ograniczają moc zwarciową wewnątrz samej stacji i rozdzielnicy. Stosowanie dławików przekrojowych wiąże się ze znacznym stopniem ograniczenia mocy zwarciowej, dlatego w celu uniknięcia dużych spadków napięcia w trybie znamionowym należy dążyć do uzyskania maksymalnej wartości współczynnika mocy „cos” przechodzącego przez reaktor obciążeniowy. Dławiki przekrojowe nie zastępują reaktorów liniowych i grupowych, ponieważ w przypadku ich braku prądy zwarciowe z niektórych generatorów nie są ograniczone.
Dławiki bliźniacze pozwalają na całkowite, jednostopniowe ograniczenie prądów zwarciowych poprzez bezpośrednie reagowanie na główne obwody generujące (generator, transformator) i zapewniają: uproszczenie schematu połączeń i konstrukcji rozdzielnicy; poprawa współczynnika mocy; poprawa reżimu naprężeń przy w przybliżeniu równomiernie obciążonych gałęziach. Moc generatora jest podłączona do środkowych zacisków stykowych. Dopuszczalny jest dowolny współczynnik obciążenia odgałęzienia w granicach długoterminowego dopuszczalnego prądu obciążenia. Reaktancja gałęzi reaktora zależy od trybu pracy. W trybie pracy (połączenie tyłem) właściwości ograniczające, straty mocy i moc bierna są minimalne.
W trybie zwarciowym reaktywność gałęzi reaktora, przez którą zasilane jest uszkodzone połączenie, jest w pełni widoczna, ponieważ wpływ stosunkowo małego prądu roboczego gałęzi nieuszkodzonego połączenia jest nieznaczny. W przypadku obecności mocy wytwórczej po stronie odgałęzienia reaktora, przez którą zasilane jest uszkodzone połączenie, prąd w obu gałęziach dławika podwójnego przepływa szeregowo (spójne załączanie), a na skutek dodatkowej reaktywności spowodowanej wzajemną indukcyjnością gałęzi w pełni ujawniają się właściwości ograniczające prąd reaktora.
Reaktory bliźniacze stosowane są jako reaktory grupowe i sekcyjne (patrz rysunek 11)
Rysunek 11 - Schematy ideowe zastosowania podwójnych reaktorów
Reaktory muszą być używane zgodnie z ich przeznaczeniem i eksploatowane w warunkach odpowiadających ich projektowi klimatycznemu i kategorii lokalizacji.
W przypadku stosowania dławików ograniczających prąd do celów innych niż ich przeznaczenie należy uwzględnić możliwość wpływu trybu pracy (przeciążenia, przepięcia, systematyczne oddziaływanie prądów udarowych) na pracę i niezawodność dławików konto.
Tryby ładowania i chłodzenia reaktorów muszą odpowiadać ich danym paszportowym.
Wstrząsy obciążeniowe działające w różnych kierunkach na gałęzie dławika podwójnego, pochodzące z samoczynnego rozruchu maszyn elektrycznych znajdujących się za reaktorem, nie powinny przekraczać pięciokrotności prądu znamionowego i trwać dłużej niż 15 sekund. Nie zaleca się narażania reaktora na takie wstrząsy obciążeniowe częściej niż 15 razy w roku.
W przypadku stosowania dławików podwójnych w obwodach, w których prądy samorozruchu maszyn elektrycznych w różnych kierunkach w gałęziach dławika mogą przekroczyć 2,5-krotność prądu znamionowego dławika, gałęzie należy załączać naprzemiennie z opóźnieniem czasowym wynoszącym co najmniej 0,3 sekundy.
Reaktory wewnętrzne należy instalować w pomieszczeniach suchych i wentylowanych, w których różnica temperatur pomiędzy powietrzem wywiewanym i nawiewanym nie przekracza 20°C.
W przypadku reaktorów wymagających urządzenia do chłodzenia wymuszonym powietrzem przy obciążeniach znamionowych, uzwojenia fazowe należy przedmuchać powietrzem przy natężeniu przepływu powietrza 3–5 m3/min na kW strat*. Najbardziej efektywne jest doprowadzenie powietrza chłodzącego od dołu przez otwór pośrodku fundamentu**.
Reaktory zewnętrzne należy instalować w specjalnie wyznaczonych miejscach, wyposażonych w ogrodzenia, zgodnie z obowiązującymi przepisami.
Aby chronić uzwojenia fazowe przed bezpośrednim działaniem opadów atmosferycznych i światła słonecznego, można zainstalować wspólny daszek lub dach ochronny, instalowany osobno na każdej fazie.
Reaktory należy instalować na fundamentach, których wysokość podana jest w karcie katalogowej reaktora.
W miejscach instalacji niedopuszczalna jest obecność zwarć, części wykonanych z materiałów ferromagnetycznych w ścianach pomieszczeń przeznaczonych do montażu reaktorów, w konstrukcjach fundamentów i ogrodzeń. Obecność materiałów magnetycznych zwiększa straty, możliwe jest nadmierne nagrzewanie się sąsiadujących części metalowych, a w przypadku zwarcia na elementy konstrukcyjne wykonane z materiałów ferromagnetycznych działają niebezpieczne siły. Najbardziej niebezpieczne z punktu widzenia niedopuszczalnego przegrzania są końcowe konstrukcje metalowe - podłogi, sufity.
W obecności materiałów magnetycznych należy zachować odległości montażowe X, Y, Y1, h, h1 od reaktora do konstrukcji budowlanych i ogrodzeń określonych w paszporcie reaktora.
W przypadku braku materiałów magnetycznych i zamkniętych obwodów przewodzących w konstrukcjach budynków i ogrodzeniach, odległości instalacyjne można zmniejszyć do odległości izolacyjnych zgodnie z zasadami instalacji elektrycznej (PUE).
Przy instalowaniu faz reaktora poziomo i schodkowo (kątowo) należy ściśle przestrzegać minimalnych odległości S i S1 pomiędzy osiami faz określonych w paszporcie, określonych przez dopuszczalne siły działające poziomo z gwarantowaną rezystancją elektrodynamiczną.
Odległości te można zmniejszyć jeżeli na schemacie instalacji dławika maksymalna możliwa wartość prądu udarowego będzie mniejsza od wartości prądu elektrodynamicznego wytrzymywanego, określone w paszporcie reaktora.
* Ilość powietrza chłodzącego jest zgodna z kartą katalogową reaktora.
** Rozwiązanie konstrukcyjne dopływu powietrza chłodzącego jest ustalane i wdrażane przez konsumenta samodzielnie.
Dla wszystkich faz reaktorów montażu pionowego oraz faz „B” i „SG” reaktorów montażu schodkowego (kątowego) płytki stykowe tych samych zacisków (dolny, środkowy, górny) podczas montażu muszą znajdować się na tej samej pionie, jeden nad drugim.
Aby wybrać najkorzystniejsze położenie kołków z punktu widzenia podłączenia do szyny zbiorczej, dopuszcza się obrót każdej fazy względem drugiej wokół osi pionowej pod kątem równym 360°/N, gdzie N jest liczbą kolumny fazowe.
W przypadku pojedynczych reaktorów jako zaciski zasilania należy przyjąć wszystkie dolne zaciski „L2” lub wszystkie górne zaciski „L1” (patrz rysunek 7).
W przypadku pojedynczych dławików z uzwojeniami sekcyjnymi należy przyjąć dolny i górny „L2” jako zaciski zasilania Lubśrodkowe zaciski „L1” (patrz rysunek 8).
Dla reaktorów bliźniaczych - moc generatora należy podłączyć do środkowych zacisków „L1-M1” wówczas będą dolne zaciski „M1”. jeden, a górne zaciski będą „L2”. Inny połączenie trójfazowe (patrz rysunek 9).
Aby zabezpieczyć zaciski reaktora przed elektrodynamicznymi siłami zwarciowymi, szyny zbiorcze muszą być doprowadzone do reaktora w kierunku promieniowym i zabezpieczone w odległości nie większej niż 400-500 mm.
Przed rozpoczęciem montażu należy sprawdzić rezystancję izolacji uzwojeń fazowych w stosunku do wszystkich elementów złącznych. Rezystancję izolacji mierzy się meggerem o napięciu 2500 V (dopuszcza się stosowanie meggerów 1000 V). Wartość rezystancji izolacji musi wynosić co najmniej 0,5 MOhm w temperaturze plus (10-30)°C.
Konserwacja dławików polega na przeglądzie zewnętrznym (co trzy miesiące eksploatacji), oczyszczeniu sprężonym powietrzem izolatorów i uzwojeń z pyłu oraz sprawdzeniu uziemienia.
Opakowanie faz reaktora zapewnia ich bezpieczeństwo podczas transportu i przechowywania.
Opakowanie transportowe to prefabrykowana skrzynia panelowa zgodnie z GOST 10198-91 zmontowana z pojedynczych paneli (panele dolne, boczne i końcowe, pokrywa) spiętych ze sobą gwoździami.
Każda faza zapakowana jest w osobne pudełko wraz z elementami i łącznikami niezbędnymi do montażu i podłączenia.
Fazę mocuje się od spodu na drewnianych podkładkach i mocuje do spodu za pomocą drewnianych klocków umieszczonych pomiędzy słupami wsporczymi. Pręty przybijane są do dna i zabezpieczają fazę przed przemieszczaniem się w skrzynce w płaszczyźnie poziomej.
Fazy wysyłane w odległe miejsca, transportowane drogami wodnymi, są dodatkowo zabezpieczone odciągami, które zabezpieczają fazę przed przemieszczaniem się w skrzynce w płaszczyźnie pionowej.
Elementy złączne pakowane są w plastikowe torby i umieszczane wewnątrz uzwojenia fazowego.
Dokumentacja (paszport, instrukcja) jest zapakowana w plastikową torbę i umieszczona pomiędzy zwojami uzwojenia fazowego.
Ogólnie rzecz biorąc, zestaw reaktora trójfazowego obejmuje:
- faza;
- wstawić*;
- wsparcie*;
- kołnierz;
- adapter *;
- izolator;
- elementy złączne;
- zestaw ochronny do użytku na zewnątrz**.
____________________
* Dla reaktorów serii RT.
** Dla reaktorów zewnętrznych (seria RB, RT) na życzenie odbiorcy.
STRUKTURA LEGENDY
Reaktory serii RB
- Symbol ograniczającego prąd reaktora betonowego z pionowym układem faz, z naturalnym chłodzeniem powietrzem, klasa napięcia 10 kV, prąd znamionowy 1000 A, znamionowa reaktancja indukcyjna 0,45 oma, wersja klimatyczna UHL, kategoria umieszczenia 1
RB 10 - 1000 - 0,45 UHL 1 GOST 14794-79. - To samo, z poziomym układem faz, z wymuszonym chłodzeniem powietrzem, klasa napięcia 10 kV, prąd znamionowy 2500 A, znamionowa reaktancja indukcyjna 0,35 oma, wersja klimatyczna UHL, kategoria umieszczenia 3
RBDG 10 - 2500 - 0,35 UHL 3 GOST 14794-79.
Reaktory serii RT
- Symbol trójfazowego pojedynczego dławika ograniczającego prąd o pionowym układzie faz, o klasie napięciowej 10 kV, o prądzie znamionowym 2500 A, o nominalnej reaktancji indukcyjnej 0,14 oma, z uzwojeniem drutu dławika z żyłami aluminiowymi, z wymuszonym chłodzeniem powietrzem, wersja klimatyczna UHL, kategoria zakwaterowania 3
RTV 10-2500-0.14 AD UHL 3 TU 3411-020-14423945-2009. - To samo, z poziomym układem faz, klasą napięcia 20 kV, prądem znamionowym 2500 A, nominalną reaktancją indukcyjną 0,25 oma, z uzwojeniem drutu dławika z przewodnikami aluminiowymi (lub miedzianymi), z naturalnym chłodzeniem powietrzem, projekt klimatyczny Pojazd, kategoria umiejscowienia 1
RTG 20-2500-0,25 TS 1 TU 3411-020-14423945-2009.
DANE TECHNICZNE
Podstawowe dane i parametry techniczne podano w tabeli 1
Tabela 1- Specyfikacja techniczna
| Nazwa parametru | Wartość parametru | Notatka |
| Klasa napięcia, kV | 6, 10, 15, 20 | |
| Najwyższe napięcie robocze, kV | 7,2; 12; 17,5; 24 | Według klasy napięcia |
| częstotliwość Hz | 50 | |
| Rodzaj wykonania | Pojedynczy; bliźniak | Metoda połączenia sieciowego |
| Prądy znamionowe, A | 400; 630; 1000; 1600; 2500; 4000 | |
| Nominalna reaktancja indukcyjna, Ohm 1) | 0,14; 0,18; 0,20; 0,22; 0,25; 0,28; 0,35; 0,40; 0,45; 0,56 | |
| Kombinacja prądów znamionowych i reaktancji indukcyjnych: - pojedyncza dla 6 i 10 kV - pojedyncza dla 15 i 20 kV - podwójna dla 6 i 10 kV | 400-0,35; 400-0,45; 630-0,25;630-0,40; 630-0,56; 1000-0,14; 1000-0,22; 1000-0,28; 1000-0,35; 1000-0,45; 1000-0,56; 1600-0,14; 1600-0,20; 1600-0,25; 1600-0,35; 2500-0,14; 2500-0,20; 2500-0,25; 2500-0,35; 4000-0,10; 4000-0,181000-0,45; 1000-0,56; 1600-0,25; 1600-0,35; 2500-0,14; 2500-0,20; 2500-0,25; 2500-0,352×630-0,25; 2×630-0,40;2×630-0,56; 2×1000-0,14;2×1000-0,22; 2×1000-0,28;2×1000-0,35; 2×1000-0,45;2×1000-0,56; 2×1600-0,14;2×1600-0,20; 2×1600-0,25;2×1600-0,35; 2×2500-0,14;2×2500-0,20 | Typ reaktora Seria RB Seria RT Seria RT Seria RB |
| Układ faz | Pionowe;stopniowe (kątowe);poziome | |
| Tolerancja wartości nominalnej,%: - reaktancja indukcyjna - strata mocy - współczynnik sprzężenia | od 0 do +15+15+10 | |
| Klasa odporności cieplnej izolacji | A; MI; N* | * dla drutu miedzianego |
Reaktor to statyczne urządzenie elektromagnetyczne zaprojektowane do wykorzystania swojej indukcyjności w obwodzie elektrycznym. Jeden. p.s. W lokomotywach spalinowych szeroko stosowane są reaktory prądu przemiennego i stałego: reaktory wygładzające - w celu wygładzenia pulsacji prądu prostowanego; przejściowe - do przełączania zacisków transformatora; dzielenie - dla równomiernego rozkładu prądu obciążenia pomiędzy równolegle połączonymi zaworami; ograniczające prąd - w celu ograniczenia prądu zwarciowego; tłumienie zakłóceń – w celu tłumienia zakłóceń radiowych powstających podczas pracy maszyn i urządzeń elektrycznych; boczniki indukcyjne - do rozdziału prądu podczas procesów przejściowych pomiędzy uzwojeniami wzbudzenia silników trakcyjnych i połączonymi z nimi równolegle rezystorami itp.
Cewka z rdzeniem ferromagnetycznym w obwodzie prądu przemiennego. Kiedy cewka z rdzeniem ferromagnetycznym jest włączona do obwodu prądu przemiennego (ryc. 231, a), przepływający przez nią prąd jest wyznaczany przez strumień, który musi zostać wytworzony, aby np. zaindukował się w cewce. ds. e L było równe i przeciwne w fazie do przyłożonego do niego napięcia. Prąd ten nazywany jest prądem magnesującym. Zależy ona od liczby zwojów cewki, rezystancji magnetycznej jej obwodu magnetycznego (czyli od pola przekroju poprzecznego, długości i materiału obwodu magnetycznego), napięcia i częstotliwości jego zmian. Wraz ze wzrostem napięcia u przyłożonego do cewki zwiększa się strumień F, a jej rdzeń ulega nasyceniu, co powoduje gwałtowny wzrost prądu magnesującego. W konsekwencji taka cewka reprezentuje nieliniową reaktancję indukcyjną X L, której wartość zależy od przyłożonego do niej napięcia. Charakterystyka prądowo-napięciowa cewki z rdzeniem ferromagnetycznym (ryc. 231, b) ma postać podobną do krzywej magnesowania. Jak pokazano w rozdziale III, opór magnetyczny obwodu magnetycznego zależy także od wielkości szczelin powietrznych występujących w obwodzie magnetycznym. Dlatego kształt charakterystyki prądowo-napięciowej cewki zależy od szczeliny powietrznej w obwodzie magnetycznym. Im większa jest ta szczelina, tym większy prąd i przepływa przez cewkę przy danym napięciu, a zatem mniejsza reaktancja indukcyjna X L cewki. Z drugiej strony, im większy opór magnetyczny wytwarzany przez szczelinę powietrzną w porównaniu z oporem magnetycznym ferromagnetycznych sekcji obwodu magnetycznego, tj. im większa szczelina, tym bardziej charakterystyka prądowo-napięciowa cewki zbliża się do liniowej.
Reaktancję indukcyjną X L cewki z rdzeniem ferromagnetycznym można regulować nie tylko poprzez zmianę szczeliny powietrznej 8, ale także poprzez polaryzację jej rdzenia prądem stałym. Im większy prąd polaryzacji, tym większe nasycenie wytworzone w obwodzie magnetycznym cewki i tym niższa jej rezystancja indukcyjna X L . Cewka z rdzeniem ferromagnetycznym namagnesowanym prądem stałym nazywana jest reaktorem nasycającym.
Zastosowanie dławików do regulacji i ograniczenia prądu w obwodach elektrycznych prądu przemiennego zamiast rezystorów zapewnia znaczne oszczędności energii elektrycznej, ponieważ w reaktorze, w przeciwieństwie do rezystora, straty mocy są nieznaczne (określane są przez niską rezystancję czynną drutów reaktora) .
Gdy cewkę z rdzeniem ferromagnetycznym podłączymy do obwodu prądu przemiennego, przepływający przez nią prąd nie będzie sinusoidalny. Ze względu na nasycenie rdzenia cewki „szczyty” krzywej prądu i są tym większe, im większe jest nasycenie obwodu magnetycznego (ryc. 231, c).
Reaktory wygładzające. W lokomotywach elektrycznych i pociągach elektrycznych prądu przemiennego z prostownikami dławiki wygładzające wykonane w postaci cewki z rdzeniem stalowym służą do wygładzania pulsacji prądu prostowanego w obwodach silników trakcyjnych. Aktywny opór cewki jest bardzo mały, więc praktycznie nie wpływa na składową stałą prądu prostowanego. Dla przemiennej składowej prądu cewka wytwarza reaktancję indukcyjną X L = ? L im większa, tym wyższa częstotliwość? odpowiednia harmoniczna. W rezultacie amplitudy składowych harmonicznych wyprostowanego prądu gwałtownie maleją, a w konsekwencji zmniejsza się tętnienie prądu. Jeden. p.s. prąd przemienny z prostownikami pracującymi z sieci stykowej o częstotliwości 50 Hz, podstawowa harmoniczna prostownika
Prądem o największej amplitudzie jest harmoniczna o częstotliwości 100 Hz. Aby go skutecznie stłumić, należałoby włączyć reaktor wygładzający o dużej indukcyjności, a więc o dość znacznych rozmiarach. Dlatego w praktyce reaktory te projektuje się w taki sposób, aby zmniejszyć współczynnik tętnienia prądu do 25-30%.
Indukcyjność reaktora, a co za tym idzie jego gabaryty, zależą od obecności w nim rdzenia ferromagnetycznego. W przypadku braku rdzenia, aby uzyskać wymaganą indukcyjność, reaktor musi mieć cewkę o znacznej średnicy i dużej liczbie zwojów. Reaktory bezrdzeniowe instalowane są na podstacjach trakcyjnych w celu wygładzenia prądu tętniącego wchodzącego do sieci trakcyjnej z prostowników. Mają duże rozmiary i wagę oraz wymagają znacznego zużycia miedzi. na e.p.s. Nie ma możliwości zainstalowania takich urządzeń.
Jednak niepraktyczne jest konstruowanie reaktora z zamkniętym rdzeniem stalowym, jak transformator, ponieważ składowa prądu stałego przepływająca przez jego cewkę spowodowałaby silne nasycenie rdzenia i spadek indukcyjności reaktora pod dużym obciążeniem. Dlatego magnetyczny system wygładzania
Reaktor musi być zaprojektowany tak, aby nie był nasycony składową prądu stałego. W tym celu obwód magnetyczny 1 reaktora jest otwarty (ryc. 232, a), tak że jego strumień magnetyczny częściowo przechodzi przez powietrze lub jest zamknięty, ale z dużymi szczelinami powietrznymi (ryc. 232, b). Aby zmniejszyć zużycie miedzi i zmniejszyć wagę
i gabarytów reaktora, jego uzwojenie 2 jest zaprojektowane dla zwiększonej gęstości prądu i jest intensywnie chłodzone. Na lokomotywach elektrycznych i elektrycznych
Pociągi wykorzystują reaktory chłodzone wymuszonym powietrzem. Taki reaktor jest zamknięty w specjalnej cylindrycznej obudowie; powietrze chłodzące przepływa kanałami pomiędzy rdzeniem a uzwojeniem. Istnieją również konstrukcje reaktorów, w których rdzeń wraz z uzwojeniem jest zainstalowany w zbiorniku z olejem transformatorowym. Aby zmniejszyć prądy wirowe, które zmniejszają indukcyjność reaktora, jego rdzeń jest złożony z izolowanych arkuszy stali elektrotechnicznej.
Boczniki indukcyjne mają podobną konstrukcję, która podczas procesów przejściowych zapewnia wymagany rozkład prądów pomiędzy uzwojeniem wzbudzenia silnika trakcyjnego a rezystorem bocznikowym (przy regulacji prędkości obrotowej silnika poprzez zmniejszenie strumienia magnetycznego).
Reaktory ograniczające prąd. Jeden. p.s. prąd przemienny z prostownikami półprzewodnikowymi; w niektórych przypadkach w szereg z instalacją prostownika włącza się dławiki ograniczające prąd. Zawory półprzewodnikowe mają niską zdolność przeciążania i szybko ulegają awariom przy dużych prądach. Dlatego przy ich stosowaniu należy podjąć szczególne środki w celu ograniczenia prądu zwarciowego i szybko odłączyć instalację prostowniczą od źródła zasilania, zanim prąd ten osiągnie wartość niebezpieczną dla zaworów. W przypadku zwarcia w obwodzie obciążenia i awarii zaworów, indukcyjność dławika ogranicza prąd. zwarcie (około 4-5 razy w porównaniu do prądu bez dławika) i spowalnia tempo jego narastania. W rezultacie w okresie czasu wymaganym do działania urządzeń zabezpieczających prąd zwarciowy nie ma czasu na zwiększenie się do niebezpiecznej wartości. W reaktorach ograniczających prąd czasami stosuje się dodatkowe uzwojenie, które pełni funkcję uzwojenia wtórnego transformatora. W przypadku zwarcia prąd przepływający przez uzwojenie główne reaktora gwałtownie wzrasta, a rosnący strumień magnetyczny indukuje impuls napięcia w uzwojeniu dodatkowym. Impuls ten służy jako sygnał do zadziałania urządzenia zabezpieczającego, które wyłącza instalację prostowniczą.
: ...dość banalne, ale mimo to nadal nie znalazłem informacji w przystępnej formie - jak reaktor jądrowy ZACZYNA działać. Wszystko o zasadzie i strukturze pracy zostało już przerobione ponad 300 razy i jest jasne, ale oto jak i z czego i dlaczego uzyskuje się paliwo, które nie jest tak niebezpieczne, dopóki nie trafi do reaktora i dlaczego nie reaguje przed zanurzony w reaktorze! - wszak nagrzewa się tylko w środku, niemniej jednak przed załadunkiem paliwo jest zimne i wszystko jest w porządku, więc nie do końca wiadomo co powoduje nagrzewanie się elementów, jak na nie wpływają itd., najlepiej nie naukowo).
Trudno oczywiście ująć taki temat w sposób nienaukowy, ale spróbuję. Najpierw dowiedzmy się, czym są te pręty paliwowe.
Paliwo jądrowe to czarne tabletki o średnicy około 1 cm i wysokości około 1,5 cm. Zawierają one 2% dwutlenku uranu 235 i 98% uranu 238, 236, 239. We wszystkich przypadkach, przy dowolnej ilości paliwa jądrowego, eksplozja jądrowa nie może się rozwinąć, ponieważ dla lawinowej szybkiej reakcji rozszczepienia charakterystycznej dla eksplozji jądrowej wymagane jest stężenie uranu 235 większe niż 60%.
Dwieście granulek paliwa jądrowego ładuje się do rurki wykonanej z metalu cyrkonowego. Długość tej rury wynosi 3,5 m. średnica 1,35 cm Rurka ta nazywa się elementem paliwowym - elementem paliwowym. W kasecie składa się 36 prętów paliwowych (inna nazwa to „montaż”).
Budowa elementu paliwowego reaktora RBMK: 1 - wtyczka; 2 - tabletki dwutlenku uranu; 3 - skorupa cyrkonowa; 4 - wiosna; 5 - tuleja; 6 - wskazówka.
Transformacji substancji towarzyszy wyzwolenie darmowej energii tylko wtedy, gdy substancja posiada zapas energii. To ostatnie oznacza, że mikrocząstki substancji znajdują się w stanie o energii spoczynkowej większej niż w innym możliwym stanie, do którego następuje przejście. Spontanicznemu przejściu zawsze zapobiega bariera energetyczna, do pokonania której mikrocząstka musi otrzymać pewną ilość energii z zewnątrz – energię wzbudzenia. Reakcja egzoenergetyczna polega na tym, że w przemianie po wzbudzeniu uwalnia się więcej energii niż potrzeba do wzbudzenia procesu. Barierę energetyczną można pokonać na dwa sposoby: albo dzięki energii kinetycznej zderzających się cząstek, albo dzięki energii wiązania łączącej się cząstki.
Jeśli mamy na uwadze makroskopową skalę uwalniania energii, to wszystkie lub początkowo przynajmniej część cząstek substancji musi posiadać energię kinetyczną niezbędną do wzbudzenia reakcji. Można to osiągnąć jedynie poprzez podniesienie temperatury ośrodka do wartości, przy której energia ruchu cieplnego zbliża się do progu energetycznego ograniczającego przebieg procesu. W przypadku przemian molekularnych, czyli reakcji chemicznych, taki wzrost wynosi zwykle setki stopni Kelvina, ale w przypadku reakcji jądrowych wynosi co najmniej 107 K ze względu na bardzo dużą wysokość barier Coulomba zderzających się jąder. Wzbudzanie termiczne reakcji jądrowych przeprowadza się w praktyce tylko podczas syntezy najlżejszych jąder, w których bariery kulombowskie są minimalne (fuzja termojądrowa).
Wzbudzenie poprzez połączenie cząstek nie wymaga dużej energii kinetycznej, a zatem nie zależy od temperatury ośrodka, ponieważ zachodzi z powodu niewykorzystanych wiązań właściwych siłom przyciągania cząstek. Ale aby wzbudzić reakcje, potrzebne są same cząstki. A jeśli znowu nie mamy na myśli osobnego aktu reakcji, ale wytwarzanie energii w skali makroskopowej, to jest to możliwe tylko wtedy, gdy zachodzi reakcja łańcuchowa. To drugie ma miejsce, gdy cząstki wzbudzające reakcję pojawiają się ponownie jako produkty reakcji egzoenergetycznej.
Do sterowania i ochrony reaktora jądrowego stosuje się pręty sterujące, które można przesuwać na całej wysokości rdzenia. Pręty wykonane są z substancji silnie pochłaniających neutrony - na przykład boru lub kadmu. Gdy pręty zostaną włożone głęboko, reakcja łańcuchowa staje się niemożliwa, ponieważ neutrony są silnie absorbowane i usuwane ze strefy reakcji.
Pręty przesuwane są zdalnie z panelu sterowania. Przy niewielkim ruchu prętów proces łańcuchowy albo się rozwinie, albo zaniknie. W ten sposób reguluje się moc reaktora.
Elektrownia jądrowa w Leningradzie, reaktor RBMK
Rozpoczęcie pracy reaktora:
W początkowej chwili po pierwszym załadunku paliwa w reaktorze nie zachodzi reakcja łańcuchowa rozszczepienia, reaktor znajduje się w stanie podkrytycznym. Temperatura płynu chłodzącego jest znacznie niższa niż temperatura robocza.
Jak już tutaj wspominaliśmy, aby mogła rozpocząć się reakcja łańcuchowa, materiał rozszczepialny musi wytworzyć masę krytyczną – wystarczającą ilość materiału samorzutnie rozszczepialnego na wystarczająco małej przestrzeni, warunek, w którym liczba neutronów uwalnianych podczas rozszczepienia jądrowego musi być równa większa od liczby pochłoniętych neutronów. Można tego dokonać zwiększając zawartość uranu-235 (ilość załadowanych prętów paliwowych) lub spowalniając prędkość neutronów, tak aby nie przelatywały obok jąder uranu-235.
Reaktor jest doprowadzany do mocy w kilku etapach. Za pomocą regulatorów reaktywności reaktor zostaje wprowadzony w stan nadkrytyczny Kef>1 i moc reaktora wzrasta do poziomu 1-2% mocy nominalnej. Na tym etapie reaktor zostaje nagrzany do parametrów roboczych chłodziwa, a szybkość nagrzewania jest ograniczona. Podczas procesu nagrzewania sterowanie utrzymuje moc na stałym poziomie. Następnie uruchamiane są pompy obiegowe i uruchamiany jest system odprowadzania ciepła. Następnie moc reaktora można zwiększyć do dowolnego poziomu w zakresie od 2 do 100% mocy znamionowej.
Kiedy reaktor się nagrzewa, reaktywność zmienia się ze względu na zmiany temperatury i gęstości materiałów rdzenia. Czasami podczas nagrzewania względne położenie rdzenia i elementów sterujących wchodzących lub wychodzących z rdzenia zmienia się, powodując efekt reaktywności w przypadku braku aktywnego ruchu elementów sterujących.
Regulacja za pomocą stałych, ruchomych elementów chłonnych
Aby szybko zmienić reaktywność, w zdecydowanej większości przypadków stosuje się stałe, ruchome absorbery. W reaktorze RBMK pręty regulacyjne zawierają tuleje z węglika boru zamknięte w rurze ze stopu aluminium o średnicy 50 lub 70 mm. Każdy drążek sterujący umieszczony jest w osobnym kanale i jest chłodzony wodą z obwodu układu sterowania i zabezpieczeń (układu sterowania i zabezpieczeń) o średniej temperaturze 50 ° C. Ze względu na przeznaczenie pręty dzielą się na AZ (zabezpieczenie awaryjne ) wędki; w RBMK znajdują się 24 takie wędki. Drążki sterowania automatycznego - 12 szt., drążki sterowania lokalnego - 12 szt., drążki sterowania ręcznego - 131 i 32 drążki absorbera skróconego (USP). W sumie jest 211 prętów. Ponadto skrócone pręty wkłada się do rdzenia od dołu, resztę od góry.
Reaktor WWER 1000 1 - napęd układu sterowania; 2 - pokrywa reaktora; 3 - korpus reaktora; 4 - blok rur ochronnych (BZT); 5 - wał; 6 - obudowa rdzeniowa; 7 - zespoły paliwowe (FA) i drążki sterujące;
Palne elementy pochłaniające.
Aby skompensować nadmierną reaktywność po załadunku świeżego paliwa, często stosuje się absorbery palne. Zasada działania polega na tym, że podobnie jak paliwo po wychwyceniu neutronu przestają następnie absorbować neutrony (wypalają się). Ponadto szybkość spadku na skutek absorpcji neutronów przez jądra absorbera jest mniejsza lub równa szybkości spadku na skutek rozszczepienia jąder paliwa. Jeśli załadujemy rdzeń reaktora paliwem przeznaczonym na rok pracy, to oczywiste jest, że liczba jąder paliwa rozszczepialnego na początku pracy będzie większa niż na końcu i nadmierną reaktywność będziemy musieli kompensować umieszczając absorbery w rdzeniu. Jeśli do tego celu wykorzystuje się pręty sterujące, należy je stale przesuwać w miarę zmniejszania się liczby jąder paliwa. Zastosowanie spalalnych absorberów ogranicza użycie ruchomych prętów. Obecnie palne absorbenty często dodawane są bezpośrednio do peletów paliwowych podczas ich wytwarzania.
Kontrola reaktywności płynów.
Taką regulację stosuje się w szczególności podczas pracy reaktora typu WWER, do chłodziwa wprowadza się kwas borowy H3BO3 zawierający jądra pochłaniające neutrony 10B. Zmieniając stężenie kwasu borowego w ścieżce chłodziwa, zmieniamy w ten sposób reaktywność w rdzeniu. W początkowym okresie pracy reaktora, kiedy jest dużo zarodków paliwa, stężenie kwasu jest maksymalne. W miarę spalania paliwa stężenie kwasu maleje.
Mechanizm reakcji łańcuchowej
Reaktor jądrowy może pracować z daną mocą przez długi czas tylko wtedy, gdy na początku pracy będzie miał rezerwę reaktywności. Wyjątkiem są reaktory podkrytyczne z zewnętrznym źródłem neutronów termicznych. Uwalnianie związanej reaktywności w miarę jej zmniejszania się z przyczyn naturalnych zapewnia utrzymanie stanu krytycznego reaktora w każdym momencie jego pracy. Początkową rezerwę reaktywności tworzy się poprzez zbudowanie rdzenia o wymiarach znacznie przekraczających wymiary krytyczne. Aby zapobiec przekształceniu reaktora w stan nadkrytyczny, jednocześnie sztucznie zmniejsza się k0 pożywki hodowlanej. Osiąga się to poprzez wprowadzenie do rdzenia substancji pochłaniających neutrony, które można następnie usunąć z rdzenia. Podobnie jak w elementach kontroli reakcji łańcuchowej, substancje pochłaniające są zawarte w materiale prętów o takim lub innym przekroju poprzecznym, przemieszczających się przez odpowiednie kanały w rdzeniu. Ale jeśli do regulacji wystarczy jeden, dwa lub kilka prętów, wówczas aby zrekompensować początkową nadmierną reaktywność, liczba prętów może osiągnąć setki. Pręty te nazywane są prętami kompensacyjnymi. Drążki sterujące i kompensacyjne niekoniecznie reprezentują różne elementy konstrukcyjne. Prętami sterującymi może być wiele prętów kompensacyjnych, ale funkcje obu są różne. Pręty sterujące mają na celu utrzymanie w dowolnym momencie stanu krytycznego, zatrzymanie i uruchomienie reaktora oraz przejście z jednego poziomu mocy na drugi. Wszystkie te operacje wymagają niewielkich zmian w reaktywności. Pręty kompensacyjne są stopniowo usuwane z rdzenia reaktora, zapewniając stan krytyczny przez cały czas jego pracy.
Czasami pręty kontrolne nie są wykonane z materiałów pochłaniających, ale z materiału rozszczepialnego lub materiału rozpraszającego. W reaktorach termicznych są to głównie absorbery neutronów; nie ma skutecznych absorberów neutronów szybkich. Absorbery takie jak kadm, hafn i inne silnie absorbują tylko neutrony termiczne ze względu na bliskość pierwszego rezonansu do obszaru termicznego, a poza tym ostatnim nie różnią się od innych substancji swoimi właściwościami pochłaniającymi. Wyjątkiem jest bor, którego przekrój poprzeczny absorpcji neutronów zmniejsza się wraz z energią znacznie wolniej niż w przypadku wskazanych substancji, zgodnie z prawem l/v. Dlatego bor pochłania szybkie neutrony, choć słabo, ale nieco lepiej niż inne substancje. Materiałem absorbującym w reaktorze na neutrony prędkie może być wyłącznie bor, jeśli to możliwe, wzbogacony izotopem 10B. Oprócz boru materiały rozszczepialne są również wykorzystywane na pręty sterujące w reaktorach na neutrony szybkie. Pręt kompensacyjny wykonany z materiału rozszczepialnego pełni tę samą funkcję, co pręt pochłaniacza neutronów: zwiększa reaktywność reaktora, podczas gdy ona w naturalny sposób maleje. Jednakże w przeciwieństwie do absorbera, pręt taki na początku pracy reaktora znajduje się na zewnątrz rdzenia, a następnie jest wprowadzany do rdzenia.
Materiałami rozpraszającymi stosowanymi w reaktorach prędkich jest nikiel, którego przekrój poprzeczny rozpraszania szybkich neutronów jest nieco większy niż przekroje poprzeczne innych substancji. Pręty rozpraszające rozmieszczone są wzdłuż obwodu rdzenia, a ich zanurzenie w odpowiednim kanale powoduje zmniejszenie wycieku neutronów z rdzenia, a w konsekwencji wzrost reaktywności. W niektórych szczególnych przypadkach do kontroli reakcji łańcuchowej służą ruchome części reflektorów neutronów, które po poruszeniu zmieniają wyciek neutronów z rdzenia. Pręty sterujące, kompensacyjne i awaryjne wraz z całym osprzętem zapewniającym ich normalne funkcjonowanie tworzą system sterowania i zabezpieczenia reaktora (CPS).
Ochrona awaryjna:
Zabezpieczenie awaryjne reaktora jądrowego to zespół urządzeń mających na celu szybkie zatrzymanie jądrowej reakcji łańcuchowej w rdzeniu reaktora.
Aktywna ochrona awaryjna uruchamia się automatycznie, gdy jeden z parametrów reaktora jądrowego osiągnie wartość mogącą spowodować awarię. Takimi parametrami mogą być: temperatura, ciśnienie i przepływ chłodziwa, poziom i prędkość przyrostu mocy.
Elementami wykonawczymi zabezpieczeń awaryjnych są najczęściej pręty z substancją dobrze pochłaniającą neutrony (bor lub kadm). Czasami, aby wyłączyć reaktor, do pętli chłodziwa wtryskuje się absorber cieczy.
Oprócz ochrony czynnej wiele nowoczesnych projektów zawiera także elementy ochrony biernej. Na przykład nowoczesne wersje reaktorów WWER obejmują „Awaryjny układ chłodzenia rdzenia” (ECCS) - specjalne zbiorniki z kwasem borowym umieszczone nad reaktorem. W przypadku wystąpienia maksymalnie awarii projektowej (pęknięcie pierwszego obwodu chłodzącego reaktora) zawartość tych zbiorników pod wpływem grawitacji przedostaje się do rdzenia reaktora, a jądrowa reakcja łańcuchowa jest gaszona przez dużą ilość substancji zawierającej bor , który dobrze pochłania neutrony.
Zgodnie z „Zasadami bezpieczeństwa jądrowego obiektów reaktorowych elektrowni jądrowych” co najmniej jeden z przewidzianych systemów wyłączenia reaktora musi spełniać funkcję zabezpieczenia awaryjnego (EP). Zabezpieczenie awaryjne musi posiadać co najmniej dwie niezależne grupy elementów roboczych. Na sygnał AZ części robocze AZ muszą zostać aktywowane z dowolnej pozycji roboczej lub pośredniej.
Wyposażenie AZ musi składać się z co najmniej dwóch niezależnych zestawów.
Każdy zestaw urządzeń AZ musi być zaprojektowany w taki sposób, aby zapewnić ochronę w zakresie zmian gęstości strumienia neutronów od 7% do 120% wartości nominalnej:
1. Według gęstości strumienia neutronów - nie mniej niż trzy niezależne kanały;
2. Zgodnie z tempem wzrostu gęstości strumienia neutronów - nie mniej niż trzy niezależne kanały.
Każdy zestaw urządzeń ochrony awaryjnej musi być zaprojektowany w taki sposób, aby w całym zakresie zmian parametrów technologicznych ustalonych w projekcie reaktora (RP) zabezpieczenie awaryjne było zapewnione przez co najmniej trzy niezależne kanały dla każdego parametru technologicznego dla których konieczna jest ochrona.
Rozkazy sterujące każdego zestawu dla siłowników AZ muszą być przesyłane co najmniej dwoma kanałami. W przypadku wyłączenia jednego kanału w jednym z zestawów urządzeń AZ bez wyłączenia tego zestawu, dla tego kanału powinien zostać automatycznie wygenerowany sygnał alarmowy.
Zabezpieczenie awaryjne musi zostać uruchomione przynajmniej w następujących przypadkach:
1. Po osiągnięciu ustawienia AZ dla gęstości strumienia neutronów.
2. Po osiągnięciu ustawienia AZ dla szybkości wzrostu gęstości strumienia neutronów.
3. W przypadku zaniku napięcia w jakimkolwiek zestawie urządzeń ochrony awaryjnej i szynach zasilających CPS, które nie zostały wyłączone z eksploatacji.
4. W przypadku awarii dowolnych dwóch z trzech kanałów zabezpieczających gęstość strumienia neutronów lub szybkość narastania strumienia neutronów w dowolnym zestawie urządzeń AZ, który nie został wycofany z eksploatacji.
5. Po osiągnięciu nastaw AZ parametrów technologicznych, dla których należy przeprowadzić zabezpieczenie.
6. Podczas wyzwalania AZ kluczem z punktu kontroli bloku (BCP) lub punktu kontroli rezerwy (RCP).
Może ktoś potrafi pokrótce, w jeszcze mniej naukowy sposób wytłumaczyć, jak rozpoczyna pracę blok elektrowni jądrowej? :-)
Zapamiętaj temat np Oryginał artykułu znajduje się na stronie internetowej InfoGlaz.rf Link do artykułu, z którego powstała ta kopia -
Wykorzystanie energii jądrowej do wytwarzania energii elektrycznej odbywa się za pomocą specjalnych urządzeń tzw reaktor nuklearny. W reaktorze proces uwalniania energii zachodzi stopniowo, ponieważ w reakcji łańcuchowej rozszczepienia neutrony nie są uwalniane jednocześnie. Większość neutronów powstaje w czasie krótszym niż 0,001 sekundy – są to tak zwane neutrony natychmiastowe. Pozostała część (ok. 0,7%) powstaje po 13 sekundach – są to neutrony opóźnione. Umożliwiają regulację szybkości reakcji łańcuchowej za pomocą specjalnych prętów pochłaniających nadmiar neutronów. Pręty wprowadzane do rdzenia reaktora stabilizują proces powielania neutronów na bezpiecznym poziomie.
Co to jest reaktor jądrowy?
Istnieją dwie główne kategorie reaktorów – reaktory na neutrony termiczne (powolne) i reaktory na neutrony szybkie. W przyszłości porozmawiamy o termicznych reaktorach neutronowych
Głównym elementem reaktora jądrowego jest rdzeń, do którego ładowane są elementy paliwowe (pręty paliwowe). To właśnie w tych elementach zachodzi reakcja łańcuchowa. TVEL Reaktor RBMK to rura cyrkonowa o średnicy 10 mm i długości 3,5 m. Rurka zawiera tabletki dwutlenku uranu (UO 2). Pręty paliwowe umieszczone są w moderatorze. W reaktorach RBMK Elektrownia Jądrowa w Czarnobylu grafit jest stosowany jako moderator. Nawiasem mówiąc, to znacznie pogorszyło sytuację w kwietniu 1986 roku. Inne konstrukcje reaktorów jądrowych wykorzystują wodę jako moderator.
Ciepło wydzielające się w prętach paliwowych w wyniku rozszczepienia uranu jest usuwane za pomocą chłodziwa (na przykład wody). Czynnik chłodzący krąży w sposób ciągły przez rdzeń. Co godzinę przez reaktor RBMK-1000 przepływa 37 500 m3 wody. Pracą reaktora steruje się za pomocą systemu sterowania i ochrony (CPS). CPS zapewnia rozruch i wyłączenie reaktora, a także reguluje jego moc. Dotyczy to prętów wypełnionych substancją silnie pochłaniającą neutrony (kadm, bor itp.). Włożenie prętów do rdzenia powoduje wyłączenie reaktora, a wyjęcie ich z reaktora reguluje moc. Reaktory na neutrony termiczne charakteryzują się obecnością w rdzeniu moderatora (wody i grafitu).
Istnieje wiele innych typów reaktorów, które różnią się konstrukcją, rodzajem chłodziwa, energią zastosowanych neutronów itp.
Schemat ideowy reaktora jądrowego ( rdzeń) pokazano na rysunku.
Rodzaj reaktora jądrowego w elektrowni jądrowej w Czarnobylu
W elektrowni jądrowej w Czarnobylu zainstalowano cztery reaktory RBKM-1000. Skrót RBMK– reaktor kanałowy dużej mocy. Liczba 1000 wskazuje moc elektrowni, która jest w stanie wygenerować 1000 megawatów energii elektrycznej na godzinę. Należy zaznaczyć, że reaktor jądrowy oprócz mocy energetycznej posiada także moc cieplną wytwarzania ciepła w reaktorze. Energia cieplna wynosi 3000 megawatów. Korzystając z tych dwóch wartości (wartości cieplnej i mocy energetycznej), można łatwo obliczyć sprawność reaktora jądrowego RBKM-1000 - 31%.
Ważna cecha urządzenia RBMK to obecność kanałów w rdzeniu, przez które przepływa chłodziwo (woda). Oznacza to, że obecność kanałów w grubości moderatora umożliwia ruch chłodziwa, który po podgrzaniu zamienia się w parę, która z kolei wytwarza energię elektryczną. Ten schemat wytwarzania energii umożliwił zaprojektowanie potężnych reaktorów. Zatem rdzeń RBMK ma postać pionowego walca o wysokości 7 metrów i średnicy 11,8 metra. Cała wewnętrzna objętość reaktora wypełniona jest blokami grafitowymi o wymiarach 25x25x60 cm 3 . Całkowita masa grafitu w reaktorze wynosi 1850 ton.
Bloki grafitowe posiadają pośrodku cylindryczny otwór, przez który przechodzi kanał z wodą, będącą czynnikiem chłodzącym. Bloki grafitowe znajdujące się na obrzeżach reaktora nie mają otworów ani kanałów. Bloki te działają jak reflektor. Grubość tej warstwy wynosi jeden metr.
Stos grafitowy otoczony jest cylindrycznym metalowym zbiornikiem zawierającym wodę. Pełni rolę ochrony biologicznej. Grafit spoczywa na płycie, która składa się z metalowych konstrukcji, a grafit jest również pokryty podobną płytą na górze. Górna płyta, w celu ochrony przed promieniowaniem, pokryta jest dodatkową podłogą.
Elektrownia Jądrowa w Czarnobylu: Struktura reaktora RBMK
Ogólna budowa reaktoraRBMK:
1 – metalowa konstrukcja nośna;
2 – indywidualne rurociągi wodne;
3 – dolna konstrukcja metalowa;
4 – boczna ochrona biologiczna;
5 – mur z grafitu;
6 – separator bębnowy;
7 – rurociągi indywidualne parowo-wodne;
8 – górna konstrukcja metalowa;
9 – maszyna rozładunkowo-załadowcza;
10 – strop środkowy górny;
11 – zakładka górnej strony;
12 – system kontroli szczelności osłony elementu paliwowego;
13 – główna pompa obiegowa.
W reaktorach np RBMK Istnieje 1661 kanałów, w których umieszczane są kasety z paliwem jądrowym. Paliwem jądrowym jest dwutlenek uranu, który jest wypiekany w tabletki. Takie tabletki mają średnicę około jednego centymetra i wysokość półtora centymetra. Tabletki zbiera się w kolumnie w ilości dwustu sztuk i ładuje do TVEL. TVEL– wydrążony cylinder cyrkonowy z domieszką (1%) niobu, o długości 3,5 m i średnicy 13,5 mm. 36 prętów paliwowych składa się z kasety, którą wkłada się do kanału reaktora. Całkowita masa uranu, który jest ładowany reaktor– 190 ton. W pozostałych 211 kanałach reaktora poruszają się pręty absorberów.
Źródła literackie:
- Bar"yakhtar V.G. i in. Promieniowanie. Co o tym wiemy? / V.G. Bar"yakhtar, V.I. Strizhak, V.O. Poyarkov. K.: Nauk.dumka, 1991. – 32 s.
- Mukhin K.N. Eksperymentalna fizyka jądrowa: W 2 tomach T.1. Fizyka jądra atomowego. – M.: Atomizdat, 1974 – 584 s.
- Prister B.S., Loschilov N.A., Nemets O.F., Poyarkov V.A. Podstawy radiologii rolniczej. – Kijów: Żniwa, 1988. – 256 s.
Urządzenie i zasada działania opierają się na inicjalizacji i sterowaniu samopodtrzymującą się reakcją jądrową. Wykorzystywany jest jako narzędzie badawcze, do produkcji izotopów promieniotwórczych oraz jako źródło energii dla elektrowni jądrowych.
zasada działania (w skrócie)
Wykorzystuje proces, w którym ciężkie jądro rozpada się na dwa mniejsze fragmenty. Fragmenty te są w stanie silnie wzbudzonym i emitują neutrony, inne cząstki subatomowe i fotony. Neutrony mogą powodować nowe rozszczepienia, powodując emisję większej ich liczby i tak dalej. Taka ciągła, samopodtrzymująca się seria rozszczepień nazywana jest reakcją łańcuchową. Powoduje to uwolnienie dużej ilości energii, której produkcja ma na celu wykorzystanie elektrowni jądrowych.
Zasada działania reaktora jądrowego jest taka, że około 85% energii rozszczepienia jest uwalniane w bardzo krótkim czasie po rozpoczęciu reakcji. Pozostała część powstaje w wyniku rozpadu radioaktywnego produktów rozszczepienia po wyemitowaniu przez nie neutronów. Rozpad promieniotwórczy to proces, w którym atom osiąga bardziej stabilny stan. Kontynuuje się po zakończeniu podziału.
W bombie atomowej reakcja łańcuchowa nasila się, aż do rozszczepienia większości materiału. Dzieje się to bardzo szybko, powodując niezwykle potężne eksplozje typowe dla takich bomb. Konstrukcja i zasada działania reaktora jądrowego opierają się na utrzymaniu reakcji łańcuchowej na kontrolowanym, niemal stałym poziomie. Został zaprojektowany w taki sposób, że nie może eksplodować jak bomba atomowa.
Reakcja łańcuchowa i krytyczność
Fizyka reaktora rozszczepienia jądrowego polega na tym, że reakcja łańcuchowa zależy od prawdopodobieństwa rozszczepienia jądra po emisji neutronów. Jeśli populacja tych ostatnich zmniejszy się, wówczas stopień podziału ostatecznie spadnie do zera. W takim przypadku reaktor będzie w stanie podkrytycznym. Jeżeli populacja neutronów utrzyma się na stałym poziomie, wówczas tempo rozszczepienia pozostanie stabilne. Reaktor będzie w stanie krytycznym. Wreszcie, jeśli populacja neutronów będzie rosła z czasem, tempo rozszczepienia i moc wzrosną. Stan rdzenia stanie się nadkrytyczny.
Zasada działania reaktora jądrowego jest następująca. Przed wystrzeleniem populacja neutronów jest bliska zeru. Następnie operatorzy usuwają pręty sterujące z rdzenia, zwiększając rozszczepienie jądrowe, co tymczasowo wprowadza reaktor w stan nadkrytyczny. Po osiągnięciu mocy znamionowej operatorzy częściowo zwracają pręty sterujące, regulując liczbę neutronów. Następnie reaktor utrzymuje się w stanie krytycznym. Kiedy trzeba go zatrzymać, operatorzy wsuwają pręty do końca. To tłumi rozszczepienie i przenosi rdzeń do stanu podkrytycznego.
Typy reaktorów
Większość elektrowni jądrowych na świecie to elektrownie wytwarzające ciepło potrzebne do wirowania turbin napędzających generatory energii elektrycznej. Istnieje również wiele reaktorów badawczych, a niektóre kraje mają łodzie podwodne lub statki nawodne zasilane energią atomową.
Instalacje energetyczne
Istnieje kilka typów reaktorów tego typu, ale szeroko stosowana jest konstrukcja lekkowodna. Z kolei może używać wody pod ciśnieniem lub wrzącej wody. W pierwszym przypadku ciecz pod wysokim ciśnieniem jest podgrzewana przez ciepło rdzenia i wchodzi do wytwornicy pary. Tam ciepło z obiegu pierwotnego przekazywane jest do obiegu wtórnego, w którym również znajduje się woda. Ostatecznie wytworzona para służy jako płyn roboczy w obiegu turbiny parowej.
Reaktor wrzący działa na zasadzie bezpośredniego obiegu energii. Woda przechodząca przez rdzeń doprowadzana jest do wrzenia pod średnim ciśnieniem. Para nasycona przechodzi przez szereg separatorów i suszarek znajdujących się w zbiorniku reaktora, co powoduje jej przegrzanie. Przegrzana para wodna jest następnie wykorzystywana jako płyn roboczy do obracania turbiny.
Chłodzony gazem o wysokiej temperaturze
Wysokotemperaturowy reaktor chłodzony gazem (HTGR) to reaktor jądrowy, którego zasada działania opiera się na wykorzystaniu jako paliwa mieszaniny grafitu i mikrosfer paliwowych. Istnieją dwa konkurencyjne projekty:
- niemiecki system „fill” wykorzystujący kuliste elementy paliwowe o średnicy 60 mm, będące mieszaniną grafitu i paliwa w grafitowej powłoce;
- wersja amerykańska w postaci grafitowych sześciokątnych pryzmatów, które zazębiają się tworząc rdzeń.
W obu przypadkach chłodziwo składa się z helu pod ciśnieniem około 100 atmosfer. W systemie niemieckim hel przepływa przez szczeliny w warstwie sferycznych elementów paliwowych, natomiast w systemie amerykańskim hel przechodzi przez otwory w grafitowych pryzmatach rozmieszczonych wzdłuż osi centralnej strefy reaktora. Obie opcje mogą pracować w bardzo wysokich temperaturach, ponieważ grafit ma wyjątkowo wysoką temperaturę sublimacji, a hel jest całkowicie obojętny chemicznie. Gorący hel można zastosować bezpośrednio jako płyn roboczy w turbinie gazowej w wysokiej temperaturze lub jego ciepło można wykorzystać do wytworzenia pary w obiegu wodnym.
Ciekły metal i zasada działania
W latach sześćdziesiątych i siedemdziesiątych XX wieku wiele uwagi poświęcono reaktorom prędkim chłodzonym sodem. Wydawało się wówczas, że ich zdolności hodowlane wkrótce będą potrzebne do produkcji paliwa dla szybko rozwijającego się przemysłu nuklearnego. Kiedy w latach 80. stało się jasne, że oczekiwania te są nierealne, entuzjazm opadł. Jednak szereg reaktorów tego typu zbudowano w USA, Rosji, Francji, Wielkiej Brytanii, Japonii i Niemczech. Większość z nich wykorzystuje dwutlenek uranu lub jego mieszaninę z dwutlenkiem plutonu. Jednak w Stanach Zjednoczonych największy sukces osiągnięto w przypadku paliw metalicznych.
CANDU
Kanada koncentruje swoje wysiłki na reaktorach wykorzystujących uran naturalny. Eliminuje to konieczność uciekania się do usług innych krajów w celu jego wzbogacenia. Rezultatem tej polityki był reaktor deuterowo-uranowy (CANDU). Jest kontrolowany i chłodzony ciężką wodą. Konstrukcja i zasada działania reaktora jądrowego polega na wykorzystaniu zbiornika zimnego D 2 O pod ciśnieniem atmosferycznym. Rdzeń przebity jest rurkami wykonanymi ze stopu cyrkonu zawierającego naturalne paliwo uranowe, przez które krąży ciężka woda chłodząca go. Energia elektryczna jest wytwarzana poprzez przenoszenie ciepła rozszczepienia w ciężkiej wodzie do chłodziwa, które krąży w generatorze pary. Para w obwodzie wtórnym przechodzi następnie przez konwencjonalny cykl turbiny.
Ośrodki badawcze
Do badań naukowych najczęściej wykorzystuje się reaktor jądrowy, którego zasada działania polega na zastosowaniu chłodzenia wodnego i uranowych elementów paliwowych w kształcie płyt w postaci zespołów. Możliwość pracy w szerokim zakresie poziomów mocy, od kilku kilowatów do setek megawatów. Ponieważ wytwarzanie energii nie jest głównym celem reaktorów badawczych, charakteryzują się one wytwarzaną energią cieplną, gęstością i energią nominalną neutronów rdzenia. To właśnie te parametry pomagają ilościowo określić zdolność reaktora badawczego do prowadzenia określonych badań. Systemy małej mocy są zwykle spotykane na uniwersytetach i wykorzystywane do celów dydaktycznych, natomiast systemy dużej mocy są potrzebne w laboratoriach badawczych do testowania materiałów i wydajności oraz badań ogólnych.
Najpopularniejszym jest badawczy reaktor jądrowy, którego budowa i zasada działania jest następująca. Jego rdzeń znajduje się na dnie dużego, głębokiego basenu wodnego. Upraszcza to obserwację i rozmieszczenie kanałów, przez które można kierować wiązki neutronów. Przy niskich poziomach mocy nie ma potrzeby pompowania chłodziwa, ponieważ naturalna konwekcja chłodziwa zapewnia wystarczające odprowadzanie ciepła, aby utrzymać bezpieczne warunki pracy. Wymiennik ciepła zwykle znajduje się na powierzchni lub na górze basenu, gdzie gromadzi się gorąca woda.
Instalacje okrętowe
Pierwotnym i głównym zastosowaniem reaktorów jądrowych jest ich zastosowanie w okrętach podwodnych. Ich główną zaletą jest to, że w przeciwieństwie do systemów spalania paliw kopalnych, nie wymagają powietrza do wytworzenia energii elektrycznej. Dlatego atomowy okręt podwodny może pozostawać zanurzony przez długi czas, podczas gdy konwencjonalny okręt podwodny z silnikiem Diesla musi okresowo wynurzać się na powierzchnię, aby uruchomić swoje silniki w powietrzu. daje przewagę strategiczną okrętom wojennym. Dzięki niemu nie ma konieczności tankowania w zagranicznych portach czy z łatwo podatnych na zagrożenia tankowców.
Zasada działania reaktora jądrowego na łodzi podwodnej jest sklasyfikowana. Wiadomo jednak, że w USA wykorzystuje się wysoko wzbogacony uran, a spowalnia się go i chłodzi lekką wodą. Na projekt pierwszego atomowego reaktora podwodnego, USS Nautilus, duży wpływ miały potężne ośrodki badawcze. Jego unikalną cechą jest bardzo duża rezerwa reaktywności, zapewniająca długi czas pracy bez tankowania oraz możliwość ponownego uruchomienia po zatrzymaniu. Elektrownia na łodziach podwodnych musi być bardzo cicha, aby uniknąć wykrycia. Aby sprostać specyficznym potrzebom różnych klas okrętów podwodnych, stworzono różne modele elektrowni.
Lotniskowce Marynarki Wojennej Stanów Zjednoczonych korzystają z reaktora jądrowego, którego zasadę działania uważa się za zapożyczoną z największych okrętów podwodnych. Szczegóły ich konstrukcji również nie zostały opublikowane.
Oprócz Stanów Zjednoczonych nuklearne okręty podwodne posiadają Wielka Brytania, Francja, Rosja, Chiny i Indie. W każdym przypadku projekt nie został ujawniony, ale uważa się, że wszystkie są bardzo podobne - jest to konsekwencja tych samych wymagań dotyczących ich właściwości technicznych. Rosja ma również małą flotę, która wykorzystuje te same reaktory, co radzieckie okręty podwodne.
Instalacje przemysłowe
Do celów produkcyjnych wykorzystuje się reaktor jądrowy, którego zasadą działania jest wysoka wydajność przy niskiej produkcji energii. Dzieje się tak dlatego, że długi pobyt plutonu w rdzeniu prowadzi do nagromadzenia się niepożądanych 240 Pu.
Produkcja trytu
Obecnie głównym materiałem wytwarzanym przez takie systemy jest tryt (3H lub T) – ładunek plutonu-239 ma długi okres półtrwania wynoszący 24 100 lat, więc w krajach posiadających arsenały broni nuklearnej wykorzystującej ten pierwiastek zwykle jest go więcej niż to konieczne. W przeciwieństwie do 239 Pu, okres półtrwania trytu wynosi około 12 lat. Zatem, aby utrzymać niezbędne zapasy, ten radioaktywny izotop wodoru musi być wytwarzany w sposób ciągły. Na przykład w Stanach Zjednoczonych w Savannah River (Karolina Południowa) działa kilka reaktorów ciężkowodnych produkujących tryt.
Pływające jednostki napędowe
Stworzono reaktory jądrowe, które mogą dostarczać energię elektryczną i ogrzewanie parowe do odległych, odizolowanych obszarów. Na przykład w Rosji znalazły zastosowanie małe elektrownie zaprojektowane specjalnie do obsługi osad arktycznych. W Chinach elektrownia HTR-10 o mocy 10 MW zapewnia ciepło i energię instytutowi badawczemu, w którym się znajduje. W Szwecji i Kanadzie trwają prace nad małymi, automatycznie sterowanymi reaktorami o podobnych możliwościach. W latach 1960–1972 armia amerykańska wykorzystywała kompaktowe reaktory wodne do zasilania odległych baz na Grenlandii i Antarktydzie. Zastąpiły je elektrownie opalane ropą.
Podbój kosmosu
Ponadto opracowano reaktory do zasilania i poruszania się w przestrzeni kosmicznej. W latach 1967–1988 Związek Radziecki zainstalował na swoich satelitach serii Cosmos małe jednostki jądrowe do zasilania sprzętu i telemetrii, ale polityka ta stała się celem krytyki. Co najmniej jeden z tych satelitów wszedł w atmosferę ziemską, powodując skażenie radioaktywne w odległych obszarach Kanady. W 1965 roku Stany Zjednoczone wystrzeliły tylko jednego satelitę o napędzie atomowym. Wciąż jednak rozwijane są projekty ich wykorzystania w długodystansowych lotach kosmicznych, załogowych eksploracjach innych planet czy w stałej bazie księżycowej. Będzie to koniecznie reaktor jądrowy chłodzony gazem lub reaktor jądrowy z ciekłym metalem, którego zasady fizyczne zapewnią najwyższą możliwą temperaturę niezbędną do zminimalizowania rozmiaru grzejnika. Ponadto reaktor do technologii kosmicznej musi być jak najbardziej kompaktowy, aby zminimalizować ilość materiału użytego do osłony i zmniejszyć wagę podczas startu i lotu kosmicznego. Dopływ paliwa zapewni pracę reaktora przez cały okres lotu kosmicznego.