Comment une centrale nucléaire fabrique l'électricité
Suivez la chaleur de fission à travers un réacteur à eau pressurisée à deux boucles, un cycle de vapeur séparé et un troisième circuit de refroidissement.
En 60 secondes : comment ça marche
Une centrale nucléaire utilise la chaleur de fractionner les atomes pour faire bouillir l'eau. La vapeur tourne une turbine qui conduit un générateur, comme dans une centrale au charbon ou au gaz.
- À l'intérieur du réacteur, la division des atomes d'uranium (fission) libère la chaleur.
- L'eau pressurisée dans une boucle scellée transporte cette chaleur. Dans ce design, elle n'atteint jamais la turbine.
- L'eau chaude fait bouillir l'eau dans une boucle séparée pour faire de la vapeur.
- La vapeur tourne une turbine connectée à un générateur, qui fait de l'électricité.
- La vapeur est refroidie dans l'eau par un troisième circuit de refroidissement et renvoyée pour être réchauffée.
- Un transformateur augmente la tension pour que l'électricité puisse se déplacer vers le réseau.
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Par Centrales électriques dans le monde entier · Lectures connexes mises à jour · Établissement et examen du champ d'application. Illustrations pédagogiques; aucun examen par les pairs indépendant en génie n'est revendiqué.
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Faites tourner l'équipement, suivez les flux d'énergie et inspectez chaque composant. Lisez les étapes ci-dessous à tout moment.
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Réacteur à eau pressurisée à deux boucles (PWR), turbines à vapeur à haute/faible pression, séparateur/réchauffeur d'humidité (MSR) et générateur synchrone à quatre pôles. Les états de vapeur NIST fixes et les pertes illustratives forment un cas à l'état stationnaire, non pas une simulation primaire thermique-hydraulique, structurelle, de formation des opérateurs ou de sécurité. Les superpositions colorées révèlent le flux à travers les équipements fermés; les impulsions dorées montrent le transfert net d'énergie électrique, et non les électrons individuels. Le confinement extérieur est caché dans les vues du réacteur, de la boucle primaire, du générateur de vapeur et de la pressuriseur uniquement, pour exposer les coupures d'enseignement.
Comment ça marche
- Fission nucléaire contrôlée
- Chaleur transportée par le liquide de refroidissement
- Steam production
- Rotation de la turbine
- Générateur d'électricité
- Transformateur et grille
Une centrale nucléaire utilise la chaleur libérée lorsque des noyaux atomiques se divisent en une réaction en chaîne contrôlée. Le combustible transfère cette chaleur à un liquide de refroidissement; la voie du liquide de refroidissement dépend de la conception du réacteur. Dans le réacteur à eau pressurisée montré ici, le liquide de refroidissement primaire primaire normal reste liquide, tandis que le pressurisateur connecté contient délibérément de la vapeur au-dessus du liquide.
Après la turbine, un condenseur enlève la chaleur et retourne la vapeur dans l'eau pour la réutiliser. Un système de refroidissement séparé transporte la chaleur rejetée dans l'environnement. Le liquide de refroidissement, la vapeur de turbine et l'eau de refroidissement ont donc des tâches distinctes et restent normalement séparés dans cet arrangement.
Suivez la chaleur. Gardez les fluides séparés.
Réacteur à eau pressurisée à deux boucles (PWR), cycle séparé vapeur/eau d'alimentation et refroidissement séparé condenseur. Les découpes relient la fonction interne à l'équipement externe. Les chiffres décrivent un cas inventé, l'état fixe d'enseignement, pas une station nommée ou un simulateur de formation de l'opérateur.
Sélectionné : aperçu du système entier.
Explication simple
Le réacteur fait de la chaleur, pas de l'électricité directement. L'eau transporte la chaleur du noyau aux tubes U à l'intérieur de chaque générateur de vapeur. L'eau secondaire environnante bouillit, mais les fluides restent séparés par des parois métalliques. Le liquide de refroidissement primaire en vrac reste liquide en fonctionnement normal; le pressuriseur contient délibérément de la vapeur au-dessus du liquide. [N1] [N3] [N6]
La vapeur fonctionne, l'eau revient. La vapeur se développe à travers la turbine haute pression (HP). Un séparateur/réchauffeur d'humidité (MSR) enlève le liquide, puis utilise une branche principale séparée pour chauffer la vapeur continue à travers les parois du tube. Les turbines basse pression (LP) ajoutent le travail de l'arbre. Le condenseur retourne la vapeur d'échappement dans l'eau; les pompes d'alimentation la retournent aux deux générateurs de vapeur. [N1] [N6]
La chaleur et l'électricité ont différentes sorties. L'eau du troisième circuit coule à l'intérieur des tubes de condensation, absorbant la chaleur sans mélange avec la vapeur de turbine. La tour transfère la chaleur à l'air; son panache visible contient des gouttelettes d'eau condensées, pas de fumée. L'arbre conduit un générateur synchrone; le commutateur et un transformateur relient le courant alternatif en trois phases (AC) au réseau. [N1] [N2] [N6]
Solde opérationnel actuel
| Measurement / boundary | Puissance |
|---|---|
| Chaleur du réacteur fournie au circuit secondaire | 1000.000 |
| Sortie de l'arbre de turbine (avant générateur) | 292.830 |
| Production brute d'électricité | 286.973 |
| Entrée électrique de la pompe d'alimentation | 3.080 |
| Autres installations électriques auxiliaires | 8.609 |
| Perte de transformateur | 1.376 |
| Électricité nette exportée | 273.908 |
| Rejet de chaleur du condenseur | 710.096 |
| Pertes liées aux groupes électrogènes | 5.857 |
| Perte de moteur de pompe d'alimentation | 0.154 |
| Chaleur totale environnementale (y compris les autres auxiliaires) | 726.092 |
1000.000 MWth = 273.908 MWe net export + 726.092 MW chaleur environnementale. Résidus non arrondis: 0.00e+0 W.
Auxiliaries total 11.689 MWe. Travaux réels de pompe à eau (y compris dissipation hydraulique), 2.926 MW, est déjà comptabilisé dans le bilan condenseur/arbre; il n'est pas compté à nouveau comme chaleur perdue. D'autres auxiliaires rejettent finalement la chaleur dans la limite indiquée de l'ensemble de la centrale. Toutes les lectures de puissance utilisent le même calcul.
Détails techniques: un modèle de masse et d'énergie
Enthalpy h est l'énergie par masse (kJ/kg); entropie s est en kJ/(kg·K); volume spécifique v est en m3/kg; pression p Le débit massique est en kg/s; le débit thermique est Q et la puissance de l'arbre/de l'électricité P est en watts (W). x is the vapour mass fraction of a saturated mixture, not a volume fraction. Efficiency η is dimensionless. Subscripts identify equipment/state boundaries. K means kelvin; 1 MPa = 10⁶ Pa; 1 kJ = 1000 J.
x_HP,s = (s_SG − s_f,1MPa) / (s_g,1MPa − s_f,1MPa)
h_HP,s = h_f,1MPa + x_HP,s (h_g,1MPa − h_f,1MPa)
h_HP = h_SG − η_HP (h_SG − h_HP,s)
SG désigne le générateur de vapeur; l' sous-scriptum s indique l'expansion idéale de la constante entropie (isentrope); f/g denote saturated liquid/vapour. Actual HP quality follows from h_HP and the 1 MPa saturated enthalpies. An ideal separator sends only its vapour fraction onward. Saturated enthalpy/entropy differences use the rounded endpoint columns consistently, not independently rounded latent-heat columns. No kinetic/potential energy changes, piping heat losses or pressure drops are calculated. [N5] [N7]
β (h_SG − h_f,6MPa) = (1 − β) x_HP (h_RH − h_g,1MPa)
β is the main-steam mass fraction diverted to the reheater heating tubes; RH denotes reheated steam. The fixed 6 MPa heating steam condenses while the dry 1 MPa stream reaches 250 °C. Its 275.585 °C heating-side saturation temperature gives a positive terminal temperature difference. Both fluids are secondary-side water, but they occupy separate pressure passages. At this point β = 8.400%; la qualité de sortie de HP est 86.773%.
ṁ_HP = (1 − β) ṁ; ṁ_LP = (1 − β) x_HP ṁ
ṁ_separator drain + ṁ_heater drain + ṁ_LP = ṁ
P_turbine = ṁ_HP (h_SG − h_HP) + ṁ_LP (h_RH − h_LP)
LP isentropic expansion uses the RH entropy and 0.010 MPa saturation data, followed by η_LP in the same enthalpy-drop definition. Both drains throttle at constant enthalpy into the condenser. Their flash vapour is condensed there and included in the heat ledger. No extraction is credited to the depicted feedwater heater: it is an unheated pass-through in this simplified case. The LP exit vapour mass fraction is 88.399%, un résultat d'enseignement calculé, pas une limite d'humidité de la lame ou une garantie du vendeur.
w_pump = v_f Δp / η_pump; h_FW = h_f,condenser + w_pump
ṁ = Q̇_reactor / (h_SG − h_FW)
Q̇_reactor + P_pump,fluid = P_turbine + Q̇_condenser
Use joules/kg in power equations (multiply tabulated kJ/kg by 1000). FW means feedwater; Δp = 6.000 MPa − 0.010 MPa. The incompressible pump approximation uses the condenser-liquid specific volume and ideal/actual pump-work efficiency. Its derived enthalpy is not an independent temperature slider; compressed-water outlet temperature is not calculated. The two steam generators share total flow equally; the three parallel LP/condenser branches are grouped in the calculation. Primary flow, fuel temperature and pressuriser dynamics are not solved.
P_gross = η_generator P_turbine
P_aux = P_pump,fluid / η_motor + 0.03 P_gross
P_net = η_transformer (P_gross − P_aux)
Q̇_environment = Q̇_condenser + P_generator loss + P_motor loss + P_other aux + P_transformer loss
η_net = P_net / Q̇_reactor
Illustrative constants: HP/LP isentropic efficiencies 0.85; ideal/actual pump-work efficiency 0.80; motor 0.95; generator 0.98; transformer 0.995. Other auxiliaries are 3% of gross output and exclude the separately counted feed pump. Their allowance covers unmodelled reactor-coolant/cooling pumps and station services without claiming individual pump ratings. Heater/separator efficiencies and extraction systems are idealised. No cooling-water flow, evaporative consumption, transient or equipment sizing is calculated.
n = 120 f / p_poles = 120 × 50 / 4 = 1500 rpm; ω = 2πn/60; T = P_turbine/ω
Ici. n est la vitesse de l'arbre physique en régime; f est la fréquence de grille dans l'hertz (Hz), p_poles nombre total de pôles (pas de paires de pôles), vitesse angulaire - - est en radians/s, et couple T est en newton-mètres (N·m). Le couple de l'arbre actuel est 1.864 MN·m. La vitesse d'affichage, la sélection et la pause ne changent pas ces relations. [N2]
Exemple vérifié: 1000 MWth, pas une vraie notation de station
Avec les hypothèses ci-dessus: total SG vapeur 386.813 kg/s; arbre à turbine 292.830 MW; électricité brute 286.973 MWe; auxiliaires 11.689 MWe; exportation nette 273.908 MWe. La chaleur environnementale est 726.092 MW; la balance non arrondie se ferme à l'intérieur de la précision du point flottant. Ces valeurs sont dérivées des états du tableau ci-dessous, et non des compteurs animés de façon indépendante.
| État | Pression MPa | Température °C | h kJ/kg | s kJ/(kg·K) |
|---|---|---|---|---|
| Sortie SG, vapeur saturée | 6.000 | 275.585 | 2784.6 | 5.8901 |
| Séparateur liquide/vapeur sèche | 1.000 | 179.878 | 762.52 / 2777.1 | 2.1381 / 6.5850 |
| Entrée LP réchauffée | 1.000 | 250.000 | 2943.1 | 6.9265 |
| Liquide saturé par condenseur/vapeur | 0.010 | 45.806 | 191.81 / 2583.9 | 0.64920 / 8.1488 |
| Drain à vapeur de chauffage avant écrasement | 6.000 | 275.585 | 1213.9 | — not used |
| Limite | Pression MPa | Température °C | h kJ/kg | Fraction de masse de vapeur |
|---|---|---|---|---|
| 1 · Liquide de condensation | 0.010 | 45.806 | 191.810 | 0.0000 |
| 2 · Sortie de pompe d'alimentation | 6.000 | Non calculé | 199.374 | Sans objet |
| 3 · vapeur principale | 6.000 | 275.585 | 2784.600 | 1.0000 |
| 4 · sortie de turbine HP | 1.000 | 179.878 | 2510.636 | 0.8677 |
| 5 · Entrée de LP réchauffée | 1.000 | 250.000 | 2943.100 | Sans objet |
| 6 · Sortie de turbine LP | 0.010 | 45.806 | 2306.392 | 0.8840 |
Débit secondaire total 386.813 kg/s divisés en HP admis 354.320 kg/s et saigné à vapeur 32.493 kg/s. Après séparation, débit LP 307.455 kg/s, drains séparateurs 46.865 kg/s et les égouts à vapeur de chauffage retournent tous au condenseur. 386.813 kg/s.
Pression, mouvement et coupe
Les tubes de la cuve, le boîtier de la pompe et la paroi de la presse contiennent de la pression; un support structural transporte des charges jusqu'à la fondation et n'est pas un passage fluide. Les pliages de la tuyauterie illustrent les aménagements d'expansion; les supports et les roulements de selle restent fixes pendant que les arbres/coulements tournent. Les secteurs de paroi retirés sont pour la visibilité, et non pour une condition de fonctionnement. [N1]
Les tiges de commande et la chaleur de désintégration ne sont pas un simulateur de sécurité
Même après la suppression de la fission, la désintégration radioactive produit de la chaleur qui doit être enlevée. Il n'y a pas de contrôle de la tige, d'urgence, de voyage, d'accident ou d'arrêt ici, aucune courbe de la désintégration calculée et aucune prétention à enseigner les procédures d'exploitation. [N6]
PWR et BWR sont des circuits différents
PWR représenté en 3D: boucles primaires en vrac-liquides et pressuriseur; la chaleur traverse les parois des tubes générateurs de vapeur dans un cycle de vapeur/eau d'alimentation séparé de turbine.
Réacteur à eau bouillante (BWR), comparaison seulement: L'eau d'alimentation retourne au réacteur, sans qu'un générateur de vapeur de type PWR sépare ces fluides. Le même modèle PWR n'est pas réétiqueté comme un BWR. Lire la description distincte du BWR. [N6]
Vérifiez votre compréhension
Le liquide de refroidissement primaire passe-t-il par la turbine?
Non. La chaleur traverse les parois du tube générateur de vapeur; la vapeur secondaire conduit la turbine. Une fuite primaire/secondaire serait une faille, et non le circuit prévu.
Un pressurisateur contredit-il --le liquide de refroidissement primaire en vrac ?
Non. Son espace de vapeur délibéré aide à réguler la pression; la boucle principale n'est pas décrite comme étant entièrement exempte de vapeur.
Pourquoi 2000 MWth signifie-t-il 2000 MWe d'exportation?
Much of the input heat is rejected at the condenser. Generator, motor and transformer losses and plant auxiliaries further reduce net electricity. Doubling the illustrative heat load changes flow and torque, not the 50 Hz synchronous speed.
Sources, accès au passage et examen
Sélection des passages de livre/propriété . Cours d'origine et contrôles de logiciels/géométrie; pas d'ingénierie indépendante revue par les pairs. Seuls les passages listés ont été inspectés. Les passages techniques obligatoires Lamarsh/Baratta étaient inaccessibles; son catalogue est en lecture plus approfondie, avec l'aperçu légal du livre Glasstone/Sesonske fournissant la fondation nucléaire contrôlée.
- [N1] Glasstone et Sesonske. Génie des réacteurs nucléaires, vol. 2: Génie des systèmes de réacteurs, 4e éd., Chapman & Hall, 1994. DOI. Aperçus des éditeurs vérifiés : printed 501–502, §§9.1–9.5 et 759–760, §13.6. Conversion de chaleur et contexte de bateau/support, pas une conception complète vérifiée de l'usine.
- [N2] Woodson et Melcher. Dynamique électromécanique, Partie I, Wiley, 1968. MIT-hosted Chapter 4, §4.1.8, equation (4.1.95), PDF page 48 (one-based). Pole pairs translated explicitly to total poles.
- [N3] J. Pongpuak. Matières et réacteurs nucléaires, Vol. I, EOLSS. Publisher sample, §2.1, PDF pages 4–5. Selected circuit passages checked; no publication year inferred from this sample.
- [N4] Lamarsh et Baratta. Introduction au génie nucléaire, 4th ed., Pearson, print ISBN 9780134570051, published 2017 / ©2018. Required starting bibliography; metadata/contents-only further reading. Les passages techniques pertinents n'étaient pas accessibles ou vérifiés.
- [N5] Allan H. Harvey. Propriétés thermodynamiques de l'eau, NISTIR 5078, 1998, IAPWS-95 formulation. NIST record; Table 2, printed 11, 13, 14; Table 3, printed 38. Lignes sélectionnées personnellement vérifiées; valeurs fixes, pas un résolveur de propriété d'eau implémenté.
- [N6] Sources primaires supplémentaires : US NRC PWR overview; Cook licence-renewal application, §2.3.1 pressuriser passage; AP1000 FSER §1.2.2.6, MSR arrangement; NRC glossary, decay heat; NRC PWR/BWR comparison; DOE EIS-0230 §4.3.5, cooling-plume droplets. Certains passages du CNRC indexés ont été lus; l'accès direct aux documents du CNRC a été renvoyé HTTP 403, de sorte que l'examen manuel complet n'est pas revendiqué.
- [N7] DOE. Manuel des fondamentaux : Thermodynamique, transfert de chaleur et débit fluide, vol. 1, DOE-HDBK-1012/1-92, 1992. Official handbook. Imprimé vérifié 79-82, 84 et 90-91 : turbine à flux constant/pompe/échangeur de chaleur et relations vapeur-cycle; complémentaire à la fondation du manuel vérifié.
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Dans l'ingénierie
Suivez la machine, les fluides de travail et la connexion électrique.
Mécanique
Deux voies primaires en U-tube, un pressurisateur liquide/à vapeur, des passages de séparation/réchauffement de l'humidité et des tronçons de tubes et de puits de condensation expliquent les limites de débit. Les tiges restent fixes. Les raccords d'arbre coaxiaux portent le couple; les supports de tuyaux et les courbes d'expansion sont des passages structuraux, et non des passages fluides.
Thermique & chimique
La chaleur de fission atteint la vapeur secondaire à travers les parois du tube. Le liquide de refroidissement primaire primaire reste liquide alors que le pressuriseur a délibérément un espace de vapeur. Le saigné à vapeur principale se réchauffe à la vapeur secondaire séparée; les égouts MSR et les gaz d'échappement LP retournent au condenseur. L'eau de refroidissement séparée élimine la chaleur sans entrer dans l'eau d'alimentation.
Électrique
Steam-turbine shafts drive a synchronous generator at the selected 50 Hz / four-pole / 1500 rpm state independently of thermal load; greater power changes torque. Three-phase switchgear and step-up transformation export power. Gross output, feed-pump and other auxiliary loads, transformer losses, net export and environmental heat share a checked balance; reactive power, excitation and protection are not solved.
Principaux types et variations
La coupure 3D représente un réacteur à eau pressurisée (PWR), pas toutes les centrales nucléaires. Les familles de réacteurs diffèrent en ce qui concerne le liquide de refroidissement, le comportement des neutrons et les équipements de transfert de chaleur.
Réacteur à eau pressurisée (PWR)
Les pompes circulent de l'eau sous pression à travers le noyau et les générateurs de vapeur. La chaleur traverse les parois du tube générateur de vapeur pour former un circuit de vapeur séparé.
Quels changements dans la pratique
Le refroidissement du réacteur est séparé de la vapeur de turbine. Les tubes générateurs de vapeur sont à la fois des surfaces de transfert de chaleur et une barrière de séparation importante.
Réacteur à eau bouillante (BWR)
L'eau bouillie à l'intérieur du réacteur. Les séparateurs et les sécheuses enlèvent les gouttelettes entraînées avant que la vapeur ne se déplace directement vers la turbine. Le condenseur retourne la vapeur d'échappement dans l'eau et les pompes d'eau d'alimentation la retournent au navire.
Quels changements dans la pratique
Le réacteur et la turbine partagent le circuit vapeur-eau, donc cette conception ne peut pas être comprise en copieant simplement les boucles primaires et secondaires séparées PWR.
Réacteur à eau lourde pressurisée (RSPH)
Dans un système de chauffage à eau chaude de type CANDU, le combustible se trouve dans des canaux individuels de tubes de pression. L'eau lourde sert de liquide de refroidissement et de modérateur qui ralentit les neutrons dans des systèmes séparés.
Quels changements dans la pratique
Les canaux de carburant et le ravitaillement en ligne distinguent cette disposition d'un réacteur à eau légère à simple cuve. L'état du tube de pression est une considération majeure pour l'inspection et l'entretien.
Réacteurs refroidis au gaz: AGR et HTGR
Un gaz circulant transporte la chaleur hors du cœur au lieu de l'eau liquide. Les réacteurs à gaz de pointe utilisent du dioxyde de carbone; les réacteurs à gaz à haute température utilisent l'hélium. La chaleur récupérée peut fournir de l'électricité et, dans des conceptions à haute température appropriées, des procédés industriels qui ont également besoin de chaleur.
Quels changements dans la pratique
Le refroidissement du gaz modifie les exigences en matière d'équipement de transfert de chaleur et de température, c'est-à-dire les réacteurs nucléaires; le gaz de refroidissement est un vecteur de chaleur et non un combustible de combustion.
Réacteurs à neutrons rapides
Les réacteurs rapides maintiennent la fission en utilisant des neutrons à haute énergie plutôt que de les ralentir d'abord avec un modérateur. Différents concepts utilisent le sodium, le plomb ou le gaz pour transporter la chaleur.
Quels changements dans la pratique
La composition du combustible, le choix du liquide de refroidissement et le cycle de combustible prévu doivent être considérés ensemble. Un réacteur rapide n'est pas automatiquement un éleveur dans toutes les configurations.
Petits réacteurs modulaires (RMR)
Les RMS sont conçus pour un réacteur plus petit, qui doit être construit ou fabriqué en modules, certains sont des réacteurs compacts refroidis à l'eau, d'autres utilisent différents réfrigérants et la physique des réacteurs.
Quels changements dans la pratique
-SMR , ne permet pas d'identifier le liquide de refroidissement ou le cycle de la vapeur. Comparez le statut de conception et de licence réel plutôt que de supposer que tous les petits réacteurs fonctionnent de la même manière.
Il faut savoir
- Les centrales nucléaires produisent très peu de dioxyde de carbone pendant leur fonctionnement.
- Ils fonctionnent généralement à peu près à plein rendement pendant de longues périodes entre les pannes de ravitaillement.
- Le combustible usé est hautement radioactif et doit être entreposé et géré pendant longtemps.
Voir les exemples réels
L'atlas comprend 196 records nucléaires dans le monde.
Afficher sur la carteRéponses connexes
Références des manuels
Les documents de référence techniques suggérés pour ce sujet sont des lectures plus poussées, et non la preuve que chaque explication a été vérifiée par rapport à chaque édition. bibliographie complète et portée de l'examen.
- Introduction to Nuclear EngineeringFission, physique des neutrons, types de réacteurs, élimination de la chaleur et radioprotection.
- Thermodynamics: An Engineering ApproachCycles de vapeur de rankine utilisés sur le côté secondaire de l'usine.
Sources
- EIA: Nuclear power plants ↗
- US NRC: Primary and secondary steam-generator circuits ↗
- Glasstone/Sesonske: checked nuclear engineering textbook preview ↗
- NIST: checked water/steam property tables ↗
- EIA: How electricity is generated ↗
Les découpes révèlent des équipements fermés. Les plans, les dimensions, les matériaux et les vitesses d'animation sont des exemples; c'est un modèle éducatif, Le calcul à l'état fixe n'est pas une simulation thermique-hydraulique transitoire ou de sécurité.