Как известно, все атомные электростанции (АЭС) располагаются рядом с открытыми источниками воды. Очищенная вода для АЭС используется в каждом ее контуре в качестве теплоносителя. Отработанную нагретую воду необходимо заново охладить за счет воды извне и повторно использовать. Таким образом, есть два основных назначения воды для АЭС - это теплообмен и охлаждение.
Разберём устройство АЭС на примере реактора ВВЭР (водо-водяной энергетический реактор), самого распространённого в мире типа реакторов (в мировой классификации их обозначают PWR).
РЕАКТОР. В активной зоне реактора находятся стержни с топливом (чаще всего оксид урана). При пуске реактора создаются условия, при которых из ядер урана вылетают нейтроны, часть из них на высокой скорости врезается в соседние ядра. Эти ядра раскалываются на две примерно равные части, при этом появляются 2-3 новых нейтрона. Процесс повторяется. Это называется цепной реакцией.
Образовавшиеся осколки деления обладают большой кинетической энергией, которая переходит в тепло при их торможении. Оно поглощается теплоносителем, который подаётся в активную зону циркуляционными насосами. В качестве теплоносителя обычно используется очищенная вода (в реакторах на быстрых нейронах это жидкий металл — натрий). Для эффективности вода находится под высоким давлением (до 160 атмосфер) и нагревается выше 300 градусов. Теплоноситель, напрямую соприкасаясь с топливными сборками, становится радиоактивным. Поэтому он замкнут в первом герметичном контуре и не покидает пределов энергоблока (на схеме красно-оранжевая циркуляция).
ПАРОГЕНЕРАТОР. Внутри парогенератора тоже вода, но уже меньшего давления (60 атмосфер). Она «снимает» тепло с первого контура, но не соприкасается с водой внутри него. Этого тепла достаточно, чтобы образовался пар. Пар поступает на турбину, где заставляет вращаться ее лопасти (это вращение и становится электричеством в генераторе). Далее пар поступает в конденсатор, где остывает и снова поступает в парогенератор. Это второй контур. Он также замкнутый, но в отличие от первого контура вода(пар) в нём не радиоактивны.
Таким образом, основной принцип работы АЭС заключается в том, что в результате атомной реакции выделяется большое количество тепла, которое нагревает воду, преобразуя ее в пар. Пар под давлением вращает турбину, которая преобразует механическую энергию в электрическую.
В современных АЭС используется двухконтурная система (кроме реакторов на быстрых нейтронах, где используется три контура): первый контур, в котором циркулирует вода из реактора, — замкнутый, вода в нем циркулирует по кругу с помощью насосов. Тепло из первого контура передается воде второго контура, которая моментально закипает, превращается в пар и вращает турбину. Вращательное движение генерирует электричество в генераторе, установленном на общем валу c турбиной. Пар, выходящий из турбины, затем поступает в охладитель, где он снова преобразуется в жидкое состояние.
Важно отметить, что вода из первого контура никак не должна контактировать с водой второго контура, что должно положительно сказываться на безопасной эксплуатации АЭС и делает теоретически невозможным радиоактивное загрязнение воды, сбрасываемой в конечный поглотитель (водоем, градирня, море).
В качестве окончательного поглотителя тепла, которое требуется отводить от атомной электростанции, могут использоваться несколько вариантов в зависимости от условий данной площадки: если поблизости есть река с большим притоком воды или море, охлаждение электростанции может быть решено с помощью этой воды.
Там, где нет достаточного количества пресной или морской воды для охлаждения, применяются градирни с «сухой» или «мокрой» системой охлаждения. В этом случае охлаждающая вода циркулирует между градирней и конденсатором.
Таким образом, можно эксплуатировать атомную электростанцию и вдали от больших потоков воды и морей, если есть возможность компенсировать потери воды во время испарения из близлежащих небольших источников воды, что наиболее предпочтительно в плане экологического аспекта. Также необходимо минимизировать сбросы воды с АЭС во всех ее агрегатных состояниях, в виду их загрязнения изотопом цезия Cs137 и трития Т, даже при нормальной эксплуатации АЭС, в виду трудностей очистки воды от данных элементов.