Реакторы атомных станций. Проектирование и эксплуатация

Газоохлаждаемые реакторы

Реактор с графитовым замедлителем имеет более длинную историю, чем любой другой тип реакторов, поскольку первая критическая сборка, построенная под руководством Энрико Ферми в Чикаго в декабре 1942 г., представляла собой реактор с графитовым замедлителем на естественном уране.

Газоохлаждаемые реакторы с графитовым замедлителем прошли последовательно три стадии развития. На первом этапе был создан реактор на естественном металлическом уране с СО2 -теплоносителем (реактор типа Magnox в Великобритании и реакторы типов G2 и EDF1 во Франции). На втором этапе началось строительство реакторов с обогащенным ураном в виде UО2 с СО2-теплоносителем (усовершенствованные газоохлаждаемые реакторы в Великобритании). Наконец, третий этап характеризуется развитием высокотемпературных реакторов с высокообогащенным керамическим топливом и гелиевым теплоносителем (высокотемпературный реактор OECD Dragon, ториевый высокотемпературный реактор в ФРГ и HTGR Fort St. Vrain, США).

Для всех этих реакторов используется двухконтурная схема передачи теплоты, хотя высокотемпературный реактор может работать и с одноконтурным прямым циклом с гелиевой газовой турбиной.

Развитие реакторов типа Magnox в Великобритании началось со строительства в Виндскэйле реактора на естественном уране для наработки плутония. Использование естественного урана ограничивает выбор замедлителя бериллием, тяжелой водой и графитом. Выбор был остановлен на графите благодаря его доступности. Охлаждение легкой водой, как в реакторе для производства плутония в Хзнфорде, США, было отвергнуто из-за сложности конструкции и ухудшения баланса нейтронов в реакторе. Первый реактор, построенный в Виндскэйле, охлаждался воздухом, принудительно циркулирующим при атмосферном давлении. Однако для охлаждения энергетических реакторов, мощность тепловыделения в которых значительно выше, необходимо было использовать газ с высоким давлением. В качестве такого теплоносителя был выбран углекислый газ (СО2), обладающий некоторыми привлекательными свойствами: относительно низкой стоимостью, низким поглощением тепловых нейтронов и слабым взаимодействием с графитом при температурах, характерных для реактора с металлическим урановым топливом. Низкое поглощение нейтронов важно не только с точки зрения баланса нейтронов, но также и для предотвращения возможности больших изменений реактивности при внезапной декомпрессии первого контура. Совместимость теплоносителя с замедлителем позволяет активную зону разместить внутри единого корпуса с высоким давлением.

Реакторы на естественном уране с графитовым замедлителем (Magnox)

Теплоносителем реактора типа Magnox является углекислый газ с давлением 2 МПа. Он циркулирует через активную зону, которая включает замедлитель, изготовленный из графитовых блоков с отверстиями для прохода теплоносителя и размещения топливных элементов. Топливные элементы представляют собой стержни из естественного урана в оболочке из магниевого сплава, известного как Magnox – отсюда и название реактора. Так как этот сплав слабо поглощает нейтроны, то в качестве топлива стало возможным использовать естественный, а не обогащенный уран. Типичная активная зона реактора имеет диаметр 14 м, высоту 8 м. Теплоноситель на выходе из активной зоны подогрет до 400ºС. Из активной зоны теплоноситель направляется к парогенератору, а затем обратно к газовому циркуляционному насосу реактора. В ранних проектах реакторов Magnox корпус давления, содержащий активную зону, изготавливался из стали. В более поздних проектах корпус давления комбинировали с защитой из предварительно напряженного бетона, внутри которого размещались теплообменники. Реакторы Magnox построены в Великобритании, Франции, Италии и Японии. Они успешно эксплуатируются в отдельных случаях уже около 25 лет. Эффективность парового цикла реакторов составляет 31%. Хотя реакторы типа Magnox надежны и успешно эксплуатируются длительный срок, они имеют свои недостатки. Главный из них – сравнительно малое энерговыделение на единицу объема активной зоны. Это ведет к большим объемам активной зоны, большим затратам на топливо и капитальным затратам.

Первой промышленной энергоустановкой с реакторами типа Magnox была атомная электростанция Calder Hall с четырьмя реакторными блоками, пущенная в 1956 г. В течение следующих 11 лет в Великобритании было построено 10 АЭС с 24 реакторами этого типа с полной установленной мощностью 5000 МВт (эл.). На всех этих АЭС, кроме двух, применялись большие сферические корпуса реакторов, сделанные из нержавеющей стали, а на последних двух АЭС, в Олдбури и Вильфе, корпуса реакторов были сделаны из предварительно напряженного бетона такого же типа, как в первом газоохлаждаемом реакторе, построенном в Mapкуле во Франции. При такой конструкции активная зона и теплообменники размещаются внутри корпуса реактора в единой интегральной компоновке.

Тепловой КПД реактора на естественном металлическом уране не превышает 30%.

На рис. 1. показана схема компоновки первого контура реактора на АЭС в Вильфе. Диаметр внутренней сферической поверхности бетонного корпуса равен 293 м, а минимальная толщина бетонной стенки корпуса составляет 3,3 м. Внешний профиль корпуса представляет собой ряд цилиндрических поверхностей. Предварительное сжатие бетона осуществляется тремя системами металлических стяжек.

Улучшенные реакторы с газовым охлаждением (AGR)

Малая объемная плотность энерговыделения, низкие рабочие температуры и давления в АЭС с реактором и Magnox привели к разработке в Великобритании улучшенной конструкции реактора – AGR.

Как и реакторы типа Magnox, реакторы AGR используют углекислый газ в качестве теплоносителя, но давление его не превышает 4 МПа, а температура на выходе из активной зоны – 650ºС. Чтобы достичь этих повышенных параметров, пришлось пойти на радикальные изменения в конструкции топливного элемента. Топливо заменено на диоксид урана, таблетки из которого помещены в тонкостенные трубки из нержавеющей стали с небольшим оребрением внешней поверхности. Высокие температуры потребовали использование нержавеющей стали в качестве материала оболочки. Такая оболочка является сильным поглотителем нейтронов, по сравнению со сплавом Magnox. Поэтому пришлось пойти на обогащение урана в топливе до 2,3% 235U. Конструкционно реакторы AGR аналогичны реакторам Magnox в области газовой циркуляционной системы. Парогенераторы помещаются внутри корпуса из предварительно напряженного бетона. Поскольку углекислый газ в реакторах AGR имеет высокую температуру, парогенераторы могут быть спроектированы таким образом, чтобы производить пар с параметрами, характерными для наиболее эффективных электростанций на ископаемом топливе, т.е. при давлении 17 МПа и температуре 560ºС. В результате этого, эффективность парового цикла AGR достигает 40%, что является наивысшей эффективностью для функционирующих в настоящее время ядерных реакторов.

Конструкция реактора AGR компактная и экономичная.

Как уже отмечалось выше, усовершенствованный газоохлаждаемый реактор AGR является представителем второго поколения энергетических реакторов в Великобритании. Реакторы типа AGR имеют следующие особенности.

Обогащенное оксидное топливо, расположенное в хвалах со стальной оболочкой. Твэлы установлены в кассетах по 36 шт. в каждой. Средняя удельная энергоиапряженность топливной сборки составляет 12,5 МВт (т.) на 1 т U.

Тепловой КПД около 40% обеспечивается использованием в качестве теплоносителя двуокиси углерода с давлением 4,2 МПа и температурой на выходе из активной зоны 650 С.

Использование современной парогенерирующей установки с параметрами пара 17 МПа и 540 С.

Корпус реактора изготовлен из предварительно напряженного бетона. Внутри корпуса расположены активная зона, защита, парогенераторы и газодувки. Над активной зоной внутри корпуса установлен стальной купол, обеспечивающий поступление холодного газа в активную зону для поддержания температуры графитового замедлителя на уровне, при котором запасенная под действием радиации энергия в графите и изменение размеров графитовых блоков минимальны.

Перегрузка топлива под нагрузкой с помощью более простой по конструкции перегрузочной машины, чем машина, используемая в реакторах Magnox. Максимальная глубина выгорания топлива 18 000 МВт·сут/т.

Несмотря на успешную работу прототипа реактора типа AGR в Виндэйле который начал функционировать в 1962 г., возникшие неожиданные проблемы привели к ощутимой задержке в осуществлении программы строительства реакторов AGR, в частности первой из запланированных станций Dungeness В. Большая часть этих проблем возникла при масштабировании реактора-прототипа мощностью 33 МВт (эл.) до полномасштабной системы мощностью 625 МВт (эл.). (шумы и вибрация в реакторе и коррозия в парогенераторе ).

Первые две АЭС с AGR, Hinkley Point В и Hunterston В начали работать в 1976 г.

А.з. состоит из 324 каналов под кассеты, каждая кассета состоит из 36 твэлов.

Атомная энергетика