Устройство различных типов реакторов

3. Сравнительные характеристики тяжёлой и лёгкой воды.. 6

4.3. Место и роль реакторов типа candu в мировой ядерной энергетике. 13

6. Тяжёловодные реакторы с газовым теплоносителем.. 17

Возрастающее значение ядерной техники в общем энергетическом балансе выдвигает сегодня как одну из актуальных задач дальнейшее совершенствование ядерных реакторов. Прежде всего это относится к тем реакторам, на основе которых планируется развитие ядерной энергетики в ближайшие 10-15 лет к ним относятся тяжеловодные реаторы.

Ядерный реактор (атомный реактор) - это устройство для осуществления управляемой ядерной цепной реакции. Принцип действия ядерного реактора основан на использовании энергии деления ядер тяжелых элементов и осуществляется через комплекс самоподдерживающихся ядерно-физических, химических и теплофизических процессов.

В настоящее время в мире существует пять типов ядерных реакторов. Это реактор ВВЭР (Водо-Водяной Энергетический реактор), РБМК (Реактор Большой Мощности Канальный), реактор на тяжелой воде, реактор с шаровой засыпкой и газовым контуром, реактор на быстрых нейтронах. У каждого типа реактора есть особенности конструкции, отличающие его от других, хотя, безусловно, отдельные элементы конструкции могут заимствоваться из других типов. ВВЭР строились в основном на территории бывшего СССР и в Восточной Европе, реакторов типа РБМК много в России, странах Западной Европы и Юго-Восточной Азии, реакторы на тяжелой воде в основном строились в Америке. Параметры этих реакторов лучше всего представить в виде таблицы.

Параметры сравнения	ВВЭР	РБМК	Реактор на тяжелой воде
Тепловыделитель	4.5%-й обогащенный уран	2.8%-й обогащенный уран	2-3%-й обогащенный уран
Замедлитель и его свойства	Легкая вода. Очень хорошо замедляет нейтроны, очень сильно поглощает нейтроны. Очень дешева.	Графит. Хорошо замедляет нейтроны, почти не поглощает нейтроны. Достаточно дешев.	Тяжелая вода. Очень хорошо замедляет нейтроны, почти не поглощает нейтроны. Очень дорога в производстве.
Особенности активной зоны, определяемые параметрами замедлителя	Тесное расположение тепловыделяющих элементов, необходимость повышенного обогащения урана	Достаточно редкое расположение тепловыделяющих элементов, возможность использования низкообогащенного урана или отработанного топлива ВВЭР	Достаточно редкое расположение тепловыделяющих элементов, возможность использования низкообогащенного урана или отработанного топлива ВВЭР
Количество контуров	Два	Один	Два
Теплоноситель	Легкая вода в обоих контурах. Одновременно является замедлителем.	Легкая вода. Замедляющий эффект незначителен.	Тяжелая вода в первом контуре, легкая вода во втором. Тяжелая вода одновременно является замедлителем.
Регулирование	Раствор борной кислоты в теплоносителе. Регулирующие стержни из бороциркониевого сплава и оксида европия.	Регулирующие стержни из бороциркониевого сплава и оксида европия.	Регулирующие стержни из бороциркониевого сплава и оксида европия.
Перегрузки топлива	1 раз в 4-6 месяцев, с полной остановкой реактора и вскрытием его корпуса. Каждый тепловыделяющий элемент переставляется внутри реактора трижды до его окончательного извлечения.	В процессе работы, с помощью специальной перегрузочной машины, позволяющей перезагружать отдельные тепловыделяющие элементы. Каждый тепловыделяющий элемент переставляется внутри реактора несколько раз до его окончательного извлечения.	Раз в несколько месяцев, с полной остановкой реактора.
Наружный отражатель	Наружный металлический корпус.	Графитовая кладка толщиной 65 см. Наружный корпус не обязателен, но желателен по соображениям безопасности	Наружный металлический корпус.

Тяжёлая вода (оксид дейтерия) — имеет ту же химическую формулу, что и обычная вода, но вместо атомов водорода содержит два тяжёлых изотопа водорода — атомы дейтерия. Формула тяжёловодородной воды обычно записывается как: D2O или 2H2O. Внешне тяжёлая вода выглядит как обычная — бесцветная жидкость без вкуса и запаха.

По своим свойствам тяжелая вода заметно отличается от обычной воды. Реакции с тяжелой водой протекают медленнее, чем с обычной, константы диссоциации молекулы тяжёлой воды меньше таковых для обычной воды.

Молекулы тяжёловодородной воды были впервые обнаружены в природной воде Гарольдом Юри в 1932 году году. А уже в 1933 году Гильберт Льюис получил чистую тяжёловодородную воду путём электролиза обычной воды.

В природных водах соотношение между тяжёлой и обычной водой составляет 1:5500 (в предположении, что весь дейтерий находится в виде тяжёлой воды D2O, хотя на самом деле он частично находится в составе полутяжёлой воды HDO).

Тяжёлая вода токсична лишь в слабой степени, химические реакции в её среде проходят несколько медленнее, по сравнению с обычной водой, водородные связи с участием дейтерия несколько сильнее обычных. Эксперименты над млекопитающими показали, что замещение 25% водорода в тканях дейтерием приводит к стерильности, более высокие концентрации приводят к быстрой гибели животного. Однако некоторые микроорганизмы способны жить в 70%-ной тяжёлой воде) (простейшие) и даже в чистой тяжёлой воде (бактерии). Человек может без видимого вреда для здоровья выпить стакан тяжёлой воды, весь дейтерий будет выведен из организма через несколько дней. В этом отношении тяжёлая вода менее токсична, чем, например, поваренная соль.

Тяжёлая вода накапливается в остатке электролита при многократном электролизе воды. На открытом воздухе тяжёлая вода быстро поглощает пары обычной воды, поэтому можно сказать, что она гигроскопична. Производство тяжёлой воды очень энергоёмко, поэтому её стоимость довольно высока (ориентировочно 200-250 долларов за кг).

3. сравнительные характеристики тяжёлой и лёгкой воды

Рассмотрим базовые реакторные установки типа CANDU:

· реактор ЕС-6 (улучшенный реактор CANDU-6), который относится к реакторным установкам ІІІ поколение и является самым новым среди тех, что на сегодня находятся в эксплуатации;

· реактор ACR-1000 (новая эволюционная установка по технологии CANDU), который относится к ІІІ+ поколению и проект которого сейчас проходит лицензионные процедуры в Канаде (первый пилотный энергоблок запланирован к введению в эксплуатацию в 2016 году).

Конструкции реакторов ЕС-6 и ACR-1000 имеют много общего. Обе реакторные установки имеют канальное построение с горизонтально ориентированными каналами, расположенными в специальном баке – каландрии. Это разрешает делать перегрузку, замену и перемещение топливных кассет в режиме on-linе.

Активная зона ACR-1000 значительно уплотнена сравнительно с ЕС-6 благодаря использованию слабо обогащенного топлива. Как следствие, ACR-1000 имеет приблизительно в 1,5 раза высшую электрическую мощность.

В ЕС-6 тяжелая вода используется как в качестве замедлителя, так и теплоносителя. Однако, поскольку по схеме теплоноситель и замедлитель физически разделены, это разрешило использовать в новом проекте ACR-1000 в качестве теплоносителя легкую воду. Это, во-первых, обеспечило отрицательный полостной коэффициент реактивности (в ЕС-6 на натуральном уране его величина больше нуля) и исключило циркуляцию обогащенной тритием воды в охладительном контуре и, тем самым, существенным образом повысило безопасность реактора, а во-вторых - удешевило инженерные решения и уменьшило эксплуатационные затраты.

В PHWR CANDU (канадский дейтерий-урановый реактор с тяжёлой водой под давлением) тяжёлая вода используется в качестве замедлителя и теплоносителя. В настоящее время мощность действующих реакторов этого типа не превышает 750 МВт, однако разработан проект реактора мощностью 1200 МВт. В реакторах CANDU тяжеловодный теплоноситель в пределах активной зоны распределяется по топливным каналам, т.е. индивидуальным трубам, содержащим ТВС. В первом контуре поддерживается давление примерно 10 МПа. Температура теплоносителя на входе в топливный канал составляет 267 ◦С, на выходе 310 ◦С. Для теплоизоляции замедлителя топливные каналы заключены в другие трубы, так что образуется кольцевой газовый зазор. 390 таких двустенных труб располагаются горизонтально в корпусе реактора, заполненном тяжёлой водой с давлением, близким к атмосферному(рис. 1). Каждая канальная труба через коллектор связана с циркуляционным насосом и парогенератором (рис. 2). Для поддерживания необходимого давления первый контур оборудован компенсатором давления. Тяжеловодный замедлитель заключён в корпус-каландр, который имеет собственную систему охлаждения, его температура поддерживается примерно на уровне 70 ◦С, давление близко к атмосферному. Каландр реактора мощностью 600 МВт имеет диаметр 7,6 и длину внутренней полости 6 м; толщина стенки благодаря низкому давлению составляет всего 29 мм. Первый контур теплоносителя представляет собой две петли, соединенные в форме восьмёрки и оборудованные циркуляционными насосами и парогенераторами. Во втором контуре применяется обычная вода, используемая для получения пара, питающего турбогенератор. КПД энергоблока с реакторами CANDU равен 29,4%.

Рис. 2 Принципиальная тепловая схема реактора CANDU: