Тяжеловодные реакторы

Тяжеловодными называются любые реакторы, в которых в качестве замедлителя используется тяжелая вода. По теплофизическим свойствам тяжелая вода аналогична легкой воде, но по ядерно-физическим свойствам она является наилучшим замедлителем для ядерных реакторов, поскольку имеет чрезвычайно малое сечение поглощения тепловых нейтронов (0.000086 1/см). Коэффициент замедления нейтронов для тяжелой воды равен 3300, в то время как для легкой воды он равен 61, а для графита 190.

Благодаря этому в тяжеловодных реакторах ядерное топливо расходуется значительно экономичнее, чем в реакторах других типов, так как непроизводительные потери нейтронов в реакторах с тяжелой водой существенно меньше. Это позволяет использовать природный уран при достаточно высоких удельных нагрузках. В то же время замедляющая способность тяжелой воды значительно меньшая, чем легкой. Это приводит к большему шагу размещения топлива и большим при одинаковой мощности размерам активной зоны. По сравнению же с графитом замедляющая способность тяжелой воды выше и размеры активной зоны меньше.

Конструкции тяжеловодных реакторов могут быть различными с применением разных теплоносителей: обычной и тяжелой воды с кипением и без кипения, а также органических жидкостей. По конструктивному исполнению реакторы могут быть и корпусными, и канальными.

Основной тип реактора с тяжеловодным замедлителем—канальный. Тяжелая вода, используемая в качестве замедлителя в канальных реакторах, находится при низких температуре и давлении. При низком давлении легче обеспечить высокую герметичность оборудования и трубопроводов с тяжелой водой, которая требуется для снижения потерь тяжелой воды. Это необходимо, так как вследствие высокой стоимости тяжелой воды ее большие потери значительно увеличивали бы непроизводительные затраты и приводили бы к существенному росту себестоимости вырабатываемой энергии. Стремление свести утечки тяжелой воды к минимуму объясняются еще и тем, что в ней при работе реактора образуется радиоактивный тритий, пары которого при попадании в организм человека оказывают на него вредное воздействие.

В канальных тяжеловодных реакторах в качестве теплоносителя используется тяжелая вода без кипения или обычная кипящая вода. Несмотря на то, что в последнем случае существенно уменьшается потребность в тяжелой воде и, следовательно, снижаются затраты на ее производство, большее распространение получили реакторы с тяжеловодным теплоносителем. Это объясняется лучшими топливными характеристиками таких реакторов и большим опытом их разработки и эксплуатации.

Корпусных тяжеловодных реакторов находится в эксплуатации намного меньше, чем канальных. Это объясняется двумя обстоятельствами: сравнительно малой замедляющей способности тяжелой воды и большим шагом расположения ТВС, вследствие чего не может быть получена достаточно большая мощность.

Следовательно, такие реакторы не перспективны, если исходить из необходимости роста единичной мощности реакторов. Кроме того, в корпусном реакторе, где тяжеловодный замедлитель и теплоноситель не разделены, вся тяжелая вода находится под высоким давлением и сложнее обеспечить герметичность контура. Работают реакторы подобного типа с кипящим теплоносителем и одноконтурной схемой и с некипящим теплоносителем и двухконтурной схемой.

Характерный элемент конструкции большинства разновидностей тяжеловодных реакторов — герметичный каландр-бак, содержащий тяжелую воду. Такого бака нет только в корпусных реакторах, в которых теплоноситель—кипящая или некипящая тяжелая вода. Каландр представляет собой вертикальный или горизонтальный цилиндрический бак с плоскими днищами по торцам. В днища вварены трубы, в которые установлены каналы для теплоносителя и ТВС. Между трубой каландра и установленным в ней каналом образуется зазор, заполняемый газом. Этот газ служит теплоизолирующим слоем для снижения перетоков тепла от теплоносителя к замедлителю; кроме того, он используется для контроля герметичности труб каландра и каналов с теплоносителем.

Перегрузка топлива в тяжеловодных реакторах канального типа может осуществляться на мощности без остановки реактора с помощью РЗМ, так же, как это делается на водографитовых реакторах с неперегружаемыми каналами. В реакторах с горизонтальным расположением каналов используют две РЗМ, расположенные с обеих сторон реактора, которые могут работать одновременно: с одного конца перегружаемого канала одной машиной извлекается отработавшая ТВС, а с другого конца второй машиной загружается новая.

Технологические схемы реакторных установок с тяжеловодными реакторами зависят от вида и состояния теплоносителя. При некипящем водяном и органическом теплоносителях схемы — двухконтурные с выработкой пара для турбины в парогенераторах. Циркуляция теплоносителя осуществляется по замкнутому первому контуру, - состав которого и конструкция оборудования зависят от теплоносителя и принципиально не отличаются от аналогичных устройств, используемых для других типов реакторов, но с теми же теплоносителями. Параметры пара и, следовательно, КПД установок также зависят от теплоносителя. В случае использования обычной кипящей воды для отвода тепла из реактора схема—одноконтурная, аналогичная схеме установок с реакторами типа РБМК с прямой подачей на турбину отсепарированного пара.

В установках с тяжеловодными реакторами принимаются особые меры по предотвращению потерь тяжелой воды по указанным выше причинам. Оборудование, арматура и трубопроводы конструируются таким образом, чтобы утечки тяжелой воды были минимальны. Этому же способствуют и низкие параметры тяжеловодного замедлителя, о чем уже говорилось. В то же время принимаются меры для предотвращения смешивания с легкой водой утечек тяжелой воды с тем, чтобы последние можно было возвратить в контур замедлителя или теплоносителя.

Дата добавления: 2015-06-04