ваемая главным циркуляционным насосом (ГЦН) 12, а во втором – питательным насосом 8. В первый контур также входит система компенсации объема 9, так как объем теплоносителя при рабочих температуре и давлении может изменяться более чем на 10 %. По двухконтурной схеме работают Ростовская, Балаковская, Калининская, Нововоронежская, Кольская АЭС.
Для АЭС на рис. 8, б в качестве теплоносителя могут использоваться газы, тогда ГЦН заменяется газодувкой. Для газа давление в первом контуре может быть не только выше, но и ниже, чем во втором контуре.
Трехконтурные АЭС (рис. 8, г) рассмотрим на примере ЯР на быстрых нейтронах (БН-600) с жидким натрием в качестве теплоносителя. В общем случае, теплоноситель первого контура (и вода, и жидкий натрий) становится радиоактивным вследствие реакций активации. Активность спадает спустя некоторое время после останова ЯР, например, в случае натрия персонал может начать работу с оборудованием только спустя 2–3 суток после останова ЯР. Радиоактивный жидкий натрий при возможной протечке в трубке парогенератора вступил бы в бурную реакцию с рабочим телом (водой) (в результате чего возник бы пожар с выбросом радиоактивных продуктов горения). Чтобы этого избежать вводят промежуточный контур с нерадиоактивным натрием с бóльшим давлением, чем в первом контуре во избежание радиоактивных перетечек. Теплоноситель первого контура отдает в промежуточном теплообменнике 13 (см. рис. 8, г) тепло теплоносителю второго контура, а тот, в свою очередь, отдает тепло рабочему телу в парогенераторе 11. По трехконтурной схеме работает третий блок Белоярской АЭС с реактором БН-600 и строится четвертый блок с БН-800.
Кроме классификации АЭС по числу контуров, в зависимости от параметра, положенного в основу классификации, различают следующие ЯР, реакторные установки (РУ) и АЭС:
по типу ЯР: корпусной (ВВЭР – для перегрузки ЯР расхолаживается и корпус открывается), канальный (РБМК – перегрузки каналов без останова всего ЯР) или бассейновый;
по спектру нейтронов ЯР на тепловых нейтронах, на промежуточных или быстрых:
-промышленный или исследовательский;
-стационарный или транспортный;
41
- постоянно действующий или импульсный;
по взаимному расположению топлива и замедлителя:
-гетерогенный или гомогенный (в гетерогенных ЯР топливо размещается в активной зоне дискретно в виде блоков, между которыми находится замедлитель; в гомогенных топливо и замедлитель представляют гомогенную однородную смесь);
-с естественной или принудительной циркуляцией теплоносителя;
по типу и технологии производства топлива:
-естественный уран, обогащённый уран, чистый делящийся изотоп;
-металлический U, диоксид урана UO2, карбид урана UC, керамическое топливо (уран с кислородом – оксиды, с углеродом – карбиды, с азотом – нитриды урана), дисперсное (смешанное) топливо (гетерогенная смесь с равномерно распределенным ураном в матричном материале (нержавеющая сталь)), и т.д.;
по параметрам и типу теплоносителя: газовый, жидкометал-
лический теплоноситель (натрий, свинец), расплавы солей (жидкость на основе фторидов тория-232 и урана-233, жидкосолевые ЯР
–ЖСР или MSR), кипящая вода, вода под давлением, органические жидкости (с высокой температурой кипения при атмосферном дав-
лении – дифенил C6H5–C6H5, трифенил и т.п.);
по типу замедлителя в ЯР, в столкновениях с ядрами которого нейтроны, рождающиеся всегда быстрыми, замедляются до тепловых (0,1–0,625 эВ) или других энергий:
-без замедлителя (быстрые ЯР);
-замедлитель графитовый, белиллиевый (оксид бериллия BeO), легководный, тяжеловодный;
по классификации МАГАТЭ:
-BWR – Boiling Water Reactor – кипящий водяной реактор;
-FBR – Fast Breeder Reactor – реактор на быстрых нейтронах (реактор-размножитель БН-600);
-GCR – Gas-Cooled Reactor или AGR – Advanced Gas-Cooled Reactor),
-LWR – Light Water Reactor – легководный реактор (реакторконвертер или реактор-сжигатель ВВЭР);
-LWGR – Light Water Graphite Reactor – графито-водный ядер-
ный реактор (реактор-конвертер или реактор-сжигатель РБМК);
42
-PHWR – Pressurised Heavy Water Reactor – тяжеловодный ядерный реактор CANDU (Canada Deuterium Uranium) на природ-
ном уране;
-PWR – Pressurized Water Reactors – ЯР с водой под давлением
(аналог ВВЭР); по параметрам и типу турбин (на насыщенном или перегретом
паре). Например, Ростовская АЭС – двухконтурная АЭС (моноблоки) с промышленным гетерогенным ЯР ВВЭР-1000 корпусного типа на тепловых нейтронах с легководным теплоносителем «вода под давлением» с принудительной циркуляцией теплоносителя и турбинами на насыщенном паре.
Тип энергоблока «моноблок» означает, что одна турбина приходится на один ЯР (или котел на ТЭС, возможны дубль- и труаблоки). Дубль-блоки работают на АЭС с РУ типа РБМК (1 ЯР на 2 турбины).
Нейтроны подразделяются в зависимости от энергии: Е < 0,005 эВ – холодные;
Е = 0,01–0,625 эВ – тепловые (ТН), при 0,0256 эВ скорость 2200
м/с; Е = 0,625 эВ – 1 кэВ промежуточные;
Е = 1 кэВ–14 МэВ быстрые (БН).
Подразумевается, что в любом ЯР на ТН с легководным замедлителем находится обогащенное топливо, так как на естественном уране, содержащем 0,7 % урана-235 (7 кг/т природного урана) и
≈99,3 % урана-238, цепная реакция (ЦР) деления затухает в силу сильного поглощения нейтронов легкой (обычной) водой.
Для удобства эксплуатации в настоящее время в гетерогенном ЯР ВВЭР-1000 топливо находится в виде таблеток в тонкостенных трубках – тепловыделяющих элементах (твэлах). Пучок твэлов формирует тепловыделяющую сборку (ТВС), в которой зазор для охлаждения между твэлами обеспечивается дистанционирующими решетками. В качестве материала для изготовления ТВС в последнее время применяются цирконий и сплавы циркония с ниобием, а не нержавеющая сталь.
ТВС, кроме твэлов, может содержать твэги (твэл со смесью топлива и оксида гадолиния – эффективного выгорающего поглотителя нейтронов). В каждой из 163 ТВС ЯР ВВЭР-1000 унифицированной серии (проект В-320) содержатся каналы для ввода в актив-
43
ной зоне кластера (кластер – от нем. «веник») поглощающих стержней системы управления и защиты (ПС СУЗ) или, что то же, поглощающих элементов (ПЭЛ) из карбида бора В4С (верхняя часть) и титаната диспрозия Dy2O3·TiO2 (нижняя часть). Иногда говорят об органах регулирования СУЗ – ОР СУЗ.
В некипящих ЯР может присутствовать борное регулирование ЯР, не применяемое в кипящих ЯР в силу нерастворимости бора в водяном паре и выпадении бора в осадок, что создает кризис теплообмена в ТВЭлах и ТВС. Борное регулирование в силу равномерного распределения поглотителя (бора) по активной зоне некипящих ЯР практически не искажает профиль нейтронного поля в ЯР в отличие от такового при движении в активной зоне ОР СУЗ.
Тепловые ЯР работают по следующей общей схеме. Вероятность деления ядра 23592 U ТН примерно в 200 раз больше, чем вероятность поглощения нейтрона ядрами основного составляющего топлива ЯР – ядрами 23892 U . Однако при делении ядер 23592 U ТН рож-
даются БН. Для их замедления необходимо, чтобы нейтрон столкнулся последовательно с некоторым количеством ядер замедлителя (графит в РБМК или водород в воде ВВЭР). В процессе замедления нейтроны могут непроизводительно поглотиться конструкционны-
ми материалами активной зоны или 23892 U (вышеупомянутая реакция резонансного радиационного захвата). Вероятность захвата нейтрона ядром 23892 U достигает очень больших значений в опреде-
ленных узких интервалах энергий замедляющихся нейтронов (область резонансов в эпитепловом, примыкающем к тепловому диапазоне энергий). В гомогенной (однородной) смеси ядерного топлива с замедлителем вероятность непроизводительного поглоще-
ния эпитепловых нейтронов 23892 U без деления велика и ЦР при оп-
ределенных условиях может и не осуществиться. Эту проблему решают, располагая топливо в замедлителе дискретно, в виде блоков – топливных стержней (в твэлах), образующих правильную треугольную или квадратную решетку (гетерогенные ЯР) с заданным шагом. Шаг решетки выбирается так, что нейтрон, рождаясь в одном твэле, замедляется до тепловых энергий в промежутке между твэлами и проходит по шкале энергий ниже энергий резонанс-
ного поглощения в 23892 U , находясь в замедлителе. Замедлившийся
44
до тепловых энергий нейтрон (ТН) попадает в другой твэл и с большой вероятностью вызывает деление основного топлива – ядер
23592 U .
В зависимости от соотношения количества замедлителя и топлива энергетический спектр нейтронов в активной зоне ЯР может быть более жестким, т.е. содержать большую долю БН. Например, в быстром ЯР много топлива, а замедлитель практически отсутствует. Спектр может быть более мягким, например, в тепловом ЯР, где замедлителя много.
ЯР управляют таким образом, чтобы ЦР деления развивалась только при участии запаздывающих нейтронов, появляющихся при распаде ядер-осколков деления позже мгновенных нейтронов. Так как запаздывание составляет время до 100 с, то ЦР деления становится управляемой с помощью введения или выведения из активной зоны ОР СУЗ и бора (борное регулирование в первом контуре).
ЯР УПРАВЛЯЕМ ТОЛЬКО БЛАГОДАРЯ ЗАПАЗДЫВАЮЩИМ НЕЙТРОНАМ!!!
Например, введение групп ОР СУЗ в ЯР уменьшает эффектив-
ный коэффициент размножения нейтронов kэ, разумное дозируе-
мое выведение – разумно увеличивает, здесь kэ = ni+1/ni – отношение числа нейтронов двух последовательных поколений. При kэ < 1 ЦР затухает. При kэ = 1 происходит стационарная ЦР, состояние с постоянным во времени числом делящихся ядер. При постоянном во времени числе делящихся ядер появляется постоянное число мгновенных и запаздывающих нейтронов в активной зоне ЯР. При постоянном числе делений ядер урана-235 в единицу времени появляется постоянное во времени число ядер-осколков деления. Энергия деления, в основном (больше, чем на ¾), заключена в кинетической энергии ядер-осколков деления. Ядра-осколки, тормозясь в топливных таблетках твэлов, нагревают топливо. При этом охлаждающей твэлы воде (теплоносителю) отдается одинаковое во времени количество теплоты – говорят, что ЯР работает на заданной постоянной (тепловой) мощности (% от номинала).
ЯР управляют таким образом, чтобы на мгновенных нейтронах kэ был меньше единицы, а с учетом запаздывающих нейтронов достигал единицы. При kэ ≥ 1 на мгновенных нейтронах происходит лавинообразный рост числа делений, числа, в первую очередь, мгновенных нейтронов и выделяемой тепловой энергии за время,
45