4.2. Кипящие водо-водяные реакторы

Вполне понятно, что производство пара непосредственно в активной зоне – достаточно соблазнительная идея. При ее реализации многое что улучшается.

1. Отсутствует промежуточное звено – парогенератор с большими поверхностями нагрева, что упрощает схему АС и уменьшает капитальные и эксплуатационные затраты.

2. Более низкое давление в реакторе при тех же параметрах пара существенно снижает требования к корпусу реактора и другому оборудованию.

3. Можно создать меньшую удельную энергонапряженность в единице объема активной зоны (~ в 1.5 – 2 раза), что существенно облегчает условия работы твэлов.

Однако есть и отрицательные стороны идеи генерации пара непосредственно в реакторе.

1. Генерация пара в активной зоне создает значительно большую, чем в ВВЭР, неравномерность энерговыделения по высоте, т.к. кипящая вода одновременно является и теплоносителем, и замедлителем.

2. При некоторых предельных значениях паросодержания возникает гидродинамическая и нейтронная нестабильность, что недопустимо при эксплуатации реактора.

3. Единичная мощность кипящего реактора ограничена возможностью сепарации (отбора) пара.

4. Дополнительным ограничением генерации пара является возможность компенсации парового эффекта реактивности. Для этого надо иметь дополнительный запас реактивности с соответствующими компенсирующими органами.

5. Из-за кипения теплоносителя запас реактивности невозможно компенсировать жидкостным борным регулированием.

РЕАКТОР ВК-50 (ВОДЯНОЙ, КИПЯЩИЙ ЭЛ. МОЩНОСТЬЮ 50МВТ)

На примере реактора ВК-50 можно увидеть достоинства и недостатки рассматриваемого способа утилизации энергии деления в реакторе.

Внешне ВК-50 имеет большое сходство с реакторами ВВЭР. Активная зона вместе с внутрикорпусными устройствами размещена в прочноплотном корпусе с плоской крышкой (как у ВВЭР-210). Из-за кипения теплоносителя в активной зоне и циркуляции воды внутри корпуса компоновка внутрикорпусных устройств имеет отличия (см. рис. 4.3) от реакторов ВВЭР.

Циркуляция воды осуществляется за счет разности в плотностях столбов жидкости в отпускном и подъемном участках контура. Вода, чуть не догретая до температуры насыщения, поступает снизу на вход активной зоны. Она догревается до кипения и начинается генерация пара.

Рис. 4.3

На выходе из активной зоны пароводяная смесь поднимается в верхнюю часть подвесной шахты, где за счет естественной гравитации (как в чайнике) происходит разделение воды и пара.

Уровень на котором разделяются пар и вода, определяется мощностью реактора и геометрией контура циркуляции. Если чуть ниже этого уровня сделать переливные окна, то вода через них будет поступать в опускной участок между шахтой и корпусом. Насыщенный пар через верхний ряд патрубков отводится на турбину. Убыль воды в корпусе компенсируется подводом питательной воды после турбины по нижнему ряду патрубков, расположенном на уровне переливных окон. Поступающая вода смешивается с циркулирующей водой и далее движется по опускному участку.

At! Это, так называемая, схема циркуляции внутри корпуса с гравитационной сепарацией пара.

Основной недостаток такой схемы циркуляции – неизбежный захват пара в опускной участок через переливные окна. Этот эффект является существенным недостатком потому, что

1. это снижает полезный движущий напор, что снижает энергонапряженность активной зоны, т.е., в конечном счете, единичную мощность реактора при заданных габаритах;

2. это вообще снижает КПД, т.к. часть воды бесполезно испаряется, поскольку захваченный пар конденсируется обратно, не произведя никакой полезной работы;

3. ухудшается устойчивость циркуляционного контура.

Итак, мы теплоотвод и отвод пара на турбину в реакторе ВК-50 обсудили. Обсудим теперь обустройство активной зоны. В таблице 4.2 приведены основные параметры реактора ВК-50.

Таблица 4.2

Основные характеристики реактора ВК-50

Мощность эл/тепл., МВт	Число ТВС	Число твэлов в ТВС	Размер под ключ ТВС, см	Шаг решетки твэлов, мм	Диаметр твэла, мм	Высота активной зоны, м	Диаметр активной зоны, м	Удельное эн. выд., МВт/м3
50/140	85	126	18.4	16.2	10.2	2.0	1.8	26

Из нее видно, что одним из существенных отличий этого реактора от реакторов типа ВВЭР-440 является увеличение диаметра твэлов, шага между ними и размера ТВС ”под ключ”. Следуя приведенной выше логике обоснования основных размеров реактора ВВЭР-440, можно найти объяснение этому.

1. Так как удельное энерговыделение меньше в ~1.5 – 2 раза, то соответственно можно увеличить радиус твэла (см. формулу (4.1)).

2. Поскольку ~30 – 40% объема теплоносителя занято паром (практически пустотой), то для замедления нейтронов необходимо соответственно в ~1/0.65 раз увеличить среднюю хорду пространства между соседними твэлами. Значит, в формулу (4.3) следует подставить L=1.23 см. Соответственно r_зам и размер ТВС ”под ключ” увеличиваются в раз.

Сделав соответствующие расчеты, можно получить r, , а и размер ”под ключ” очень близкими или совпадающими с данными из таблицы 4.2.

РЕАКТОРЫ BWR

В западной ядерной энергетике реакторы BWR (Boiling Water Reactor) имеют заметную долю – около 1/3 от всей энерговыработки. Единичная мощность энергоблоков этого типа 800 – 1200МВт (эл). Такую мощность можно получить, если

1. перейти от естественной к принудительной циркуляции воды (установить циркуляционные или струйные насосы); тогда повышается кратность и скорость циркуляции, т.е. в конечном итоге генерация пара с единицы поверхности и удельная напряженность активной зоны;

2. заменить гравитационную сепарацию принудительной, с использованием, например, вертикальных, внутрикорпусных турбосепараторов с осевым подводом пароводяной смеси, что дает возможность увеличить съем пара с единицы поверхности поперечного сечения активной зоны;

3. Увеличить размеры активной зоны (D и H).

Все эти возможности реализованы в BWR.

1. Установлены насосы в нижней части корпуса с наружными приводами.

2. Установлены турбосепараторы, принцип работы которых следующий: если закрутить пароводяную смесь в трубе, то вода, как более тяжелая фракция, оседает на стенках трубы и стекает куда требуется, а пар поднимается вверх.

3. У ведущих западных фирм есть возможность изготавливать прочные корпуса диаметром 6 – 7 метров и транспортировать их водным путем до места монтажа. Следовательно, имеется и реализована возможность изготавливать активные зоны диаметром ~5 м и высотой ~3.5 – 4 м.

Особенности реакторов BWR: 1) т.к. верх активной зоны занят сепараторами, то приводы системы управления и защиты (СУЗ) расположены снизу; 2) решетка ТВС квадратная, а не шестиугольная, как в отечественных ВВЭР,

Нижнее расположение органов СУЗ имеет достоинства и недостатки. Достоинства: 1) поскольку плотность замедлителя внизу активной зоны наибольшая, то ввод туда поглотителей выравнивает поле энерговыделения; 2) если в результате радиолиза воды возникает гремучая смесь, то она поднимается в верхнюю паровую часть корпуса и нигде в защитных трубах не накапливается.

В зависимости от фирмы – изготовителя и года ввода в строй, регулирование может быть кластерным или кассетным.

Недостаток – неудобство обслуживания в связи с ограниченностью доступа в помещения приводов.