Реакторна установка типу ар-1000

Головний циркуляційний контур ар-1000

Реактор ар-1000

Легководні киплячі реактори

Водо-водяний реактор з киплячою водою (ВВРК):

Особливості ВВРК через кипіння води:

Призначення ВВРК - виробництво насиченої пари. З ростом тиску пари повинен збільшуватися термічний КПД циклу й стійкість роботи ВВРК. Однак при тиску більше 6,0 Мпа знижуються критичні теплові навантаження й уповільнюється темп росту КПД, оскільки зростає вологість пари, що направляється на турбіну, і необхідна додаткова сепарація або його перегрів перед циліндром низького тиску. Тому всі сучасні енергетичні ВВРК працюють при тисках 6, 0-7,0 Мпа й масовому паровмісті на виході з активної зони 10- 20%.

Подальший ріст паровмісту приводить до ще більшої нерівномірності розподілу енерговиділення по висоті й витрати по радіусі активної зони (через збільшення гідравлічного опору центральної її частини, де паровміст максимально) і до необхідності зниження припустимих теплових навантажень.

Наявність киплячої води в активній зоні й відносно невисока энергонапряженность дозволяють використовувати тут твэлы більшого діаметра, чим у ВВРД, і меншого збагачення. Як ми вже відзначали, об'ємна частка води в активній зоні трохи збільшується. У ВВРК особливо важливі завдання вирівнювання енерговиділення не тільки по висоті, але й по радіусі активної зони, навіть в одній касеті. Останнє пов'язане з тим, що при витягу стрижня регулювання з активної зони вода в просторі між касетами створює сплеск потоку нейтронів і енерговиділення в периферійних твэлах касети зростає. Для вирівнювання енерговиділення в касеті доводиться встановлювати твэлы різного збагачення: малообогащенные -на периферії й високозбагачені - у її центральній частині.Регу- Лирующие стрижні ВВРК звичайно вводять в активну зону знизу. Це зручно конструктивно й дозволяє вирівняти розподіл потоку нейтронів по висоті, тому що потік максимальний у нижній частині зони, там, де щільність води найбільша. Підвищується й ефективність органів СУЗ.

У процесі еволюції ВВРК найбільш важливими були наступні зміни в компонуванні установки:

1. Розміщення механічних сепараторів пари усередині корпуса реактора.

2. Відмова від вторинних парогенераторів і перехід до прямої подачі пари з реактора на турбіну.

3. Розміщення циркуляційних насосів у корпусі реактора.

У результаті були створені великі енергетичні ВВРК одиничною потужністю до 1300 МВТ із компонуванням устаткування, близької до інтегрального, коли встаткування першого контуру (по суті всі, крім турбогенератора) розміщено в корпусі реактора. Конструкції такого типу економічні й найбільш безпечні.

Для спорудження таких реакторів були розроблені й освоєні у виробництві корпуса тиску, що значно перевершують по габаритах корпуси ВВРД. Реактор потужністю 1200 МВТ (эл.) розміщений у корпусі довжиною 21,7 м, діаметром 6,5 м і масою більше 800 т. Однак товщина стінки в його циліндричній частині становить 160 мм, що значно менше, ніж у ВВРД такій же потужності. Це істотно спрощує зварювальні й контрольні операції на заводі-виготовлювачі. Транспортування корпуса подібних розмірів по залізницях неможлива, тому використовується водний транспорт.

Як відзначалося, у сучасних ВВРК використовується сепарація пари безпосередньо в корпусі реактора й примусова циркуляція води. Таке рішення дозволяє повністю укласти контур багаторазової примусової циркуляції в корпус реактора або принаймні звести до мінімуму його зовнішню частину (на відміну від ВВРК першого покоління, у яких був зовнішній контур багаторазової примусової циркуляції). Зараз поширені два варіанти ВВРК. У першому (фірма "Дженерал електрик", США) використана система зі струминними насосами, розташованими навколо активної зони безпосередньо в корпусі реактора. Є дві зовнішні рециркуляційні петлі, через які подається приблизно третина витрати теплоносія, затрачуваного на привід у дію струминних насосів. Фірма АЕГ (ФРН) розробила інший варіант ВВРК, у якому зовнішні петлі повністю відсутні, тому що циркуляційні насоси розташовуються безпосередньо в корпусі реактора (крім електродвигунів, що винесені з корпусу).

1. Корпус реактора (КР)

2. Тепловиділяючі збірки

3. Стрижні управління і захисту

4. Циркуляційні насоси (ЦН)

5. Приводи стрижнів СУЗ

6. Пара на турбіну

7. Живильна вода

8. Циліндр високого тиску турбіни (ЦВТ)

9. Циліндр низького тиску турбіни (ЦНТ)

10. Турбогенератор

11. Збудник

12. Конденсатор

13. Охолоджуюча вода конденсатора

14. Підігрівач живильної води

15. Живильний насос

16. Конденсатний насос

17. Залізобетонна оболонка

18. Підключення до мережі

Конструкції в обох варіантах ВВРК схожі. Сепараційні пристрої розташовані над активною зоною, органи СУЗ уводяться в активну зону знизу, використовуються уніфіковані твэлы й ТВС, органи регулювання, вимірювальна апаратура й т.д. Приблизно однакові й габарити корпусів реакторів. Однак є й розходження. Це відзначена вище різниця в способі циркуляції води; по-різному здійснюється привід органів СУЗ: у варіанті фірми "Дженерал електрик" використовують гідравлічні приводи, у варіанті АЕГ - механічні з електродвигуном для компенсаторів реактивності й для переміщення стрижнів долілиць (однак і в другому варіанті для висновку органів СУЗ із активної зони використовується гідропривід), розрізняється й принцип дії сепараторів пари: у першому варіанті пароводяна суміш рухається в сепараторах знизу нагору, у другому - зверху долілиць.

Таким чином, схема циркуляції води у ВВРК наступна: на вхід в активну зону надходить недогріта до кипіння вода. Проходячи через активну зону, вода нагрівається та закипає. На виході із зони є пароводяна суміш із масовим паровмістом до 20%. Ця суміш проходить послідовно два щаблі сепарації. На першій використовуються турбосепараторы. Після них пара з вологістю до 10 % надходить вище в блок жалюзійних сепараторів, де він досушивается до вологості приблизно 0,1 %. Збір пари здійснюється у верхній частині реактора, звідки він направляється на турбіну. Отсепарированная вода стікає по зовнішній поверхні сепараторів і попадає в простір між корпусом реактора й обичайками активної зони й блоку сепараторів. Роблячи опускний рух уздовж внутрішньої поверхні корпуса, вода надходить на всас циркуляційних (або струминних) насосів і направляється в напірну камеру, располо- женную під активною зоною. Отже, у корпусі реактора є чотири розділені порожнини з різним тиском теплоносія: напірна камера, тиск води в якій максимально; простір над активною зоною, заповнене пароводяною сумішшю; порожнина, займана отсепарированной водою й вологою парою; верхня частина корпуса, зайнята "сухим" пором. Всі порожнини з'єднані між собою так, що теплоносій проходить їх послідовно, практично без перетічок в інших напрямках. Для цього зроблені відповідні щити й екрани.

При конструюванні АЗ ВВРК необхідно враховувати специфіку теплоносія - киплячої води. Головна небезпека - можливість виникнення з теплообміну при погіршенні умов теплосъема на поверхні твэлов. В АЗ необхідні абсолютно надійні гідравлічні тракти теплоносія уздовж пучка твэлов і значно більше твердий контроль за розподілом енерговиділення, чим у ВВРД. Тому у ВВРК ТВС поміщені в чохли, що виключають можливість радіальної перетічки теплоносія по активній зоні. Крім того, для більше точного контролю за енерговиділенням ТВС повинні містити менше число твэлов ( 50-60), що приводить до збільшення загального числа ТВС в активній зоні до 500- 600. Активна зона ВВРК формується з окремих осередків. Кожний осередок складається із чотирьох касет, що оточують- хрестоподібний стрижень. Тому що елементи, що становлять осередок, у цей час стандартизовані, то АЗ певної потужності як би складається з відповідного числа осередків.

Нижнім кінцем кожна касета опирається на нижню опорну плиту реактора, що, у свою чергу, передає навантаження від ваги касет через напрямні регулюючих стрижнів на днище корпуса реактора. Угорі касети дистанционированы за допомогою верхньої дистанционирующей ґрати.

Теплоносій надходить у кожну ТВС через напрямні патрубки нижньої опорної плити. Інші елементи активної зони прохолоджуються при пропущенні контрольованої кількості теплоносія в простір між касетами.

Регулюючі стрижні розташовані там, де вони мають найбільшу здатніість, що компенсує, і викликають мінімальне порушення розподілу потужності. Реактивність і розподіл потужності по висоті й радіусу активної зони регулюються шляхом відповідного введення груп стрижнів в активну зону. При завантаженні свіжого палива потрібна додаткова компенсація надлишкової реактивності, що у перших ВВРК здійснювалася за допомогою тонких пластин з борированной нержавіючої сталі, розташованої між касетами. Після вигоряння поглинача 10У пластини віддалялися з активної зони. Зараз використовується інший тип вигоряючого поглинача - окис гадолиния (Gd2O3), що вводиться безпосередньо в паливо в такій кількості, що забезпечує в достатньому ступені компенсацію надлишкової реактивності й профілювання енерговиділення по висоті й радіусу АЗ.

Як ми вже відзначали, у цей час ТВС киплячих реакторів стандартизовані. ТВС складається із чохла, верхніх і нижньої завзятих плит, верхньої скоби, твэлов і проміжних дистанционирующих ґрат.

64 твэла 8x8 розміщаються у квадратних ґратах, образуя паливне складання. Твэлы фіксуються у вузлах квадратних ґрат верхніх і нижньої завзятих плит з нержавіючої сталі й дистанционируются за допомогою проміжних дистанционирующих ґрат із циркалоя-4. На нижній завзятій плиті є конус, що служить опорою ТВС у реакторі, а на верхній завзятій плиті - скоба для переносу складання в активній зоні з одного місця на інше або для витягу при перевантаженні.

Вісім твэлов використовуються як анкерні стрижні між верхніми й нижньої завзятими плитами. Нижні кінці цих твэлов угвинчені в нижню завзяту плиту, а верхні -проходять через верхню; на їхніх кінцях нагвинчені гайки. Інші стрижні перебувають між верхніми й нижньої завзятими плитами, причому верхні й нижня кінцеві заглушки кожного твэла вільно вставлені у відповідні отвори у верхній і нижньої завзятих плитах. На кожну верхню кінцеву заглушку навита пружина, що віджимає твэл від верхньої завзятої плити, фіксуючи його в нижнім положенні.

Кожна ТВС перебуває в чохлі квадратної форми, виконаної із циркалоя-4. У касеті фірми АSеа- Аtom (Швеція) пучок твэлов установлюється в чохлі без кріплення. Така касета має вушка під захоплення у верхній частині чохла. При перевантаженні пального, що відробило, касети поміщають у басейн і там за допомогою спеціального пристрою з них витягають складання твэлов. Чохол використовується вдруге.

Твэлы реакторів ВВРК принципово не відрізняються від твэлов ВВРД. Як паливо використовується двоокис урану. Оболонка виконана зі сплаву цирконію - циркалой-2. Відмітна їхня особливість -більший діаметр (до- 15 мм) і відповідно більша товщина оболонки (до 0,9 мм). Збільшення діаметра твэла пов'язане з більше низької теплонапряженностью активної зони й, звичайно, вигідно по технологічних міркуваннях.

Перевантаження палива на ВВРК здійснюється також на зупиненому й холодному реакторі. Для доступу до активної зони з корпуса реактора витягають сепарационные пристрою.

В останні десятиліття з'явилися пророблення ВВРК із корпусом тиску з попередньо напруженого залізобетону (ПНЖБ). Активні роботи в цьому напрямку ведуться в Росії й Швеції. Розміри корпуса із ПНЖБ можуть бути такі, що стає реальним створення установки одиничною потужністю до 2000 МВТ (эл.) з використанням природної циркуляції теплоносія в першому контурі - найбільш надійного способу відводу тепла з активної зони.