Графітові реактори

В активной зоне графитовых реакторов размещены топливо, замедлитель и теплоноситель. В графитовых реакторах возможно использование различных теплоносителей, среди которых широкое применение получили обычная вода и газы. В отличие от водо-водяных эти реакторы имеют большие размеры, что определяется свойствами графита как замедлителя. Замедляющая способность графита намного меньше, чем воды, поэтому для получения спектра тепловых нейтронов доля графита в активной зоне весьма велика. Графитоурановое отношение в десятки раз превышает водоурановое. Благодаря этому удельное энерговыделение в активной зоне графитовых реакторов мало (по сравнению с водо-водяными реакторами на 1—2 порядка меньше).

Достоинство графитового замедлителя — его чрезвычайно слабая способность поглощать нейтроны. Поэтому в этих реакторах при определенном сочетании конструкционных материалов и основных компонентов активной зоны можно получить весьма благоприятный баланс нейтронов и в качестве топлива использовать природный уран, при этом КВ может достигать значений 0,8 и более. Графит — распространенный в природе и доступный для использования материал, производство его достаточно хорошо освоено, химически он довольно стоек, обладает хорошей теплопроводностью, допускает сравнительно высокие рабочие температуры. Благодаря редкой решетке графитовых реакторов и большому числу параллельных каналов перегрузку топлива можно производить на ходу, не останавливая реактор и не снижая нагрузку. Извлечение одной ТВС из большого числа параллельных каналов в процессе работы практически не сказывается на реактивности реактора в целом, при этом не требуется никаких вытеснителей, так как всплеска плотности нейтронов в графитовом замедлителе не произойдет и соседние ТВС будут работать в нормальных условиях.

При конструировании графитовых реакторов (за исключением высокотемпературных) необходимо иметь в виду, что загрузка графита должна быть рассчитана практически на весь ресурс работы ядерного реактора, так как замена его, как nравило, весьма затруднительна. При этом надо учесть, что графит изменяет свои свойства при облучении и при изменении температуры. Особенно это сказывается на изменении теплопроводности и размеров. Кроме того, при конструировании следует учитывать анизотропию графита. Опыт эксплуатации реакторов показывает, что графит работает надежно достаточно длительное время и каких-то серьеэных аварий из-за изменения свойств графитовой кладки не было. Графит совместим со мтюгими материалами, в том чйсле и с ядерным топливом.

В зависимости от используемого теплоносителя графитовые реакторы существенно различаются между собой как по конструкции, так и по теплофизическим показателям.

П ринципові теплогідравлічні схеми:

а — некипящий;

б — кипящий с прямой подачей пара в турбину;

в — кипящий с перегревом пара;

г — кипящий с полным испарением и перегревом пара

1 — реактор с перегружаемыми каналами;

2 — испарительный перегружаемый канал;

3 — турбина;

4 — генератор;

5— конденсатор;

б — конденсатный насос;

7 — конденсатоочистка;

8 — подогреватель низкого давления;

9 — деаэратор;

10 — питательный насос;

11 — парогенератор;

12 — циркуляционный насос;

13 — сепаратор пара;

14— испарительный неперегружаемый канал;

15 — реактор с неперегружаемыми каналами;

16 — перегревательный перегружаемый канал;

17 — подогреватель высокого давления;

18 — перегревательный неперегружаемый канал;

19— испарительный перегружаемый прямоточный канал;

20 — промежуточный перегреватель;

21 — испарительный неперегружаемый прямоточный канал

В реакторах с некипящей водой (а) с недогревом до температуры насыщения при данном давлении на 10-15°С тепловая схема двухконтурная - аналогична корпусным реакторам под давлением.

Реакторы, в которых происходит кипение воды с образованием пароводяной смеси (6), работают в составе одноконтурных установок. Пароводяная смесь поступает в сепараторы пара, в которых разделяется на пар и воду. Полученный таким образом насыщенный пар подается в турбину, а отсепарированная вода после её смешения с питательной водой, полученной из отработанного в турбине и сконденсированного пара, поступает снова в реактор.

Для полного испарения воду через реактор необходимо пропустить несколько раз. Число циклов, называемое кратностью циркуляции, зависит от получаемого на выходе из реактора массового паросодержания. Циркуляция воды через реактор может осуществляться либо принудительно с помощью циркуляционных насосов, либо за счет разности масс в подъемных и опускных линиях. Возможность естественной циркуляции теплоносителя для некоторых типов установок и для ряда режимов работы установок с принудительной циркуляцией является очень важным и полезным качеством.

В реакторе с перегревом пара (в) повышается термодинамический КПД установки, благодаря чему снижается удельный расход топлива на единицу вырабатываемой электроэнергии, улучшаются условия работы тубины, уменьшается расход охлаждающей воды и т. п. Однако при получении перегретого пара необходимо использовать материалы, выдерживающие повышение температуры, но они, как правило, имеют большие сечения поглощения нейтронов. Это обстоятельство уменьшает положительный эффект, получаемый от повышения параметров при перегреве пара, но общий результат оказывается положительным. Кроме того, возможности повышения жаростойкости и жаропрочности материалов, слабо поглощающих нейтроны, позволяют считать схемы с использованием перегрева пара наиболее перспективными. Канальные реакторы по сравнению с другими типами реакторов наиболее пригодны для осуществления перегрева пара.

Большой интерес представляет возможность полного испарения воды в каналах по так называемой прямоточной схеме (г). В этом варианте не нужен сепаратор пара для разделения пароводяной смеси на пар и воду и нет необходимости в циркуляционном насосе, так как расход теплоносителя по контуру обеспечивается насосами питательной воды. Все это должно дать заметный экономический эффект, упростить режимы работы. Экспериментально показано, что прямоточная схема может быть осуществлена как при закритических, так и при докритических параметрах воды.

Возможны два варианта канального реактора – с перегружаемыми и неперегружаемыми каналами.

Перегружаемые каналы представляют собой конструкцию, которая одновременно является и сборкой тепловыделяющих элементов трубчатого типа, и трактом теплоносителя. В трубчатых твэлах теплоноситель течет по внутренней трубке, вокруг которой расположено топливо, при этом трубчатый твэл нагружен изнутри давлением теплоносителя. Благодаря этому в случае нарушения герметичности оболочек твэла топливо и продукты деления не попадают в теплоноситель. Концы внутренней трубки трубчатого твэла приварены к трактам канала, по которым теплоноситель подводится к твэлу и отводится от него. Все твэлы и тракты в канале объединены в единую систему движения теплоносителя. Для соединения с внешней системой теплоносителя на верхней головке канала выполнены подводящий и отводящий штуцера.

Каналы с трубчатыми твэлами устанавливают в предназначенные для них вертикальные тракты, образуемые отверстиями в графитовой кладке и вваренными в верхнюю плиту трубами-стояками. .Каналы крепят к верхней части стояков и уплотняют с помощью прокладки.

Перегружаемые каналы с трубчатыми твэлами были разработаны в процессе конструирования реактора Первой АЭС. Предотвращение возможности попадания продуктов деления ядерного топлива и самого топлива в теплоноситель при разгерметизации твэлов имело большое значение ввиду отсутствия опыта по конструированию твэлов и неизученности их работоспособности в условиях энергетических ядерных реакторов. Выбор перегружаемой конструкции каналов обеспечивал возможность замены их через определенное время, что было существенным в связи с недостаточными знаниями в то время о влиянии облучения на свойства конструкционных материалов.

В реакторах в неперегружаемыми каналами ТВС и технологический канал являются раздельными узлами. К утановленным в реактор каналам с помощью неразъемных соединений подсоединены трубопроводы — индивидуальные тракты подвода и отвода теплоносителя. Загружаемые в каналы ТВС крепятся и уплотняются в верхней части стояка канала. Таким образом, при перегрузке топлива не требуется размыкания тракта теплоносителя, что позволяет осуществлять ее с помощью соответствующих перегрузочных устройств без остановок реактора.

Общий вид РБМК-1000:

1 — опорная металлоконструкция;

2 — индивидуальные водяные трубопроводы;

3— нижняя металлоконструкция;

4 — боковая биологическая защита;

5 — графитовая кладка;

6 — барабан-сепаратор;

7 — индивидуальные пароводяные трубопроводы;

8 — верхняя металлоконструкция;

9 — разгрузочно-загрузочная машина;

10 — верхнее центральное перекрытие;

11 — верхнее боковое перекрытие;

12 — система контроля герметичности оболочек твэлов;

13 — главный циркуляционный насос;

14 — всасывающий коллектор;

15 — напорный коллектор

В РУ типа РБМК-1000 циркуляция теплоносителя осуществляется по двум симметрично расположенным контурам. Из раздаточных коллекторов вода при температуре 265 ^оС и давлении 8 МПа поступает с нижнего торца реактора в параллельные каналы, в которых подвешены ТВС. Вода догревается до кипения, частично испаряется и с массовым парасодержанием 14-17% поступает в один из четырех барабанов-сепараторов, где вода и пар разделяются. Насыщенный пар с давлением 7 МПа направляется для работы в турбину, а вода возвращается в контур циркуляции, где смешивается с питательной водой и вновь поступает в рабочие каналы реактора.

Реактор представляет собой цилиндрическую графитовую кладку, состоящую из 2488 вертикальных графитовых колонн, собранных из прямоугольных блоков высотой 200, 300, 500 и 600 мм, с основанием 250X250 мм и внутренним отверстием диаметром 114 мм:

- 1693 колонны для топливных каналов;

- 179 колонн для каналов СУЗ реактора;

- 616 колонн - боковой отражатель.

Общий эквивалентный диаметр кладки 13,8 м (диаметр АЗ - 11,8 м, толщина бокового отражателя - 1 м). Высота кладки 8 м (высота АЗ - 7 м, толщины торцевых отражателей по 0,5 м), плотность графита 1,65 г/см³.

В отверстиях 616 периферийных колонн установлены металлические водоохлаждаемые штанги, фиксирующие графитовую кладку при перемещениях в радиальном направлении. Каждая графитовая колонна установлена на опорный стакан, прикрепленный к нижней плите. На опорные же стаканы крепится стальная диафрагма толщиной 5 мм, предназначенная для уменьшения теплопередачи излучением от кладки к нижней плите и для организации распределения потока газа внутри реактора.

Графитовая кладка размещается в герметичном стальном кожухе, заполненном смесью гелия с азотом при небольшом избыточном давлении (нейтральная атмосфера для предотвращения выгорания графита, находящегося при высокой температуре). Добавка гелия увеличивает теплопроводность газовой смеси и улучшает условия теплоотвода от графитовой кладки к теплоносителю внутри каналов. Газовая среда реактора служит также для вентиляции внутриреакторного пространства и для контроля целостности каналов. Откачка газа из реактора осуществляется из вваренных в верхнюю плиту проходок-стояков по индивидуальным импульсным трубкам, проложенным над верхней плитой. Газ в эти трубки поступает снизу кладки, проходя вдоль канала. В случае нарушения целостности канала газ увлажняется, что и определяется проводимым анализом влажности газа. Полость вокруг кожуха реактора заполнена азотом, давление которого несколько больше давления газа внутри кожуха. Благодаря этому исключаются утечки газа из внутриреакторного пространства через кожух.

В центральных отверстиях графитовых блоков размещаются трубы 1693 топливных каналов и 179 каналов СУЗ. В пределах активной зоны трубы каналов выполнены из циркония с присадкой 2,5% ниобия (топливный канал -88 Х 4 мм, канал СУЗ - 88 Х 3 мм). Торцевые части каналов, проходящие через верхние и нижние слои защиты, выполнены из нержавеющей стали. Соединение центральной циркониевой трубы с концевыми частями из нержавеющей стали осуществляется специальными переходниками сталь-цирконий, изготовленными методом диффузионной сварки. Длина топливного канала 18,2 м, диаметр в нижней части 60 мм, а в верхней 121 мм, длина канала СУЗ 21,3 м.

Каналы привариваются к внутренней поверхности стояков верхней плиты, а со стояками нижней плиты соединяются через сильфонные узлы, обеспечивающие компенсацию линейных удлинений канала при разогреве и в результате осевой ползучести циркониевого сплава.

На циркониевую часть канала надеты разрезные графитовые кольца. Эти кольца через одно плотно облегают трубу канала или прижаты к поверхности отверстия графитовой кладки. Разрезные кольца обеспечивают теплопередачу от графитовой кладки к теплоносителю, протекающему в канале, и дают возможность компенсировать тепловые расширения каналов, ползучесть и усадки графита.

Технологический канал РБМК-1000

1 - стальная пробка биологической защиты;

2, 11 - верхняя и нижняя металлоконструкции,

3, 12 - концевые трубы технологичесжого канала из нержавеющей стали,

4 - узел крепления трубы из нержавеющей стали к корпусу технологического канала,

5 - подвеска ТВС,

Б - обойма,

7 - запорная пробка;

8 - разрезные упругие графитовые кольца.

9 - ТВС;

10 - циркониевая труба 88х4 (Zr+2,5% Nb);

13 - сильфонный компенсатор,

14 - сальниковое уплотнение

К нижним частям каналов приварены трубопроводы для подвода теплоносителя в топливных каналах (для отвода в каналах СУЗ). К стоякам выше мест вварки в них каналов приварены трубопроводы для отвода теплоносителя из топливных каналов (для подвода - в каналах СУЗ). Трубопроводы подвода воды к топливным каналам — нижние водяные коммуникации имеют диаметр 57 мм, а толщину стенки 3,5 мм. Вода в них поступает нз 44 групповых коллекторов (по 22 коллектора на каждую сторону реактора). К групповым коллекторам вода подается от напорных коллекторов.

Индивидуальные трубопроводы для отвода пароводяной смеси от каналов к сепараторам — пароводяные коммуникации 76 х 4 мм образуют два ряда перед входом в каждый сепаратор. Между этими рядами установлены специальные короба с биологической защитой, внутри которых перемещаются детекторы контроля герметичности оболочек твэлов (КГО). С определенным интервалом времени детекторы проходят мимо каждого трубопровода, фиксируя при этом активность теплоносителя в нем. В случае разгерметизации оболочек твэлов в каком-либо канале активность в трубопроводе возрастает, что фиксируется системой КГО, которая вырабатывает сигнал, по которому ТВС с дефектными твэлами должна быть извлечена из канала.

ТВС представляет собой два пучка из 18 стержневых твэлов, подвешенных один над другим на специальных подвесках в технологических каналах. Высота одного пучка составляет 3,5 м. В качестве ядерного топлива используется двуокись урана с обогащением по ²³⁵U 1,8%. Оболочки твэлов выполнены из сплава циркония с ниобием. Наружный диаметр твэлов составляет 13,6 мм, толшина оболочки 0,9 мм.

Расположение твэлов в ТВС с требуемым шагом (минимальный зазор между твэлами 1,7 мм) обеспечивается с помощью дистанционирующих решеток, состоящих из 19 ячеек, из которых 18 служат для дистанционирования твэлов, а центральная ячейка — для крепления решетки к каркасной трубке ТВС.

ТВС реактора РБМК-1000:

1- nодвеска,

2- штифт,

3- переходник,

4- хвостовик,

5- твэл,

6- несущий стержень;

7- втулка,

8- дистанционирующая решетка;

9- концевая решетка,

10- наконечник,

11 -гайка,

12- труба каркаса,

13- ячейки дистанционирующей решетки

Регулирование, компенсация избыточной реактивности и аварийная защита осуществляются подвижными поглощающими стержнями из карбида бора. Для поглощающих стержней имеется 179 каналов, охлаждаемых автономным водяным контуром. В качестве приводов СУЗ используются обычные асинхронные двигатели, установленные в верхней части каналов стержней СУЗ.

Стержни СУЗ предназначены для регулирования радиального поля энерговыделения (PC), автоматического регулирования мощности (АР), быстрой остановки реактора (A3) и регулирования высотного поля энерговыделения (УСП), причем стержни УСП длиной 3050 мм выводятся из активной зоны вниз, а все остальные длиной 5120 мм, вверх.

Для контроля за энергораспределением по высоте активной зоны предусмотрено 12 каналов с семисекционными детекторами, которые установлены равномерно в центральной части реактора вне сетки топливных каналов и каналов СУЗ. Контроль за энергораспределением по радиусу активной зоны производится с помощью детекторов, устанавливаемых в центральные трубки ТВС в 117 топливных каналах. На стыках графитовых колонн кладки реактора предусмотрено 20 вертикальных отверстий диаметром 45 мм, в которых устанавливаются трехзонные термометры для контроля за температурой графита.

Характерная особенность канальных реакторов — регулирование и контроль расхода теплоносителя по каждому каналу. Это позволяет получать на выходе всех каналов примерно одинаковые теплотехнические параметры и иметь минимально необходимый расход теплоносителя через реактор. Требуемый для каждого канала расход определяется его мощностью, которая в свою очередь зависит от места нахождения канала в реакторе и от выгорания топлива. В связи с этим мощность, а следовательно, и необходимый расход теплоносителя в течение кампании постепенно (при перегрузке топлива скачкообразно) изменяются. Регулирование расхода осуществляется с помощью запорно-регулирующего клапана (ЗРК). ЗРК вместе с расходомерами устанавливают на индивидуальных водяных трубопроводах около групповых коллекторов.

Перегрузка ядерного топлива возможна на ходу без сброса нагрузки. Для этого изготовлена специальная загрузочио-разгрузочная машина, которая может сочлениться с любым каналом и обеспечить ежесуточную выгрузку и загрузку пяти ТВС. Машина имеет внутреннюю герметичную полость, рассчитанную на полное давление в рабочих каналах и оснащенную механизмами для разуплотнения канала и выполнения операций по извлечению отработавшей ТВС и загрузке свежей. Расчетная глубина выгорания составляет 18 500 МВт· сут/т

при длительности кампании 3 года.

При проектировании энергоблоков РБМК-1000, в силу несовершенства расчетных методик, был выбран неоптимальный шаг решетки каналов. В результате реактор оказался несколько перезамедлен, что приводило к положительным значениям парового (пустотного) коэффициента реактивности в рабочей области, превышающим долю запаздывающих нейтронов. После аварии на ЧАЭС для изменения парового коэффициента реактивности был выполнен ряд мероприятий, в том числе в некоторые каналы вместо топлива установлены дополнительные поглотители. В последующем, для улучшения экономических показателей энергоблоков с РБМК дополнительные поглотители извлекались, для достижения заданных нейтроно-физических характеристик стали применять топливо более высокого обогащения (до 3%) с выгорающим поглотителем (оксид эрбия).

В РБМК-1500 мощность повышена за счёт увеличения удельной энергонапряжённости активной зоны путём увеличения мощности ТК в 1,5 раза при сохранении его конструкции. Это достигается интенсификацией теплосъема с твэлов при помощи специальных интенсификаторов теплообмена (турбулизаторов) в верхней части обеих ТВС. Это позволяет сохранить прежние габариты и общую конструкцию реактора.

Достоинства:

Недостатки: