Газо-графітові реактори
Основные преимущества газового теплоносителя:
однофазный теплоноситель — газ позволяет получать высокие температуры на выходе из реактора (до 1000 °С и выше) независимо от давления в нем;
высокая температура теплоносителя делает возможным реализацию наиболее эффективных тепловых схем с максимальными термическими КПД цикла;
малое макроскопическое сечение поглощения нейтронов газами дает значительную «экономию нейтронов» в АЗ;
при аварийных ситуациях, связанных с разгерметизацией первого контура, газоохлаждаемые реакторы оказываются наиболее безопасными с точки зрения возможного радиационного воздействия на окружающую среду.
Основные недостатки:
плохие теплофизические свойства газовых теплоносителей;
небольшая удельная мощность реакторов (до 10 МВт/м3) и, как следствие, наиболее габаритные активные зоны;
необходимость увеличения давления газа до 5,0 МПа и выше для снижения доли мощности, затрачиваемой на циркуляцию теплоносителя;
относительно небольшой опыт работы с газовым теплоносителем, в особенности с гелием (требуется проведение широкого круга НИОКР по конструкции реактора и элементов оборудования первого контура).
Вуглекисло-графітові реактори
При выборе типа энергетического реактора в Великобритании предпочтение было отдано корпусному реактору на природном уране с графитовым замедлителем, охлаждаемому углекислым газом. Реакторы данного типа называют магноксовыми — по названию сплава магния, используемого в качестве конструкционного материала оболочки твэла. Выбор реактора данного типа объясняется возможностью использования дешевого необогащенного ядерного топлива и наработки значительного количества плутония. Первый реактор данного типа был построен в Колдер-Холле (Великобритания) в 1956 г. Всего в мире до 1971 г. построено 36 реакторов данного типа, из них 26 в Великобритании и 7 во Франции. После этого подобные реакторы нигде не строились.
Характеристика
«Колдер- Холл»
«Уилфа»
«Хинкли- Пойнт-Б»
«Хейшем»
Тип реактора
Магноксовый
АGR
Год пуска
Электрическая мощность, МВт
КПД, %
Давление С02, МПа
Т СО2, на выходе из реактора, °С
1956
45
19
0,78
340
1971
590
31,5
2,75
414
1976
665
41,2
4,13
645
1980
666
41,7
4,13 .
651
Топливо
Металлический уран
UО2
Обогащение, %
Природный уран
2,06—2,57
2,1—2,6
Тип твэла
Блочковый
Стержневой
Энергонапряженность топлива, кВт/кг
Расчетное выгорание, МВт-сут/т Размеры активной зоны D/H, м
Масса графита, т
Число рабочих каналов
Число твэлов в канале
Материал корпуса
1,35
3000-4000
9,45/6,4
650
1696
6
Сталь
3,16
3500
17,37/9,14
3740
6150
8
ПНЖБ
18 000
-
-
-
8
ПНЖБ
18 000
-
-
-
8
ПНЖБ
За 15 лет интенсивных НИОКР и на основе полученного опыта эксплуатации магноксовых реакторов:
повышена единичная мощность реактора более чем в 10 раз;
поднят КПД с 19% до ~30 %,
повышена температура на выходеиз реактора с 340 до 410°С ;
снижена относительная мощность на прокачку теплоносителя с 13,5% до ~7 %,
поднято давление газа с 0,7 до 2,8 МПа;
получены новые технические решения элементов реактора, активной зоны, твэлов, элементов первого контура, использованные в последующих разработках газоохлаждаемых реакторов, в том числе высокотемпературных (в первую очередь - технология корпусов высокого давления из ПНЖБ)
Основные достоинства корпусов из ПНЖБ:
возможность изготовления корпуса любого требуемого размера и формы;
высокая безопасность и невозможность внезапного хрупкого разрушения корпуса;
благоприятная радиационная обстановка за корпусом (толщина корпуса, выбираемая из соображений прочности, в 1,5—2 раза больше необходимой толщины радиационной защиты);
возможность изготовления из местных строительных материалов с применением в основном обычной строительной и монтажной технологии.
Недостатки:
большой срок строительства корпуса (3—4 года):
невозможность демонтажа и ремонта заложенных в бетон элементов корпуса;
необходимость постоянного эксплуатационного надзора за системой напряжения и некоторыми другими системами корпуса.
Схема компоновки оборудования в ПНЖБ-корпусе:
а — оборудование первого контура вокруг АЗ;
б — оборудование под АЗ;
в — оборудование в полостях стеиок корпуса;
г — блочная компоновка (оборудование вне корпуса)
Сопротивление внутреннему давлению в корпусе создается системой тросов предварительного напряжения. Бетон работает с максимальным напряжением на сжатие, когда давление в корпусе отсутствует, и с минимальным напряжением (и деформациями) при рабочей нагрузке. Следовательно, система предварительного напряжения должна создавать осевое, тангенциальное и радиальное напряжения. Осевое напряжение создается вертикальными силовыми тросами (их может быть несколько сот или даже тысяч), закрепляемыми наглухо с одного конца и натягиваемыми гидравлическими домкратами с другого конца. Тангенциальное и радиальное предварительное напряжение удобнее всего создавать, обматывая цилиндрическую внешнюю поверхность корпуса стальной проволокой или лентой с необходимым напряжением.
Следующим этапом в развитии газоохлаждаемых реакторов явились усовершенствованные реакторы АGR. В результате проведенных работ создан типовой реактор АGR мощностью 660 МВт (эл.), вырабатывающий во втором контуре пар давлением 16,0 МПа и температурой 538 °С, т. е. с параметрами, характерными для современных ТЭС. Для достижения указанных параметров температура СО2 на выходе из реактора поднята до 650°С, давление до 4,1 МПа, КПД АЭС при этом достигает 41,7 %. Энергонапряженность активной зоны была поднята до 2,8 МВт/м3. Выгорание топлива повысилось до 20 000 МВт-сут/т.
Энергетический реактор АGR
1 – опора парогенератора;
2 – радиационная защита парогенератора;
3 – бак активной зоны;
4 – газонепроницаемый кожух;
5 – каналы для перегрузки и стержней СУЗ;
6 – корпус из ПНБЖ;
7 – пароперегреватель;
8 – выход пара;
9 – парогенератор;
10 – выход питательной воды;
11 – система аварийного охлаждения парогенератора;
12 – газодувка;
13 – опора;
14 – опорная конструкция активной зоны;
15 – активная зона
Схема установки графитовых блоков в AGR:
1- канал для прохода СО2, охлаждающего кладку;
2- графитовая связующая шпонка;
3- блок дляразмещения внутризонных детекторов;
4- блок для размещения стержня СУЗ;
5- блок для размещения ТВС
После газодувки холодный теплоноситель разделяется на два потока: большая часть попадает в пространство под активной зоной и затем снизу вверх проходит через топливные каналы активной зоны, обеспечивая теплосъем; меньшая часть теплоносителя, охлаждая радиационную защиту парогенераторов, попадает в камеру холодного теплоносителя над активной зоной и затем проходит сверху вниз через графитовую кладку, обеспечивая ее охлаждение. В пространстве под активной зоной оба потока смешиваются. Самая верхняя часть внутренней полости корпуса является как бы сборным коллектором горячего теплоносителя, откуда он направляется в парогенераторы (сверху вниз) и затем снова на газодувку.
Активная зона реактора набрана из 64 000 графитовых блоков с общей массой более 1000 т. Для компенсации температурных расширений и организации регулярной системы каналов и отверстий для прохода охлаждающего графитовую кладку теплоносителя используются блоки весьма сложной конфигурации. По условиям работы графита в среде СО2 максимальная температура не должна превышать 450 °С. Центральные отверстия в блоках диаметром 250 мм образуют решетку для размещения топливных каналов с шагом около 400 мм. В режиме равновесной загрузки 412 каналов активной зоны служат для размещения топлива и 53 канала — для размещения органов СУЗ. Диаметр активной зоны 9,58 м, высота 8,29 м.