Канальні важководні реактори, охолоджувані легкою водою

Преимущество канальных реакторов с обычной кипящей водой — прямой цикл, т. е. одноконтурная схема энергетической установки, при которой пар, вырабатываемый в реакторе, подается непосредственно в турбину. При одноконтурной схеме с кипящей водой для получения такой же температуры теплоносителя, как и при двухконтурной схеме с некипящей водой, давление теплоносителя в реакторе должно быть ниже на 2,0—2,5 МПа, что выгодно, так как снижается расход металла и стоимость установки.

Применение обычной воды в качестве теплоносителя вместо тяжелой приводит к сокращению расхода последней и, следовательно, к уменьшению капитальных затрат на реактор. Это — важное преимущество реакторов такого типа перед реакторами, охлаждаемыми тяжеловодным теплоносителем. Необходимо при этом иметь в виду и такое преимущество, что тяжелая вода отсутствует в контуре с высоким давлением, бороться с утечками из которого более сложно, чем с утечками из контура замедлителя, в котором давление невелико.

Расположение каналов в реакторах с кипящей водой вертикальное. Это диктуется необходимостью обеспечить вертикальное направление движения кипящей воды, так как образующиеся при кипении пузырьки с паром за счет меньшей по сравнению с водой плотности движутся вверх.

Тяжеловодный реактор с «Унифрит»

1 —каландр;

2 — топливный канал;

3 — ГЦН;

4 — опускной трубопровод;

5 — трубопровод пара к турбине;

6 — коллектор пара;

7 — пароводяные трубы;

8 — трубы питательной воды;

9 — сепаратор пара;

10 — нейтронная защита;

11 — трубопроводы подвода воды к каналам

Реактор в Уинфрите построен как прототип для накопления опыта по созданию и эксплуатации реакторов такого типа. В Великобритании с 70-х годов предполагалось развивать атомную энергетику на базе тяжеловодных реакторов с обычной кипящей водой в качестве теплоносителя. Впоследствии это решение, однако, было отменено. Прототип такого реактора в Уинфрите был выведен на номинальную мощность в 1968 г. В этом реакторе 104 вертикальных топливных канала внутренним диаметром 130 мм и толщиной стенки 5 мм в пределах активной зоны выполнены из циркониевого сплава — циркалоя, а по концам — из нержавеющей стали. Топливные каналы проходят внутри каналов каландра, наружный диаметр которых равен 184 мм, а толщина стенки 3,3 мм. Размеры каландра следующие: диаметр 3710 мм, высота 3960 мм. Бак и каналы каландра выполнены из алюминия, промежуток между топливными каналами и каналами каландра заполнен углекислым газом, циркулирующим с малой скоростью. Газ является теплоизоляцией между теплоносителем и замедлителем и используется для контроля герметичности каналов.

С торцов и вокруг каландра расположены баки водяной биологической защиты.

Тяжелая вода в каландре находится под давлением, несколько превышающем атмосферное. Температура замедлителя поддерживается около 80 °С. Реактор оснащен контуром циркуляции тяжелой воды с отводом тепла, выделяющегося в замедлителе. В контуре предусмотрена система очистки тяжелой воды от примесей, в том числе от бора.

Верхний уровень тяжелой воды в каландре находится несколько выше верха активной зоны. Пространство над уровнем воды заполнено гелием. Для компенсации избыточной реактивности в замедлитель добавляется поглощающий нуклид ¹⁰В, концентрация которого изменяется в течение кампании. Автоматическое регули-рование мощности реактора осуществляется изменением уровня замедлителя. Для аварийной остановки реактора предусмотрены 12 U-образных труб, проходящих через каландр, которые за несколько секунд могут быть заполнены раствором бора, а также слив тяжелой воды из каландра. Поглощающих стержней и механических приводов для СУЗ реактора «Уинфрит» не предусмотрено.

ТВС состоит из 36 твэлов диаметром 14,5 мм, длиной 3,6 м. Твэлы представляют собой трубки из циркалоя, заполненные таблетками из спеченной двуокиси урана с обогащением по ²³⁵U около 2%. Теплоноситель на выходе из канала — пароводяная смесь со средним паросодержанием 11% находится под давлением 6,5 МПа (температура насыщения 282°С). В реакторе «Уинфрит» не предусмотрено регулирование расхода теплоносителя в каждом канале, так как разница мощности между отдельными каналами не превышает 20%. Необходимый расход устанавливают, исходя из максимальной мощности канала.

В целом эксплуатация реактора «Уинфрит» была успешной. В Великобритании к середине 70-х годов был разработан проект коммерческого реактора такого же типа мощностью 660 МВт (эл.) В дальнейшем это решение было отменено, и в настоящее время программа дальнейшего развития ядерной энергетики Великобритании базируется на водо-водяных реакторах под давлением.