Реактори на швидких нейтронах з Na-теплоносієм

Реакторы на быстрых нейтронах с натриевым теплоносителем имеют трехконтурную систему отвода тепла. Теплоносителем пер­вого и второго контуров является натрий. Давление натрия во втором контуре выбирается несколько большим, чем в первом, что исключает утечки радиоактивного натрия из первого контура во второй. Теплоноситель третьего контура — вода и пар. Теплооб­мен между теплоносителями контуров осуществляется последова­тельно в промежуточном (натрий — натрий) теплообменнике и в парогенераторе (натрий — вода). При трехконтурной схеме нат­рий первого контура, охлаждающий активную зону, отделен от теплоносителя (воды) контура преобразования энергии двумя стенками — поверхностями теплообменника и парогенератора. Это повышает надежность системы, так как при эксплуатации в трех­контурной схеме практически исключается попадание воды в пер­вый контур

Реакторы на быстрых нейтронах выполняются корпусными. В корпусе размещены активная зона, зона воспроизводства, хранилище системы перегрузки, нейтронная и тепловая защиты и т. п. Корпус выполняет функции удержания теплоносителя, совместно с другими элементами формирует тракты системы охлаждения, используется для размещения приводов механизмов СУЗ и других агрегатов. Конструкция корпуса зависит от принятой компоновки оборудования первого контура. Используют петлевую и интегральную схемы компоновки. В петлевой компоновке теплообменник и циркуляционный насос имеют отдельные корпуса, соединяемые с корпусом реактора трубопроводами. В интегральной компоновке наличие отдельных корпусов необязательно: теплообменник и насос заключены в кожухи, направляющие поток теплоносителя, и помещены в общем с активной зоной корпусе, заполненном натрием.

Схемы первого контура при петлевой компоновке натриевого реактора:

1 — корпус реактора; 2 — активная зона; 3— насос; 4— промежуточный теплообменник; 5 — направляющий кожух холодного теплоносителя

Достоинства схемы а) - низкая температура корпуса реактора, свободная для размещения системы перегрузки и органов регулирования верхняя часть активной зоны. Однако, нисходящее течение теплоносителя через активную зону и относительно высокое давление инертного газа (давление натрия над зоной должно обеспечивать преодоление ее гидравлического сопротивления) делают нецелесообразным использование этого варианта. В схеме б) давление газа ниже. Выбором конструкции поверхности нагрева гидравлическое сопротивление теплообменника может быть сделано малым (около 0,1 МПа), что определяет избыточное давление в газовой подушке. Недостаток этой схемы — контакт высокотемпературного натрия со стенками корпуса может быть устранен охлаждением стенок корпуса холодным натрием – схема в).

Схема первого контура при интегральной компоновке натриевого реактора:

1 – корпус;

2 - насос;

3 — уровень натрия;

4 - бак горячего натрия;

5 - промежуточный теплообменник;

6 — активная зона;

7 - напорная камера

Во всех вариантах компоновки оборудования первого контура насос размещен на «холодной» нитке, благо-даря чему уменьшаются затраты мощности на циркуляцию, облегчаются условия работы циркулятора, уменьшается вибрация труб теплообменника, меньше изменяется температура теплоносителя в переходных режимах в результате демпфирующей роли теплообменника. К достоинству такого решения следует отнести также снижение давления в теплообменнике (приблизительно на 0,1 МПа), что позволяет уменьшить давление во втором контуре. Недостатками размещения насоса на холодной ветви в точке с минимальным давлением натрия являются повышение давления в газовой подушке по условиям обеспечения запаса до кавитации и рост поверхности промежуточного теплообменника из-за необходимости снизить его сопротивление по теплоносителю первого контура.

Схема реактора БН-350:

1— корпус реактора;

2 — большая поворотная пробка;

3 — малая поворотная пробка;

4 — колонна с механизмами СУЗ;

5 — механизм передачи ТВС;

6 — перегрузочный бокс;

7 — элеватор загрузки-выгрузки;

8— верхняя неподвижная защита;

9 — механизм перегрузки;

10 — активная зона;

11 —опора реактора;

12 — боковая защита

Реактор БН-350 выполнен с раздельным размещением оборудования, т. е. по петлевой схеме. Корпус реактора представляет собой сосуд с различным по высоте диаметром; наибольший диаметр равен 6,0 м, высота корпуса 13,0 м, толщина стенки 30 мм. В средней части корпуса (т.н. опорный пояс) имеется фланец, через который усилие передается на роликовые опоры, установленные на сварную металлоконструкцию. Нижняя часть корпуса (диаметр 2,2 м, толщина стенки 40 мм) образует напорную камеру. К ней крепится напорный коллектор, на котором смонтированы активная зона, зона воспроизводства, внутреннее хранилище отработавших сборок, нейтронная защита. Коллектор состоит из двух горизонтальных плит, соединенных между собой двумя обечайками (внутренней и периферийной) и дроссельными втулками. Объем, ограниченный внутренней обечайкой, является коллектором высокого давления, который питает теплоносителем сборки активной зоны и наиболее теплонапряженные сборки боковой зоны воспроизводства (первые два ряда). Объем, заключенный между внутренней и периферийной обечайкими, является коллектором низкого давления. Из коллектора высокого давления натрий через дроссельные устройства поступает в коллектор низкого давления и оттуда подается на охлаждение остальных сборок боковой зоны воспроизводства и хранилища. На верхней части корпуса установлены две поворотные пробки, обес-печивающие наведение механизма перегрузки. Газовая полость над уровнем натрия в корпусе реактора заполнена аргоном под давлением 0,19 МПа. С внутренней стороны корпус имеет тепловую защиту из листов нержавеющей стали (общая толщина 75 мм), а снаружи окружен защитным кожухом толщиной 10 мм во избежание утечки натрия при разгерметизации корпуса.

Активная зона реактора диаметром 1,5 м и высотой 1,06 м набрана из 201 шестигранной ТВС с топливом из двуокиси обогащенного урана и воспроизводящим материалом, образующим верхнюю и нижнюю торцевые зоны воспроизводства (высотой по 0,6 м). Активная зона окружена боковой зоной воспроизводства высотой 2,1 м, толщиной 0,45 м, набранной из 440 ТВС таких же размеров, что и ТВС активной зоны. За боковой зоной воспроизводства расположено внутреннее хранилище выгоревших ТВС активной зоны, рассчитанное на возможность расхолаживания 41 ТВС в период между перегрузками. Далее в радиальном направлении следует нейтронная защита толщиной 200 мм, набранная из шестигранных стальных болванок. 12 ячеек активной зоны заняты органами управления реактором.

Шестигранная ТВС активной зоны содержит 169 твэлов с топливом, расположенных с шагом 6,95 мм. С обоих торцов ТВС установлено по 37 твэлов диаметром 12 мм и толщиной оболочки 0,4 мм, содержащих двуокись обедненного урана и образующих нижнюю и верхнюю торцевые зоны воспроизводства. Дистанциони- рование твэлов в пучке осуществляется навитой проволокой. Пристеночные твэлы дистанционируются лентой эллиптического сечения, что позволяет значительно снизить температурную неравномерность по периметру этих твэлов.

Сборки боковой зоны воспроизводства содержат по 37 твэлов диаметром 14,2 мм и высотой 2400 мм из двуокиси обедненного урана. Оболочки этих твэлов имеют толщину 0,5 мм. Дистанционирование осуществляется тремя спиральными ребрами, расположенными на оболочке твэла.

СУЗ реактора БН-350 содержит 12 стержней: два борных стержня автоматического регулирования (АР); три борных стержня АЗ; один борный стержень для компенсации температурного и мощностного эффектов реактивности и шесть компенсирующих кассет для компенсации потери реактивности при выгорании. В борных стержнях использован карбид бора, обогащенный до 60% по ¹⁰В. Компенсирующие кассеты состоят из двух частей: поглощающей — из окиси обедненного урана и топливной — из твэлов активной зоны.

Схема реактора БН-600:

1 — фундамент;

2 — катковые опоры;

3 — опорное кольцо.

4— опорный пояс;

5 — корпус,

6 — циркуляционный насос,

7 — электродвигатель насоса,

8 — поворотные пробки;

9 — верхняя неподвижная защита;

10 — центральная колонна с механизмами СУЗ;

11 — промежуточный теплообменник;

12 — механизм перегрузки;

13 — нейтронная защита;

14 — активная зона;

15 — зона воспроизводства;

16 — напорная камера;

17 — защитный кожух с теплоизоляцией;

18 — барабан отработавших ТВС,

19 — перегрузочный бокс;

20 — механизм передачи ТВС;

21 — барабан свежих ТВС

Атомная энергетическая установка с реактором на быстрых нейтронах БН-600 тепловой мощностью 1480 МВт вступила в строй на Белоярской АЭС им. И. В. Курчатова в 1980 г. Натрий первого контура, проходя активную зону, нагревается с 377 до 550 °С и отдает тепло в промежуточных теплообменниках натрию второго контура, температура которого изменяется с 322 °С на входе в теплообменники до 520 °С на выходе из них. Передача тепла от натрия второго контура к воде для производства пара в парогенераторах осуществляется по трем автономным петлям второго контура. Три парогенератора обеспечивают паром (давление 14,0 МПа и температура 505 °С) три серийных турбогенератора мощностью 200 МВт (эл.) каждый.

Корпус реактора и компоновка внутрикорпусных устройств. Реактор БН-600 выполнен по интегральной схеме. Корпус реактора представляет собой бак цилиндрической формы с эллиптическим днищем и конической верхней частью. Цилиндрическая часть корпуса соединена с эллиптическим днищем с помощью сварки через опорное кольцо. На кольцо установлена металлоконструкция коробчатого типа — опорный пояс, на котором крепится основное оборудование первого контура: напорная камера со смонтированными на ней активной зоной, зоной воспроизводства, хранилищем, внутрикорпусная нейтронная защита, промежуточные теплообменники и циркуляционные насосы первого контура. Вес корпуса и всего размещенного в нем оборудования через опорное кольцо передается на катковые опоры, закрепленные в фундаменте. Опорный пояс — основная силовая конструкция внутри корпуса — имеет систему радиальных ребер, которые образуют в нижней части корпуса три сливные камеры. Корпус реактора заключен в защитный кожух. Пространство, заключенное между ними, используется при разогреве корпуса газом перед заполнением его натрием. Внутрикорпусная нейтронная защита, размещенная на опорном поясе, состоит из цилиндрических стальных экранов, стальных болванок и труб с графитовым заполнителем.

В верхней конической части корпуса реактора имеется шесть отверстий для установки шести промежуточных теплообменников и три отверстия для прохода опорных кессонных обечаек, на которые устанавливаются три насоса первого контура. Компенсация разности тепловых расширений между этими обечайками и стаканами для теплообменников, с одной стороны, и корпусом и страхо¬вочным кожухом — с другой, осуществляется сильфонными ком¬пенсаторами. Кроме того, верхняя коническая часть корпуса слу¬жит опорой для поворотных пробок, с помощью которых наводит¬ся механизм перегрузки. Герметичность установки пробок на кони¬ческую часть корпуса обеспечивается замерзающим уплотнением из сплава олово — висмут. Внутренний объем поворотных пробок заполнен слоями стали и графита, поэтому одновременно они служат биологической защитой. Все газовые полости над уровнем натрия в корпусе реактора и в насосах заполнены аргоном под давлением 0,14 МПа и соединены между собой.

Теплоноситель внутри корпуса циркулирует следующим образом. От каждого из трех циркуляционных насосов по двум напорным трубопроводам (диаметр 630 мм, толщина стенок 13 мм) натрий поступает в напорную камеру, откуда основная его часть идет снизу вверх на охлаждение ТВС активной зоны и боковой зоны воспроизводства. Другая часть потока «холодного» натрия направляется на охлаждение корпуса реактора, хранилища отработавших ТВС, виутрикорпусной нейтронной защиты. Нагретый натрий через проход в нейтронной защите поступает в шесть промежуточных теплообменников, где опускается по межтрубному пространству, отдавая тепло натрию второго контура, протекающему по трубам вверх. После теплообменников натрий первого контура попадает в три сливные камеры, каждая из которых объединяет выходы из двух теплообменников и соединена со всасывающей линией одного из трех насосов. Таким образом, движение теплоносителя первого контура разделено на три параллельных потока, к каждому из которых относятся два теплообменника, сливная камера и циркуляционный насос с напорным трубопроводом.

АЗ (диаметр 2,05 м, высота 0,75 м) и зона воспроизводства (толщина 0,4 м) установлены на напорной камере и набраны из шестигранных кассет с размером под ключ 96 мм и с шагом 98 мм. Активная зона состоит из 370 кассет с ядерным топливом и воспроизводящим материалом, образующим торцевые зоны воспроизводства, 26 стержней системы СУЗ и одной кассеты с фото-нейтронным источником. Выравнивание тепловыделения по радиусу активной зоны осуществляется загрузкой кассет с различным обогащением горючего (21,0 и 29,4%): 162 периферийные кассеты активной зоны образуют зону большого обогащения, остальные входят в центральную зону малого обогащения. Активная зона по периметру окружена боковой зоной воспроизводства, состоящей из сборок, запененных двуокисью обедненного урана.

За зоной воспроизводства расположено внутреннее хранилище кассет на 126 ячеек, предназначенное для расхолаживания кассет, извлеченных из АЗ, перед их выгрузкой из реактора.

Кассеты активной зоны содержат 127 твэлов, расположенных по треугольной решетке с шагом 7,95 мм. Дистанционирование твэлов осуществляется с помощью проволоки, навиваемой на оболочку. Пристеночные твэлы дистанционируются лентой эллипсного сечения.

Кассета боковой зоны вопроизводства содержит 37 твэлов. Наружный диаметр оболочки этих твэлов равен 14,2 мм, толщина— 0,4 мм. Оболочка выполнена в виде трехреберной трубки с диаметром по ребрам 15,25 мм.

Система управления и защиты. СУЗ реактора БН-600 состоит из трех частей:

1) системы компенсации изменений реактивности (компенсация выгорания, температурных и мощностных эффектов), включающей в себя 18 исполнительных органов, расположенных двумя кольцами (первое кольцо содержит 6 исполнительных органов, второе—12);

2) системы АР, состоящей из двух стержней, расположенных в двух ячейках центральной части зоны малого обогащения;

3) системы АЗ, состоящей из шести стержней, расположенных между первым и вторым кольцами компенсирующих стержней.

В систему перегрузки кассет входят следующие устройства: две поворотные пробки (большая и эксцентрически на ней установленная малая), два механизма перегрузки (эксцентрически расположенные на малой поворотной пробке на разных расстояниях от центра), два элеватора (загрузки и выгрузки), перегрузочный бокс с механизмом передачи кассет и два передаточных барабана (один — для свежих, другой для отработавших кассет). С помощью механизма перегрузки кассета устанавливается в гнездо каретки элеватора и перемещением каретки по наклонной направляющей поднимается из внутреннего хранилища к механизму передачи кассет и обратно. Механизм передачи кассет расположен в герметичном перегрузочном боксе. Он осуществляет транспортировку кассет из гнезд каретки элеваторов в передаточные барабаны и обратно.

Перенос кассет внутри реактора производится в среде теплоносителя. Транспортировка кассет из реактора в передаточный барабан происходит в среде инертного газа. Продолжительность работы реактора между перегрузками составляет 150 сут. Каждый раз при перегрузке в активной зоне заменяется 124 кассеты.