4.2. Кипящие водо водяные реакторы

Вполне понятно, что производство пара непосредственно в актив­ной зоне - достаточно соблазнительная идея. При ее реализации многое что улучшается.

1)Отсутствует промежуточное звено - парогенератор с большими поверхностями нагрева, что упрощает схему АС и уменьшает капитальные и эксплуатационные затраты.

2)Более низкое давление в реакторе при тех же параметрах пара существенно снижает требования к корпусу реактора и другому оборудованию.

3)Можно создать меньшую удельную энергонапряженность в единице объема активной зоны (~в 1.5-2 раза), что существенно облегчает условия работы твэлов.

Однако есть и отрицательные стороны идеи генерации пара непос­редственно в реакторе.

1)Генерация пара в активной зоне создает значительно большую, чем в ВВЭР, неравномерность энерговыделения по высоте, т.к. кипящая вода одновременно является и теплоносителем, и замедлителем.

2)При некоторых предельных значениях паросодержания возникает гидродинамическая и нейтронная нестабильность, что недопустимо при эксплуатации реактора.

3)Единичная мощность кипящего реактора ограничена возможностью сепарации (отбора) пара.

4)Дополнительным ограничением генерации пара является возмож­ность компенсации парового эффекта реактивности. Для этого надо иметь дополнительный запас реактивности с соответствующими компенси­рующими органами.

5)Из-за кипения теплоносителя запас реактивности невозможно компенсировать жидкостным борным регулированием.

РЕАКТОР BK-50 (ВОДЯНОЙ, КИПЯШИЙ ЭЛ. МОЩНОСТЬЮ 50МВТ)

На примере реактора ВК-50 можно увидеть достоинства и недостат­ки рассматриваемого способа утилизации энергии деления в реакторе.

Внешне ВК-50 имеет большое сходство с реакторами ВВЭР. Активная зона вместе с внутрикорпусными устройствами размещена в прочноплот­ном корпусе с плоской крышкой (как у ВВЭР-210). Из-за кипения теп-

лоносителя в активной зоне и циркуляции воды внутри корпуса компо­новка внутрикорпусных устройств имеет отличия (см. рис. 4.3) от реакторов ВВЭР.

Циркуляция воды осуществляется за счет разности в плотностях столбов жидкости в опускном и подъемном участках контура. Вода, чуть не догретая до температуры насыщения, поступает снизу на вход; активной зоны. Она догревается до кипения и начинается генерация

рис.4.3.

пара. На выходе из активной зоны пароводяная смесь поднимается в верхнюю часть подвесной вахты, где за счет естественной гравитации (как в чайнике) происходит разделение воды и пера.

Уровень, не котором разделяются пар и вода, определяется мощностью реактора и геометрией контура циркуляции. Если чуть ниже этого уровня сделать переливные окна, то вода через них будет поступать в опускной участок между вахтой и корпусом. Насыщенный пар через верхний ряд патрубков отводится на турбину. Убыль воды в корпусе компенсируется подводом питательной воды после турбины по нижнему ряду патрубков, расположенном на уровне переливных окон. Поступающая вода смешивается с циркулирующей водой и далее движется по опускному участку.

At! Это, так называемая, схема циркуляции внутри корпуса с гравитационной сепарацией пара.

Основной недостаток такой схемы циркуляции - неизбежный захват пара в опускной участок через переливные окна. Этот эффект является существенным недостатком потому, что

1)это снижает полезный движущий напор, что снижает энергонап­ряженность активной зоны, т.е., в конечном счете, единичную мощность реактора при заданных габаритах;

2)это вообще снижает КПД, т.к. часть воды бесполезно испаряет­ся, поскольку захваченный пар конденсируется обратно, не произведя никакой полезной работы;

3)ухудшается устойчивость циркуляционного контура.

Итак, мы теплоотвод и отвод пара на турбину в реакторе ВК-50 обсудили. Обсудим теперь обустройство активной зоны. В табл. 4.2 приведены основные параметры реактора ВК-50. Из нее видно, что

Таблица 4.2 Основные характеристики реактора ВК-50 Мощность Эл/тепл. Мвт	Число ТВС	Число Твэлов в ТВС	Размер Под кл. ТВС, См	Шаг Решетки Твэлов, Мм	Диам. Твэл, мм	Высота Акт. Зоны, М	Диам Акт. Зоны, м	Удельн. Эн.выд. Мвт/м3
50/140	85	126	18.4	16.2	10.2	2.0	1.8	26

одним из существенных отличий этого реактора от реакторов типа ВВЭР-440 является увеличение диаметра твэлов, шага между ними и размера ГВС "под ключ". Следуя примененной выше логике обоснования основных размеров реактора ВВЭР-440, можно найти объяснение этому.

1)Так как удельное энерговыделение меньше в ~1.5-2 раза, то соответственно можно увеличить радиус твэла (см. формулу (4.1)).

2)Поскольку ~30-40% объема теплоносителя занято паром (практи­чески пустотой), то для замедления нейтронов необходимо соответст­венно в ~1/0.65 раз увеличить среднюю хорду пространства между сосе­дними твэлами. Значит, в формулу (4.3) следует подставить L=1.23cm. Соответственно и размер ТВС "под ключ" увеличиваются в

~1/раз

Сделав соответствующие расчеты, можно получить r, δ, и размер "под ключ" очень близкими или совпадающими с данными из табл.4.2.

РЕАКТОРЫ BWR

В западной ядерной энергетике реакторы BWR (Boiling Water Reactor) имеют заметную долю - около 1/3 от всей энерговыработки. Единичная мощность энергоблоков этого типа 800-1200Мвт(эл). Такую мощность можно получить, если

1)перейти от естественной к принудительной циркуляции воды (установить циркуляционные или струйные насосы); тогда повышается кратность и скорость циркуляции, т.е. в конечном итоге генерация пара с единицы поверхности и удельная напряженность активной зоны;

2)заменить гравитационную сепарацию принудительной, с исполь­зованием, например, вертикальных, внутрикорпусных турбосепараторов с осевым подводом пароводяной смеси, что дает возможность увеличить съем пара с единицы поверхности поперечного сечения активной зоны;

3)увеличить размеры активной зоны (D и H).

Все эти возможности реализованы в BWR.

1)Установлены насосы в нижней части корпуса с наружными приводами.

2)Установлены турбосепараторы, принцип работы которых следую­щий: если закрутить пароводяную смесь в трубе, то вода, как более тяжелая фракция, оседает на стенках трубы и стекает куда требуется, а пар поднимается вверх.

3)У ведущих западных фирм есть возможность изготавливать прочные корпуса диаметром 6-7м и транспортировать их водным путем до места монтажа. Следовательно, имеется и реализована возможность изготавливать активные зоны диаметром ~5м и высотой ~3.5-4м.

Особенности реакторов BWR: 1) т.к. верх активной зоны занят се­параторами, то приводы системы управления и защиты (СУЗ) расположены снизу: 2) решетка ТВС квадратная, а не шестиугольная, как в отечест­венных ВВЭР.

Нижнее расположение приводов СУЗ имеет достоинства и недостат­ки. Достоинства: I) поскольку плотность замедлителя внизу активной зоны наибольшая, то ввод туда поглотителей выравнивает поле энерговыделения; 2) если в результате радиолиза воды возникает гремучая смесь, то она поднимается в верхнюю паровую часть корпуса и нигде в защитных трубах не накапливается.

В зависимости от фирмы - изготовителя и года ввода в строй, регулирование может быть кластерным или кассетным.

Недостаток - неудобство обслуживания в связи с ограниченностью доступа в помещения приводов.