Реактор с водой под давлением

В качестве примера реактора с водой под давлением рассмотрим конструкцию реактора для АЭС Sequoyah, имеющую два энергоблока общей мощностью 2280 МВт (эл.). Эта АЭС построена фирмой Wes- tinghouse около Каттануга, штат Теннесси (США). Первый из двух энергоблоков этой станции начал работать на полной мощности в 1981 г.

Активная зона реактора размещена внутри цилиндрического корпуса с полусферическим днищем, имеющегося высоту 12,6 м и диаметр 4,4 м (рис. 4). На съемной цилиндрической верхней крышке корпуса установлены механизмы приводов стержней регулирования. В активной зоне расположены 193 топливные кассеты квадратного сечения. Эти кассеты удерживаются сверху и снизу перфорированными плитами и окружены кожухом из нержавеющей стали. Вода, поступающая в корпус реактора через четыре входных патрубка, течет вниз по кольцевому зазору между кожухом активной зоны и стенкой корпуса. Затем поток воды направляется вверх через активную зону и выходит из корпуса через четыре выходных патрубка, поступая в парогенераторы.

Внешняя часть контура циркуляции теплоносителя разделена на четыре параллельные петли, в каждой из которых установлены парогенератор и главный циркуляционный насос. Последний представляет собой одноступенчатый центробежный насос с вертикальной осью, расположенный в герметичном кожухе (рис. 5). В одной из петель установлен компенсатор давления, поддерживающий в контуре давление 15,7 МПа. Парогенераторы разделены на две секции: нижняя – испаритель; рас- положенная над ней – барабан-сепаратор. Испаритель представляет собой трубчатый теплообменник U-образной формы, трубы которого сделаны из никеля. Вода первого контура поступает в парогенераторы с температурой 321 °С и течет внутри труб. Поток питательной воды поступает в межтрубное пространство, где превращается в пар. Пароводяная смесь проходит через центробежные сепараторы, отделяющие воду от пара, и через пароосушители, установленные в верхней секции кожуха парогенератора. Выходящий из осушителей пар с температурой 291 °С и давлением 6 МПа поступает в турбину.

Рис. 4. Реактор Sequoyah с водой под давлением: 1 – насадка переходника при- вода стержня регулирования; 2 – канал для установки контрольно-измери- тельной аппаратуры; 3 – гильзы, компенсирующие тепловое расширение;

4 – верхняя опорная плита; 5 – опорная колонна; 6 – вал привода стержня ре- гулирования; 7 – направляющая труба стержня регулирования; 8 – верхняя плита активной зоны; 9 – выходной патрубок; 10 – экран и ребра жесткости; 11 – тепловая защита; 12 – нижняя плита активной зоны; 13 – турбулиза- тор; 14 – радиальные опоры; 15 – опоры активной зоны; 16 – нижняя опорная колонна; 17 – направляющие гильзы каналов для установки контрольно-измери- тельной аппаратуры; 18 – канал доступа в активную зону; 19 – корпус реак- тора; 20 – входной патрубок; 21 – внутренний опорный выступ

Его влажность не превышает 0,25 %. Один паровой компенсатор давления (ПКД) обслуживает все четыре петли первого контура. Он служит для поддержания в первом контуре постоянного давления и компенсирует изменение объема теплоносителя при изменении нагрузки. В компенсаторе давления установлен электронагреватель погружного типа мощностью 1800 кВт (эл.) для увеличения давления и поддержания его на требуемом уровне при возникновении отрицательной волны давления вследствие увеличения нагрузки реактора. При возникновении положи- тельной волны давления и уменьшении нагрузки включается система разбрызгивания воды, питающаяся водой из холодной нитки одной из петель контура. Холодная вода конденсирует пар в паровом компенсаторе давления, предотвращая срабатывание предохранительного клапана.

Рис. 5. Схема расположения основных компонентов первого контура реактора PWR: 1 – корпус реактора; 2 – компенсатор объема; 3 – парогенератор; 4 – главный циркуляционный насос; 5 – выход пара; 6 – вход питательной воды

Топливная кассета реактора Sequoyah изображена на рис. 6. Твэлы в кассете установлены в квадратной решетке 17´17 с шагом 21,4 см. Полная длина кассеты 407 см. Из 289 ячеек решетки 264 заняты твэлами, 24 пучками стержней регулирования, а оставшийся канал используется для установки контрольно-измерительного оборудования. Сверху и снизу топливной кассеты установлены квадратные сопла, калибрующие входной и выходной потоки теплоносителя. Эти сопла сделаны из нержавеющей стали и приварены к циркалоевым направляющим трубам, которые образуют основную опорную конструкцию для твэлов. Конструкция усилена семью решетками, прикрепленными к направляющим трубам на равных расстояниях вдоль их длины и создающими боковую опору для твэлов. Решетка представляет собой набор пружинных зажимов, образующих овальные ячейки. Эти зажимы обеспечивают жесткую опору и дистанционирование твэлов. Силы, действующие со стороны пружинной решетки на твэлы, достаточно велики, чтобы свести к минимуму коррозию оболочек твэлов под действием трения (фреттинг-корозию), но в то же время достаточно низки, чтобы не препятствовать твэлам расширяться в аксиальном направлении без изгибов и искажения формы. Решетки изготовлены из сплава инконель-718, имеющего высокую коррозионную стойкость.

Твэлы выполнены в виде цилиндрических топливных стержней, набранных из таблеток слегка обогащенного UO₂ и вставленных в тру- бы из холоднообработанного циркалоя-4. Топливные таблетки имеют диаметр 8,2 мм, и на их торцах сделаны тарельчатые углубления для компенсации неравномерного теплового расширения, возникающего вследствие куполообразного распределения температуры по радиусу таблетки. Внутри твэла создано давление Не, снижающее напряжение сжатия и деформацию ползучести в материале оболочки, которые возникают под действием давления теплоносителя. Внутри твэлов предусмотрены также полости для компенсации теплового расширения топлива и для накопления продуктов деления. В каждой из кассет топливо имеет одинаковое обогащение. Активная зона разделена на три области, в которых размещено топливо с различным обогащением, что позволяет уменьшить радиальную неравномерность энерговыделения. Органы регулирования реактора представляют собой пучки стержней регулирования (ПСР), заменивших крестообразные стержни регулирования, использовавшиеся в первых конструкциях PWR. Поглощающие стержни небольшого диаметра вставлены в направляющие гильзы, установленные внутри топливных кассет. Пучок из 24 стержней связан с приводным валом, управляемым механизмом привода. Последний установлен на крышке корпуса реактора. По сравнению с системой крестообразных стержней регулирования система ПСР имеет больший вес реактивности на единицу массы поглотителя, сохраняет более одно- родное распределение плотности энерговыделения и значительно уменьшает возмущение потока нейтронов, которое возникало при заполнении водой каналов при выведении крестообразных стержней регулирования из реактора. В качестве поглотителя в стержнях регулирования используется сплав серебра, индия и кадмия. Прессованные стержни из этого сплава заключены в герметичные стальные трубы.

Рис. 6. Топливная кассета реак- тора Sequoyah: 1 – пружинный фиксатор; 2 – твэл; 3 – напра- вляющая гильза; 4 – турбулизи- рующие лопатки; 5 – зона ста- билизации потока теплоносите- ля (гидравлический успокоитель); 6 – полость; 7 – винтовая муф- та; 8 – нижний патрубок; 9 – пружинная решетка; 10 – узел крепления твэла;

11 – решетка; 12 – стержень регулирования; 13 – верхний па- трубок; 14 – пучок стержней регулирования

Как дополнительное средство используется метод регулирования реактивности, осуществляемый растворением бора в теплоносителе. Концентрацию бора подбирают такой, чтобы при нормальной работе реактора стержни регулирования были почти полностью выведены из активной зоны. Кроме того, в первую топливную загрузку добавляются выгорающие поглотители нейтронов. Это обеспечивает отрицательность коэффициента реактивности по температуре замедлителя в течение всего топливного цикла. Такие поглотители в форме стержней из борированного стекла устанавливаются в активной зоне в свободных каналах. В АЭС Sequoyah в качестве защитной системы безопасности используются ледяные конденсаторы. В этой системе энергия, которая может выделиться при разрыве первого контура, диссипируется за счет расплавления большого количества льда, размещенного в специальных отсеках, окружающих реактор. Такая система эффективно блокирует увеличение давления внутри первичной оболочки и тем самым значительно снижает требования к ее Прочности. Конструктивная схема противоаварийной оболочки изображена на рис. 7. Внутренняя защитная оболочка выполнена в виде стального цилиндра, основание которого закреплено на облицованном сталью бетонном фундаменте. Функцию наружной противоаварийной оболочки выполняет реакторное здание из армированного бетона. Ледяной конденсатор собран из 24 модулей, установленных вокруг реактора. Каждый модуль представляет собой теплообменник кожухотрубчатого типа. Камеры со льдом расположены между стальной защитной оболочкой и внутренней бетонной стенкой. Лед загружен в корзины диаметром 30 см, изготовленные из проволочной сетки.

В каждом модуле конденсатора штабеля таких корзин образуют

решетку 9´9.

Полная высота штабелей со льдом 15 м. Конденсатор теплоизолирован со всех сторон и охлаждается потоком холодного воздуха.

При аварии с потерей теплоносителя увеличение давления в нижнем отсеке защитной оболочки открывает каналы входа в нижнюю секцию конденсатора, и поток паровоздушной смеси поступает через штабеля льда в верхний отсек. Быстрая конденсация пара ограничивает увеличение избыточного давления внутри защитной оболочки до уровня, значительно меньшего максимально допустимого давления 77 кПа, на которое рассчитана оболочка.

Из-за быстрого протекания процесса конденсации скорость потока пара увеличивается, что сокращает длительность процесса первоначального увеличения давления. Последующий более длительный процесс отвода теплоты обеспечивается двумя спринклерными системами охлаждения. Эти системы разбрызгивают воду в верхнем отсеке защит- ной оболочки. Вода, образующаяся при таянии льда, вместе с водой, поступающей из спринклерных систем, собирается в отстойнике защитной оболочки и затем рециркулирует через теплообменники. Совместное воздействие льда и спринклерного охлаждения оказывается достаточным, чтобы тепловыделение в течение длительного времени не приводило к перенапряжениям в стенках защитной оболочки. Эти системы дублируются системой аварийного вспрыска борированной воды в активную зону реактора для предотвращения чрезмерного увеличения температуры, которое может привести к расплавлению оболочек твэлов и повреждению элементов конструкции активной зоны.

Рис. 7. Конструктивная схема PWR Sequoyah: 1 – стальная внутренняя оболочка; 2 – коллектор спринклерной системы орошения; 3 – рекомбина- тор водорода; 4 – предохранительные клапаны; 5 – запорные клапаны;

6 – паровой компенсатор давления; 7 – аварийные клапаны; 8 – парогенератор; 9 – циркуляционный насос; 10 – дренажный бак; 11 – стержни регулирования; 12 – корпус реактора; 13 – аварийный водоотстойник; 14 – рабочий водоотстойник; 15 – ледяной конденсатор; 16 – аккумулятор воды си- стемы аварийного охлаждения; 17 – воздуходувка

В реакторах PWR и BWR перегрузка топлива осуществляется при остановленном реакторе, причем одновременно заменяется третья часть всех твэлов. Длительность перегрузочных работ составляет около 30 сут. Для перегрузки верхняя крышка корпуса снимается, и перегрузочная камера, расположенная над корпусом реактора, заполняется водой, в которой растворена борная кислота. Это обеспечивает надежную подкритичность активной зоны. Перегрузочная камера связана специальным каналом с бассейном выдержки топлива, постоянно заполненным водой. Выгружаемые из активной зоны твэлы укладываются на подводный транспортер, который доставляет их через транспортный канал в бассейн хранения отработанного топлива.

Г.Н. Колпаков, О.В. Селиваникова
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
КОНСТРУКЦИИ ТВЭЛОВ, КАНАЛОВ И АКТИВНЫХ ЗОН ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ РЕАКТОРОВ

Обсудить на форуме