Характеристики тяжеловодных реакторов

Использование тяжелой воды в качестве замедлителя позволяет обеспечить в реакторе высокоэффективный баланс нейтронов благодаря очень низким сечениям поглощения нейтронов дейтерием и кислородом (0,5 и 0,27 мб, соответственно). В сочетании с высокой замедляющей способностью (0,175 см–1) низкое сечение поглощения D₂О дает коэффициент замедления около 6000. Это делает тяжелую воду с теоретической точки зрения наилучшим из всех возможных замедлителей. Утечка быстрых и медленных нейтронов в тяжеловодном реакторе примерно одинакова в отличие от легководных систем, в которых утечка быстрых нейтронов значительно больше.

Рис. 28. Типы реакторов с D2O-замедлителем

Время жизни нейтронов в тяжеловодных реакторах также сильно отличается от времени жизни нейтронов в легководных реакторах. Оно может достигать 50 мс, в то время как в типичном легководном реакторе имеет значение 0,1 мс. Поэтому в тяжеловодных реакторах первоначальный быстрый отклик мощности на изменение реактивности (подскок на мгновенных нейтронах) происходит значительно медленнее. На кинетику тяжеловодного реактора оказывают заметное воздействие также фотонейтроны, рождающиеся при взаимодействии y-квантов с ядрами дейтерия. y-кванты с энергией выше 2,23 МэВ могут взаимодействовать с ядрами дейтерия, образуя нейтроны в результате (y, n)-реакции. Поскольку фотонейтроны рождаются с запаздыванием, определяемым периодом (þ-распада предшественников y-излучателей, и это время запаздывания много больше периодов полураспада излучателей запаздывающих нейтронов, то кинетика тяжеловодных реакторов существенно инерционнее, чем для других типов реакторов.

Низкое поглощение нейтронов при использовании D₂O-зaмедлителя обеспечивает высокую эффективность использования 235U, содержащегося в топливе. По сравнению с легководными реакторами в тяжеловодных реакторах на единицу массы расходуемого 235U выделяется в 2 раза больше энергии, при этом 50 % этого энерговыделения связано с делением 239Рu, образующегося из 238U. Выгружаемое топливо содержит в 2 раза больше 239Рu, чем выгружаемое топливо легководных реакторов. Экономика тяжеловодных реакторов в основном определяется соотношением между двумя противоположно действующими факторами: высокой стоимостью системы из-за относительно высокой стоимости замедлителя и низкой стоимостью топливного цикла благодаря высокоэффективному использованию топлива.

Вследствие высокоэффективного баланса нейтронов тяжело- водный реактор является очевидным кандидатом на роль теплового предбридера или улучшенного конвертера при использовании 233U-232Th-топливного цикла. Эффективность этого топливного цикла определяется высоким значением y для 233U в тепловом спектре нейтронов (около 2,29) и более высоким сечением поглощения нейтронов ядрами 232Th, чем 238U. В то время как наработка плутония в D₂O-peaкторе с естественным U составляет около 2,7 г 239Рu на 1 кг U, равновесная на- работка 233U достигает около 16 г на 1 кг Th.

Тяжеловодные реакторы классифицируются на основе применяемого теплоносителя (D₂O, Н₂O, органические жидкости или газообразный СO₂) и на основе принципов конструкции (канального типа с трубами с водой под давлением или корпусного типа с корпусом, содержащим воду под давлением). Такая классификация с примерами существующих реакторов каждого типа приведена на рис. 29.

Различия между канальным и корпусным реакторами схематически показаны на рис. 2. В канальном реакторе твэлы расположены в индивидуальных трубах (каналах), через которые циркулирует тепло- носитель. Эти трубы проходят через корпус, содержащий D₂O-замедлитель, температура и давление которого могут поддерживаться на относительно низком уровне. В корпусной конструкции тяжеловодный замедлитель заполняет корпус реактора, выдерживающий высокое давление (хотя он может быть отделен от теплоносителя относительно тонкими трубами, не рассчитанными на высокое давление).

Рис. 29. Сравнение конструкций тяжеловодных реакторов канального и корпусного типов: 1 – в парогенератор; 2 – из парогенератора; 3 – для слива в дренажный бак

Одним из основных преимуществ реактора корпусного типа является отсутствие системы сложных коллекторов, необходимых в конструкции канального типа для соединения большого числа каналов с теплоносителем в единый контур. К недостаткам этой конструкции следует отнести необходимость поддерживать высокое давление замедлителя в корпусе реактора. Это требование может привести к ограничениям по экономическим соображениям на размеры корпуса реактора, которые необходимы для реактора на естественном U. Среди преимуществ конструкции канального типа следует выделить следующие:

1) возможность вместо D₂O использовать другой теплоноситель; 2) менее серьезные последствия при авариях, связанных с разрушением контура высокого давления, поскольку этот контур разбит на большое число параллельных петель; 3) более простое увеличение размеров реактора, отработанного на экспериментальном прототипе, поскольку это осуществляется просто увеличением числа каналов; 4) более про- стой доступ к твэлам для их замены благодаря индивидуальной установке каналов, облегчающих перегрузку топлива без остановки реактора. Организация такого режима перегрузки особенно важна для реактора на естественном U. Сложность конструкции с отдельными каналами приводит к значительному увеличению стоимости систем канального

типа. Для этих систем приходится также сталкиваться с проблемой из- готовления труб, выдерживающих высокое давление, материал кото- рых должен слабо поглощать нейтроны и обладать высокой радиацион- ной стойкостью. Эта проблема решается на базе развития различных циркониевых сплавов.

Соответствующие преимущества и недостатки можно также указать для различных теплоносителей, которые можно использовать в тяжеловодном реакторе. Использование D₂O в качестве теплоносителя позволяет максимально сохранить высокоэффективный баланс ней- тронов ценой увеличения полной загрузки D₂O в системе, что заметно увеличивает ее стоимость (например, в реакторе CANDU-PHW на 15 %). Для снижения утечки D₂O и радиоактивного трития необходимо применение высокогерметичных соединений и задвижек в контуре высокого давления. Использование D₂O в качестве теплоносителя можно рассматривать только в двухконтурной схеме, в которой стоимость парогенераторов дает заметный вклад в общую стоимость системы. Попытка использовать прямой цикл преобразования энергии в такой си- стеме (в реакторе Marviken, Швеция) оказалась неперспективной.

Использование в реакторе канального типа в качестве теплоносителя Н₂O позволяет организовать прямой цикл преобразования энергии, что исключает применение сложных теплообменников и, кроме того, уменьшает стоимость системы в результате уменьшения загрузки D₂O. (Например, в английском тяжеловодном реакторе с парогенераторами около 30 % замедлений нейтронов происходит в легководном теплоносителе.) Утечка теплоносителя из контура в такой системе менее неприятна, но уровень радиоактивности в турбине выше, поскольку она напрямую связана с реактором, а не через теплообменник, как в двухконтурной си- стеме. Среди недостатков схемы с кипящим теплоносителем следует отметить ограничения на уровень мощности реактора, необходимые для предотвращения образования паровой пленки на поверхностях твэлов.

В реакторе на естественном U с кипящим Н₂О-теплоносителем возникает большой положительный пустотный коэффициент реактивности, и это обстоятельство следует учитывать при оценке его безопасности. Такую обратную связь можно исключить, переходя на обогащенное топливо и более тесную решетку твэлов, чтобы создать некоторое недозамедление нейтронов, как это сделано в реакторе SGHWR, в котором пустотный коэффициент реактивности близок к нулю.

При оценке экономической эффективности использования Н₂O-теплоносителя в реакторе с тяжеловодным замедлителем следует

учитывать, что уменьшение стоимости системы вследствие использования прямого цикла в реакторе с Н₂О-теплоносителем достигается ценой уменьшения глубины выгорания топлива из-за ухудшения баланса нейтронов.

Ниже приведены характеристики тяжеловодных реакторов.

Тяжеловодный реактор с водой под давлением (PHWR)

Низкий КПД.
Капитальная стоимость на 10...15 % выше легководного реактора.
Низкая стоимость топливного цикла вследствие высокоэффективного баланса нейтронов.
Проблема предотвращения утечек из горячего контура с тяжелой водой под высоким давлением.
Утечка трития в атмосферу, сопровождающая утечку горячей D₂О.
Хороший наработчик плутония.

Реактор с кипящей легкой водой (BLWR)

Низкий КПД.
Прямой цикл преобразования энергии снижает капитальную составляющую стоимости системы.
Загрузка D₂O ниже, чем в PHWR.
Лучшие условия для подачи пара в турбину по сравнению с PHWR.
Высокий уровень радиоактивности в турбине.
При естественном урановом топливе положительные пустотный и мощностной коэффициенты реактивности могут усложнить регулирование реактора.
Необходимость снижения максимальной проектной мощности, чтобы иметь запас для предотвращения осушения каналов, который приводит к пережогу.

Газоохлаждаемый тяжеловодный реактор (GСНWR)

Высокий тепловой КПД.
Плотность энерговыделения ниже, чем при охлаждении жидким теплоносителем.
Высокая температура топлива требует применения более жаро- стойких материалов, ухудшающих баланс нейтронов в реакторе.

Тяжеловодный реактор с органическим теплоносителем (OCR)

Высокий КПД.
Необходимо высокоплотное топливо.
Необходима установка фильтров для предотвращения загрязнения каналов с теплоносителем.
Низкая загрузка D₂O (около 20 % по сравнению с PHWR).
Низкая наведенная активность в первом контуре.
Необходимость обеспечить работоспособность каналов под давле- нием при температуре около 375 °С и оболочек твэлов при температуре 475 °С.

КПД реакторов с Н₂О и D₂О-теплоносителями мал из-за ограничений на температуру и давление пара, связанных с необходимостью свести к минимуму толщину стенок каналов, чтобы не слишком ухудшить баланс нейтронов. При использовании в качестве теплоносителя газообразного СO₂ тепловой КПД системы можно значительно увеличить. Высокая температура топлива, необходимая для увеличения КПД, предъявляет более жесткие требования к материалам оболочек твэлов и элементам конструкции контура. Это приводит к необходимости использовать материалы с более высокими сечениями поглощения нейтронов, чем сечения циркониевых сплавов, применяемых для изготовления оболочек и труб под давлением в водоохлаждаемых реакторах. Кроме того, ограничение на температуру оболочек твэлов затрудняет достижение высокой плотности энерговыделения, какая достигается в системах с водяным охлаждением. Преимущество работы при высоком уровне температур, обеспечивающем высокий КПД системы, частично компенсируется более высоким потреблением мощности на прокачку газового теплоносителя.

В системе с охлаждением легкой или тяжелой водой, чтобы достигнуть приемлемого значения КПД, необходимы высокие темпера- тура и давление. Альтернативным способом увеличения КПД может быть использование теплоносителей с достаточно низкой летучестью, чтобы реактор мог работать при высокой температуре, но с умеренны- ми давлениями. В качестве подходящих теплоносителей такого типа могут быть использованы органические жидкости, например гидрированное терфениловое масло, позволяющее поднять температуру до 400 °С, в то время как в реакторе CANDU-PHW температура не превышает 300 °С при давлении теплоносителя около 8,7 МПа. Применение органических теплоносителей позволяет получить высокую плотность энерговыделения и высокий КПД энергоустановки. К дополнительным преимуществам таких теплоносителей можно отнести и их низкую активацию, поскольку облучение нейтронами углеводородных соединений не приводит к сколько-нибудь значительной активации. Еще один выигрыш связан со значительным уменьшением загрузки D₂О в реакторе и, следовательно, с уменьшением его размеров, поскольку органический теплоноситель обладает хорошей замедляющей способно учитывать, что уменьшение стоимости системы вследствие использования прямого цикла в реакторе с Н₂О-теплоносителем достигается ценой уменьшения глубины выгорания топлива из-за ухудшения баланса нейтронов.

Ниже приведены характеристики тяжеловодных реакторов.

Тяжеловодный реактор с водой под давлением (PHWR)

Низкий КПД.
Капитальная стоимость на 10...15 % выше легководного реактора.
Низкая стоимость топливного цикла вследствие высокоэффективного баланса нейтронов.
Проблема предотвращения утечек из горячего контура с тяжелой водой под высоким давлением.
Утечка трития в атмосферу, сопровождающая утечку горячей D₂О.
Хороший наработчик плутония.

Реактор с кипящей легкой водой (BLWR)

Низкий КПД.
Прямой цикл преобразования энергии снижает капитальную составляющую стоимости системы.
Загрузка D₂O ниже, чем в PHWR.
Лучшие условия для подачи пара в турбину по сравнению с PHWR.
Высокий уровень радиоактивности в турбине.
При естественном урановом топливе положительные пустотный и мощностной коэффициенты реактивности могут усложнить регулирование реактора.
Необходимость снижения максимальной проектной мощности, чтобы иметь запас для предотвращения осушения каналов, который приводит к пережогу.

Газоохлаждаемый тяжеловодный реактор (GСНWR)

Высокий тепловой КПД.
Плотность энерговыделения ниже, чем при охлаждении жидким теплоносителем.
Высокая температура топлива требует применения более жаро- стойких материалов, ухудшающих баланс нейтронов в реакторе.

Тяжеловодный реактор с органическим теплоносителем (OCR)

Высокий КПД.
Необходимо высокоплотное топливо.
Необходима установка фильтров для предотвращения загрязнения каналов с теплоносителем.
Низкая загрузка D₂O (около 20 % по сравнению с PHWR).
Низкая наведенная активность в первом контуре.
Необходимость обеспечить работоспособность каналов под давлением при температуре около 375 °С и оболочек твэлов при темпе- ратуре 475 °С.

В системе с охлаждением легкой или тяжелой водой, чтобы достигнуть приемлемого значения КПД, необходимы высокие температура и давление. Альтернативным способом увеличения КПД может быть использование теплоносителей с достаточно низкой летучестью, чтобы реактор мог работать при высокой температуре, но с умеренны- ми давлениями. В качестве подходящих теплоносителей такого типа могут быть использованы органические жидкости, например гидрированное терфениловое масло, позволяющее поднять температуру до 400 °С, в то время как в реакторе CANDU-PHW температура не превышает 300 °С при давлении теплоносителя около 8,7 МПа. Применение органических теплоносителей позволяет получить высокую плотность энерговыделения и высокий КПД энергоустановки. К дополнительным преимуществам таких теплоносителей можно отнести и их низкую активацию, поскольку облучение нейтронами углеводородных соединений не приводит к сколько-нибудь значительной активации. Еще один выигрыш связан со значительным уменьшением загрузки D₂О в реакторе и, следовательно, с уменьшением его размеров, поскольку органический теплоноситель обладает хорошей замедляющей способностью. По оценкам загрузку D₂O на 1 кВт (эл.) усовершенствованного реактора CANDU с органическим теплоносителем можно снизить в 5 раз по сравнению со стандартной конструкцией при замене тяжело- водного теплоносителя на органический.

Использование органического теплоносителя (типа терфенила) в системе с D₂O-замедлителем исследовалось в канадском исследовательском реакторе WR-1, построенном в Вайтшелле, провинция Манитода. Опыт подтвердил, что сплавы на основе циркония можно использовать в конструкциях с органическим теплоносителем, если обеспечить регулирование химических процессов для предотвращения чрез- мерного поглощения водорода и загрязнения каналов теплоносителя.

Для того чтобы реактор с тяжеловодным замедлителем и органическим теплоносителем был экономически эффективен, он должен использовать топливо более плотное, чем UO₂. Обнадеживающие результаты были получены на реакторе WR-1 с карбидом урана UC и силицидом урана U₃Si.

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