Усовершенствованный газоохлаждаемый реактор

Усовершенствованный газоохлаждаемый реактор AGR является представителем второго поколения энергетических реакторов в Великобритании. Реакторы типа AGR имеют следующие особенности.

Обогащенное оксидное топливо, расположенное в хвалах со стальной оболочкой. Твэлы установлены в кассетах по 36 шт. в каждой. Средняя удельная энергоиапряженность топливной сборки составляет 12,5 МВт (т.) на 1 т U.
Тепловой КПД около 40 % обеспечивается использованием в качестве теплоносителя двуокиси углерода с давлением 4,2 МПа и температурой на выходе из активной зоны 650 °С.
Использование современной парогенерирующей установки с па- раметрами пара 17 МПа и 540 °С.
Корпус реактора изготовлен из предварительно напряженного бетона. Внутри корпуса расположены активная зона, защита, парогенераторы и газодувки. Над активной зоной внутри корпуса установлен стальной купол, обеспечивающий поступление холодного газа в активную зону для поддержания температуры графитового замедлителя на уровне, при котором запасенная под действием радиации энергия в графите и изменение размеров графитовых блоков минимальны.
Перегрузка топлива под нагрузкой с помощью более простой по конструкции перегрузочной машины, чем машина, используемая в реакторах Magnox. Максимальная глубина выгорания топлива 18 000 МВт·сут/т.

Рассмотрим конструкцию ACR с единичной мощностью 625 МВт (эл.), установленного на АЭС в Гартлепуле, Северо-Восточная Англия. К одной из наиболее интересных особенностей конструкции этого реактора следует отнести «стручковую» концепцию парогенераторов. В такой конструкции парогенераторы расположены в цилиндрических полостях в стенках бетонного корпуса реактора в отличие от более обычной компоновки, в которой активная зона реактора и парогенераторы расположены внутри бетонного корпуса.

Расположение активной зоны реактора и парогенераторов показано на рис. 35. Корпус имеет цилиндрическую форму с наружным диаметром 25,9 м и высотой 29,3 м. Восемь парогенераторов размещены в цилиндрических полостях диаметром 2,75 м внутри стенки корпуса толщиной 6,4 м. Эти полости проходят по всей высоте корпуса и соединены каналами с реакторным объемом. Газодувки установлены под парогенераторами. Такая конструкция обладает следующими преимуществами.

Облегчается доступ в парогенераторам для ах ремонта или замены по сравнению с их размещением в том же объеме, что и активная зона.
Можно исключить специальную радиационную защиту между активной зоной и парогенераторами, поскольку ее роль выполняет бетонная стенка корпуса реактора.
Поскольку питание водой и отвод пара из парогенераторов осуществляется сверху, то никаких сварных швов и соединений не нужно делать внутри самого корпуса реактора, и не нужны горизонтальные проходки.

Отсутствие патрубков и каналов на наружных цилиндрических поверхностях корпуса упрощает конструкцию стяжек для создания предварительного напряжения в бетоне. Это напряжение создается внешней обмоткой цилиндрического корпуса стальными канатами.

Рис. 35. Система циркуляции теплоносителя в усовершенствованном газоохлаждаемом реакторе AGR: 1 – газодувка с двигателем; 2 – активная зона; 3 – каналы для обмотки стягивающими струнами; 4 – парогенератор; 5 – верхняя крышка; 6 – каналы для перегрузки топлива; 7 – стержень регулирования

Эти преимущества достигаются ценой увеличения толщины стенок бетонного корпуса и увеличения полной площади изоляционной оболочки, которая устанавливается с внутренней поверхности корпуса для зашиты его от горячего газа.

Активная зона диаметром 13,1 м закрыта сверху крышкой толщиной 5,5 м. Поскольку система перегрузки топлива требует создания индивидуальных подходов к каждому каналу, то верхняя крышка пронизана большим числом загрузочных каналов. Это делает невозможным пропустить стягивающие бетон струны через секцию корпуса над актив- ной зоной. Поэтому эти стяжки размещены с внешней стороны крышки. Аксиальное сжатие бетонного корпуса осуществляется вертикальными стяжками, проходящими через стены, а напряжение вдоль окружности создается намоткой проволочных канатов под напряжением. Эти канаты укладываются в специальные каналы в стенках корпуса.

Система циркуляции газового теплоносителя схематически изображена на рис. 35. Особенности ее устройства определяются требованиями поддерживать температуру графитового замедлителя на уровне, при котором радиационное распухание графита и запасенная энергия в нем будут минимальны. Это достигается организацией потока газового теплоносителя сверху вниз через кольцевые зазоры между графитовыми гильзами, окружающими твэлы (рис. 36), и блоками замедлителя, формирующими структуру активной зоны. Главные циркуляторы (газодувки) подают газ с температурой 290 °С в нагревательную камеру, расположенную под активной зоной. Из нагнетательной камеры большая часть потока газа (около 60 %) поступает в каналы, окружающие твэлы, другая его часть проходит через кольцевой зазор между наружной поверхностью активной зоны и внутренней поверхностью боковой стенки корпуса. Для того чтобы отделить горячий газ, прошедший через Каналы вокруг твэлов, от более холодного газового потока, текущего в кольцевом зазоре вокруг активной зоны, над активной зоной установлен стальной купол, разделяющий эти потоки. Поток газа из периферийного кольцевого зазора нагнетается в пространство под куполом, откуда поступает вниз через каналы в графитовом замедлителе. В нижней части активной зоны он смешивается с потоком газа, поступающим из циркуляторов, и направляется вместе с ним в каналы охлаждения твэлов. Охлаждение блоков графитового замедлителя позволяет поддерживать их температуру на уровне 325...500 °С, при которой радиационные эффекты относительно невелики.

Система циркуляции газового теплоносителя схематически изо- бражена на рис. 35. Особенности ее устройства определяются требованиями поддерживать температуру графитового замедлителя на уровне, при котором радиационное распухание графита и запасенная энергия в нем будут минимальны. Это достигается организацией потока газового теплоносителя сверху вниз через кольцевые зазоры между графитовыми гильзами, окружающими твэлы (рис. 36), и блоками замедлителя, формирующими структуру активной зоны. Главные циркуляторы (газодувки) подают газ с температурой 290 °С в нагревательную камеру, расположенную под активной зоной. Из нагнетательной камеры большая часть потока газа (около 60 %) поступает в каналы, окружающие твэлы, другая его часть проходит через кольцевой зазор между наружной поверхностью активной зоны и внутренней поверхностью боковой стенки корпуса. Для того чтобы отделить горячий газ, прошедший через Каналы вокруг твэлов, от более холодного газового потока, текущего в кольцевом зазоре вокруг активной зоны, над активной зоной установлен стальной купол, разделяющий эти потоки. Поток газа из периферийного кольцевого зазора нагнетается в пространство под куполом, откуда поступает вниз через каналы в графитовом замедлителе. В ни- жней части активной зоны он смешивается с потоком газа, поступающим из циркуляторов, и направляется вместе с ним в каналы охлаждения твэлов. Охлаждение блоков графитового замедлителя позволяет поддерживать их температуру на уровне 325...500 °С, при которой радиационные эффекты относительно невелики.


Рис. 37. Многозонный тепловыделяющий элемент; продольное оребрение с винтообразными пластинами	Рис. 38. Многозонный тепловыделяющий элемент винтовое оребрение с прямыми пластинами

Рис. 39. Трубчатый твэл с односторонним охлаждением для реактора EDF 3, 4. Оболочка с шевронными плоскими ребрами и центрирующими деталями; сердечник из сплава U – 1,1 %Mo в виде трубы 43x23 мм	Рис. 40. Кольцевой твэл с реактора EDF-3, 4 в графитовой трубе Ø 70x54 мм с двухсторонним охлаждением

Поток горячего газа из каналов охлаждения твэлов поступает в пространство над куполом через систему направляющих труб и загрузочных каналов. Загрузочные каналы проходят через газонепроницаемые уплотнения в стальном куполе, и газ с выходной температурой нагнетается в горячую камеру над куполом через отверстия в стенках загрузочных каналов. Из этой камеры газ, имеющий температуру 650 °С, поступает через выходные патрубки на вход в парогенераторы. Верхняя поверхность купола теплоизолирована, чтобы защитить стальные конструкции от нагрева горячим газом. Теплоизоляция и охлаждение купола холод-газом, поступающим под купол, обеспечивают температуру стальных конструкций на уровне около 370 °С. Хорошо продуманная

конструкция и качественное изготовление купола и окружающей его юбки, связывающей купол с внутренней оболочкой корпуса, – это существенные элементы безопасности реактора, поскольку разрушение купола может привести к потере теплоносителя в активной зоне.

При строительстве бетонных корпусов возникает серьезная проблема зашиты бетона от горячего газового теплоносителя. Поскольку температура бетона не должна превышать 60 °С, то все внутренние поверхности корпуса должны быть экранированы теплоизоляционным материалом. Центральная полость в корпусе экранирована стальной оболочкой толщиной 19 мм везде, кроме области проходок в верхней крышке, где толщина стального листа увеличена до 25,4 мм. Оболочка крепится к бетону шпильками, установленными с небольшим шагом. Охлаждение оболочки осуществляется водой, текущей по трубам квадратного сечения, приваренным к ее наружной поверхности. Внутренняя поверхность оболочки покрыта стальной фольгой или керамическим волокнистым изоляционным материалом. Аналогичные оболочки установлены в каналах для парогенераторов и вокруг их соединительных патрубков. Охлаждение каналов для перегрузки топлива обеспечивается специальной рубашкой охлаждения, состоящей из трех концентрических стенок. Пространство между внутренней и промежуточной трубами заполнено теплоизолирующим материалом, а пространство между промежуточной и наружной трубами формирует собственно рубашку охлаждения, через которую течет вода.

Парогенераторы представляют собой конструкцию одноходового типа, в которой пароподогреватель размещен над перегревателем испарительной секции с высоким давлением. Цилиндрическая поверхность нагрева имеет форму оребренной трубы с многозаходной винтовой навивкой. Газовый теплоноситель, поступающий в парогенератор через входной патрубок из камеры над куполом, имеет давление 4 МПа и температуру 650 °С. Его циркуляция обеспечивается центробежной газодувкой, установленной вертикально под парогенератором. Конструкция камеры для парогенератора позволяет легко устанавливать изготовленный в заводских условиях агрегат. Единственная операция, которую нужно сделать на месте установки, – это присоединение паропроводов и линий питательной воды. Параметры пара, вырабатываемого в парогенераторах AGR, позволяют использовать стандартные турбины, которые применяются на современных тепловых электро- станциях. Это уменьшает капитальную составляющую стоимости АЭС с AGR.

Конструкция, включающая активную зону и защиту, покоится на опорах, установленных на нижней крышке бетонного корпуса. Актив- ная зона имеет 324 канала для топливных кассет, образующие квадратную решетку с шагом 457 мм. Графитовый замедлитель сформирован из кольцевых графитовых блоков, установленных в колонны. В каналах внутри этих колонн размещены кассеты с твэлами. Нижняя часть колонн формирует нижнюю торцевую нейтронную защиту, которая ослабляет поток нейтронов в районе расположения выходных патрубков газодувок и тем самым снижает активацию элементов конструкции газодувок и парогенераторов до приемлемого уровня. Защита собрана из графитовых блоков, в центральные каналы которых вставлены стальные спиральные пробки. Активная зона, имеющая высоту 8,2 м и диаметр 9,3 м, окружена графитовым отражателем. Над отражателем установлена верхняя торцевая нейтронная защита, собранная из графита. Эта защита обеспечивает снижение активации компонентов конструкции, расположенных над активной зоной, до уровня, допускающего прямой к ним доступ после остановки реактора.

Графит, формирующий активную зону, представляет собой изотропный материал с двойной пропиткой для сведения к минимуму изменений его размеров при облучении нейтронами. В качестве дополни- тельной меры, нейтрализующей этот эффект, предусмотрена специальная конструкция опор активной зоны. Эти опоры сконструированы таким образом, что любое перемещение элементов конструкции активной зоны определяется перемещением опор, а не самого графита. Графитовая сборка набрана послойно из отдельных брусков. Каждая колонна радиально скреплена с соседними колоннами. Вся сборка при- креплена к опорной конструкции, прикрепленной сверху и снизу к стенке бетонного корпуса. В цилиндрических графитовых брусках за- медлителя сделаны концентрические каналы, в которых установлены кассеты с твэлами. Между этими блоками с топливными каналами установлены графитовые блоки меньшего размера с каналами для стержней регулирования. Стержни регулирования составлены из четырех последовательно гибко соединенных секций. Такая конструкция обеспечивает лучшее передвижение стержней в каналах по сравнению с цельным жестким стержнем.

Стандартная кассета AGR содержит 36 цилиндрических твэлов. Твэлы набраны из полых топливных таблеток со слабообогащенным UO₂. Оболочки твэлов сделаны из нержавеющей стали и имеют низко- профильное оребрение. Пучок твэлов, образующих кассету, установлен

в графитовой цилиндрической гильзе. На первой стадии разработки конструкции твэлов в качестве материала для их оболочки рассматривался бериллий. Использование этого материала позволило бы улучшить баланс нейтронов в реакторе, но из-за трудности его обработки окончательный выбор остановился на нержавеющей стали.

Каждая топливная сборка имеет длину 1041 мм. Восемь таких сборок установлены последовательно друг за другом и стянуты стержнем. Эта кассета целиком загружается и выгружается из реактора. Поскольку перегрузка топлива без остановки реактора здесь не так важна для обеспечения экономически эффективной работы реактора, как для реактора на естественном уране типа Magnox, то в AGR система перегрузки упрощена для увеличения ее надежности. Скорость перегрузки топлива в AGR сравнительно низкая (примерно три канала в неделю), и схема перегрузки топлива для реактора в Гартлепуле не включает аксиальной и радиальной перестановки кассет. Поскольку для каждого топливного канала предусмотрен свой перегрузочный канал, то конструкция перегрузочной машины сравнительно проста. Подход к равновесному режиму работы осуществляется от начальной загрузки с пониженным содержанием топлива. В момент запуска в активной зоне содержится неполный комплект топливных кассет, и незанятые каналы постепенно заполняются по мере уменьшения реактивности при выгорании топлива. Несмотря на успешную работу прототипа реактора типа AGR в Винд-эйле который начал функционировать в 1962 г., возникшие неожиданные проблемы привели к ощутимой задержке в осуществлении программы строительства реакторов AGR, в частности первой из за- планированных станций Dungeness В. Большая часть этих проблем возникла при масштабировании реактора-прототипа мощностью 33 МВт (эл.) до полномасштабной системы мощностью 625 МВт (эл.). Среди

этих проблем выделим следующие.

Шумы и вибрации в полномасштабном реакторе оказались значительно сильнее, чем в его прототипе. Это было в основном связано с увеличением давления газового теплоносителя от 2,0 до 43 МПа. Главным источником шумов были газодувки, регулируемые за- глушки в стрингерах топливных кассет и теплоизоляционные пластинчатые покрытия стенок корпуса. Вибрация последних могла привести к очень серьезным последствиям, поскольку отслоение металла с последующей эрозией теплоизоляции может привести к прямому контакту высокотемпературного теплоносителя с бетоном и нагреванию его до недопустимо высокой температуры. Чтобы ликвидировать эти вибрации, потребовалось значительно модифицировать компоненты конструкции.
Коррозия в парогенераторах как со стороны пара, так и со стороны двуокиси углерода потребовала изменения конструкционных материалов и снижения рабочих температур. Сложный набор материалов в одноходовых парогенераторах делает очень трудной оптимизацию температурного режима в этой области.

Выбор присадок к теплоносителю также был предметом серьезных забот, поскольку добавление метана для уменьшения коррозии графита приводит к высаживанию углерода на ребрах оболочек твэлов и их коррозии. Хотя приемлемая композиция газа и была подобрана, но полная уверенность в достижении приемлемого уровня коррозии была достигнута только после длительной работы новых станций. При этом оказалось необходимым в графитовых блоках просверлить вертикальные каналы, чтобы обеспечить равномерную диффузию метанового ингибитора в толще графита.

Первые две АЭС с AGR, Hinkley Point В и Hunterston В начали работать в 1976 г.

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