Канальный тяжеловодный реактор

Реактор с тяжеловодным замедлителем и теплоносителем CANDU является базовым реактором в канадской программе развития ядерной энергетики. Рассмотрим представителя этого типа АЭС Pickering А с четырьмя энергоблоками, построенная в провинции Онтарио.

За исключением отдельных деталей, все четыре реактора Pickering имеют идентичную конструкцию. Их основные параметры перечислены ниже.

Тип реактора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .CANDU-PHW

Замедлитель . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Тяжелая вода

Теплоноситель . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Тяжелая вода

Топливо . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Естественный

уран (UO2) Диаметр корпуса, м . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8,1

Полная длина корпуса, м . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8,25

Полное количество D20 в контуре замедлителя, т.................. 284

Число топливных каналов, шт....................................................................... 390

Шаг решетки, см . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .28,6

Радиус активной зоны, см . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .318,5

Длина активной зоны, см............................................................. 595

Число топливных кассет в канале............................................... 12

Число твэлов в кассете, шт........................................................... 28

Длина топливной кассеты, см . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .49,5

Диаметр топливной таблетки, мм . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14,33

Толщина циркалоевой оболочки, мм . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .0,41

Полная масса UO2 в активной зоне, т......................................... 105

Средняя глубина выгорания топлива, МВт·сут/т . . . . . . . . . .8300

Средняя погонная плотность энерговыделения в твэле, Вт/см . . . . . . .37,6

Полное количество D2O в контуре теплоносителя, т............. 158

Температура теплоносителя на выходе из канала, °С............. 293

Температура теплоносителя на входе в канал, °С.................... 249

Среднее давление в выходном коллекторе, МПа . . . . . . . . . .9,0

Полная тепловая мощность, МВт . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1744

Электрическая мощность нетто, МВт....................................... 508

Тепловой КПД, % . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .29,1

Перечислим основные особенности этих реакторов: топливо на основе естественного U, тяжеловодный замедлитель, тяжеловодный теплоноситель с высоким давлением, двухконтурная схема преобразования энергии, перегрузка топлива с обоих концов горизонтальных каналов, заполненных водой под давлением. Тяжеловодный замедлитель заполняет горизонтальный цилиндрический корпус диаметром 8 м, изготовленный из аустенитной нержавеющей стали (рис. 30). Через корпус параллельно оси цилиндра проходят 390 циркалоевых труб. Эти трубы с водой под давлением (топливные каналы) изготовлены из циркалоя-2 или сплава Zr – 2,5 % Nb. Топливные каналы установлены внутри труб, соосно им, с герметичным кольцевым зазором, заполненным азотом. Каждый канал с обоих концов при помощи развальцовки при- соединен к опорным цапфам, которые удерживаются в подшипниках скольжения на торцах цилиндрического корпуса.

Тяжеловодный теплоноситель, который, как и в PWR, находится под высоким давлением, чтобы предотвратить кипение, циркулирует через топливные каналы и теплообменники. Система отвода теплоты разделена на две идентичные параллельные петли, в каждой из которых установлено шесть кожухотрубчатых парогенераторов. Кроме определенного технического удобства, разделение контура на две петли имеет определенные преимущества с точки зрения безопасности, поскольку при разрыве одной петли первого контура количество образовавшегося пара будет в 2 раза меньше. Контур с теплоносителем содержит около 160 т тяжелой воды, температура которой на входе и выходе 250 и 293 °С, соответственно. 280 т тяжеловодного замедлителя циркулирует при атмосферном давлении через корпус реактора и внешний теплообменник с температурой около 60 °С. Внутри корпуса установлены форсунки, через которые разбрызгивается вода, охлаждающая части корпуса, не заполненные замедлителем.

Рис. 30. Принципиальная схема реактора CANDU Pickering: 1 – предохрани- тельные клапаны первого контура; 2 – сепаратор; 3 – подогреватель; 4 – турбина высокого давления; 5 – турбина низкого давления; 6 – генератор; 7 – конденсатор; 8 – деаэратор; 9 – нагреватель низкого давления; 10 – нагреватель высокого давления; 11 – D2 + 02-рекомбинатор; 12 – гелиевый компрессор; 13 – клапаны управления гелиевым контуром; 14 – запорный клапан системы слива D2О; 15 – трубы с теплоносителем; 16 – теплообменник контура; 17 – система очистки замедлителя;

18 – дренажный бак; 19 – топливо; 20 – перегрузочная машина; 21 – циркуляционный насос; 22 – парогенератор

Реакторы Pickering загружены естественным U в форме холодно- прессованных спеченных таблеток из UO₂, имеющих диаметр 14,3 мм. Эти таблетки размещены в циркалоевых оболочках, толщина стенки оболочки составляет 0,4 мм. Каждая таблетка с одного из торцов имеет вогнутую тарельчатую форму, позволяющую свободно расширяться в аксиальном направлении. Короткая топливная кассета длиной 495 мм содержит 28 цилиндрических твэлов (рис. 31). Дистанционирование твэлов внутри кассеты и кассет внутри топливных каналов обеспечивается циркалоевыми прокладками, приваренными к кожуху кассеты. В каждом канале установлено 12 кассет друг за другом вдоль его оси. Конструкция кассеты позволяет свести к минимуму количество конструкционных материалов и тем самым обеспечить максимально эффективный баланс нейтронов.

Все вспомогательное оборудование – форсунки, аппаратурное обеспечение, датчики контрольно-измерительной аппаратуры – расположено внутри корпуса реактора вне топливных кассет. В результате в не топливных компонентах кассет поглощается только 0,7 % нейтронов.

В реакторе CANDU так же, как и в реакторе Magnox на естествен- ном уране, для обеспечения экономически эффективной работы АЭС необходимо, чтобы перегрузка топлива осуществлялась без остановки реактора. Перегрузочные механизмы, загружающие и выгружающие топливные кассеты, установлены с обоих концов топливных каналов. Схема перегрузки топлива построена таким образом, чтобы выравнять выгорание топлива в кассетах. Перегрузочные машины установлены так, чтобы передвигать кассеты в соседних каналах в противоположных направлениях. Это позволяет обеспечить аксиальную симметрию распределения плотности потока нейтронов. Глубина выгорания топлива достигает 8000 МВт·сут/т и даже выше, а длительность кампании составляет только 20...30 % длительности кампании легководных реакторов. Поэтому усложнения системы, связанные с организацией перегрузки топлива под нагрузкой, частично компенсируются менее жесткими требованиями к материалам для топливных кассет. Толщина оболочек твэлов примерно в 2 раза меньше толщины оболочек твэлов BWR или PWR. Несмотря на уменьшение толщины оболочек, вероятность разрушения твэлов вследствие коррозии и фреттинг-коррозии здесь незначительна.

Тонкая оболочка обладает еще одним преимуществом, связанным с тем, что под действием давления теплоносителя она деформируется, обжимая топливные стержни, что обеспечивает хорошую теплопередачу. Эффект уплотнения топлива здесь полностью исключается, поскольку нет необходимости предусматривать полости для накапливающихся продуктов деления. Это позволяет использовать высокоплотное топливо.

Рис. 31. Топливная кассета реактора CANDU: 1 – циркалоевые дистанционирующие ребра; 2 – циркалоевая оболочка твэла; 3 – циркалоевый торцевой колпачок; 4 – циркалоевая опорная пластина; 5 – таблетки двуокиси урана; 6 – графитовая прокладка; 7 – дистанционирующие прокладки между твэлами; 8 – стенка трубы с водой под давлением

Система регулирования и остановки реактора устроена следующим образом.

После достижения равновесного топливного цикла реактивность поддерживается на необходимом уровне благодаря перегрузке топлива под нагрузкой. Для компенсации уменьшения реактивности со скоростью примерно 0,04 %/сут необходимо перегружать топливные кассеты со средней скоростью девять кассет за сутки.
Регулирование реактивности при нормальных условиях работы реактора обеспечивается 14 камерами, расположенными зонально внутри активной зоны. Они представляют собой трубы, которые можно заполнить обычной водой. Это приводит к уменьшению реактивности вследствие увеличения поглощения нейтронов. Требование стабилизации уровня мощности по зонам связано с тем, что размеры активной зоны много больше длины диффузии нейтронов, и, следовательно, система регулирования должна быть в состоянии предотвращать пространственную неустойчивость реактора, вызванную ксеноновыми колебаниями.
Для формирования распределения плотности потока нейтронов, обеспечивающего оптимальное распределение плотности энерго- выделения, и для подавления эффекта ксенонового отравления при остановке реактора предусмотрена дополнительная система регулирования, состоящая из 18 компенсирующих стержней, которые вводят в реактор вертикально между каналами в корпусе. В качестве поглотителя нейтронов в этих стержнях применяется кобальт. Радио- изотоп кобальта, образующийся при захвате нейтрона, имеет коммерческое значение. В более современном реакторе, установлен- ном на АЭС Bruce, применяют другой метод компенсации ксенонового отравления, при котором в активную зону вводят вспомогательные (бустерные) стержни, содержащие обогащенное топливо.
Быстрая остановка реактора осуществляется сбросом 11 кадмиевых стержней, установленных над корпусом. Эта система аварий- ной защиты при необходимости дублируется сливом замедлителя в дренажный бак, расположенный под корпусом. При нормальной работе реактора дренажный бак заполнен гелием под давлением. Выпуск гелия из дренажного бака приводит к сливу замедлителя под действием силы тяжести. Следует отметить, что в последних конструкциях реактора CANDU от использования дренажного бака отказались в пользу более предпочтительного способа аварий- ной остановки реактора путем инжекции в замедлитель поглотителя нейтронов (соли гадолиния).
При изменениях реактивности, выходящих за пределы, которые могут быть скомпенсированы системами регулирования, например при запуске нового реактора, когда он целиком загружен свежим топливом, в замедлитель может быть добавлен бор в форме растворимой окиси. В случае необходимости бор может быть легко выведен из тяжелой воды в процессе ионообмена.

Пустотный коэффициент реактивности в реакторе CANDU положительный. При полном осушении всех каналов при равновесном топливном цикле увеличение реактивности составляет 0,75 %. Справиться с такой реактивностью помогает секционирование первого контура на ряд параллельных петель. Секционирование позволяет при любом возможном увеличении доли пустот ограничить скорость переходных процессов и всплеск реактивности до уровня, который может быть легко перекрыт стержнями аварийной остановки реактора.

Противоаварийная оболочка станции Pickering представляет собой двухбарьерную систему. Каждый из четырех реакторов станции расположен в собственном защитном здании, в котором поддерживается давление несколько ниже атмосферного. При аварии с внезапным увеличением давления вследствие разрыва первого контура откроются предохранительные клапаны, и паровоздушная смесь будет выпущена через них в «вакуумное здание», охватывающее все четыре реактора.

Рис. 32. Сборка твэлов реактора PWR: 1 – нижнее отверстие; 2 – сборочная решетка; 3 – твэл; 4 – направляющая трубка;5 – верхнее отверстие; 6 – контролирующий стержень; 7 – опора для поддержания контролирующих стержней; 8 – рессора; 9 – подгоночная пластина

Это здание внутренним объемом 8·104 м3 сделано из армированного бетона, и атмосфера в нем поддерживается под давлением 6,6 кПа. Вакуумное здание в состоянии удержать весь пар, образующийся при выпуске теплоносителя первого контура. Удержанию этого пара способствует также спринклерная система охлаждения, которая включается при заданном давлении, охлаждая воздух и конденсируя пар. Бак с водой, питающий эту систему, расположен в верхней части вакуумного здания. Его емкость около 7600 м3. Комбинация реакторного и вакуумного зданий обеспечивает удержание радиоактивности при энерговыделении в случае разрыва первого контура. В самом реакторном здании в этом случае увеличение давления не превысит 0,14 МПа, что меньше расчетного значения, на которое оно спроектировано.

Наиболее серьезной проблемой на АЭС Pickering было растрескивание стенок нескольких цирконий-ниобиевых каналов с водой под давлением в третьем и четвертом реакторах. Оказалось, что причиной этого растрескивания была существующая технология развальцовки труб в местах их соединений с концевиками. Трещины распространялись в результате образования гидрида циркония каждый раз, когда реактор останавливался и расхолаживался. Поврежденные трубы были извлечены из двух реакторов станции Pickering и из двух реакторов станции Bruce и заменены на новые.

Характеристики реакторов Pickering оказались довольно обнадеживающими с точки зрения режима работы и высокой надежности, начиная с их запуска, если не считать проблемы растрескивания труб, которая сейчас уже решена. Этот успешный опыт в сочетании с эффективным использованием ресурсов ядерного топлива увеличил уверенность в удачном выборе реактора CANDU как основы развития ядер- ной энергетики в условиях Канады. Хотя капитальная стоимость тяжеловодной системы выше, чем для реакторов PWR и BWR, потребность в уране для этих реакторов примерно в 2 раза меньше, чем для легко- водных реакторов, имеющих такую же погнуто мощность.

Представителем реактора типа CANDU, в котором сохраняются преимущества тяжеловодного замедлителя, но возможно применение прямого цикла преобразования энергии, является реактор CANDU- BLW (реактор с легководным теплоносителем), прототип которого ра- ботал в Квебеке с 1971 по 1980 гг. Одной из главных забот при эксплуатации этого реактора было исследование возможности работы с положительными пустотным и мощностным коэффициентами реактивности. Измерения, выполненные в процессе работы реактора, указывают

на наличие большого положительного мощностного коэффициента ре- активности порядка 10–4 (Ак/к) на 1 % увеличения мощности. Однако практически при регулировании реактора никаких серьезных проблем в связи с этим не возникло, так как постоянная времени, характеризующая запаздывание образования паровых пузырьков при увеличении мощности реактора, оказалась достаточно велика (около 18 с). Такое запаздывание возникает из-за больших диаметров твэлов (19,5 мм), расположенных в 18-твэльных топливных кассетах. Тем не менее здесь необходима тонкая регулировка уровня давления в паровом барабане в течение переходных процессов, например, при отключении турбины, чтобы исключить слишком быстрое изменение паросодержания в активной зоне.

В реакторе Gentilly для компенсации уменьшения реактивности при увеличении мощности в процессе запуска реактора используются бустерные стержни с обогащенным U. Было обнаружено, что введение в реактор таких бустерных стержней может привести к локальному раз- балансу реактивности. В результате могут начаться пространственные колебания потока нейтронов, которые длятся несколько минут. Если эти колебания не подавить, то они могут привести к неравномерному выгоранию топлива. Чтобы предотвратить это явление, плотность потока нейтронов и распределение плотности энерговыделения в активной зоне непрерывно корректируются системой регулирования реактора.

Так же, как в CANDU-BLW, в реакторе SGHWR (Великобритания) каналы с топливом расположены вертикально. Однако в отличие от CANDU в этом реакторе используется топливо, обогащенное до 2,2 % по 235U. Прототип SGHWR – реактор Winfrith Heath мощностью 100 МВт (эл.) работает в Дорсете с 1968 г. Этот реактор в свое время рассматривался как базовый для следующего этапа развития ядерной энергетики Великобритании. Однако, несмотря на отличные характеристики реактора-прототипа, SGHWR уступил эту роль реакторам AGR и легководным реакторам.

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