Реакторы на естественном уране с тяжеловодным замедлителем и теплоносителем
Для одно- и двухконтурных водо-водяных реакторов требуется обогащение топлива по делящемуся изотопу 235U, для того, чтобы компенсировать относительно высокое поглощение нейтронов легководным теплоносителем. Этот недостаток можно преодолеть, используя в качестве замедлителя тяжелую воду, а в качестве теплоносителя — либо тяжелую воду, либо кипящую легкую воду. Если в качестве теплоносителя использовать тяжелую воду, то можно создать реактор на естественном уране. Этот принцип реализован в канадских реакторах CANDU.
Реакторы CANDU не имеют массивного, толстостенного корпуса давления, используемого в реакторах типа PWR и BWR.Топливные сборки реактора размещаются в горизонтальных каналах-трубках давления, изготовленных из циркониевого сплава. Эти каналы проходят через бак, заполненный тяжелой водой при низком давлении и температуре. Тяжеловодный теплоноситель проходит через трубки, содержащие топливные сборки при давлении около 9 МПА. Затем он идет в парогенератор, аналогичный используемому в PWR. Следует отметить, что реактор CANDU не испытывает таких трудностей с парогенератором, как реакторы PWR типа, из-за низкой рабочей температуры основного теплоносителя.
Топливные элементы представляют собой сборки из таблеток необогащенного диоксида урана в оболочке из циркониевого сплава.
Средняя объемная плотность энерговыделения в активной зоне реактора CANDU примерно в 10 раз меньше, чем у ВВЭР (поскольку при ее расчете учитывается и объем замедлителя) и почтив 4 раза больше чем у газоохлаждаемых реакторов типа AGR. Однако, среднее энерговыделение топлива сравнимо с получаемым в реакторах типа ВВЭР. К тому же само топливо много дешевле.
Реакторы типа CANDU давно и успешно эксплуатируются. Они имеют одну из самых малых продолжительностей остановов из всех типов энергетических реакторов. однако даже при низкой стоимости топлива CANDU нуждаются в больших количествах дорогостоящей тяжелой воды.
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, 0С 293
Температура теплоносителя на входе в канал, 0С 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. 3). 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 присоединен 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 0С 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.
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. 4). 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.
| Атомная энергетика |