Устройство реак­торов на тепловых нейтронах

Появляющиеся в результате реакции быстрые нейтроны должны быть замедлены. Для этого можно ис­пользовать один из трех видов за­медлителей: обычную воду, тяжелую воду и графит. Как замедлитель наиболее эффективна обычная вода, затем тяжелая вода и, наконец, графит. Но есть еще один важ­ный показатель – поглощение нейтронов. Меньше всех из названных замедлителей нейтроны поглощает тяжелая вода, затем графит и обычная вода.

Именно поэтому, используя в качестве замедлителя графит или обычную воду, природный уран приходится обогащать изотопом ²³⁵U до 3 – 4%. Если бы в качестве замедлителя использовалась тяжелая вода, то обогащать природный уран не было бы не­обходимости.

По ряду причин в качестве замедлителя (а также теп­лоносителя) чаще всего используют обычную воду.

Атомные реакторы на тепловых нейтронах различа­ются между собой главным образом по двум признакам:

1) какие вещества используются в качестве замедлителя нейтронов;

2) какие вещества используются в качестве теплоносителя, с помощью которого производится отвод тепла из активной зоны ре­актора.

Наибольшее распространение в настоящее время имеют:

a) водо-водяные реакторы, в которых обычная вода служит замедлителем и теплоносителем нейтронов;

b) уран-графитовые реакторы (замедлитель – графит, теп­лоноситель – обычная вода);

c) газографитовые реакторы (замедлитель – графит, теплоноситель – газ, часто уг­лекислота);

d) тяжеловодные реакторы (замедлитель – тя­желая вода, теплоноситель – либо тяжелая, либо обыч­ная вода).

В странах СНГ широкое применение полу­чили водо-водяные реакторы, описание которого приведено ниже.

На рис. 1 представлена принципиальная схема водо-водяного реактора. Активная зона реактора представляет собой толстостенный сосуд, в котором находятся вода и погруженные в нее сборки тепловыделяющих элементов (ТВЭЛов). Тепло, выделяемое ТВЭЛами, забирается водой, температура которой значительно повышается.

На рис. 2 схематически представлены основные эле­менты АЭС с водо-водяным реактором на тепловых ней­тронах – реактор и парогенератор. Схема в данном слу­чае является двухконтурной. Вода, соприкасающаяся в активной зоне реактора с ТВЭЛами и поэтому делающа­яся нагретой и радиоактивной, передает тепло в пароге­нераторе также воде (воде второго контура), но не про­текающей через активную зону и вследствие этого не представляющей опасности с точки зрения радиоактивно­го излучения. Вода второго контура должна в результате перехода тепла от воды первого контура не только стать нагретой, но и быть превращенной в пар.

Температура парообра­зования, т.е. температура, выше которой вода существовать не может, зависит от давления. Чем выше давление, тем выше и температура парообразования. Так, напри­мер, при давлении 0,04 абсолютных атмосферы (ата) – это как раз обычное давление пара в конденсаторе па­росиловой установки (см. рис. 1) – температура парооб­разования (конденсации) равна 29° С; при давлении 1 ата температура парообразования 99,6° С; при давле­нии 160 ата – уже 347,3° С. Поэтому, если давление во­ды в первом контуре выше, чем во втором, воду второго контура можно превратить в пар за счет тепла, отдавае­мого водой первого контура. Так практически и посту­пают.

В водо-водяном реакторе (ВВЭР) мощ­ностью 1 млн. кВт, установленном на Нововоронежской АЭС, давление воды первого контура избрано 160 ата, а давление воды второго контура – 60 ата. Температура парообразования равна соответственно 347,3 и 275,6° С.

На рис.3 представлена схема АЭС с водо-водяным реактором на тепловых нейтронах. Темной линией на этом рисунке выделены элементы (реактор и парогене­ратор), свойственные АЭС. Остальное оборудование (па­ровая турбина, электрический генератор, конденсатор па­ра, водяной насос) в принципе не отличается от обору­дования ТЭС (см. рис. 1.1). Главное различие между ТЭС и АЭС заключается в том, что в схеме последней вместо котла, работающего на органическом топливе, имеется атомный реактор, а также специфический парогенератор. Работа АЭС, представленной на рис. 3.3, не требует по­яснений.

Рисунок 1 Схема устройства водо-водяного реактора

Рисунок 2 Схема устройства водо-водяного реактора

и теплообменника-парогенератора

.

Рисунок 3 Схема устройства АЭС с водо-водяным реактором

Следует заметить, что реакторы описанного типа (ВВЭР), получили в энергетике (суммарно во всех странах мира) наиболее широкое применение: их доля со­ставляет около 60%. Конструкция этих реакторов за по­следние время не претерпела существенных изменений.