Ядерный реактор является основной и наиболее ответственной частью ядерной энергетической установки. Конструкция реактора в целом, а так же всех его элементов и узлов, должна обладать чрезвычайной надежностью, так как осмотр, замена и ремонт частей реактора и других элементов установки в процессе эксплуатации затруднены или даже невозможны. Эти обстоятельства определяют необходимость использования в конструкции судовых реакторов наиболее простых компоновочных и технологических решений, прошедших многократные проверки на наземных реакторах- прототипах, а также тщательных разносторонних проверок с пооперационным контролем качества изготавливаемых узлов и деталей.
Конструкция и состав элементов ядерного реактора зависят от спектра нейтронов, типа теплоносителя, компоновочной схемы ЯЭУ (ядерная энергетическая установка) и многих других факторов. В общем случае, к основным элементам ядерного реактора относятся: активная зона с запасом ядерного топлива; рабочие органы системы регулирования, управления и защиты; корпус реактора с патрубками и крышкой; экраны; биологическая защита; исполнительные механизмы и приводы СУЗ (система управления и защиты), контрольно-измерительные приборы (ионизационные камеры, термопары и др.).
Активная зона реактора
Активная зона является основным элементом ядерного реактора, в котором содержится весь запас ядерного топлива. В активной зоне, в ходе осуществления цепной управляемой реакции деления, вырабатывается тепловая энергия, передаваемая теплоносителю, и происходит накопление продуктов деления ядерного топлива. Основными компонентами активной зоны являются: тепловыделяющие элементы – ТВЭЛ, тепловыделяющие сборки – ТВС или технологические каналы – ТК, а также органы компенсации реактивности.
Тепловыделяющие элементы и сборки
Типичный ТВЭЛ (тепловыделяющий элемент) (рис. 27) состоит из топливного сердечника, оболочки и хвостовых наконечников, герметизирующих внутреннюю полость и служащих для крепления ТВЭЛ при сборке активной зоны. Топливный сердечник представляет собой активный объем ТВЭЛ и набирается из блочков ядерного топлива, выполненных в виде таблеток. В зависимости от типа используемого топлива, сердечник может быть выполнен из металлического урана или его сплавов, из керамического топлива (окислы UO2, PuO2 и другие виды керамического топлива). Иногда используются дисперсионные виды топлива, когда сердечник состоит из смеси ядерного топлива с неделящимся материалом, например – смеси керамического топлива, диспергированного в металлическую или керамическую матрицу. В гомогенных активных зонах в сердечниках используются сплавы топлива с замедлителем (например, сплав урана и бериллия – бериллит урана).
В нижней части ТВЭЛ под топливным сердечником часто устанавливается блочок торцевого отражателя нейтронов (обычно – бериллий), предотвращающий утечку нейтронов из активной зоны реактора в вертикальном направлении. Топливные блочки поджимаются пружиной в верхней части ТВЭЛ. Разбухание ядерного топлива, происходящее в процессе деления ядер, компенсируется зазором между топливными блочками и оболочкой ТВЭЛ, который может заполняться инертным газом или расплавленным металлом.
Тепловая энергия, выделяемая в топливном сердечнике, распространяется от центра ТВЭЛ к его поверхности и передается теплоносителю, омывающему оболочку ТВЭЛ снаружи. Различные типы ТВЭЛ показаны на рис. 27. Наиболее часто применяются ТВЭЛ стержневого типа, которые представляют собой тонкостенную герметичную трубку диаметром 4 ÷ 15 мм и длиной 600 ÷ 2000 мм. Оболочка ТВЭЛ выполняется из циркония или его сплавов (цирконий обладает малым сечением поглощения нейтронов), а также из нержавеющих сталей, обладающих повышенными (по сравнению с цирконием) прочностными и жаропрочными характеристиками. Оболочка заканчивается хвостовиками, крепящими ТВЭЛ в тепловыделяющей сборке или технологическом канале. Оболочка должна обеспечивать герметичность ТВЭЛ в течение всей кампании реактора, предотвращая попадание ядерного топлива и газообразных продуктов деления в теплоноситель. Для увеличения площади теплообмена некоторые типы ТВЭЛ могут иметь оребрение, выполненное в виде вертикальных или спиральных, закрученных вокруг оси ТВЭЛ, ребер. В зависимости от типа реактора, в составе активной зоны могут использоваться пластинчатые, шаровые и другие типы ТВЭЛ. Например, кольцевые ТВЭЛ, в которых теплообмен происходит и с наружной и с внутренней стороны кольца, используются в водяных реакторах с перегревом пара, а шаровые и перфорированные ТВЭЛ – в газоохлаждаемых реакторах.
Число ТВЭЛ, размещаемых в активной зоне реактора, может достигать нескольких тысяч (иногда – десятков тысяч). Для удобства монтажа несколько десятков (сотен) тепловыделяющих элементов набирают в тепловыделяющие сборки – ТВС, в которых отдельные ТВЭЛ закрепляются верхними и нижними хвостовиками в дистанционирующих решетках. ТВЭЛ располагаются в ТВС настолько тесно, что шаг решетки незначительно превышает диаметр ТВЭЛ, а зазоры между отдельными ТВЭЛ составляют от одного до нескольких миллиметров. ТВС в сечении могут иметь круглую, шестигранную или квадратную форму (рис. 27.к – н). Часто ТВС имеют свою собственную оболочку, образуя в совокупности с ней технологический канал для движения теплоносителя. Активная зона реактора набирается из ТВС или технологических каналов, которые раскрепляются в опорных плитах активной зоны в узлах треугольной или квадратной решетки (рис. 28). В части ТВС (технологических каналов) вместо нескольких центральных ТВЭЛ может быть установлен чехол (трубка), внутри которого размещается стержень аварийной защиты реактора или термопара для измерения температуры в активной зоне (рис. 27, м). Для выравнивания энерговыделения по объему активной зоны может выполняться профилирование активной зоны по концентрации горючего в различных ТВС (ТК) и расходу теплоносителя через отдельные технологические каналы.
В промежутках между технологическими каналами (ТВС) размещаются стержни-поглотители системы регулирования, управления и защиты реактора.
Снаружи активная зона окружается одним или несколькими экранами. Экраны снижают величину утечки нейтронов за пределы активной зоны и возвращают часть их обратно в зону деления. Боковые экраны также уменьшают интенсивность γ -излучения, воздействующего на корпус реактора в районе активной зоны, обеспечивая тепловую и радиационную защиту корпусных конструкций. Экраны могут выполняться из бериллия, обладающего хорошими отражающими и замедляющими нейтроны свойствами, либо из нержавеющей стали.
Рабочие органы системы управления и защиты
Регулирование мощности реактора осуществляется с помощью изменения реактивности. В свою очередь реактивность можно изменять воздействием на размножающую способность среды в активной зоне. Практически изменение реактивности осуществляется перемещением в активной зоне элементов, интенсивно поглощающих нейтроны. Такими элементами являются рабочие органы системы управления и защиты реактора.
В судовых реакторах получили распространение рабочие органы, размещаемые в активной зоне, и содержащие материалы с высоким эффективным сечением захвата нейтронов того спектра, который преобладает в данном реакторе. К элементам, активно поглощающим нейтроны, относятся бор – B, кадмий – Cd , европий – Eu , гадолиний – Gd , бериллий – Be и их химические соединения: карбид бора – B4C, оксид европия – Eu2 O3 , гексаборид европия и др. Очень важным свойством европия является тот факт, что при захвате ядром нейтрона образуются новые изотопы, также хорошо поглощающие нейтроны.
Конструктивно рабочие органы выполняют в виде стержней, пластин и решеток, располагаемых либо внутри ТВС (технологических каналов), либо в пространстве между ними (рис. 28). Стержневые рабочие органы СУЗ по своему конструктивному строению похожи на ТВЭЛ, но имеют бóльшую длину, а вместо ядерного топлива внутрь оболочки укладываются блочки из вещества – поглотителя нейтронов. Для обеспечения перемещения стержней по высоте активной зоны они оснащаются приводами.
По функциональному назначению рабочие органы СУЗ можно разделить на три группы:
- стержни автоматического регулирования мощности реактора (стержни АР), обеспечивающие оперативное воздействие на реактивность (малое и быстрое изменение реактивности) с целью поддержания или достижения заданной мощности реактора;
- стержни компенсации изменений реактивности (компенсирующие стержни – КС), обеспечивающие медленное высвобождение реактивности при постепенном выгорании ядерного топлива в ходе кампании реактора. Часто компенсирующие стержни объединяют в группы, в каждую из которых входит несколько единиц – десятков стержней, имеющих один общий привод перемещения по высоте активной зоны. В этом случае органы компенсации реактивности называют компенсирующими решетками – КР или компенсирующими группами – КГ;
- стержни автоматической защиты – АЗ, используемые для экстренного гашения реакции деления в случае возникновения аварийных ситуаций за счет быстрого (практически мгновенного) введения отрицательной реактивности в активную зону.
В типичный набор рабочих органов СУЗ ядерного реактора входят:
- два стержня АР, один из которых является рабочим, второй – резервным (вводится в действие при отказе рабочего стержня АР);
- несколько стержней (или групп стержней) КС или компенсирующих решеток – КР (обычно используется 4 – 5 КР или КГ);
- не менее двух (обычно четыре) стержней (или групп стержней) АЗ (аварийная защита).
Приводы рабочих органов СУЗ обеспечивают перемещение стержней-поглотителей по высоте активной зоны непрерывно (стрежни АЗ), или небольшими дискретными шагами (стержни АР или КС). Большое количество приводов сложно разместить на ограниченной площади крышки реактора (диаметр крышки судового реактора ~ 1,5 ÷ 2,0 м). Эта проблема может решаться двумя путями: объединением нескольких стержней в группы, имеющие общий (групповой) привод; или созданием комбинированных приводов, когда один орган регулирования выполняет одновременно несколько функций (например, совмещение функций АР и КГ). В судовых реакторах индивидуальный привод имеет каждый стержень АР и стержень (группа стержней) АЗ. Компенсирующие стержни или решетки обычно имеют общий привод для группы стержней (решетки). В некоторых конструкциях реакторов при небольшом количестве стержней КС, каждый из них может иметь свой индивидуальный привод.
Все рабочие органы СУЗ оборудуются указателями положения по высоте активной зоны. При этом рабочие органы АЗ имеют только указатели конечного положения – крайнее нижнее и крайнее верхнее, а органы КС и АР – указатели конечных и промежуточных положений по высоте активной зоны.
Корпус и крышка реактора
Корпус реактора служит для размещения активной зоны, экранов тепловой защиты, внутрикорпусных устройств, регулирующих органов СУЗ, средств контроля за работой реактора. Основными элементами корпуса являются (рис. 29): фланец для крепления крышки, цилиндрическая обечайка, днище и зона размещения патрубков.
Корпус реактора является элементом ЯЭУ, работающим в очень сложных условиях. Корпус должен обеспечивать: герметичность реактора в процессе эксплуатации, размещение подводящих и отводящих патрубков выше верхнего среза активной зоны, работу реактора в течение нескольких кампаний активных зон (около 25 – 30 лет) и безопасную периодическую перезарядку реактора свежим топливом.
Наибольшее распространение в судовых условиях получили корпуса цилиндрической формы. Они хорошо выдерживают повышенные внутренние давления, технологичны, удачно сочетаются с корпусными конструкциями судна.
Корпус реактора сваривается из нескольких обечаек. Днище корпуса имеет эллиптическую форму и выполняется штампованным. Толщина корпуса зависит от его диаметра, давления и температуры теплоносителя, и может составлять от 100 до 200 мм. В зоне расположения патрубков корпус имеет увеличенную толщину. Нейтронное и γ -излучения, исходящие из активной зоны реактора, воздействуют на корпус, приводя к изменению свойств материала (происходит постепенное радиационное охрупчивание металла). Поэтому элементы, повышающие напряжение корпуса реактора (патрубки, сварные швы и т.д.) не размещают в зоне интенсивного воздействия потоков излучений. Для снижения воздействия излучений на металл корпуса реактора устанавливаются экраны: боковые – вокруг активной зоны, нижние – под активной зоной, и верхние – над активной зоной. Под воздействием излучений происходит выделение тепла в конструкциях экранов. Охлаждение экранов осуществляется теплоносителем, поступающим в реактор и омывающим их при циркуляции внутри корпуса.
Сверху корпус реактора закрывается крышкой, прижимаемой к корпусу шпильками или нажимным фланцем. Герметичность соединения крышки с корпусом обеспечивается с помощью кольцевых никелевых или медных прокладок. В крышке реактора выполняются отверстия с уплотнительными элементами для прохода чехлов рабочих органов регулирования. Приводы органов регулирования устанавливаются непосредственно на крышке реактора.
Литература
Судовые энергетические установки. Комбинированные и ядерные установки. Болдырев О.Н. [2007]
