Кипящими называют такие ядерные реакторы, в активных зонах которых теплоноситель (вода) нагревается до температуры кипения и происходит процесс образования пара. Кипящие реакторы могут использоваться как в одноконтурных, так и в двухконтурных ЯЭУ.
В одноконтурных ЯППУ (ядерная паропроизводящая установка) (рис. 33.а) пар, образующийся в активной зоне реактора, непосредственно подается в главную турбину, где его тепловая энергия преобразуется в механическую работу, передающуюся на движитель судна. Кипящие реакторы могут производить насыщенный или перегретый пар. При получении перегретого пара активная зона может быть разделена на две части: испарительную и пароперегревательную. Образующийся в активной зоне пар подвергается сепарации – отделению сухого насыщенного пара от содержащейся в нем влаги – в специальных сепарационных устройствах, устанавливаемых как непосредственно внутри корпуса реактора, так и снаружи (выносные сепараторы). Отсепарированный пар поступает в пароперегревательную часть активной зоны (для реакторов с перегревом пара) или сразу направляется в турбину. Отработавший в турбине пар сбрасывается в главный конденсатор, образовавшийся конденсат забирается питательным насосом и подается обратно в активную зону реактора. Таким образом, в одноконтурных ЯЭУ теплоноситель одновременно выполняет роль рабочего тела.
Преимуществами одноконтурных ЯЭУ с кипящими реакторами являются: меньшие массогабаритные показатели из-за отсутствия в составе установки парогенераторов и системы компенсации объема; простая конструктивная и тепловая схемы установки; пониженные давления теплоносителя в системе первого контура (5 ÷ 7 МПа) при аналогичных параметрах пара, подаваемых на турбину, с двухконтурными установками.
Основным недостатком одноконтурных ЯЭУ с кипящими реакторами является радиоактивность теплоносителя и пара, образующегося в реакторе, из-за наведенной активности при прохождении теплоносителя через активную зону, и, как следствие, необходимость принятия определенных мер для обеспечения нормальной радиационной обстановки в помещениях судна и защиты обслуживающего персонала.
В двухконтурных ЯППУ с кипящими реакторами (рис. 33.б) получаемый в реакторе пар используется для выработки вторичного пара из питательной воды в парогенераторе. В этом случае вода, проходящая через активную зону реактора, является только теплоносителем, а вторичный пар, поступающий на главную турбину, нерадиоактивен. Для обеспечения заданных параметров вторичного пара температура пара, образующегося в реакторе, должна быть как минимум на 50 °C выше. Для судовых ЯЭУ с кипящими реакторами наиболее предпочтительными являются одноконтурные ЯППУ.
По организации движения воды и пароводяной смеси кипящие реакторы делятся на реакторы с естественной и принудительной циркуляцией. В реакторах с естественной циркуляцией движение теплоносителя по циркуляционному контуру происходит за счет разности плотностей воды на опускном и пароводяной смеси на подъемном участках. Принудительная циркуляция может осуществляться специальными циркуляционными насосами: центробежного, осевого или струйного типа. Некоторые конструктивные схемы кипящих реакторов показаны на рис. 34.
Из-за наличия пара в активной зоне кипящие реакторы обладают рядом специфических свойств:
- поскольку вода является и теплоносителем и замедлителем, то образование пара в реакторе изменяет замедляющую способность активной зоны (пар обладает намного худшими замедляющими свойствами, чем вода) и снижает тепловыделение. В свою очередь тепловыделение влияет на паросодержание. Эта взаимосвязь может привести к возникновению неконтролируемых колебаний мощности. Поэтому для обеспечения устойчивой работы кипящего реактора паросодержание на выходе из активной зоны (для судовых реакторов) ограничивают величиной в 6 ÷ 8 %;
- в верхней части кипящих реакторов имеется паровой объем, отделенный от водяного объема свободным уровнем жидкости. При качке судна происходят колебания уровня воды внутри корпуса реактора, что приводит к изменению условий выхода теплоносителя из активной зоны и колебаниям мощности реактора;
- приводы СУЗ (система управления и защиты) в кипящих реакторах целесообразно размещать под активной зоной, при этом стержни-поглотители вводятся в активную зону снизу. Такой способ размещения приводов СУЗ обеспечивает выравнивание тепловыделений по высоте активной зоны и повышает эффективность стержней. Однако при нижнем расположении стержней СУЗ затрудняется их обслуживание и снижается остойчивость судна из-за более высокого расположения реактора;
- в связи с невысокой энергонапряженностью активных зон кипящих реакторов ТВЭЛы выполняются бóльшего диаметра, что позволяет сократить их количество в тепловыделяющих сборках и снизить гидравлическое сопротивление активной зоны;
- в паровом объеме корпуса реактора устанавливаются сепарационные устройства, позволяющие произвести осушку пара и улучшить его качество. При этом может использоваться схема последовательной многоступенчатой сепарации пара.
Литература
Судовые энергетические установки. Комбинированные и ядерные установки. Болдырев О.Н. [2007]
