Основные принципы работы ядерного реактора Классификация ядерных реакторов Реакторы на быстрых нейтронах Реакторы на тепловых нейтронах реактивностные аварии. Аварии с потерей теплоносителя

Классификация реакторов по назначению

Реакторы для наработки оружейного плутония

Если идти в историческом хронологическом порядке, то первые реакторы, которые были созданы, это были реакторы для наработки военного плутония – не для выработки электроэнергии, а для наработки военного (оружейного) плутония. Отличительная особенность таких реакторов – это низкий температурный потенциал. Количественно это можно представить так, что вода, которая выходила из реактора, имела температуру ниже 1000 С, т.е. реактор не требовал избыточного давления. В этих реакторах все было сделано в угоду простоте и надежности, в них преследовалась одна цель – нарабатывание плутония при минимальных побочных эффектах. Отличительной особенностью этих реакторов являлось отсутствие преобразователей тепловой энергии в электрическую. Очень важна еще одна их характерная черта, которая со временем, может быть, утратила свою актуальность – использование в качестве топлива природного, необогащенного урана. Понятно, что, в принципе, плутоний можно нарабатывать и в таком реакторе, в котором в качестве топлива используется обогащенный уран. Все дело в том, что ядерную взрывчатку можно получить двумя способами: первый – это наработка плутония, а второй – это получение высокообогащенного оружейного урана, т.е. если в природном уране разделять изотопы 235U и U238, то можно дойти до 90 %, до 95 % обогащения по 5U, это то, что называется оружейный уран, из него получается ядерный заряд. И в США, и в Советском Союзе, когда шла гонка вооружений и надо было ядерное оружие делать быстро, весь уран (тогда еще было мало природного урана) шел на разделительные заводы, для получения обогащенного урана. В реакторах было запрещено использовать обогащенный уран, разработчикам было сказано: «извернитесь, но реакторы только на природном уране делайте». Поэтому первые реакторы для военного плутония и в США (в Хэмфорде), и в Англии и в других странах были на природном уране.

1.2. Реакторы атомных электростанций

Характерные условия реакторов АЭС – уже высокий, или сравнительно высокий температурный потенциал, позволяющий получать термодинамический цикл (преобразование тепловой энергии в механическую) в турбине с достаточно приличным коэффициентом полезного действия. Вы знаете, чем выше температура, тем выше коэффициент полезного действия, а высокий к.п.д. необходим для обеспечения экономической конкурентоспособности (если совсем маленький к.п.д., то об экономике уже говорить не приходится). При разработке преобразователя энергии в электрическую в АЭС повсеместно используется то, что было наработано теплоэнергетиками до атомной эры, а это именно наличие паровой турбины и дальше обычный цикл преобразования энергии. Если говорить об историческом опыте развития АЭС, то, как правило, в АЭС используется в качестве топлива обогащенный уран, низкообогащенный, но все-таки обогащенный уран. Это результат того, что ядерно-оружейный комплекс ядерных стран уже накопил достаточные арсеналы оружейных материалов, которые сегодня оказались даже избыточными, а в то же время использование обогащенного урана позволяет увеличить кампанию топливной сборки в реакторе, т.е. увеличить глубину энерговыработки, а значит, уменьшить затраты на изготовление топлива. Несмотря на то, что топливо оказывается более дорогое (потому что чем выше обогащение урана, тем он дороже), зато с одного килограмма этого топлива снимается больше киловатт-часов электроэнергии, поэтому до определенных пределов это топливо использовать выгодно и это тоже результат технико-экономической оптимизации. Возможно, где-то на АЭС выгодно использовать слабообогащенный уран (2 - 4 %), в этом случае снижаются затраты на изготовление топлива. Ведь это сложное дело – изготовление топливных таблеток, их упаковки, подготовка топливных сборок и т.д. Следует сказать, что вообще стоимость работы по изготовлению топливных сборок, наверное, составляет половину стоимости самого урана, который используется в реакторе, поэтому очень важно увеличивать кампанию и на всех станциях идет борьба за то, чтобы увеличить глубину выгорания.

1.3. Атомные станции теплоснабжения

Это были электростанции, а существуют еще атомные станции теплоснабжения – АСТ. Какие здесь характерные особенности? Первая отличительная особенность - здесь не требуется такой высокий температурный потенциал теплоносителя первого контура, как в АЭС. Потому что в АСТ не нужно получать электроэнергию, получать пар на турбине, нужно только тепло. Поэтому не нужен очень высокий температурный потенциал теплоносителя первого контура, и это, естественно, упрощает реактор, удешевляет его эксплуатацию. Если говорить о водоохлаждаемых реакторах, то в них снижается давление, уже нужно не 160 атм, например, а 30, т.е. значительно меньше. Это первая отличительная особенность.

Вторая отличительная особенность – АСТ нужно размещать близко к потребителю тепла. Понятно, почему. Потери тепла в теплотрассах (особенно в наших) очень большие, Если электроэнергия может передаваться на тысячи километров, то при передаче тепла, например, на 10 км, тепло потеряется, наверное, наполовину, пока дойдет до места потребления. А отсюда вытекает важное требование: АСТ должны обладать гораздо более высоким уровнем безопасности, чем АЭС. АЭС должна размещаться на расстоянии не менее 30 км от крупных городов, а вот АСТ должна быть, по идее, рядом. Раз АСТ находится близко к городу - значит, требования безопасности все должны быть выше.

Ну и, наконец, в АСТ должно быть число теплоотводящих контуров такое, чтобы радиоактивный теплоноситель никаким образом не мог попасть в теплосеть. Для этого строятся промежуточные теплообменники и т.д.

Вопрос – еще раз сформулируйте последнюю особенность.

Нужно исключить попадание радиоактивного теплоносителя в сетевую воду, а, значит, между первым контуром и контуром сетевой воды обязательно должен быть промежуточный контур с нерадиоактивной водой. Вы знаете, что у нас была почти построена Горьковская АСТ, но, когда началась политическая вакханалия, Б.Немцов, став там губернатором, этот проект «зарубил», сейчас там располагается ликеро-водочный завод. Еще было запланировано строительство Воронежской АСТ. Но, вместе с тем, беспристрастный анализ технико-экономических показателей выявил следующее – все-таки атомные станции теплоснабжения слабо конкурентоспособны с источниками тепла на органическом топливе, потому что цены на тепловую энергию гораздо меньше, чем цены на электроэнергию. И срок окупаемости такой станции, если ее строить на условиях коммерческого кредита, получается очень большой.

1.4. АТЭЦ – атомные теплоэлектроцентрали

АТЭЦ – это фактически двухцелевая атомная станция, которая одновременно производит и электроэнергию и тепловую энергию. Поэтому ее экономические показатели получаются гораздо выше, чем у той и другой станции по отдельности (вроде бы совмещаются два продукта, т.е. делаются одновременно). Но одновременно совмещаются и требования. АТЭЦ надо обязательно строить рядом с городом, значит, требования по безопасности должны быть как у АСТ, во всяком случае, не хуже, иначе станцию рядом с городом нельзя строить. В то же время температурный потенциал и все прочее, что связано с производством электроэнергии должно быть не хуже, чем на АЭС. Поэтому проектов (если исключить теплофикацию, то, что берется из отборов турбин пристанционного поселка), связанных с размещением АТЭЦ вблизи крупных городов сегодня нет. К этим проектам обращаются разработчики, но действующих АТЭЦ нет.

Вопрос – а Билибинская?

Одна есть – Билибинская, действующая.

Вопрос – откуда тогда отбор брать?

Необходима специальная конструкция турбины. Либо необходимо создать устройство, позволяющее распределить давление между цилиндрами низкого и высокого давления и обеспечить нормальную работу этих цилиндров одновременно, либо строить противодавленческие турбины – это вариант опреснительных установок.

1.5. Атомные станции промышленного теплоснабжения

Следующий тип по назначению – это атомные станции промышленного теплоснабжения - АСПТ. К этому типу можно отнести и высокотемпературные реакторы. Ведь основное назначение атомной энергетики – заместить как можно большее количество органического топлива при выработке энергии – не важно, для каких целей. Электроэнергия – это не единственная, и в общем, даже не главная область потребления органического топлива, оно используется для выработки тепловой энергии, в промышленности, а использование для транспорта – это вообще особая статья. Понятно, что АСПТ тоже должны быть размещены вблизи каких-то крупных технологических производств, требующих тепла различного потенциала. Это разнообразные нефтеперерабатывающие производства, где сегодня для поддержания технологических процессов сжигается та же нефть или газ. Совершенно новая область (но которая в будущем, я думаю, займет в энергобалансе страны и мира, большую долю) – это производство водорода путем каталитического разложения воды при высокой температуре. Уже много конференций мировых прошло, посвященных водородной энергетике, есть уже и автомобили, которые используют водород как топливо (с аккумуляторами водорода), заправки водородным топливом хватает на несколько сот километров. И даже самолеты испытывались на водородном топливе. Ведь это абсолютно экологически чистое топливо, потому что при соединении водорода с кислородом получается вода, водяной пар. При этом нет никаких выбросов парникового газа, потепления из-за этого атмосферы и т.д. Конечно, это дело будущего, это определенный сектор развития науки и техники и атомная энергетика должна об этом думать уже сегодня. В настоящее время разрабатываются проекты высокотемпературных реакторов, которые позволят решать в будущем эти задачи.

Вопрос – собственно, в реакторе же и идет радиолиз воды.

Да, это радиолиз. Но он составляет очень маленькую долю, которая причиняет только хлопоты в смысле безопасности. А здесь высокотемпературный теплоноситель идет в специальные теплообменные аппараты, где температура может быть 800-9000, т.е. там вода и водяной пар просто под влиянием температур и катализатора просто разлагается на водород и кислород. Т.е. это совсем не сопоставимые количества

Ядерная энергетика в мире активно растет и развивается, особенно активно идет этот процесс в Японии, Корее, Китае и Индии. В последних двух странах потребность в электричестве растет столь быстро, что возникает вопрос уже о скорости наработки ресурсов ядерного топлива (обогащенного урана и плутония) для загрузки новых реакторов. Основной причиной появления и столь быстрого развития атомной энергетики является огромный, по сравнению с органическим топливом, энергетический эквивалент цепной реакции деления
Основы физики и динамики ядерных реакторов лекции