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

Класификация реакторов по используемому теплоносителю

Нужно сказать, что существует очень широкое поле возможностей использования в реакторах различных теплоносителей. Вода, тяжелая вода, различные газы, различные жидкие металлы, расплавленные соли – все это не только рассматривалось, но и испытывалось или вошло в эксплуатацию, или не вошло, но в каких-то реакторах действует. Такое многообразие теплоносителей связано не только с тем, что существуют разнообразные требования к реакторам, которые в ряде случаев просто диктуют выбор теплоносителя, т.е. делают его выбор безальтернативным, но еще и потому, что природа не подарила нам такого материала, у которого были бы одни достоинства, и не было бы недостатков. Вот у этого материала хорошо это качество, но плохо другое, а у другого материала как раз наоборот, поэтому, как правило, всегда, выбор теплоносителя - это компромиссное решение. И, в зависимости от поставленной задачи, к одному реактору приоритетными становятся одни требования, а для другого реактора – приоритетные другие требования, вот поэтому у этих реакторов будут разные теплоносители. Выбор теплоносителя является очень важной задачей еще и потому, что тип теплоносителя почти всегда определяет инженерный облик реактора, его конструкцию, т.е. технические решения очень сильно зависят от того, какой выбран теплоноситель.

2.1. Обычная вода

  Обычная или легкая вода - это наиболее распространенный теплоноситель, и причин к тому несколько. Во-первых, вода хорошо изучена была еще в теплоэнергетике - как теплоноситель обычных теплоэнергетических установок. Во-вторых – вода доступна и не имеет никаких ограничений по ресурсам. Вода дешева, т.е. имеет низкую цену. Вода не токсична, очень проста в обращении - если говорить о воде подпиточной (когда вода побывает в реакторе – это будет совсем другая песня). Вот из положительных качеств, пожалуй то и все. Следует отметить еще одну особенность воды, я называю это особенность, поскольку в одних случаях это преимущество, а в других – недостаток. Особенность заключается в том, что вода очень хорошо замедляет нейтроны. Нейтроны, которые рождаются при делении - это быстрые нейтроны, с высокой энергией, среднее значение которой примерно 2 МэВ. Когда нейтроны замедляются, они становятся тепловыми, и приходят в равновесие при столкновениях с атомами окружающей среды, которые находятся при комнатной температуре или при температуре реактора. Так вот, большинство реакторов, которые сегодня работают на атомных станциях – это реакторы на тепловых нейтронах. Именно для того, чтобы из быстрых нейтронов получить тепловые, в реактор нужно вводить специальный материал – замедлитель нейтронов. На ядрах этого материала нейтроны при столкновении постепенно теряют свою энергию, из быстрых становятся тепловыми. Так вот, в тех случаях, когда стоит задача – создать реактор на тепловых нейтронах (а сегодня это большинство работающих атомных электростанций, или подавляющее большинство) - вода является хорошим замедлителем. К тому же она может выполнять как бы одновременно и функции замедлителя и функции теплоносителя. Вот почему реактор ВВЭР имеет такую аббревиатуру – почему у него две буквы «В»? Исторически сложилось, что первая буква «В» говорит о том, что это замедлитель водяной, а вторая буква «В» - что теплоноситель водяной. Потом идет «ЭР» - энергетический реактор, дальше число обозначающее электрическую мощность. Таким образом, вода используется как теплоноситель очень широко. Это свойство хорошего замедления нейтронов позволяет ее с успехом применять в реакторах на тепловых нейтронах. Вот это положительные качества воды.

 Какие у нее минусы? Первый минус связан с природными термодинамическими свойствами воды (или теплофизическими свойствами воды, как угодно можно назвать), которые приводят к тому, что если требуется иметь в реакторе температуру порядка 3000 (это минимум, который необходим для того, чтобы иметь хорошее преобразование, т.е. к.п.д. турбоустановки, и термодинамического цикла), то для этого надо иметь воду под высоким давлением. В реакторе ВВЭР давление составляет 160 атм., т.е. необходимо иметь весь первый контур, работающий постоянно под высоким давлением. Таким образом, это создает постоянно действующий фактор опасности. Раз внутри высокое давление – значит, материалы находятся в напряженном состоянии, все элементы работают при высоком давлении – корпус, трубопровод, арматура и т.д., и всегда есть принципиальная возможность, что при повреждениях прочности первого контура произойдет его разгерметизация, выход радиоактивности, потеря теплоносителя. Все это требует создания многих систем безопасности. Таким образом, первый недостаток – необходимость иметь высокое давление.

Второй недостаток, с которым более или менее научились бороться, нейтрализовать его – это очень высокие требования к качеству воды первого контура. Высокое качество воды необходимо для исключения коррозии конструкционных материалов, прежде всего оболочек твэлов, для исключения отложений, (типа накипей, которые в чайниках откладываются на стенках), т.к. это сразу нарушит работоспособность реактора, для исключения активации воды, потому что примеси могут сильно активироваться в нейтронном потоке, т.е. делать воду радиоактивной и тем самым затруднять обслуживание. Т.е. существует целый комплекс требований к чистоте воды первого контура. И поэтому на станции работает специальная служба, которая занимается водно-химическим режимом.

 Далее, мы уже упоминали о радиолизе (разложении) воды. Вода (Н2О) – это двухатомная молекула водорода и кислорода, связи в этой молекуле между атомами водорода и кислорода не очень прочные, и чтобы разорвать эту связь, нужно несколько электронвольт. При столкновении нейтронов с атомами среды (прежде всего быстрых нейтронов с водородом), нейтрон может оторвать из молекулы атом водорода, вырвать его. Молекула диссоциирует, распадается и получается, что водород находится где-то в растворенном виде, а где-то существуют свободные уровни (там еще компенсатор давления работает, где водород выходит в газовую фазу), когда водород соединяется с кислородом воздуха, образуется гремучая смесь, и на станциях бывают, как мягко называют «хлопки» – взрывы гремучей смеси, которые могут приводить к деформациям и к повреждению конструкций (это иногда бывает). Поэтому должен осуществляться постоянный мониторинг за концентрацией водорода, везде, где он может появиться - это с одной стороны. С другой стороны, должны быть приняты меры по уменьшению концентрации водорода путем каталитического дожигания, для этого существуют специальные устройства, дожигатели водорода, которые соединяют снова водород и кислород, чтобы получить воздух. На подводных лодках для этой цели работает аккумуляторная батарея, там всегда идет разложение воды, и водород - это как бы профессиональная опасность. И на подводных лодках, и на атомных станциях - везде должен быть контроль за содержанием водорода и нейтрализация этого водорода.

При работе реактора радиолиз воды идет всегда и при нормальной эксплуатации он не представляет опасности. Если рассматривать аварийные условия потери охлаждения активной зоны (эта авария сегодня рассматривается как максимальная проектная авария, или как запроектная авария), когда циркониевая оболочка разогревается до 8000 С и выше, то тогда, при подаче водяного пара (а не воды) – идет химическая реакция, пароциркониевая реакция, т.е. Н2О+Zr ® Н2 + ZrO2, т.е. Zr окисляется водой, а водород выделяется. При этом могут выделяться огромные количества водорода, примером этого была авария на американской станциии в Горисберге в 1979 г. (известная авария Три-Майн-Айленд), когда осушился реактор, выходил пар и образовалось много водорода. В этом случае спас защитный колпак, защитная оболочка всего реактора. Поэтому все пространство под контейнментом тоже должно быть нашпиговано датчиками водорода, различными контролирующими устройствами. Постоянная забота проектировщиков, эксплуатационников - следить, чтобы ни при каких условиях не появилась взрывоопасная концентрация водорода, а она составляет ~ 4 % (содержания водорода в воздухе). Таким образом, это тоже недостаток воды. Несмотря на эти недостатки, именно вода нашла самое широкое применение сегодня, но это не значит, что так будет всегда.

2.2. Тяжелая вода

Тяжелая вода отличается от легкой только тем, что она значительно меньше поглощает нейтроны, позволяя в Канадских реакторах иметь природный уран в качестве топлива. Правда, по сравнению с обычной водой тяжелая вода имеет несколько недостатков, например, она токсична, т.е. ее нельзя пить, пары воды вдыхать тоже вредно, потому что получается более тяжелая молекула (из-за того, что ядро дейтерия в два раза тяжелее, чем ядро водорода), замедляется скорость обменных процессов в организме и нарушаются все биологические процессы. Поэтому на всех тяжеловодных реакторах существуют жесткие нормы на токсичность.

Еще один недостаток тяжелой воды заключается в том, что в тяжеловодных реакторах образуется огромное количество трития. Тритий – это сверхтяжелый изотоп водорода. Существует три изотопа водорода – в ядре каждого из трех изотопов всегда один протон, а если в ядре находится еще один нейтрон – это дейтерий, если в ядре два нейтрона на один протон – это тритий. Так вот, протий – легкий водород – это стабильный нуклид, у него не радиоактивное ядро, дейтерий тоже имеет нерадиоактивное ядро, а вот если дейтерий поглотит нейтрон, то образуется тритий – радиоактивный водород. У трития период полураспада около двенадцати лет, это, в основном, b-излучатель, но, тем не менее, это радиоактивное вещество и поскольку оно везде участвует в обменах как водород, то за этим надо следить. Можно сказать, что водород образуется вообще на всех станциях, всегда. В очень редких случаях водород образуется как осколок деления (бывает тройное деление, очень редко, когда образуются два осколка да еще тритий). Почти всегда водород образуется в топливе. При захвате нейтронов бором (поглощающим материалом) тоже образуется тритий, но с тяжелой водой количество водорода не сравнить. В тяжелой воде водорода возникает на порядки больше. Поэтому образование трития - тоже является недостатком тяжелой воды как теплоносителя.

2.3. Органические жидкости

Органические жидкости или. органические теплоносители - это минеральные масла, как правило, это углеводороды. Почему возникла вообще идея использовать органические теплоносители для охлаждения реактора? Главная причина заключается в том, что органические теплоносители имеют точку кипения, значительно более высокую, чем обычная вода. Т.е. если вода кипит при 1000 С, значит, если нужно иметь воду в жидкой фазе при 3000 С, надо иметь давление порядка 160 атм. А вот если органическая жидкость кипит при 4000 С (есть такие органические жидкости), то тогда при требуемой температуре 3000 С давление не нужно, и можно иметь первый контур разгруженный от внутреннего давления.

Вопрос – а если чуть-чуть поврежден?

Разрежения никакого не будет, просто это означает, что давление пара меньше атмосферного. Что такое кипение, как определяется точка кипения? Когда давление пара над жидкостью достигает атмосферного давления. Если вода находится при комнатной температуре, допустим, что давление паров воды составляет 1 мм рт. ст. Вы нагреваете до 500 С - уже давление 100 мм, нагреваете до 800 С – давление 300 мм, а вот до 1000 нагрели – давление стало 760 мм., т.е. как раз давление стало равно атмосферному. Таким образом, если у органической жидкости точка кипения 4000 С, то над ее уровнем будет давление при 3000 ниже атмосферного.

Тот факт, что сам корпус и все трубопроводы разгружены от внутреннего давления, конечно, намного уменьшает степень опасности. Поскольку органические жидкости содержат водород (это углеводороды), они являются хорошими замедлителями нейтронов, поэтому в этом случае может быть реализован тепловой реактор, реактор на тепловых нейтронах. Такой экспериментальный реактор был создан в Советском Союзе и работал несколько лет в НИИАР в Димитровограде (есть такой ядерный центр – научно-исследовательский институт атомных реакторов).

Что показал опыт эксплуатации? Предполагали, конечно, что будут проблемы с поддержанием качества этого теплоносителя, из-за влияния радиации (нейтронного излучения). Если вода под действием нейтронного облучения разлагается на водород и кислород – то углеводороды – это более сложные молекулы, и разлагаются на более разнообразные фракции, т.е. там образуются метан, водород, выделяется много газов. С другой стороны, при разложении органических жидкостей образуются смолы – более тяжелые молекулы, которые обволакивают поверхность тепловыделяющих элементов. Было выяснено, что конечно, с этой проблемой можно справиться, но для этого рядом с реакторной установкой должна находиться химико-технологическая установка, которая постоянно бы поддерживала качество теплоносителя – выводила одни молекулы, и т.д. Но все это оказалось сложным. А без этой химико-технологической установки такой реактор, в общем-то, не работоспособен. Он не сможет дать ресурс, из-за этой проблемы.

Аварии на Три Майл-Айленд ( ТМА 1979 г.) и в Чернобыле (1986 г.) по-казали, насколько серьезными могут быть эти угрозы. Именно после этих ава-рий вопросы безопасности при проектировании, строительстве и эксплуата-ции АЭС стали жизненно важными для атомной энергетики и именно они обусловили научно-технический прогресс в ядерной энергетике и технологии за последние 20 лет.
Основы физики и динамики ядерных реакторов лекции