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

Вопрос – а почему тогда цирконий на атомных подводных лодках не применяют? 

На подводных лодках вопрос экономичности – это не главный вопрос. Подводные лодки работают в гораздо более жестких условиях эксплуатации, в смысле маневренности. Если станция, как правило, работает в стационарных условиях, то на подводной лодке реактор все время находится в подвижном состоянии, а вы знаете, что коррозионная стойкость материала в воде очень сильно зависит от качества воды, т.е. на станциях придается огромное значение поддержанию водно-химического режима не только по второму, но и по первому контуру. Огромное количество показателей качества воды (рН, содержание кислорода, соленость, количество хлоридов, жесткость и т.д.) надо держать в соответствующем диапазоне, только тогда обеспечивается ресурс, поскольку без ресурса никакой экономики не будет. На подводных лодках контролировать качество воды гораздо сложнее, поэтому был выбран вариант со стальными оболочками, по этим соображениям, т.е. экономика в этом случае отошла на второй план, а на первом плане оказалась надежность эксплуатации.

Вопрос – а ведь на Билибинской станции тоже стальные оболочки.  

Билибинская АЭС – это же проект, причем старый проект, К тому же Билибинская станция строилась в условиях Крайнего Севера, где очень дорогое органическое топливо. Поэтому там гораздо более благоприятные условия обеспечения конкурентоспособности атомной станции со станцией, работающей на органическом топливе. А вот в Обнинске первая АЭС в Мире имеет тоже графитовый замедлитель и канальный реактор, который тоже имеет стальные оболочки твэлов. Аналогичный реактор имеют первые два блока на Белоярской станции АМБ-1 и АМБ-2 (большой мощности, 100 и 2000 мВт) – они тоже со стальными оболочками, но там расчет был еще на то, чтобы вырабатывать перегретый пар, т.е. непосредственно осуществлять ядерный перегрев. На Билибинской же АЭС сразу была сделана ставка на насыщенный пар, с низкими параметрами, кипящие. Но, тем не менее, может и правильный был выбор, поскольку Билибинская станция, насколько я знаю, в очень сложных условиях работает исключительно надежно.

Вопрос – ни одного инцидента на ней не было. 

Да, это так. Потому что идеология создавалась для первой в Мире атомной электростанции, это тут были применены не стержневые твэлы, а трубчатые, чтобы при повреждении оболочки твэла осколки деления в кладку выходили, в газ, а не в первый контур. Так что совершенно верно, аварий не было.

Вопрос – т.е. трубка в трубку?

Да, на этих типах реакторов был кольцевой твэл, а вот когда создавались РБМК – там уже на стержневые перешли, как и ВВЭР.

Так что на скорость поглощения нейтронов П воздействие идет путем соответствующего подбора материалов. Возьмем, к примеру, графит. Это совсем не электродный графит, ведь в электродном графите содержится вся таблица Менделеева – там есть примеси бора и редкоземельных элементов, которые очень сильно поглощают нейтроны. Сам графит слабо поглощает нейтроны, но потребовалось разработать специальную технологию, чтобы выводить все примеси и создать графит реакторной чистоты. Поэтому реакторный графит довольно дорогой, но зато он обеспечивает низкое поглощение нейтронов. Кстати, то же самое можно сказать и про цирконий. У циркония естественным геологическим спутником (при его добыче) является гафний. По сравнению с цирконием, гафний очень сильно поглощает нейтроны, в десятки тысяч раз более сильно, чем цирконий. Поэтому была поставлена задача обеспечить производство циркония очень высокой, реакторной чистоты. Вначале цирконий стали выпускать с примесью гафния 0,05 % (весовых) - это уже годилось для работы, но постепенно технология дошла до того, что содержание гафния стало составлять 0,01 %. Таким образом, в настоящее время цирконий отличается по сортам: одного сорта, второго, третьего и т.д. Чем меньше содержание гафния, тем при прочих равных условиях получается больше кампания, больше энерговыработка топлива, лучше экономические показатели. Поэтому всегда проводят сравнение – оправданно или нет – удорожать конструкционные материалы, но зато вырабатывать больше электроэнергии с одной и той же топливной загрузкой. Таким образом, чистота конструкционных материалов - это вопрос технико-экономической оптимизации.

Но есть еще один способ воздействовать на поглощение нейтронов  не касаясь чистоты материала. Вы слышали, наверное, что существуют тяжеловодные реакторы. Эти реакторы используются, в основном, в Канаде и называются CANDU (Canadian D2O Uranium), они канального типа, похожи на РБМК, но только вместо графита там в качестве замедлителя нейтронов используется тяжелая вода. Тяжелая вода получается электролизом обычной воды, потому что дейтерий содержится в воде в виде примеси, составляющей сотые доли процента. Поскольку атом дейтерия более тяжелый по сравнению с атомом водорода, то при электролизе происходит некоторое разделение этих изотопов. Тяжелая вода получается дорогая, поэтому она применяется в качестве замедлителя прежде всего в тех странах, где много гидростанций – т.е. там, где дешевая электроэнергия (в Норвегии, в Канаде). Так вот, тяжелая вода по сравнению с графитом поглощает нейтроны еще раз в пятьдесят, наверное, меньше и на практике это привело к тому, что эти канадские реакторы могут использовать необогащенное топливо – из природного урана. Вот именно за счет того, что знаменатель П в формуле (1) очень маленький (цирконий мало поглощает нейтроны), и если сам замедлитель, которого в объеме много, мало поглощает, то можно снизить и числитель в формуле (1). Если все легководные реакторы (тяжеловодные, легководные – так называются реакторы по замедлителю) требуют обогащенного урана (РБМК ~ 2 %, ВВЭР ~ 4 %), то эти канадские тяжеловодные реакторы CANDU могут работать вообще на природном уране. И канадцы, конечно, сэкономили на этом, т.е. им не нужно было развивать промышленность по разделению изотопов, по обогащению урана, к тому же в Канаде много урановых рудников и это все используется для успешного развития ядерной энергетики.

На этом, собственно, общая, феноменологическая теория реактора заканчивается, потому что на данном этапе можно понять, в каком направлении надо двигаться, но вычислить ничего нельзя, потому что в представленные выражения нигде не входили ни ядерные свойства, ни ядерные константы, т.е. полученные соотношения дают общее понимание, но не позволяют проводить ни детальный анализ, ни тем более вычисления.

Прежде чем перейти к углубленному изучению физических процессов, происходящих в реакторе, давайте наоборот, немного расширим поле изучения реакторов, чтобы вы имели представление о том, какие реакторы вообще существуют, для каких целей используются, т.е. проведем классификацию ядерных реакторов. Это вам даст большее понимание того, что происходит в ядерной энергетике – как в мировой, так и в российской.

Классификация ядерных реакторов

Сначала перечислим классификационные признаки реакторов, а потом по каждому отдельному признаку будем уже их более подробно рассматривать. Будем классифицировать реакторы по следующим признакам:

по назначению;

по типу используемого теплоносителя;

по спектру нейтронов;

по типу используемого замедлителя;

по структуре активной зоны;

по числу теплоотводящих контуров;

по принципу работы.

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