Классификация реакторов по числу теплоотводящих контуров


Классификация реакторов по числу теплоотводящих контуровЗа пятьдесят лет существования атомной энергетики были реализованы проекты в одноконтурном, в двухконтурном и в трехконтурном исполнении. Под третьим контуром я подразумеваю контур рабочего тела, т.е. пароводяной контур, потому что на самом то деле, если рассматривать по отношению к конечному поглотителю, существуют еще градирня, пруд-охладитель, там есть еще контур технической воды, но мы сейчас последним из технологических контуров рассматриваем только контур турбины, пароводяной контур. Значит, первая по числу контуров, это одноконтурная система, одноконтурная установка. Одноконтурная установка предполагает, что теплоноситель одновременно должен являться рабочим телом в паротурбинной установке. Для того, чтобы работала турбина, нужен водяной пар с необходимыми параметрами, поэтому все одноконтурные реакторы являются кипящими реакторами, т.е. они выдают кипящую воду на выходе или, другими словами, пароводяную смесь. Поэтому такие реакторы и получили название кипящих реакторов. В свою очередь кипящие реакторы подразделяются на две группы – корпусные реакторы и канальные реакторы. Типичный пример канального кипящего реактора – это реактор Билибинской станции, это РБМК. Типичный пример кипящего корпусного реактора – это ВК-50, небольшой реактор в Димитровограде. Линия атомной энергетики с корпусными кипящими реакторами и в Советском Союзе и в России дальше не развивалась, а вот в США работает примерно половина кипящих реакторов и в Японии тоже, где-то около трети реакторов – это кипящие реакторы.

Какая характерная особенность одноконтурных схем отвода тепла? Такой характерной особенностью является наличие контура многократной циркуляции теплоносителя. Что понимается под многократной циркуляцией? Ведь кипящий реактор на выходе выдает пароводяную смесь, т.е. смесь воды и пара, насыщенного пара. Обязательным условием является то, что эту пароводяную смесь на турбину пускать нельзя, потому что влага, капельки влаги раздолбают в момент лопатки турбины. Поэтому на выходе из кипящего реактора обязательно должен находиться сепаратор, в котором происходит разделение капель воды, которые этот сепаратор собирает, вода стекает куда-то вниз, а осушенный насыщенный пар уже идет на турбину. Расход воды через реактор, когда осуществляется многократная циркуляция, должен быть в несколько раз выше, чем расход питательной воды или расход пара через турбинную установку. Отношение расхода воды через реактор к расходу питательной воды через турбину называется кратностью циркуляции. Она всегда должна быть больше единицы (расход пара через турбину равен расходу питательной воды, она же никуда не девается, конденсатор ее всю превращает в воду, так что расход пара равен расходу питательной воды, ей некуда деться). Циркуляция по этому контуру многократной циркуляции может осуществляться двумя путями. Если циркуляция осуществляется насосами – тогда это будет принудительная циркуляция, как в реакторе РБМК – главные циркуляционные насосы (ГЦН) крутят воду по контуру реактора, этот контур называется контуром многократной принудительной циркуляции – сокращенно КМПЦ. А вот в реакторе Билибинской станции, например (сейчас рассматривается новый проект такого типа –  МКР-800) осуществляется циркуляция естественная, за счет разности плотностей кипящей воды на подъемном участке и уже более холодной воды на опускном участке. Т.е. естественная циркуляция происходит, если есть разность плотностей, есть движущий напор. И тот, и другой способ циркуляции нашел применение на практике, у каждого есть свои плюсы и минусы. Плюсом принудительной циркуляции является то, что она более компактная   установка, потому что воду качает насос, а минусом является то, что насос требует обслуживания, и, в принципе, насос — это источник ненадежности. А если осуществляется естественная циркуляция, то механизмов нет (это плюс), но зато требуются большие высоты или прослабленные проходные сечения, чтобы эта циркуляция шла хорошо (это минус).

Следует хорошо понять, а зачем нужен контур многократной циркуляции, неважно какой – естественной или принудительной?  Почему нельзя вот эту кратность циркуляции сделать равной единице? Вот подаете в реактор воду, а напрямую получаете перегретый пар, как собственно, работают прямоточные котлы в теплоэнергетике. Есть котлы сверхвысокого давления, они работают, например, по прямоточной схеме, так называемые котлы Рамзина. Почему же в реакторе этого нельзя сделать? В принципе, сделать можно, но реактор работать долго не будет. Есть несколько причин. Первая причина – в процессе изменения температуры воды и прохождения ее в тепловыделяющей сборке условия теплоотдачи резко меняются. Одно дело, когда у вас твэлы охлаждаются водой, тогда хороший коэффициент теплоотдачи, все хорошо. Дальше начинается кипение. Сначала пара мало, а воды много (это как газировка), т.е. идет поток воды, в котором пузырьки пара. При этом теплоотдача оказывается еще лучше. Но рано или поздно, по мере продвижения теплоносителя к выходу из топливной сборки, количество пара становится все больше и больше, а воды все меньше и меньше. И наступает такой момент, когда меняется режим кипения, когда в этом потоке вместо того, чтобы пузырьки пара находились в воде, получается обратная картина – поток пара, в котором взвешены капельки воды. При этом резко ухудшается теплоотдача. Т.е. происходит следующее: наступает такая граница, где тот кусочек тепловыделяющего элемента, который хорошо охлаждался кипящей водой начинает охлаждаться очень плохо, коэффициент теплоотдачи становится низкий, поэтому резко возрастает температура, и работоспособность реактора исчезает. Тем более, когда это переходит в область вообще уже сухого или перегретого пара, когда влаги вообще не остается, теплоотдача становится еще хуже. Как справляются с этой проблемой на станциях на органическом топливе? Есть так называемая экранная часть котла, где есть поверхность, на которой существуют большие тепловые потоки за счет излучения горящего факела,  там хорошо все охлаждается. А  когда уже вот-вот кончится этот режим, когда пузырьки пара находятся в воде и вот-вот будет наоборот – капли воды находятся в паре – вот тогда эту часть нагревательной поверхности выносят  из экранной части топки от факела и дальше происходит нагрев просто за счет теплоотдачи от горящих газов, уже отгоревших газов. От газа теплоотдача гораздо меньше, чем излучение от горящего топлива, и поэтому надежность там получается хорошая. Вот это первая причина, по которой в реакторе это реализовать нельзя.

Вторая причина. Как бы вы хорошо ни чистили питательную воду, в ней всегда остается какое-то количество примесей. Вот физико-химические особенности примесей в воде таковы,  что при закипании воды примеси остаются в жидкой фазе воды, а в пар выходит очень маленькое количество примесей. Поэтому, когда, по мере продвижения теплоносителя вдоль топливной сборки, в ней становится все больше и больше пара и все меньше и меньше воды, то все соли, которые были в теплоносителе – они все остаются в этих капельках воды, и концентрация их растет и растет. Наступает, наконец, предел растворимости, тогда соли начинают выпадать, и на поверхности образуются отложения солей жесткости. Другой вариант – когда концентрация, например, хлоридов достигает таких величин, что идет интенсивная коррозия. Т.е. получается, что вы подаете на вход вроде бы чистую питательную воду, а тем не менее, на каких-то участках концентрация солей (солесодержание воды) вот в этих последних капельках воды получается очень большая и конструкционные материалы не выдерживают. Значит, это вторая причина, по которой такой прямоточный реактор нельзя сделать, хотя, казалось бы, чего проще.

И, наконец, есть еще одна причина, по которой невозможно создать прямоточный реактор, которая, правда, относится уже только к корпусным кипящим реакторам, а к канальным кипящим реакторам не относится. В корпусных кипящих реакторах вода  хотя и кипящая, но она одновременно выполняет роль замедлителя нейтронов. Но если  в корпусном кипящем реакторе воду практически всю выпарить, то плотность замедлителя верхней половины реактора будет очень маленькая, и вода перестает работать как замедлитель. Будут огромные изменения коэффициента размножения — в зависимости от того, чем заполнена зона — водой или паром, т.е. реактор при этих условиях будет неустойчивый. В канальных реакторах этого нет, потому что замедлителем там является графит, твердое вещество, и хотя на физику оказывает влияние, конечно, что воздействует на графит, пар или вода (мы будем рассматривать аварию на Чернобыльской станции), но на свойствах графита как замедлителя  это не сказывается.  Поэтому это тоже является причиной, которая требует создания корпуса многократной циркуляции, то ли принудительной, то ли естественной – это уже другой вопрос.

Особенностью всех этих одноконтурных кипящих реакторов является повышенная радиоактивность водяного пара. За счет чего? Во-первых, активируется кислород воды. Даже если бы не было абсолютно никаких примесей, ничего – под влиянием нейтронного излучения (мы эту реакцию потом рассмотрим), образуется короткоживущий радиоактивный изотоп 16N  ….