4.5 Ядерный реактор

 Ядерный реактор [9,16] - устройство, в котором осуществляется управляемая ядерная цепная реакция, сопровождаю­щаяся выделением энергии. Составными частями любого ядерного реактора являются: ак­тивная зона с ядерным топливом, обыч­но окружённая отражателем нейтронов, теплоноситель, система регулирования цепной реакции, радиан, защита, система дистанционного управления.

Для инициирования цепной реакции при пуске ядерного реактора в актив­ную зону обычно вносят источник нейтро­нов (смесь Ra и Be, ²⁵²Cf и др.), хотя это и не обязательно, т. к. спонтанное деле­ние ядер урана и космические лучи дают достаточное число начальных нейтронов для развития цепной реакции.

По конструкции ядерные реакторы делятся на гете­рогенные реакторы, в которых ядерное топливо распределено в активной зоне дискретно в виде блоков, между которыми находится замедлитель нейтронов; и гомогенные, реакторы, в которых ядерное топливо и замедлитель представ­ляют однородную смесь (раствор или суспензия). Блоки с ядерным топливом в гетерогенном ядерном реакторе, называются тепловыде­ляющими элементами (ТВЭЛ'ами), об­разуют правильную решётку; объём, при­ходящийся на один ТВЭЛ, называют ячейкой

Для управления ядерного реактора служит система управления и защиты (СУЗ). Органы СУЗ делятся на: аварийные, уменьшающие реактивность (вводящие в ядерный реактор отрицательную реактивность) при появлении аварийных сигналов; автоматические регуляторы, поддерживающие постоянным нейтронный поток Ф (а значит - и мощность); компенсирующие (компенсация отравления, выгорания, температурных эффектов). В большинстве случаев это стержни, вводимые в активную зону ядерного реактора (сверху или снизу) из веществ, сильно поглощающих нейтроны (Cd, B и др.). Их движение управляется механизмами, сра­батывающими по сигналу приборов, чув­ствительных к величине нейтронного по­тока. Для компенсации выгорания могут использоваться выгорающие поглотители, эффективность которых убывает при за­хвате ими нейтронов (Cd, В, редкозе­мельные элементы), или растворы по­глощающего вещества в замедлителе. Стабильности работы ядерного реактора способствует отрицательный температурный коэффициент реактивности (с ростом температуры  уменьшается). Если этот коэффициент положителен, то работа органов СУЗ суще­ственно усложняется.

Ядерный реактор оснащается системой приборов, информирующих оператора о состоянии ядерного реактора: о потоке нейтронов в разных точ­ках активной зоны, расходе и температуре теплоносителя, уровне ионизирующего излучения в различных частях ядерного реактора и в вспомогательных помещениях, о положе­нии органов СУЗ и др. Информация, получаемая с этих приборов, поступает в ЭВМ, которая может либо выдавать её оператору в обработанном виде (функции учёта), либо на основании математической обработки. Этой информации выдавать рекомендации оператору о необходимых изменениях в режиме работы ядерного реактора (машина - советчик), либо, наконец, осуществлять управление ядерного реактора без участия оператора (управляющая машина).

По назначению и мощности ядерные реакторы делятся на несколько групп:

1) экспериментальный реактор (критическая сборка), предназначенный для изучения различных физических величин, значение которых необходимо для проектирования и эксплуатации ядерных реакторов: мощность таких ядерных реакторов не превышает нескольких квт:

2) исследователь­ские реакторы, в которых потоки нейтронов и -квантов, генерируемые в активной зоне, используются для исследований в области ядерной физики, физики твёр­дого тела, радиационной химии, биологии, для испытания материалов, предназначенных для работы в интенсивных нейтронных по­токах (в т. ч. деталей ядерного реактора), для производства изотопов. Мощность исследовательского ядерного реактора не превосходит 100 Мвт: выделяю­щаяся энергия, как правило, не исполь­зуется. К исследовательским ядерным реакторам отно­сится импульсный реактор:

3) изотопные ядерные реакторы, в которых потоки нейтронов исполь­зуются для получения изотопов, в т. ч. Pu и ³Н для военных целей;

4) энергетические ядерные реакторы, в которых энер­гия, выделяющаяся при делении ядер, используется для выработки электроэнер­гии, теплофикации, опреснения морской воды, в силовых установках на кораблях и т. д. Мощность (тепловая) современного энер­гетического ядерного реактора достигает 3-5 Гвт.

Ядерные реакторы могут различаться также по виду ядерного топлива (естественный уран, слабо обогащённый, чистый делящийся изотоп), по его химическому составу (металлический U, UO₂, UC и т. д.), по виду теплоносителя (Н₂О, газ, D₂O, органические жидкости, расплавленный металл), по роду замедлителя (С, Н₂О, D₂O, Be, BeO. гидриды метал­лов, без замедлителя). Наиболее распро­странены гетерогенные Ядерный реактор на тепловых нейтронах с замедлителями — Н₂О, С, D₂O и теплоносителями — Н₂О, газ, D₂O.

Устройство различных типов ядерных реакторов.

В настоящее время в мире существует пять типов [17] ядерных реакторов. Это реактор ВВЭР (Водо-Водяной Энергетический реактор), РБМК (Реактор Большой Мощности Канальный), реактор на тяжелой воде, реактор с шаровой засыпкой и газовым контуром, реактор на быстрых нейтронах. У каждого типа реактора есть особенности конструкции, отличающие его от других, хотя, безусловно, отдельные элементы конструкции могут заимствоваться из других типов. ВВЭР строились в основном на территории бывшего СССР и в Восточной Европе, реакторов типа РБМК много в России, странах Западной Европы и Юго-Восточной Азии, реакторы на тяжелой воде в основном строились в Америке. Параметры этих реакторов лучше всего представить в виде таблицы:

Табл. 2. Сводные характеристики ядерных реакторов

Параметры сравнения	ВВЭР	РБМК	Реактор на тяжелой воде
Тепловыделитель	4.5%-й обогащенный уран	2.8%-й обогащенный уран	2-3%-й обогащенный уран
Замедлитель и его свойства	Легкая вода. Очень хорошо замедляет нейтроны, очень сильно поглощает нейтроны. Очень дешева.	Графит. Хорошо замедляет нейтроны, почти не поглощает нейтроны. Достаточно дешев.	Тяжелая вода. Очень хорошо замедляет нейтроны, почти не поглощает нейтроны. Очень дорога в производстве.
Особенности активной зоны, определяемые параметрами замедлителя	Тесное расположение тепловыделяющих элементов, необходимость повышенного обогащения урана	Достаточно редкое расположение тепловыделяющих элементов, возможность использования низкообогащенного урана или отработанного топлива ВВЭР	Достаточно редкое расположение тепловыделяющих элементов, возможность использования низкообогащенного урана или отработанного топлива ВВЭР
Количество контуров	Два	Один	Два
Теплоноситель	Легкая вода в обоих контурах. Одновременно является замедлителем.	Легкая вода. Замедляющий эффект незначителен.	Тяжелая вода в первом контуре, легкая вода во втором. Тяжелая вода одновременно является замедлителем.
Регулирование	Раствор борной кислоты в теплоносителе. Регулирующие стержни из бороциркониевого сплава и оксида европия.	Регулирующие стержни из бороциркониевого сплава и оксида европия.	Регулирующие стержни из бороциркониевого сплава и оксида европия.
Перегрузки топлива	1 раз в 4-6 месяцев, с полной остановкой реактора и вскрытием его корпуса. Каждый тепловыделяющий элемент переставляется внутри реактора трижды до его окончательного извлечения.	В процессе работы, с помощью специальной перегрузочной машины, позволяющей перезагружать отдельные тепловыделяющие элементы. Каждый тепловыделяющий элемент переставляется внутри реактора несколько раз до его окончательного извлечения.	Раз в несколько месяцев, с полной остановкой реактора.
Наружный отражатель	Наружный металлический корпус.	Графитовая кладка толщиной 65 см. Наружный корпус не обязателен, но желателен по соображениям безопасности	Наружный металлический корпус.

У

Рис. 11. Первый контур

прощенная принципиальная тепловая схема AЭС с реактором типа РБМК-1000 [17]. Источником тепловой энергии, как и на всех АЭС, является активная зона реактора. В качестве теплоносителя используется вода, которая проходя через активную зону реактора частично испаряется. На выходе из реактора вода содержит в среднем 15% пара (паросодержание p = 0.15). Давление воды в трактах теплоносителя 0.7 МПа (около 70 атм.) при таком давлении температура кипения воды 284  С. Пароводяная смесь из реактора направляется в барабан сепаратор, который в тепловом контуре выполняет роль потребителя тепловой энергии. В барабане сепараторе из пароводяной смеси забирается пар и добавляется питательная вода, на выходе из барабана сепаратора мы получаем воду в качестве "холодного" теплоносителя, причем температура практически остается такой же.

В качестве способа теплообмена используется вынужденная конвекция, другими словами используется насос для прокачки теплоносителя через активную зону реактора. На основании выше сказанного можно изобразить тепловую схему, для контура многократной принудительной циркуляции (КМПЦ) реактора РБМК-1000.

Р

Рис. 12. Второй контур

ассмотрим второй тепловой контур. Барабан сепаратор, забирая тепловую энергию вместе с паром из первого контура, где он является потребителем, отдает ее во второй контур. Следовательно он является источником тепловой энергии для второго теплового контура.

"Горячим" теплоносителем является пар, отделенный от пароводяной смеси в барабане сепараторе. Температура пара около 284  С давление Р = 7 МПа. После барабана сепаратора, пар поступает в турбину, где он вращает ротор (происходит преобразование тепловой энергии в механическую), турбина является потребителем тепловой энергии. С ротором турбины жестко связан ротор электрического генератора, вырабатывающий электроэнергию. Параметры пара на выходе из турбины: температура - 30  С, давление P - 0.004 МПа. После турбины пар необходимо перевести в жидкое состояние, то есть превратить воду, этот процесс происходит в конденсаторе. Пар в конденсаторе предает свою тепловую энергию воде, которая поступает из пруда охладителя, конденсатор, таким образом, также является потребителем энергии. На выходе из конденсатора мы получаем воду, с параметрами близким к параметрам пара, которая является "холодным" теплоносителем для второго теплового контура. Эта вода, пройдя через несколько вспомогательных устройств, становится питательной водой и с помощью питательного насоса подается в барабан сепаратор.

С

Рис. 13. Общая схема теплообмена ядерного реактора РБМК

ледует понимать, что выше описанная схема является, только приближением к реальной тепловой схеме. В ней отражены только ключевые элементы необходимые для понятия базовых принципов работы энергоустановки. Такие важные элементы как деаэратор, конденсатный насос, промежуточные подогреватели, не показаны в данной схеме.

Основные характеристики реактора РБМК-1000 показаны в табл. 3:

Табл. 3. Технические характеристики реактора типа РБМК.

Мощность
Электрическая	1000
Тепловая	3200
Размеры активной зоны, мм
Эквивалентный диаметр	11 800
Высота	7 000
Шаг топливных каналов, мм	250
Число топливных каналов	1693
Максимальная мощность теплового канала, кВт	3000
Тип ТВЭЛа	стержневой
Материал оболочки	циркониевый сплав
Паропроизводительность реактора, т/ч	5800
Параметры пара перед турбиной
Давление, МПа	6.38
Температура, град С	280
Температура теплоносителя в каналах реактора
Вход	270
Выход	284
Расход воды через реактор, т/ч	37 500
Среднее массовое паросодержание на выходе, %	14,5

Компания Sapphire [18] представила общественности новый экстремальный вариант видеокарты на базе графического процессора ATI Radeon X850 XT PE. Карта оборудована принципиально новой системой охлаждения. Кулер разработан компанией NanoCoolers [19] и являет собой эдакий продукт конверсии. В нем применен тот же принцип, что и в системах первого контура охлаждения ядерных реакторов.

Рис. 14. Видеокарта с системой охлаждения ядерных реакторов

Принципиальное отличие системы от существующих - использование в качестве хладагента жидкого металла. В ядерной энергетике для этих нужд используют жидкий натрий, а что использовано в системе Liquid Metal Cooling Loops, неизвестно. Однако преимущество использования очевидно - жидкий металл имеет намного (более, чем в 65 раз) большую удельную теплоемкость, температура кипения (т.е. состояния, в котором хладагент больше не может отнимать энергию у охлаждаемого объекта) равна 2000 градусов. Таким образом, теплоемкость больше не является сдерживающим фактором (а именно на этой теме сломаны тонны копий в специализированных форумах на обсуждении, что лучше - вода, тосол, компрессорное масло и т.д.)

Рис. 15. Схема контура охлаждения

Система на удивление проста. Она состоит из теплообменника, радиатора для охлаждения металла, электромагнитной помпы и соединительных трубок, а также всякой периферии типа вентилятора, корпуса и т.д.

Э

Рис. 16 Внешний вид э/м помпы

лектромагнитная помпа имеет очень простое строение, а главное - она не содержит движущихся частей, и, как следствие, абсолютно бесшумна. Принцип ее работы следующий. Так как жидкий металл - проводник, в действие вступает эффект Лоренца. Общий смысл эффекта таков: приложение постоянного тока к проводнику в магнитном поле вызывает смещение проводника по действием силы с вектором, направление которого определяется по правилу правой руки. Помпа состоит из внешнего магнита, создающего поле в канале с металлом, и двух электродов, расположенных перпендикулярно линиям напряженности поля.

Рис. 17. Принцип работы э/м помпы

Подавая напряжение на электроды, помпа заставляет массу металла двигаться в заданном направлении. Так как контур полностью заполнен и замкнут, движение массы осуществляется безостановочно. Изменяя силу тока на электродах, можно изменять интенсивность потока.

Теплообменник (Cold Plate) устанавливается на источник тепла (в данном случае графический процессор). Его задача - максимально быстро и эффективно передать энергию с охлаждаемой поверхности в хладагент (жидкий металл). Теплообменник содержит несколько внутренних каналов, чтобы увеличить площадь теплообмена между ним и жидким металлом. При этом, учитывая выдающиеся термические характеристики жидкого металла и его текучесть, нет нужды в создании микроканалов и других замысловатых конструкций, достаточно нескольких обычных каналов. Благодаря этому резко снижается сопротивление потоку, приводя к снижению требований к мощности помпы (гидросопротивление - один из злейших врагов водяного охлаждения).

Второй теплообменник, позволяющий охладить жидкий металл, может быть нескольких видов, в зависимости от выделяемой мощности. Это может быть обычный радиатор, который будет отдавать тепло воздуху конвекционным путем или с помощью продува вентилятором. Это может быть радиатор с установленным на нем элементом Пельтье (термоэлектрическим охлаждающим элементом). Ну, и наконец, это может быть радиатор, подключенный ко второму контуру охлаждения. В таком случае получится уже каскадная система охлаждения. Кстати, именно такая система применяется на ядерных реакторах.