Атомные реакторы. Атомные станции с реакторами CANDU. Атомные станции с реакторами candu принцип работы
 Скачать 1.04 Mb.
|
Атомные станции с реакторами CANDUПринцип работыТяжеловодный ядерный реактор (Pressurised Heavy Water Reactor, PHWR) — ядерный реактор, который в качестве теплоносителя и замедлителя использует D2O — тяжелую воду.D2O — тяжелая вода имеет меньшее сечение поглощения нейтронов, чем легкая вода, поэтому такие реакторы имеют улучшенный нейтронный баланс (то есть для них требуется менее обогащённый уран), что позволяет использовать в качестве топлива природный уран в энергетических реакторах, а также использовать «лишние» нейтроны для наработки изотопов. В таких энергетических реакторах использование природного урана значительно снижает расходы на топливо, хотя экономический эффект несколько сглаживается бо́льшей ценой энергоблока и затратами на теплоноситель (D2O).Всего в мире на данный момент действует 47 энергетических реакторов на тяжёлой воде, 3 строятся.Промышленные тяжеловодные реакторы широко использовались для производства трития и плутония, а также для производства широкого спектра изотопной продукции, в том числе и медицинского назначения.Исследовательские реакторы также часто используют тяжёлую воду.CANDU (Canada Deuterium Uranium ) - канадский тяжеловодный реактор под давлением конструкция, используемая для выработки электроэнергии. Реакторы CANDU были впервые разработаны в конце 1950-х и 1960-х годах в результате партнерства между Atomic Energy of Canada Limited (AECL), Комиссией по гидроэнергетике Онтарио, Canadian General Электрик и другие компании. Конструкция и работаПринципиальная схема реактора CANDU:
Принцип работы ядерного реактора CANDU. Реакции деления в горячей воде под давлением в активной зоне реактора в первичном контуре охлаждения. теплообменник, также известный как парогенератор, передает тепло во вторичный контур охлаждения, который питает паровую турбину с электрическим генератором, присоединенный к нему (для типичного термодинамического цикла Ренкина). Затем отработавший пар из турбин охлаждается, конденсируется и возвращается в качестве питательной воды в парогенератор. Для окончательного охлаждения часто используется охлаждающая вода из ближайшего источника, такого как озеро, река или океан. 1-Топливный пучок 2 - Каландрия (активная зона реактора) 3 - Регулирующие стержни 4 - Тяжеловодный резервуар давления 5 - Парогенератор 6 - Легководный насос 7 - насос тяжелой воды 8 - заправочные машины 9 - тяжелая вода замедлитель 10 - напорная трубка 11 - пар, идущий в паровую турбину 12 - Холодная вода, возвращающаяся из турбины 13 - Корпус защитной оболочки из железобетона Топливная кассета реактора CANDU: 1 – циркалоевые дистанционирующие ребра; 2 – циркалоевая оболочка твэла; 3 – циркалоевый торцевой колпачок; 4 – циркалоевая опорная пластина; 5 – таблетки двуокиси урана; 6 – графитовая прокладка; 7 – дистанционирующие прокладки между твэлами; 8 – стенка трубы с водой под давлением Каждый пучок твэлов представляет собой цилиндр, собранный из тонких трубок, заполненных керамическими таблетками из оксидного уранового топлива (твэлы). В более старых конструкций пучок твэлов представлял было 28 или 37 штук полуметровых топливных элементов с 12-13 таких узлов, лежащих впритык в трубке высокого давления. В новом пучке CANFLEX 43 тепловыделяющих элемента с двумя размерами элементов (так что номинальную мощность можно увеличить без плавления самых горячих тепловыделяющих элементов). Он составляет около 10 сантиметров в диаметре, 0,5 метра в длину, весит около 20 килограммов и предназначен для замены связки из 37 элементов. Чтобы позволить нейтронам свободно проходить между пучками, трубки и пучки изготовлены из нейтронно-прозрачного циркалоя (циркония + 2,5% масс ниобия). Баланс нейтронов В реакторах CANDU дополнительный нейтрон тяжелой воды снижает ее способность поглощать избыточные нейтроны, что приводит к лучшей экономии нейтронов. Это позволяет CANDU работать на необогащенном природном уране или уране, смешанном с большим количеством других материалов, таких как плутоний и торий. При работе с природным ураном устраняются затраты на обогащение. Это также дает преимущество с точки зрения ядерного распространения, поскольку нет необходимости в установках по обогащению, которые также могли бы использоваться для оружия. Легкий водород также довольно эффективно поглощает нейтроны, и их будет слишком мало, чтобы вступить в реакцию с небольшим количеством U в природном уране, что предотвратит возникновение критичности. Для обеспечения критичности топливо должно быть обогащено, увеличивая количество U до пригодного для использования уровня. Поэтому, в легководных реакторах топливо обычно обогащается до 2–5% U. Основным преимуществом D2O какзамедлителя над H2O является пониженное поглощение нейтронов. Это позволяет для поддержания цепной реакции снизить концентрацию активных атомов (вплоть до использования топлива из природного урана). Дейтерий («тяжелый водород») уже имеет дополнительный нейтрон, который поглотил бы легкий водород, уменьшая тенденцию к захвату нейтронов. Это означает, что большинство нейтронов в конечном итоге будут иметь более низкую энергию и с большей вероятностью вызовут деление, поэтому CANDU не только «сжигает» природный уран, но и делает это более эффективно. Основные теплотехнические параметры реактора CANDU.
Тепловая схема CANDUРазрез активной зоны реактора CANDU 1 - распылительный охладитель бака тяжелой воды; 2 - гелий на продувку; 3 - инспекционный люк; 4 - гелиопровод; 5 - кольцевое ребро жесткости; 6 - оболочка бака тяжелой воды; 7 - питательные трубки; 8 - подвески защитного торцевого экрана; 9 - подвески тяжеловодного бака; 10 - плита с отверстиями для каналов; 11 - топливо; 12 - поджигающие стержни; 13 - поглощающие стержни; 14 - канал, несущий давление; 15 - каналы бака тяжелой воды; 16 - коллектор замедлителя; 17 - выходная трубка замедлителя; 18 - индикаторы уровня воды; 19 - входная трубка замедлителя; 20 - переходный участок; 21 - сборник воды охлаждающего распылителя; 22 - сбросной и расширительный баки системы распылительного охлаждения; 23 - сбросный бак (пара); 24 - переходная секция воды охлаждающего распылителя; 25 - водоотводные желоба; 26 - конструкция элементов жесткости; 27 - защита конструкций жесткости; 28 - кольцо защитного торцевого экрана; 29 - тепловая защита; 30 - соединения расширителя; 31 - охлаждающие трубки защитного торцевого экрана, 32 - торцевой защитный экран; 33 - защитная пробка; 34 - герметизирующая насадка; 35 - концевые соединения труб; 36 - слив сбросного бака В традиционной конструкции с активной зоной под давлением для дозаправки системы (для проведения перегрузки топлива) требуется останов реактора и открытие корпуса реактора высокого давления. Из-за конструкции, используемой в CANDU, необходимо сбросить давление только в одной заправляемой трубе. Это позволяет непрерывно заправлять топливом реактор CANDU без остановки, что является еще одной важной целью проектирования. Проведение перегрузки топлива CANDU В CANDU используются две роботизированные машины для перегрузки топлива. Одна машина подает новое топливо, при этом отработанное топливо выталкивается и собирается на другом конце. Существенным эксплуатационным преимуществом дозаправки в режиме онлайн является то, что отказавший или негерметичный пучок твэлов можно удалить из активной зоны после того, как она будет обнаружена, что снизит уровень излучения в первом контуре охлаждения. Фото – боковой вид на трубы реактора CANDU. Проведение перегрузки топлива CANDU После достижения равновесного топливного цикла реактивность поддерживается на необходимом уровне благодаря перегрузке топлива под нагрузкой. Для компенсации уменьшения реактивности со скоростью примерно 0,04 %/сут необходимо перегружать топливные кассеты со средней скоростью девять кассет за сутки. Регулирование реактивности при нормальных условиях работы реактора обеспечивается 14 камерами, расположенными зонально внутри активной зоны. Они представляют собой трубы, которые можно заполнить обычной водой. Это приводит к уменьшению реактивности вследствие увеличения поглощения нейтронов. Требование стабилизации уровня мощности по зонам связано с тем, что размеры активной зоны много больше длины диффузии нейтронов, и, следовательно, система регулирования должна быть в состоянии предотвращать пространственную неустойчивость реактора, вызванную ксеноновыми колебаниями. Система регулирования и остановки реактора CANDU Система регулирования и остановки реактора CANDU Для формирования распределения плотности потока нейтронов, обеспечивающего оптимальное распределение плотности энерговыделения, и для подавления эффекта ксенонового отравления при остановке реактора предусмотрена дополнительная система регулирования, состоящая из 18 компенсирующих стержней, которые вводят в реактор вертикально между каналами в корпусе. В качестве поглотителя нейтронов в этих стержнях применяется кобальт. Радиоизотоп кобальта, образующийся при захвате нейтрона, имеет коммерческое значение. В более современном реакторе, установленном на АЭС Брюс, применяют другой метод компенсации ксенонового отравления, при котором в активную зону вводят вспомогательные (бустерные) стержни, содержащие обогащенное топливо. Быстрая остановка реактора осуществляется сбросом 11 кадмиевых стержней, установленных над корпусом. Также система АЗ при необходимости дублируется сливом замедлителя в дренажный бак, расположенный под корпусом. При нормальной работе реактора дренажный бак заполнен гелием под давлением. Выпуск гелия из дренажного бака приводит к сливу замедлителя под действием силы тяжести. В последних конструкциях реактора CANDU от использования дренажного бака отказались в пользу более предпочтительного способа аварийной остановки реактора путем инжекции в замедлитель поглотителя нейтронов (соли гадолиния). При изменениях реактивности, выходящих за пределы, которые могут быть скомпенсированы системами регулирования, например при запуске реактора, когда он целиком загружен свежим топливом, в замедлитель может быть добавлен бор в форме растворимой кислоты. В случае необходимости бор может быть легко выведен из тяжелой воды в процессе ионообмена. Система регулирования и остановки реактора CANDU Технические проблемы с реакторами CANDU Специфические черты CANDU - потребовали от проектантов сложных инженерных решений. У реактора CANDU предусмотрено 1560 соединений с водной и газовой системами. За герметичностью каждого из этих соединений приходится следить с особой тщательностью, ведь вытекшую тяжёлую воду потребуется заново доводить до реакторных кондиций. В реакторе CANDU содержится 450 тонн D2O общей стоимостью, как минимум, 400 млн долларов. В D2O при активации нейтронами образуется тритий, с активностью в среднем 1,5 млн Ки трития в год на каждом из блоков. Регулярно происходили утечки тяжёлой воды значимые объёмы D2O выходят из гермооболочки и попадают в окружающую среду через венттрубу. Трубы под давлением (1 контура) текут в местах соединений, ползут под воздействием нейтронного потока, охрупчиваются, наводораживаются. Замена этих труб требует останова реактора на несколько месяцев, а дозовые нагрузки при проведении этих работ составляли в среднем до 10 человеко-бэр на каждую трубу. Питательные трубопроводы. Трещины и утонения питательных трубопроводов. Причиной утонения стенок считается эрозионно-коррозионный износ ЭКИ. Предположительно, ЭКИ возникает в изгибах трубопроводов из углеродистой стали, по которым течёт с большой скоростью нагретая вода. Для того, чтобы оценить масштаб эксплуатационных расходов и расходов на профилактику и ремонт для реакторов CANDU, можно обратиться к финансовым показателям компании "Ontario Power Generation". Для сравнения, средний показатель количества персонала на АЭС США с легководными реакторами составляет порядка 0,5 человек на 1 МВт установленной мощности. Технические проблемы с реакторами CANDU Так, в первом полугодии 2005 года компания показала прибыль 1120 млн долларов от продажи электричества. За тот же период, компания потратила на эксплуатацию и ремонт своих атомных блоков 859 млн долларов (40 долларов за 1 МВт×час), иными словами, 79,5% от доходов. Кроме этого, АЭС с CANDU требуют присутствия значительного количества персонала, в чём можно убедиться из следующей таблицы. Для сравнения, средний показатель количества персонала на АЭС США с легководными реакторами составляет порядка 0,5 человек на 1 МВт установленной мощности.
Технические проблемы с реакторами CANDU Реакторы CANDU всегда были и остаются экспериментальными установками. Благодаря им, ученые и эксплуатационники сумели далеко продвинуться вперёд в научном плане. Технические проблемы с реакторами CANDU |