Курс лекций по физике ядерного реактора Аварийные ситуации Радиоактивные отходы Термоядерные реакторы Источники радиоактивного облучения

Атомная энергетика. Курс лекций по физике ядерного реактора

Кипящие теплоносители

Охлаждение активной зоны ядерного реактора теплоносителем, испаряющимся (вскипающим) в ней, имеет некоторые преимущества:

1. Произведенный пар может быть направлен прямо на турбину, и электроэнергия будет получена без промежуточного теплообменника и/или парогенератора.

2. Кипящие теплоносители очень эффективны в теплопереносе (см. § 3.3).

3. Процесс испарения теплоносителя в активной зоне реактора производит смесь пара и жидкости, в которой пар имеет много меньшее поглощение нейтронов, чем жидкость, и в то же время поддерживает высокую эффективность теплопереноса. По мере роста доли объема пара в теплоносителе (общепринятое название - доля пустот), поглощение нейтронов уменьшается и, следовательно, может увеличиться реактивность. Если же теплоноситель является одновременно и замедлителем, то число нейтронов снизится. Таким образом, реакторы с кипящими теплоносителями, являющимися и замедлителями, характеризуются снижением коэффициента размножения нейтронов по мере роста доли пустот, т.е. имеют отрицательный пустотный коэффициент реактивности. Если понадобиться увеличить поток пара из реактора, то естественной реакцией системы будет самостоятельная остановка реактора. Регулирующая система должна быть спроектирована с учетом этого эффекта. В реакторах с трубами давления и отдельным замедлителем (например, с графитом) может быть положительный пустотный коэффициент реактивности, т.е. реактивность может нарастать до тех пор, пока не будет предпринято ограничивающее действие. Следует отметить, что при вскипании натрия в быстром реакторе, в котором нет замедлителя, может наблюдаться повышение реактивности, поскольку в этом случае срабатывает положительный пустотный коэффициент реактивности.

Основными недостатками кипящих теплоносителей являются следующие:

1. Высокоэффективный термодинамический процесс кипения может довольно резко вырождаться в неэффективный процесс парового охлаждения в результате явления осушения каналов, как описано в § 3.3.

2. Использование пара, произведенного непосредственно в активной зоне реактора, для генерации электроэнергии приводит к радиоактивному загрязнению элементов системы теплоотвода, что требует соответствующего проектирования, удорожает ее эксплуатацию и профилактику.

3. Довольно сложное поведение реактора, связанное с действием пустотного коэффициента реактивности, также может представлять дополнительные трудности.

Реакторы с жидким теплоносителем могут неожиданно превратиться в реакторы с кипящим теплоносителем в случае аварийного разгона мощности или потери охлаждения. Этот вопрос рассмотрен в гл. 4.

Вода является наиболее широко используемым кипящим теплоносителем; около 30% ядерных реакторов мира - это реакторы с кипящей водой (реакторы BWR). Они описаны в § 2.4.

Многие свойства воды как кипящего теплоносителя идентичны со свойствами воды как жидкого теплоносителя, описанными в § 3.5. Следует отметить, что реакторы BWR работают при существенно меньших давлениях, чем реакторы PWR (7 МПа вместо 15,5 МПа).

Использование воды как кипящего, а не жидкого теплоносителя, создает дополнительную важную проблему радиолиза, в результате которого вода разлагается на составляющие ее элементы - водород и кислород, высвобождающиеся в пар в процессе кипения. Скорость рекомбинации водорода и кислорода в воду протекает много медленнее при кипении, чем в системе, работающей только с жидкой фазой теплоносителя. Это приводит к повышению концентрации кислорода в циркулирующем теплоносителе. Поскольку контур циркуляции находится под нагрузкой из-за высокого давления, то осуществляется тип коррозии материалов, называемый коррозионным растрескиванием под нагрузкой. Это явление представляет основную трудность в эксплуатации кипящих реакторов. Она может быть преодолена использованием более прочных материалов, но замена трубопроводов существующих реакторов, очевидно - очень дорогостоящий процесс.

Жидкие металлы. Теплоносители на основе кипящего калия использовались на пригодность для земных и космических энергетических систем. Был пущен в эксплуатацию прототип космического реактора, использующий кипящий калий. Этот теплоноситель притягателен из-за обеспечения высокой термодинамической эффективности, обладает высокой скрытой теплотой парообразования и низкой теплоемкостью. Термодинамические эффективности порядка 55% (по сравнению с 35 - 40% в реакторах с водным теплоносителем) достижимы в комбинированных калий-паровых циклах. Однако этот вид теплоносителя не был как следует использован, главным образом из-за необходимости введения экзотических материалов для изготовления оболочки топлива и турбин.


На главную страницу. Реакторы атомных станций