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

Атомная энергетика. Курс лекций по физике ядерного реактора

Хотя реакторы типа Magnox надежны и успешно эксплуатируются длительный срок,

они имеют определенные недостатки по сравнению с другими реакторами. Главный из них - сравнительно малое энерговыделение на единицу объема активной зоны. Это ведет к большим объемам активной зоны, большим затратам на топливо и капитальным затратам. В табл. 2.3 сравнены средние скорости энерговыделения на единицу объема активной зоны (так называемые средние объемные плотности энерговыделения) для различных реакторов. В табл. 2.3 приведены скорости энерговыделения на 1 т топлива (среднее энерговыделение топлива) и энерговыделения на единицу длины топлива (среднее линейное энерговыделение топлива). По сравнению с другими реакторами реакторы Magnox имеют очень низкую объемную плотность энерговыделения и низкое среднее энерговыделение на единицу массы топлива. Эти недостатки ведут к высокой стоимости реактора из-за большой загрузки топлива и больших объемов активной зоны. Электрические и тепловые сети Общая энергетика

Улучшенные реакторы с газовым охлаждением. Малая объемная плотность энерговыделения, низкие рабочие температуры и давления в АЭС с реакторами Magnox привели к разработке в Великобритании улучшенной конструкции реактора. Схема улучшенного реактора с газовым охлаждением (AGR) показана на рис. 2.5. Как и реакторы типа Magnox, реакторы AGR используют углекислый газ в качестве теплоносителя, но давление его повышено до 4 МПа, а температура на выходе из активной зоны - до 6500С. Чтобы достичь этих повышенных температур и давлений, пришлось пойти на радикальные изменения в конструкции топливного элемента. Топливо заменено на диоксид урана, таблетки из которого помещены в тонкостенные трубки из нержавеющей стали с небольшим оребрением внешней поверхности (рис. 2.6). Эти трубки сгруппированы в сборки из 36 штук. Высокие температуры потребовали использования нержавеющей стали в качестве материала оболочки. Такая оболочка является сильным поглотителем нейтронов в отличие от сплава Magnox. Поэтому пришлось пойти на обогащение урана в топливе до 2,3% 235U (почти в 3 раза больше, чем содержание 235U в естественном уране). Конструкционно реакторы AGR аналогичны реакторам Magnox в области газовой циркуляционной системы. Парогенераторы помещаются внутри корпуса из предварительно напряженного бетона (рис. 2.5). Поскольку углекислый газ в реакторах AGR имеет высокую температуру, парогенераторы могут быть спроектированы таким образом, чтобы производить пар с параметрами, характерными для наиболее эффективных электростанций на ископаемом топливе, т.е. при давлении 17 МПа и температуре 5600С. В результате этого эффективность парового цикла AGR достигает 40%, что является наивысшей эффективностью для функционирующих в настоящее время реакторов.

Обращаясь к результатам, представленным в табл. 2.3, видим, что средняя объемная плотность энерговыделения в реакторах AGR почти в 3 раза выше, чем у реакторов Magnox. Среднее энерговыделение топлива тоже выше, примерно в 4 раза. Из этого следует, что конструкция реакторов AGR компактная и экономичная. Тем не менее есть ряд технических проблем реакторов AGR, которые должны быть решены. Одной из них является реакция углекислого газа с графитом в условиях высоких температур и радиационных полей, в результате которой образуется оксид углерода:

СО2+С=2СО,

что может вызвать коррозию графита и уменьшить его прочность. Установлено, что строгий контроль за содержанием оксида углерода и водяных паров в теплоносителе, а также добавление в него малых количеств метана уменьшает скорость этой реакции и снижает угрозу окисления графита. Однако слишком высокие концентрации метана и оксида углерода в теплоносителе могут привести к осаждению углерода на поверхностях топливных элементов, что ухудшает условия теплопереноса из-за снижения турбулентности потока, связанной с оребрением оболочки (рис. 2.7). К счастью, существует диапазон концентраций метана и оксида углерода (так называемое окно теплоносителя), в котором можно осуществлять удовлетворительную эксплуатацию реактора без излишней коррозии графита или осаждения углерода (рис. 2.8).

Рис. 2.7. Топливные стержни реактора AGR и эффект осаждения углерода:

1 - связующий стержень; 2 - оребренный топливный стержень; 3 - графитовая втулка; 4 - топливный стержень; 5 - локальное усиление турбулентности; 6 - оребрение для локального усиления турбулентности; 7 - осуждение углерода несколько теплоизолирует оболочку, и осадок на одной стороне ребра уменьшает турбулентность теплоносителя

Рис. 2.8. Состав теплоносителя реактора AGR: условия для удовлетворительной эксплуатации реактора:

1 - усиление рекомбинации; 2 - усиление осаждения углерода; 3 - усиление коррозии замедлителя; 4 - диапазон для нормальной работы теплоносителя


На главную страницу. Реакторы атомных станций