4.4. Устройство на АЭС с тепловыми реакторами

Наибольшее распространение в мировой энергетике получили реакторы на тепловых нейтронах двух видов: корпусные и канальные.
Основной особенностью является то, что активная зона располагается в толстостенном корпусе. В свою очередь корпусные реакторы имеют две разновидности:
- реакторы с водой под давлением (в английской транскрипции PWR — pressed water reactor, ВВЭР - водо - водяной энергетический реактор);
- кипящие реакторы (BWR — boiling water reactor).
В водо - водяном реакторе циркулирует только вода под высоким давлением. В кипящем реакторе над поверхностью жидкости образуется насыщенный водяной пар, который направляется в паровую турбину. В корпусных реакторах и теплоносителем, и замедлителем является вода. Реакторы кипящего типа в России не изготавливаются.
На рис.4.2 Представлен реактор ВВЭР-1000 (электрическая мощность 1000 МВт) (а — продольный разрез, б — внешний вид).

Корпус реактора состоит из цилиндрического сосуда и крышки 3, притягиваемой к сосуду шпильками 2. В сосуде подвешивается шахта 5, представляющая собой тонкостенный сосуд с уплотнением 6 и системой отверстий, обеспечивающих направленное движение теплоносителя (воды). Теплоноситель с давлением 157 ат и температурой 289^О С поступает по четырём штуцерам в кольцевое пространство между корпусом и шахтой и движется вниз между ними. На этой стадии вода выполняет функцию отражателя нейтронов. Дно шахты 5 имеет многочисленные отверстия, через которые вода попадает внутрь шахты, в которой располагается активная зона, состоящая из отдельных шестигранных ТВС (рис. 4.3), каждый из которых содержит 312 ТВЭЛов (рис. 4.4).
Поступающий через перфорированное дно шахты теплоноситель движется вверх, омывает ТВЭЛы, разогретые в процессе деления ядерного горючего, нагревается и с температурой 322,5О С через перфорации в верхней части шахты и четыре выходных отверстия направляется в четыре парогенератора.

Корпус реактора представляет собой уникальную конструкцию, сваренную из отдельных элементов, изготовленных ковкой. Эти элементы выполняются двустенными, а их масса составляет около 100 т. Масса корпуса без крышки бо-лее 300 т., а крышки и шпилек около 100 т.
Реактор ВВЭР обязательно имеет компенсатор давления, представляющий собой довольно сложную и громоздкую конструкцию; он служит для выравнивания колебаний давления в контуре во время работы реактора, возни-кающих за счёт теплового расширения теплоносителя. Давление в 1-м контуре может доходить до 160 атмосфер (ВВЭР-1000).
Помимо воды, в различных реакторах в качестве теплоносителя может применяться также расплавленный натрий или газ. Использование натрия позволяет упростить конструкцию оболочки активной зоны реактора (в отличие от водяного контура, давление в натриевом контуре не превышает атмосферное) и избавиться от компенсатора давления, но создаёт свои трудности, связанные с повышенной химической активностью этого металла.
Реакторы серии ВВЭР установлены на: Балаковской, Ростовской, Калининской, Кольской и Нововоронежской АЭС.
Альтернативой корпусным реакторам являются канальные реакторы, которые строились только в СССР под названием РБМК - реактор большой мощности канальный. Такой реактор представляет собой графитовую кладку с многочисленными каналами, в каждый из которых вставляется как бы неболь-шой кипящий реактор малого диаметра. Замедлителем в таком реакторе служит графит, а теплоносителем - вода. Реактор канального типа РБМК - 1000 (электрическая мощность 1000 МВТ, тепловая мощность реактора 3200 МВт) показан на рис. 4.5.
Он состоит из собственно реактора 1, барабанов - сепараторов 3, ГЦН 6 и водяных и пароводяных коммуникаций.

Технологический канал реактора РБМК-1000 приведен на рис. 4.6.
Активная часть реактора представляет собой графитовую кладку 10 из блоков сечением 250 250 мм. В центре каждого блока сделано вертикальное отверстие (канал), в которое помещается парогенерирующее устройство. Совокупность парогенерирующего устройства, кладки и элементов их установки называется технологическим каналом. Он включает в себя трубу, состоящую из центральной (циркониевой) части 11, расположенной в области графитовой кладки 10, и двух концевых частей 4 и 14, выполненных из нержавеющей стали. Внутри подвешивается ТВС, которая состоит из двух последовательно расположенных пучков. Каждый пучок состоит из 18 стержневых ТВЭЛов диаметром 13,6 мм, толщиной стенки 0,9 мм и длиной 3,5 м.
В нижнюю концевую часть трубы 14 каждого канала поступает вода из ГЦН (рис.4.5) и движется вверх, омывая пучки 9 ТВС (рис.4.6). При этом вода нагревается до состояния кипения, частично испаряется и с массовым паросодержанием примерно 15 % направляется в барабан - сепаратор 5 (рис.4.5). Здесь вода и пар разделяются: пар направляется в паровую турбину, а вода с помощью ГЦН снова возвращается в технологические каналы.
Активная зона (графитовая кладка) окружена стальным герметичным кожухом и заполнена смесью гелия и азота при небольшом избыточном давлении.
В период разработки реакторов РБМК температурный предел работы сплавов циркония (оболочки ТВЭЛов) был недостаточно высок. Это определило относительно невысокие параметры пара 70 ат, 284^О С.
Реакторы серии РБМК установлены на: Курской, Ленинградской и Смоленской АЭС.
Если сравнивать реакторы типа ВВЭР и РБМК, то основное преимущество ВВЭР в том, что они обладают большей безопасностью:
- реактор ВВЭР имеет защитную оболочку, не допускающую выхода радиоактивных элементов за её пределы;
- в случае потери охлаждения активной зоны цепная реакция в реакторе ВВЭР затухает, в реакторе РБМК - разгорается;
- активная зона реактор ВВЭР не содержит горючего вещества - графита.
Использование в энергетике России энергоблоков типа РБМК объясняется тем, что до ввода в конце 70-х годов завода «Атоммаш», производящего реакторы типа ВВЭР, СССР мог производить только по одному корпусу реак-тора в год на Ижорском заводе. Элементы реактора РБМК могли производиться многими общемашиностроительными заводами и не требовали такого уникального оборудования, которое необходимо для изготовления реакторов типа ВВЭР. Сейчас в России производятся только усовершенствованные реакторы типа ВВЭР. Завод «Атоммаш» может ежегодно изготавливать до 8 реакторов.
Важным преимуществом реактора РБМК является возможность непрерывной (ежедневной) замены отработавших ТВС перегрузочной машиной без остановки его. Реактор типа ВВЭР необходимо ежегодно останавливать (со снятием верхнего блока и крышки) для замены 1/3 отработанного топлива.