Основные компоненты современного ядерного реактора
Для выработки электроэнергии в настоящее время в большинстве стран применяют легководные реакторы (LWR). Реакторы этого типа имеют две модификации: реакторы с водой под давлением (PWR) и кипящие реакторы (BWR), из которых наибольшее распространение получили реакторы с водой под давлением. На рисунке 13.1 представлена схема АЭС, оборудованной легководным реактором с водой, находящейся под давлением. Сведения о материалах, используемых в реакторах, приведены в таблице 13.1.
Рисунок 13.1 – Схема передачи тепла между элементами станции PWR: 1 – бетонная оболочка; 2 – оболочка из нержавеющей стали; 3 – турбина; 4 - генератор; 5 – конденсатор; 6 – градирня; 7 – парогенератор; 8 – циркуляционные насосы; 9 – корпус реактора; 10 – активная зона; 11 – компенсатор давления; 12 – контейнмент
Таблица 13.1 Компоненты ядерного реактора и материалы
| Компонент | Применение | Материал |
| Топливо | Для осуществления реакции деления и выработки энергии | 233U, 235U, 239U, 241U |
| Теплоноситель | Для отвода тепла от активной зоны реактора | Обычная вода, тяжелая вода, органические жидкости,CO2 , He,Na,Bi, эвтектика Na-K |
| Замедлитель | Для замедления быстрых нейтронов деления | Обычная вода, тяжелая вода, Be, оксид берилия |
| Отражатель | Для уменьшения утечки нейтронов, для защиты персонала от ионизирующего излучения | Обычная вода, тяжелая вода, Be, оксид берилия |
| Управляющие стержни | Для контроля критичности и мощности | Cd, B, Hf, Gd, Ag, In |
| Конструкционные материалы | Для оболочки топлива, для сооружения активной зоны | Коррозионностойкая Cr-Ni сталь, сплавы на основе Al и Zr |
В корпусе реактора находятся активная зона и первый контур. В первом контуре циркулирует вода, являющаяся теплоносителем и замедлителем. Вода отводит тепло от активной зоны к теплообменнику (парогенератор), в котором тепло передается второму контуру, где вырабатывается пар. Преобразование энергии происходит в турбогенераторе, где пар используется для выработки электроэнергии. Первый контур со всеми трубопроводами и компонентами заключен в специально созданную конструкцию, называемую контейнментом. Таким образом, любые радиоактивные продукты деления, которые могут выйти из топлива в воду первого контура, изолируются от окружающей среды.
В первом контуре вода находится под давлением 15,5 МПа и при максимальной температуре 315°С. Эти условия предохраняют воду от кипения, поскольку точка кипения воды при давлении 15,5 МПа значительно выше 315°С.
Топливо состоит из слабообогащенного диоксида урана (UO2), изготовленного в виде цилиндрических таблеток размером 8 * 12 мм. Таблетки спекают при высокой температуре, обрабатывают до нужного размера и укладывают в трубки, которые заполняют гелием и герметически запаивают. Получаются длинные топливные стержни с диаметром около 10 мм (рисунок 13.2), из которых собирают сборки. Сборка является топливной единицей, содержащей большое количество энергии. Обычная станция мощностью 1000 МВт содержит около 200 топливных сборок и от 40000 до 50000 топливных стержней. Общее количество топлива в активной зоне реактора PWR мощностью 1000 МВт составляет приблизительно от 100 до 110 т диоксида урана[2].
Рисунок 13.2 – Размещение топлива в тепловыделяющем элементе для промышленных станций с реактором типа LWR: 1 – топливная таблетка; 2 – газовый зазор; 3 – заглушка; 4 – пружина; 5 – изолятор; 6 – оболочка
В каждом реакторе в зависимости от его конструкции от 16 до 25 ячеек оставлены свободными для регулирующих стержней. Они перемещаются с помощью управляющего стержня, проходящего через крышку корпуса реактора.
Пар, выходящий из турбины, конденсируется в водоохлаждаемом конденсаторе, в котором сбрасывается оставшаяся тепловая энергия. В некоторых системах охлаждения используются градирни.