🗊Презентация Кампания ядерного реактора

Лекция6. Кампания ядерного реактора Запас реактивности зависит от вида ядерного реактора, например для реакторов на тепловых нейтронах ρзап = 0,17—0,25, а в реакторах на быстрых нейтронах значение ρзап существенно меньше. значение ρзап определяет кампанию ядерного реактора, т. е. время работы реактора, пересчитанное на номинальную мощность. Номинальная мощность реактора—это наибольшая мощность, при которой он может работать на всех предусмотренных режимах в течение расчетной кампании. Кампанию реактора измеряют в эффективных сутках τэф.сут.

КОЭФФИЦИЕНТ ВОСПРОИЗВОДСТВА Отношение количества ядер образовавшегося вторичного топлива, например ΔN9 (для 239Pu), к количеству ядер выгоревшего первичного топлива ΔN5 (для 235U) называют коэффициентом воспроизводства (КВ): КВ = ΔN9/ΔN5. В реакторах на тепловых нейтронах значение KB всегда меньше единицы, причем чем менее обогащенным является ядерное топливо, тем больше в нем ядер 238U и тем выше КВ. КВ ~ 0,8 для естественного урана, для слабообогащенного урана KB ~ 0,5 - 0,6. В реакторах на быстрых нейтронах может быть достигнут КВ выше единицы. Реакторы, в которых обычно используют уран-плутониевое топливо называют реакторами-размножителями. В них может быть достигнуто расширенное воспроизводство делящихся материалов (КВ ~ 1,3—1,5). Низкое сечение деления быстрых нейтронов вызывает необходимость применения в быстрых реакторах сильнообогащенного ядерного топлива (около 20%).

Каждый вторичный нейтрон деления дает прирост числа вторичных нейтронов до величины, равной Каждый вторичный нейтрон деления дает прирост числа вторичных нейтронов до величины, равной Если реактор больших размеров, то можно пренебречь утечкой нейтронов и можно считать, что все вторичные нейтроны с энергией ниже порога деления заканчивают свой жизненный цикл внутри активной зоны, а именно: один нейтрон идет на поддержание цепного процесса, часть нейтронов поглощается в материалах, а остальные нейтроны поглотятся сырьевым нуклидом.

Эти нейтроны произведут новое горючее с коэффициентом воспроизводства КВ, численно равным количеству атомов вновь образовавшегося горючего на один атом сгоревшего исходного ядерного горючего. Принимая это во внимание окончательно получим соотношение Эти нейтроны произведут новое горючее с коэффициентом воспроизводства КВ, численно равным количеству атомов вновь образовавшегося горючего на один атом сгоревшего исходного ядерного горючего. Принимая это во внимание окончательно получим соотношение

Следовательно, для того чтобы достичь высоких значений КВ, необходимо повышать величину и уменьшать паразитный захват нейтронов в материалах активной зоны. Максимального значения  и достигается в реакторах на быстрых нейтронах.

Коэффициент принимает минимальное значение в том случае, если из реактора непрерывно удалять продукты деления с большими сечениями захвата и свести к минимуму количество конструкционных материалов, замедлителя и теплоносителя. Коэффициент принимает минимальное значение в том случае, если из реактора непрерывно удалять продукты деления с большими сечениями захвата и свести к минимуму количество конструкционных материалов, замедлителя и теплоносителя. Тогда наибольшим КВ будет обладать реактор больших размеров на быстрых нейтронах с газообразным теплоносителем и непрерывным удалением продуктов деления.

Максимальные полученные значения КВ : для реактора на быстрых нейтронах – 1,35, для реактора на тепловых нейтронах – 0,8.

Расширенное воспроизводство топлива в реакторах на быстрых нейтронах В стационарно развивающейся ядерной энергетике для долгосрочного обеспечения топливом энергетических мощностей вполне достаточно иметь КВ1 (необходим некоторый запас на восполнение потерь топлива в топливном цикле). Избыток КВ над единицей будет определять скорость роста ядерной энергетики. Для повышения величины КВ необходимо повышать долю резонансного поглощения, что достигается уменьшением доли ядер замедлителя по отношению к ядрам топлива.

Основные характеристики и классификация ЯЭУ Параметры и конструктивные особенности ЯЭУ Основные компоненты ядерной энергетической установки (ЯЭУ) зависят от типа реактора, вида теплоносителя, целевого назначения, тепловой схемы и ряда других факторов . Классификация ядерных энергетических установок приведена на рис. 3.6 В зависимости от структуры расположения ядерного топлива и замедлителя реакторы могут быть гомогенными или гетерогенными. В гомогенном реакторе активная зона, состоящая из жидкой однородной смеси ядерного горючего и замедлителя, размещается внутри корпуса. Цепная реакция деления происходит только в топливном растворе, находящемся в реакторе, так как в этом месте создается критический размер активной зоны и происходит выделение теплоты. Теплоотвод осуществляется путем циркуляции топливного раствора с замедлителем через теплообменник, расположенный вне реактора.

Наряду с рядом преимуществ (компактные размеры, отсутствие твэлов, непрерывный топливный цикл, простота управления, малые потери нейтронов, высокий коэффициент воспроизводства, саморегулирование мощности и т. п.) Наряду с рядом преимуществ (компактные размеры, отсутствие твэлов, непрерывный топливный цикл, простота управления, малые потери нейтронов, высокий коэффициент воспроизводства, саморегулирование мощности и т. п.) гомогенные реакторы имеют существенные недостатки: циркуляция сильнорадиоактивного топливного раствора, повышенная коррозия конструкционных материалов, жесткие требования к надежности оборудования и герметичности первого контура, трудность ремонтных работ и др. Ввиду указанных недостатков гомогенные реакторы развития не получили.

В гетерогенных реакторах ядерное топливо, находящееся в твердом состоянии, отделяется от замедлителя. В гетерогенных реакторах ядерное топливо, находящееся в твердом состоянии, отделяется от замедлителя. Теплосъем в гетерогенном реакторе происходит при циркуляции теплоносителя через каналы в активной зоне, образованные соответствующим расположением твэлов. По конструктивному исполнению реакторы подразделяют на корпусные и канальные. В корпусных реакторах активная зона, находится в корпусе, который рассчитан на полное давление теплоносителя. Корпусные реакторы компактны. Однако с увеличением единичной мощности блока возрастают трудности в изготовлении корпуса реактора и главных циркуляционных трубопроводов, а также усложняются проблемы обеспечения безопасности при разрыве таких трубопроводов. В канальных реакторах отсутствует прочный корпус. Активная зона состоит из одинаковых технологических каналов с индивидуальным охлаждением, в которых размещаются ТВС. Увеличивая число таких каналов, можно получить более высокую единичную мощность реактора. По принципу расположения реакторного оборудования различают петлевую (контурную) и интегральную компоновки. При интегральной компоновке все оборудование размещено в одном корпусе (баке), а при петлевой компоновке внутри корпуса реактора находится только активная зона.    

Рис. 3.6. Классификация реакторов ядерных энергетических установок

Тепловая схема ЯЭУ может быть одно-, двух- и трехконтурной (рис.3.7). Одно- и двухконтурные схемы применяют с реакторами на тепловых нейтронах с водным теплоносителем, трехконтурные— с реакторами на быстрых нейтронах с натриевым теплоносителем . Тепловая схема ЯЭУ может быть одно-, двух- и трехконтурной (рис.3.7). Одно- и двухконтурные схемы применяют с реакторами на тепловых нейтронах с водным теплоносителем, трехконтурные— с реакторами на быстрых нейтронах с натриевым теплоносителем . В одноконтурной схеме (рис. 3.7, а) пар вырабатывается непосредственно в реакторе. Полученная пароводяная смесь подается в барабан-сепаратор, отсепарированный насыщенный пар поступает в паровую турбину. Отработавший в турбине пар конденсируется, и конденсат после подогрева циркуляционным насосом подается в реактор. В такой схеме теплоноситель является одновременно и рабочим телом в паросиловом цикле. Одноконтурная установка в схемном отношении является наиболее простой и обладает большей тепловой экономичностью. Однако пароводяная смесь, проходя через реактор, становится радиоактивной. Хотя основное количество радиоактивных веществ остается в отсепарированной воде, некоторая часть твердых частиц (в основном продуктов коррозии, обладающих наведенной радиоактивностью) вместе с паром поступает в паропроводы, накапливается в турбине и другом оборудовании. Это предъявляет повышенные требования к биологической защите, затрудняет проведение контроля и ремонта оборудования.

Одно- и двухконтурные схемы АЭС являются наиболее распространенными, общим является то, что они работают с турбинами на насыщенном паре средних параметров (6—6,5 МПа). Одно- и двухконтурные схемы АЭС являются наиболее распространенными, общим является то, что они работают с турбинами на насыщенном паре средних параметров (6—6,5 МПа). Использование в качестве теплоносителя натрия, который становится радиоактивным в нейтронном поле, вызывает необходимость применения трехконтурной схемы (рис. 3.7, в). Радиоактивный натрий первого контура из реактора направляется в теплообменник, где отдает свою теплоту натрию промежуточного контура и циркуляционным насосом возвращается в реактор. Натрий промежуточного контура передает теплоту рабочему телу (воде) в парогенераторе, откуда полученный пар высоких параметров поступает на турбину. Давление натрия в промежуточном контуре поддерживается более высоким, чем в первом контуре, тем самым исключается протечка радиоактивного натрия в промежуточный контур и его взаимодействие с водой. Трехконтурная схема вызывает дополнительное увеличение капитальных затрат на 15—20%, однако при этом обеспечиваются условия безопасной эксплуатации реакторной установки. В качестве рабочего тела в цикле преобразования тепловой энергии в механическую применяют главным образом пар (насыщенный или перегретый).

Рис.3. 7. Тепловые схемы ядерных энергетических установок с разным числом контуров (а — одноконтурная, б — двухконтурная, в — трехконтурная); 1—сепаратор; 2—турбина; 3— электрогенератор; 4 — конденсатор; 5—питательный насос, 6 — циркуляционный насос; 7 — реактор; 8 — парогенератор, 9 — компенсатор объема; 10—промежуточный теплообменник

Типовые ЯЭУ Водо-водяной реактор ВВЭР- 440 представляет собой цилиндрический сосуд с крышкой и состоит из следующих основных частей: 1 - верхний блок с приводами системы управления и защиты (СУЗ); 2- патрубок отвода теплоносителя из реактора; 3 - органы СУЗ; 4 - активная зона; 5 - корпус (рис. 8.4).

Основные конструктивные решения для реакторов ВВЭР заключаются в следующем: Основные конструктивные решения для реакторов ВВЭР заключаются в следующем:        охлаждающий поток теплоносителя движется через активную зону снизу вверх;        топливные кассеты расположены в выемной шахте;        перегрузку топливных кассет производят через верх реактора при снятой верхней крышке;          все внутрикорпусные устройства выемные, что обеспечивает возможность их ремонта и замены, а также позволяет контролировать внутреннюю поверхность корпуса;          приводы СУЗ и системы технологического контроля расположены на верхнем блоке реактора;    корпус реактора изготовлен заводским способом с учетом возможности его транспортировки по железным дорогам;  все реакторное оборудование, содержащее активный теплоноситель под давлением, размещено в защитной оболочке. Реакторная установка ВВЭР-1000 ввиду очень низкого радиационного загрязнения второго контура является наиболее приемлемой для использования в составе атомной ТЭЦ (АТЭЦ).

канальные водографитовые реакторы 2. Особенность канальных водографитовых реакторов заключается в возможности широкого выбора физических и технических решений по параметрам и конструкции реактора. Недостаток - большая разветвленность и громоздкость контура циркуляции, изготовляемого из нержавеющей стали, и сложность системы контроля за работой реактора. Это усложняет монтажные работы и увеличивает капитальные затраты на сооружение АЭС. Теплоноситель по индивидуальным трубопроводам подводят снизу к каждому ТК, он нагревается до кипения и частично испаряется. Отвод пароводяной смеси осуществляется из верхней части ТК также по индивидуальным трубопроводам в барабан-сепаратор. Насыщенный пар при давлении 7,0 МПа направляют к двум турбинам по 500 МВт каждая, а отсепарированную воду смешивают с питательной водой и с помощью главных циркуляционных насосов подают на вход в ТК через систему раздающих коллекторов. Реактор РБМК-1000 размещают в бетонной шахте размерами 21,621,625,6 м (рис. 8.5). Графитовая кладка цилиндрической формы состоит из отдельных, собранных в колонны блоков сечением 0,250,25 м с осевыми цилиндрическими отверстиями, в которых размещены вертикальные технологические каналы и каналы СУЗ.

Рис. 8.5. Общий вид реакторной установки РБМК-1000: 1— реактор; 2 — подводящие водяные трубопроводы; 3 — отводящие пароводяные трубопроводы; 4 — перегрузочная машина; 5 — сепараторы; 6—циркуляционные насосы

Реакторы на быстрых нейтронах Реакторы на быстрых нейтронах характеризуются относительно малыми габаритами активной зоны и ее высокой удельной энергонапряженностью. Внесение в активную зону таких реакторов материалов, замедляющих быстрые нейтроны, недопустимо. Это приводит к тому, что выбор теплоносителя для реакторов на быстрых нейтронах ограничен.В настоящее время в качестве теплоносителя реакторов на быстрых нейтронах используют натрий, В конструкции реактора БН-600 принят вариант интегральной компоновки оборудования первого контура (рис. 8.6).. Натрий протекает снизу вверх через кассеты активной зоны и зоны воспроизводства и, нагретый до температуры 550°С, поступает на вход в промежуточные теплообменники. В теплообменниках натрий первого контура проходит по межтрубному пространству сверху вниз, охлаждаясь до температуры 380°С. После выхода из теплообменников натрий поступает в сливные камеры корпуса и затем на всас насосов.

  Рис. 8.6. Общий вид реактора БН-600: 1 — опорный пояс; 2— корпус; 3— насос первого контура; 4— электропривод; 5 — поворотные пробки; 6 — биологическая защита; 7 — промежуточный теплообменник; 8—колонна СУЗ; 9—механизм перегрузки.

Новые задачи, присущие только АЭС Наличие в отработавшем топливе осколков деления, непрерывно выделяющих энергию вследствие радиоактивного распада, требует сооружения на АЭС надежно охлаждаемых хранилищ. Особое значение для АЭС имеют профилактика и раннее обнаружение дефектов в работе оборудования и систем, так как серьезные аварии и повреждения реакторной установки влекут за собой не только значительные потери времени и материальных ресурсов; из-за ограниченного доступа к радиоактивному оборудованию проведение ремонтных работ сопряжено здесь с большими трудностями. Поэтому большое внимание уделяется контролю состояния основного металла и сварных соединений (как входному, так и контролю в процессе эксплуатации с использованием современных средств обнаружения дефектов). На прочность реакторного оборудования влияют такие специфические для АЭС факторы, как интенсивное нейтронное излучение, способствующее радиационному охрупчиванию металла корпуса; сложные условия механического, гидродинамического и термического воздействий на главные циркуляционные трубопроводы, внутриреакторные системы и др.

Специфической является перегрузка отработавшего топлива. Отработавшие ТВС перемещают из реактора в бассейн выдержки. В реакторах РБМК непрерывную перегрузку можно осуществлять во время работы реактора. Специфической является перегрузка отработавшего топлива. Отработавшие ТВС перемещают из реактора в бассейн выдержки. В реакторах РБМК непрерывную перегрузку можно осуществлять во время работы реактора. Опыт показал, что основными причинами отказов оборудования, связаны с повреждением металла из-за : недостатков конструкции, низкого качества изготовления, монтажа, неправильной эксплуатации, не выявленных причин. Отрицательное влияние на надежность оказывают не учтенные при проектировании напряжения и нагрузки. Применение неразрушающих методов контроля и диагностики(виброакустический, акустико-эмиссионный, анализ нейтронных шумов и телевизионные средства) является перспективным путем повышения надежности и безопасности АЭС. Для оценки эффективности АЭС используют традиционные технико-экономические показатели: себестоимость отпускаемой электроэнергии, удельные капиталовложения в строительство , коэффициент полезного действия, коэффициент использования установленной мощности, приведенные затраты, нормативный срок службы (или ресурс) основного оборудования и АЭС в целом, штатный коэффициент. Себестоимость зависит от типа ЯЭУ и заметно ниже себестоимости электроэнергии, вырабатываемой на тепловых станциях с органическим топливом.