Реакторы-размножители на быстрых нейтронах - Конструкция быстрых реакторов с газовым охлаждением

БЫСТРЫЕ РЕАКТОРЫ С ГАЗОВЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ
Быстрые реакторы с газовым охлаждением представляют собой альтернативный тип БР. Тематика ряда глав книги в одинаковой мере относится к БР как с жидкометаллическим, так и с газовым охлаждением (например, нейтронно-физические характеристики, свойства материалов и т. п.). Что же касается конструкции БР и проблемы безопасности, то здесь необходимо подчеркнуть наличие принципиальных различий БР, охлаждаемых жидким металлом и газом. В заключительной части книги мы остановимся на конструкционных особенностях и вопросах безопасности БР с газовым охлаждением.

Глава 17
КОНСТРУКЦИЯ БЫСТРЫХ РЕАКТОРОВ С ГАЗОВЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ

ВВОДНЫЕ ЗАМЕЧАНИЯ

Разработка проектов БР с газовым (гелиевым) охлаждением проводилась в США и в Европе в качестве альтернативного варианта по отношению к реакторам БН. Использование газового теплоносителя приводит к более жесткому спектру нейтронов, следовательно, к большему коэффициенту воспроизводства. Может оказаться, что капитальные затраты в этом варианте будут ниже, чем в варианте реактора с жидкометаллическим теплоносителем. Гелий является одноатомным инертным газом, не активируется под действием нейтронного излучения. Поэтому отпадает необходимость в промежуточном контуре, в специальной противопожарной защите, в системах очистки. Перечень преимуществ и недостатков гелия в качестве теплоносителя содержится ниже в § 17.2.
Первые разработки в этом направлении были начаты в США в 1962 г. фирмой «Дженерал электрик». Их результатом явились проекты газоохлаждаемых быстрых реакторов электрической мощностью 300 и 1000 МВт. До 1978 г. в конструкциях реакторов предусматривалась продувка газа через активную зону сверху вниз. С 1978 г. перешли к модифицированному варианту продувки снизу вверх, с тем чтобы обеспечить естественную циркуляцию газового потока в случае аварийного отказа принудительной продувки.
С конца 1970 г. была начата программа международного сотрудничества по проблеме газоохлаждаемых быстрых реакторов. Участниками сотрудничества были национальная лаборатория ядерного центра в Карлеруэ совместно с промышленной фирмой KWU (ФРГ) и швейцарская национальная лаборатория ЕIR. Одновременно была организована Европейская Ассоциация по газоохлаждаемым быстрым реакторам-размножителям (GBRA).

Выбору гелия в качестве теплоносителя предшествовали исследования других вариантов, включая пар и углекислый газ. Пар был отвергнут из-за коррозионного воздействия на оболочку, положительного эффекта реактивности и неблагоприятного влияния на характеристики воспроизводства. Углекислый газ также не годится по ряду причин, в том числе из-за большого перепада давления и связанной с ним механической и акустической нагрузки на конструкцию активной зоны, а также большого расхода мощности в системе циркуляции. В Советском Союзе исследуется вариант БР с охлаждением газом N2O4. Используется свойство диссоциации этого газа N2O4→ 2NO₂ при нагревании с последующей рекомбинацией при расширении в турбине. Экономичность этого цикла можно повысить путем сжижения газа на участке возврата в реактор.
В разработках газоохлаждаемых быстрых реакторов в целом предпочтение отдается гелиевому варианту, поэтому на нем и будет сосредоточено наше внимание. Поскольку читатель уже ознакомился с конструкцией реактора с жидкометаллическим теплоносителем, мы постараемся в первую очередь показать, что нового вносит переход от натриевого охлаждения к гелиевому. После обсуждения достоинств и недостатков гелиевого теплоносителя перейдем к рассмотрению конструкции реактора в целом и некоторых деталей активной зоны. Вопросы безопасности БР с гелиевым охлаждением обсуждаются в гл. 18.

ХАРАКТЕРИСТИКИ ГЕЛИЕВОГО ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ

На конструкцию быстрых реакторов-размножителей самое сильное влияние оказывает выбор теплоносителя. В этом можно убедиться, сравнивая БР с натриевым и гелиевым охлаждением. Достоинства и недостатки того и другого перечислены в табл. 17.1. Вначале показано влияние теплоносителя на конструкцию, затем — на безопасность реактора, хотя часть эффектов носит общий характер.
Таблица 17.1. Преимущества гелия по сравнению с натрием в качестве теплоносителя БР

А. ПРЕИМУЩЕСТВА ГЕЛИЕВОГО ОХЛАЖДЕНИЯ

Главным преимуществом гелия является меньший эффект замедления и поглощения нейтронов, чем в случае натрия или других теплоносителей.
Благодаря меньшему поглощению нейтронов в реакции (n, γ) увеличивается доля нейтронов, участвующих в производстве плутония, а более жесткий спектр приводит к увеличению числа мгновенных нейтронов в акте деления, т. е. тоже к росту коэффициента воспроизводства. Последствия жесткого спектра наиболее проявляются в плутониевых системах, так как величина v для плутония и скорость деления в ²³⁸U существенно зависят от энергии падающих нейтронов. Данный эффект был менее значительным в ранних проектах с пониженной скоростью прокачки гелия и малой объемной долей топлива (т. е. с низким коэффициентом воспроизводства). В усовершенствованных проектах эти недостатки устранены. Сравнение быстрых реакторов-размножителей с натриевым и гелиевым теплоносителями при условии одинаковой объемной доли топлива показывает, что в гелиевом варианте коэффициент воспроизводства выше, загрузка плутония тоже выше (из-за повышенной утечки), и время удвоения меньше. Это преимущество является важным с точки зрения экономии урановых ресурсов.
Следующее преимущество гелия заключается в том, что он не активируется при облучении. Следовательно, отпадает надобность в промежуточном контуре. Последний необходим в реакторах БН для отделения первого радиоактивного контура от парогенератора, что ведет к увеличению капитальных затрат.
В быстрых реакторах с гелиевым охлаждением проблема распухания не имеет такой остроты, как в реакторах БН. Дело в том, что из-за малого поглощения и рассеяния нейтронов в гелии в конструкции активной зоны можно предусмотреть увеличенный допуск на распухание металла. Благоприятным следствием слабого взаимодействия нейтронов с гелием является также соответствующая малая реактивность (в противоположность натриевой реактивности в реакторах БН).
Из-за химической инертности гелия не возникает проблемы несовместимости теплоносителя с конструкционным материалом или топливом. Поэтому в принципе можно повысить температуру гелия на выходе. Прозрачность газового теплоносителя также является весьма благоприятным свойством, так как становится возможным дистанционный визуальный контроль оборудования, технические средства эксплуатации упрощаются.
Говоря о безопасности, необходимо подчеркнуть, что гелий выгодно отличается от натрия химической инертностью по отношению к воде и воздуху.

Наконец, тот факт, что гелий может находиться в реакторе только в одном (газообразном) состоянии, устраняет опасность внезапных изменений теплопередающих характеристик. В реакторах БН такая опасность существует в случае быстрого перехода натрия из жидкой фазы в газообразную. Как отмечалось в гл. 16, одним из серьезных вопросов безопасности реакторов БН является взаимодействие натрия с жидким топливом в процессе неконтролируемой аварии. Если в качестве теплоносителя выступает гелий, то быстрая передача тепла от жидкого топлива к гелию невозможна. Соответственно не возникает опасность механического повреждения отдельных систем при взрывном парообразовании.
Стоит отметить еще два достоинства гелия, не указанных в табл. 17.1. В принципе возможна конструкция быстрых реакторов с прямым тепловым циклом, т. е. с подачей гелия из реактора прямо на турбину. В таком случае отпадает надобность в промежуточной системе парогенератора, капитальные затраты снижаются. Однако нужно решить техническую проблему — разработать новый тип турбины в качестве элемента системы гелиевого охлаждения с высоким давлением.
Другое достоинство состоит в том, что выход газа из разгерметизированного твэла никак не влияет на эффективность гелиевого охлаждения. В аналогичном случае в реакторе БН газовые пузыри ухудшают теплосъем в области повреждения твэла. Однако, как указывалось в гл. 14, этот эффект не вызывает сильного беспокойства конструкторов реакторов БН.

Б. НЕДОСТАТКИ ГЕЛИЕВОГО ОХЛАЖДЕНИЯ

Теперь остановимся на основных недостатках гелия в качестве теплоносителя по сравнению с натрием. Слабое взаимодействие нейтронов с гелием (отмеченное выше преимущество) имеет и негативную сторону, заключающуюся в увеличении утечки нейтронов. Особенно сильно это проявляется в реакторах сравнительно небольшой электрической мощности (около 300 МВт и ниже). Поэтому быстрые реакторы с гелиевым охлаждением становятся экономичными при большой электрической мощности (1000 МВт и выше), когда размеры активной зоны велики и относительная роль утечки падает.
Теплопередающие свойства гелия существенно хуже, чем натрия, поэтому приходится создавать турбулентность гелиевого потока вокруг оболочек твэлов. В связи с этим повышается перепад давления по высоте активной зоны и усложняется вся теплогидравлическая часть реактора. Требуемая большая мощность газодувок есть прямое следствие плохих теплопередающих свойств гелия.
Пожалуй, наибольшим недостатком БР с газовым охлаждением является необходимость весьма больших давлений. В активной зоне с плотностью энерговыделения, обеспечивающей экономичность реактора, требуется создать давление гелия в диапазоне 7—10 МПа. Таким образом, быстрый реактор с гелиевым охлаждением представляет собой систему высокого давления. Напомним, что натриевая система в реакторах БН работает в условиях практически атмосферного давления. Необходимость высокого давления гелия влечет за собой специальное требование к конструкции. Оно заключается в том, чтобы аварийное исчезновение давления не могло произойти слишком быстро. Это есть ключевой вопрос безопасности БР с гелиевым охлаждением. Для решения этой проблемы конструкторы пошли по пути создания реакторного бака из упрочненного бетона.
Учитывая вероятность аварийного падения давления, необходимо предусмотреть охлаждение реактора при низких давлениях. Кроме того, должна быть система надежного съема остаточного тепловыделения в условиях ремонта и перегрузки топлива. В том и другом случае естественная циркуляция теплоносителя оказывается недостаточной (в отличие от условий реактора с жидкометаллическим теплоносителем). Поэтому возникает необходимость в дополнительной принудительной системе охлаждения с высокой надежностью.

Рис. 17.1. Сравнение спектров нейтронов в быстрый реактор-размножитель с гелиевым (сплошная кривая) и натриевым (штрих-пунктирная кривая) охлаждением
Наконец, недостатком БР с гелиевым охлаждением по сравнению с реакторами БН является малое значение отрицательного доплеровского коэффициента реактивности. Это вызвано двумя причинами. Первая связана с более жестким спектром и соответственно малой долей нейтронов в резонансной области (рис. 17.1). Вторая причина — увеличение критической загрузки. Стоит отметить, что в реакторах БН при удалении натрия значение доплеровского коэффициента реактивности также мало.
Подводя итоги сравнения, следует подчеркнуть наличие ряда серьезных преимуществ БР с гелиевым охлаждением по сравнению с реакторами БН. Видимо, наибольшим препятствием к развитию быстрых реакторов-размножителей с гелиевым охлаждением является отсутствие практического опыта. Прогресс в разработках реакторов БН существенно обязан широкому международному сотрудничеству, в результате которого были вскрыты некоторые проблемы и показаны пути их решения. Если бы такое же внимание было уделено БР с гелиевым охлаждением, то, вероятно, и в этом направлении всплыли бы свои новые проблемы. Пока что оно остается весьма привлекательным и заслуживает самого тщательного изучения.