Примеры конструкций реакторов построенных или строящихся атомных электростанций
На рис. 5 изображен в разрезе реактор первой в мире атомной электростанции Академии наук СССР мощностью в 5000 киловатт. Это урано-графитовый реактор с водяным охлаждением (рис. 4, 1).
Рис. 5. Реактор атомной электростанции АН СССР.
1 — графитовая кладка; 2 — нижняя плита; 3 — верхняя плита; 4 — канал тепловыделяющего элемента; 5 — канал аварийного стержня, 6 — канал регулирующего стержня; 7 — канал ионизационной камеры; 8 — водяная защита; 9-10 — холодильники; 11 — подводящий коллектор; 12 — отводящий коллектор; 13 — чугунные плиты верхней защиты; 14 — охлаждающая стойка отражателя.
Активная зона реактора в форме графитового цилиндра с диаметром 1,5 метра и высотой 1,7 метра показана пунктиром. Она имеет 128 рабочих каналов, в которых размещаются тепловыделяющие элементы. В реакторе используется обогащенный уран, содержащий 5 процентов урана235. Общая загрузка урана — 550 килограммов, из которых на долю урана235 приходится 27,5 килограмма.
Критическая масса реактора достигается при загрузке свежим ураном шестидесяти рабочих каналов. Избыточная реактивность снимается с помощью восемнадцати компенсирующих стержней из карбида бора. Имеются четыре стержня автоматического регулирования, действующие от сервомоторов, получающих импульс от ионизационных камер. На случай аварийного развития реакции предусмотрено два автоматических стержня безопасности.
По мере выгорания урана235 рабочие каналы заменяются свежими. Глубина выгорания — 15 процентов, т.е. содержание урана235 уменьшается с 5 процентов в начале кампании до 4,2 процента в конце кампании. Длительность кампании — около трех месяцев. Коэффициент воспроизводства плутония — 0,32.
Из подводящего коллектора в каждый рабочий канал поступает охлаждающая вода с давлением 100 ата и температурой 190 градусов. Из рабочих каналов с температурой 260—275 градусов вода поступает в сборный коллектор и далее направляется к теплообменникам. Графитовая кладка отражателя нейтронов примыкает к стальному цилиндрическому корпусу, заполненному нейтральным газом.
Биологическая защита реактора состоит из слоя воды толщиной 1 метр и бетонной оболочки толщиной 3 метра. Верхний торец защищен усиленной толщей отражателя нейтронов, стальной крышкой и чугунной плитой.
К 1960 году в СССР войдут в строй мощные атомные электростанции с реакторами различных типов, в которых в качестве замедлителя нейтронов будут использоваться графит, вода, тяжелая вода. Охлаждающей средой в них будут служить вода и жидкие металлы. Это будут реакторы электрической мощностью от 50 до 200 тысяч киловатт, работающие на быстрых или медленных нейтронах.
На рис. 6 изображен в разрезе реактор строящейся в Англии атомной электростанции Колдер-Холл. Первая очередь этой станции (станция А) имеет мощность 92 тысячи киловатт.* Вторая очередь (станция Б) также рассчитана на мощность 92 тысячи киловатт, и суммарная мощность будет 184 тысячи киловатт.
На станции А установлены два реактора электрической мощностью по 46 тысяч киловатт. Это урано-графитовые реакторы с газовым охлаждением.
Рис. 6. Реактор английской электростанции Колдер-Холл.
Активная зона и отражатель дейтронов заключены в стальной корпус диаметром 12,2 метра и высотой 18 метров, сваренный из листов толщиной 50 миллиметров. Графитовая кладка весом более 900 тонн опирается на решетчатую конструкцию, состоящую из нижней кольцевой балки и лежащих на ней швеллеров.
В графитовой кладке имеются вертикальные каналы, в которых расположены тепловыделяющие урановые элементы и регулирующие стержни бористой стали. Загрузка природного урана в виде цилиндрических стержней составляет около 100 тонн.
Бетонная защита реактора изнутри облицована стальными плитами толщиной в 150 миллиметров, предохраняющими бетон от теплового излучения.
Через пространство между корпусом реактора и стальными плитами биологической защиты проходит охлаждающий воздух, выбрасываемый в атмосферу с помощью вентиляторов через вентиляционные трубы высотой в 60 метров.
Охлаждающей средой служит газ — углекислота. Для заполнения реактора требуется 18 тонн углекислоты.
Во Франции (Маркуле) строится атомная электростанция мощностью в 30 тысяч киловатт с двумя реакторами, в которых замедлителем служит графит и охлаждающей средой — углекислота (схема по рис. 4, II). Каждый реактор содержит 100 тонн природного урана. В г. Канд будет построена более мощная атомная электростанция.
В США построена атомная электростанция Шиппингпорт мощностью в 60 тысяч киловатт с реактором тепловой мощностью в 200 тысяч киловатт (рис. 7). В этом реакторе вода служит замедлителем, отражателем нейтронов и теплоносителем. Давление воды 140 ата, температура ее на входе в реактор 264 градуса и на выходе из реактора 283 градуса.
Корпус реактора, высотой в 9,5 метра и диаметром 2,75 метра, выполнен из углеродистой стали толщиной в 216 миллиметров. Вес корпуса — около 230 тонн. Для защиты от коррозии корпус облицован изнутри листами нержавеющей стали толщиной в 6,3 миллиметра. Снаружи корпус покрывается тепловой изоляцией толщиной в 100 миллиметров из опрессованного стеклянного волокна.
Активная зона реактора имеет форму цилиндра высотой в 1,83 метра и диаметром 1,83 метра. Вертикальные тепловыделяющие элементы размещены внутри тонкостенного цилиндра диаметром 2,4 метра из нержавеющей стали, опирающегося на стальную плиту — нижнюю решетку. Оболочка активной зоны охватывает верхнюю и нижнюю решетки, в которых установлены тепловыделяющие элементы, и соединена с цилиндрической вставкой, закрепленной в корпусе реактора.
Для защиты толстостенного корпуса от радиации между оболочкой активной зоны и корпусом реактора установлены два цилиндрических экрана. Наружный экран имеет нижнее днище с отверстиями для входа воды в нижнюю решетку активной зоны.
Рис. 7. Реактор американской электростанции Шиппингпорт.
1 — прочный корпус, 2 — крышка корпуса; 3 — тепловая защита; 4 — экран (тепловая изоляция); 5 — элементы из обогащенного урана; 6 — элементы из природного урана, 7 — регулирующие пластины, 8 — места для запасных тепловыделяющих секций, 9 — устройство для загрузки резервных каналов; 10 — корпус активной зоны.
Как видно на рис. 7 в активной зоне реактора расположены тепловыделяющие элементы двух типов. Одни из них имеют форму циркониевых коробок квадратного сечения, внутри которых вертикально установлены пластаны толщиной в 2 миллиметра с зазором в 2 миллиметра из сплава урана с цирконием. Степень обогащения урана — более 50 процентов. Четыре такие коробки свариваются в секции с крестовидным зазором, в котором устанавливается регулирующий крестовидный стержень из гафния. Количество урана235 в элементах из обогащенного урана составляет 52 килограмма.
Зона воспроизводства содержит 11 тонн природного урана в виде его окиси. Тепловыделяющие элементы зоны воспроизводства имеют форму циркониевых трубок диаметром 10,5 миллиметра с толщиной стенок 0,7 миллиметра, заполненных окисью урана. Пучки по 100 трубок привариваются концами к квадратным циркониевым пластинам, образуя секцию высотой в 250 миллиметров. Семь таких секций размещаются одна на другой; их высота 1,8 метра между нижней и верхней решетками реактора.
В начале кампании реактора около 40 процентов тепла выделяется элементами из обогащенного урана и около 60 процентов — элементами из окиси урана. Основная часть энергии в реакторе получается за счет деления урана235. Около 8 процентов энергии выделяется при делении ядра урана238 быстрыми нейтронами. Значительную часть энергии дает деление ядер плутония, причем доля плутония в выделении энергии с течением времени возрастает.
В Англии строится атомная электростанция (Даунри) с реактором-размножителем на быстрых нейтронах. Мощность реактора 60 тысяч киловатт, охлаждающая среда — натрий. Мощность электростанции будет около 20 тысяч киловатт.
