Газоохлаждаемые высокотемпературные реакторы - Характерные качества реакторов

ГЛАВА 8
РЕАЛИЗОВАННЫЕ ПРОЕКТЫ И СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ РАЗВИТИЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ РЕАКТОРОВ
§ 8.1. ХАРАКТЕРНЫЕ КАЧЕСТВА ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ РЕАКТОРОВ

Отдельные качества реакторов HTR рассматривались в предыдущих главах. В начале данной главы приводятся наиболее характерные особенности этих реакторов:

1. В активной зоне используются исключительно керамические материалы: графит в качестве замедлителя и конструкционных элементов активной зоны и отражателя; в качестве топлива применяются карбиды или окислы урана и тория. Поэтому в таких реакторах могут быть получены наиболее высокие температуры теплоносителя, чем когда-либо достигнутые на других АЭС.
2. В качестве теплоносителя используется инертный газ гелий. Поэтому даже в условиях весьма высоких температур в активной зоне не происходит никаких химических реакций. Гелий при высоких давлениях (40-50 ат) и благодаря хорошей теплопроводности обеспечивает отличные условия для отвода тепла. Энергонапряженность активной зоны в таких реакторах выше, чем в других газоохлаждаемых реакторах, а поверхность парогенераторов значительно меньше, чем в реакторах с теплоносителем СО₂. Гелий практически не поглощает нейтроны, что, с одной стороны, обеспечивает хорошую экономию нейтронов, а с другой, не вызывает скачка реактивности при утечке теплоносителя из активной зоны.
3. Использование графита в качестве замедлителя и гелия в качестве теплоносителя дает наилучшее из всех  ранее известных в реакторной технике сочетаний материалов.
4. Высокая температура теплоносителя обеспечивает наибольший среди других реакторов к. п. д. В цикле с паровой турбиной термический к. п. д. составляет от 4 до 44%.
5. Экономия нейтронов благодаря отсутствию вредных поглотителей и большим размерам активной зоны хорошая. Поэтому в качестве воспроизводящего материала может быть использован торий, что в результате образования ²³³U приводит к дальнейшему улучшению экономии нейтронов, так как в тепловой области ²³³U обладает наибольшим выходом нейтронов.
6. Оптимальный коэффициент воспроизводства составляет от 0,7 до 0,9, т. е. 70 90% используемого в активной зоне топлива пополняется за счет воспроизводства. Принципиально такие реакторы можно использовать в качестве размножителей на тепловых нейтронах.
7. Энергонапряженность составляет от 4 до 10 МВт/м³ и является наибольшей среди всех газоохлаждаемых реакторов. Это относится и к удельной мощности, характерное значение которой составляет 70 МВт(эл) на тонну топлива.
8. Выгорание существенно выше, чем в других реакторах (AGR, легководных, на быстрых нейтронах) и составляет 100 000 МВт-сут/т.
9. Загрузка урана существенно ниже, чем в других реакторах (AGR, легководных, на быстрых нейтронах), потребление урана также меньше, чем в других реакторах на тепловых нейтронах.
10. Топливо квазигомогенно распределено в замедлителе. Отношение атомов замедлителя к делящемуся веществу (замедлительное соотношение) лежит в пределах от 5000 до 10 000. Благодаря этому обеспечивается очень высокая теплопроводность активной зоны и отсутствуют быстрые температурные колебания. Большие теплопередающие поверхности обеспечивают хорошие условия для охлаждения активной зоны.
11. В реакторах HTR могут быть использованы различные топливные циклы, что позволяет потребителю лучше приспосабливаться к рынку топлива.

В качестве делящихся изотопов можно использовать ²³³U, ²³⁵U, ²⁴³Pu и ²³³Pu в качестве воспроизводящих материалов — ²³²Th и ²³⁸U. Принципиально возможна любая комбинация перечисленных делящихся и воспроизводящих материалов, однако наиболее выгоден торий-урановый цикл (особенно подпиточно-бридерная концепция) и цикл со слабо обогащенным ураном.

1. При использовании микротвэлов загрязнение теплоносителя продуктами деления минимально. Газообразные продукты деления почти полностью задерживаются покрытием из пироуглерода, а для твердых продуктов  деления отличным барьером оказывается слой из карбида кремния.
2. Благодаря высоким температурам газа на выходе из активной зоны в парогенераторе обеспечиваются такие параметры пара, которые соответствуют самым современным ТЭС на обычном топливе. С помощью промежуточного перегрева и высокого давления пара удается поднять его теплосодержание и соответственно уменьшить требуемый расход пара. Это сокращает размеры: конденсационной и других вспомогательных установок.
3. Компоновка и конструкция оборудования первого  контура отличаются простотой и возможностью использования относительно дешевых материалов.
4. Качества безопасности высокотемпературных реакторов отличные. Среди них наиболее существенны технологические (керамическое топливо, гелий) и физические свойства (отрицательный температурный коэффициент реактивности, большая теплоемкость активной зоны). Из инженерно-технических решений следует отметить применение реакторного корпуса из предварительно напряженного бетона. Благодаря высокой безопасности реакторы HTR можно сооружать в густонаселенных местностях.
5. Коэффициент готовности HTR, судя по результатам работы опытных реакторов такого типа, должен быть весьма хорошим. При использовании шаровых твэлов дополнительно появляется еще ряд характерных особенностей рассматриваемых реакторов.
6. Конструкция активной зоны чрезвычайно проста и для ее изготовления не требуется высокой точности. Исключается спекание твэлов и отсутствуют какие-либо специфические требования к сохранению формы твэлов в течение всего срока службы.
7. Благодаря разделению топлива на огромное количество микротвэлов исключается вероятность повреждения большого числа твэлов и значительного выхода продуктов деления в контур теплоносителя.
8. При многократном прохождении активной зоны достигается равномерное и оптимальное выгорание всех твэлов.
9. Благодаря перемешиванию можно достичь более равномерной коррозии всех твэлов и соответственно уменьшить систему очистки газа.
10. При облучении твэлы только очень короткое время подвергаются воздействию максимальных тепловых нагрузок. Это время составляет всего несколько часов, в то время как ресурс твэлов около 3,5 лет.
11. Каждый твэл вносит в активную зону очень небольшую реактивность, что исключает серьезные аварии при загрузке топлива.
12. В связи с непрерывной перегрузкой твэлов не требуется избыточной реактивности для компенсации выгорания топлива.
13. Равномерное распределение температуры в топливе твэла обеспечивает небольшие температурные градиенты, а вследствие этого и небольшие термические напряжения.
14. Шаровые твэлы допускают простое обращение, поэтому не требуется сложных перегрузочных машин.
15. Инвариантность твэлов по форме и размерам твэлов первых опытных реакторов является большим преимуществом для дальнейшего развития элементов, позволяющим, в частности, использовать ценные результаты по облучению огромного количества эксплуатировавшихся твэлов.

Ниже описываются три опытные установки и две прототипные АЭС с высокотемпературными реакторами. Наиболее важные характеристики этих реакторов приведены в приложении.