ЗАЩИТА РЕАКТОРОВ
Особенности реакторов разных типов и систем технологического контура, примыкающих к реактору, находят свое отражение в конструктивном оформлении защиты реактора. Рассмотрим несколько примеров реализации защиты реакторов АЭС.
Защита канальных реакторов.
Родоначальником канальных реакторов является реактор первой в мире АЭС мощностью 5 МВт (эл.), построенный в г. Обнинске. Дальнейшее развитие канальных реакторов — реакторы АМБ Белоярской АЭС мощностью 100 и 200 МВт (эл.) и реакторы РБМК электрической мощностью 1000 МВт на Ленинградской, Чернобыльской, Курской, Смоленской АЭС, мощностью 1500 МВт(эл.) на Игналинской АЭС. Развитие этих реакторов— проект РБМК-2400. К числу канальных реакторов относятся также реакторы Билибинской АТЭЦ мощностью 12 МВт (эл.).
Все особенности защиты современного канального реактора большой мощности нашли свое отражение в проекте защиты реактора РБМК-1000.
Конструкция реактора РБМК-1000 и его биологической защиты (рис. 5.22) явилась дальнейшим развитием идей, принятых при создании кипящих канальных уран-графитовых реакторов в СССР, в частности реакторов Белоярской АЭС. Однако большие размеры активной зоны реактора, большая мощность и перегрузка тепловыделяющих сборок (ТВС) без останова и снижения мощности реактора потребовали внесения существенных изменений в конструкцию защиты по сравнению, например, с защитой на Белоярской АЭС.
Реактор РБМК помещен в бетонную шахту квадратного сечения размером 21,6 X 21,6 X 25 м с толщиною стен 200 см. Графитовая кладка реактора и отражатель расположены в герметичной полости, образованной нижней и верхней цилиндрическими металлоконструкциями коробчатого типа и цилиндрическим кожухом реактора. В металлоконструкции вварены тракты технологических каналов. Нижняя металлоконструкция (диаметр 16,5 м, высота 2 м) является опорой реактора и установлена на крестообразной конструкции, которая образует подреакторное помещение, занятое разводкой трубопроводов с теплоносителем к технологическим каналам. Верхняя металлоконструкция (диаметр 19,5 м, высота 3 м) служит опорой технологических каналов. В радиальном от активной зоны направлении установлен кольцевой бак, заполненный водой, толщина слоя воды 1 м.
Рис. 5.22. Схема защиты реактора РБМК-1000 (а) и конструкция верхнего перекрытия реактора (б)
а: 1 — плитный пастил (материал ЖБСЦК); 2 —засыпка из серпентинита в коробчатой металлоконструкции; 3 — бетонная шахта реактора (обычный строительный бетон): 4 — засыпка из речного песка; 5 — кольцевой бак с водой; 6 — блоки защиты из стали; 7 — графитовая кладка реактора;
б : 1 — съемные блоки плитного настила (материал ЖБСЦК); 2 — нижние несъемные блоки (материал ЖБСЦК): 3 — периферийные блоки (материал ЖБСЦК) ; 4 — головки технологических каналов реактора
Между отражателем и металлоконструкциями размещена защита из стали толщиной 20 — внизу и 25 см — вверху, обеспечивающая снижение плотности потока излучений из активной зоны на верхний и нижний листы коробчатых металлоконструкций. Введение этой защиты позволило применить для изготовления металлоконструкций низколегированные сорта стали: флюенс нейтронов (Еп >0,1 МэВ) за 30 лет эксплуатации на металлоконструкции не превысит 5* 10“ см“2. Пространство между трактами технологических каналов в верхней и нижней металлоконструкциях заполнено серпентинитом — засыпка с объемной массой 1,7 т/м3. Эта засыпка вместе с опорными плитами металлоконструкций выполняет роль основной защиты: толщина ее по направлению вверх — 2,8 м серпентинита и 0,3 м стали, а по направлению вниз— 1,8 м серпентинита и 0,25 м стали. Верхняя часть шахты непосредственно над реактором перекрыта защитой из стали (4 см) и железобарийсерпентинитового цементного камня. Толщина последней около 90 см. Эта защита выполнена в виде двух поясов — нижнего неразборного и верхнего разборного. Оба пояса собираются из блоков: нижний — из больших, а верхний — из индивидуальных для каждого технологического канала. Верхние блоки снимаются при перегрузке тепловыделяющих сборок.
Верхняя защита пронизана неоднородностями — технологическими каналами и щелями между блоками. Для снижения «прострела» по каналам в них вставлены специальные вкладыши и винтовые пробки. Верхний и нижний пояса защиты собраны из блоков так, чтобы щели между блоками перекрывались в нижнем ряду верхними, а в верхнем ряду нижними блоками.
Периферийная часть шахты реактора перекрыта металлическими коробами и балками, заполненными железобарийсерпентинитовым цементным камнем или засыпкой из смеси серпентинита с чугунной дробью, взятых в соотношении 14: 86. Эта часть защиты выполняет двоякую роль: с одной стороны, это периферийная часть защиты реактора, а с другой —основная защита части технологического контура, а именно трубопроводов, отводящих пароводяную смесь от технологических каналов к барабанам-сепараторам (рис. 5.22). Металлические короба и балки этой защиты конструктивно выполнены так, что при сборке защиты между ними не образуется прямых сквозных щелей. Для предотвращения натекания излучения щели сделаны ступенчатыми.
В радиальном от активной зоны направлении защита состоит из слоя воды (кольцевой бак, толщина 1,2 to), слоя засыпки из речного песка р= 1,3 т/мя, толщина 1,3 м), слоя обычного строительного бетона толщиной 2 м.
Рис. 5.23. Конструкция защиты реактора Билибимской АТЭЦ:
1 — верхнее боковое перекрытие; 2 — центральная рама; 3 — центральное вращающееся перекрытие; 4 — стояки; 5 — закладные детали; 6 — опорные узлы; 7 — нижняя плита; 8 — кладка активной зоны реактора и отражателя; 9 — бак биологической защиты
Температура основной защиты, размещенной в пределах верхней и нижней металлоконструкций, при работе АЭС достигает примерно 300° С (температура теплоносителя 270—285е С, радиационный разогрев), поэтому в качестве материала выбран серпентинит, не меняющий своих защитных свойств при этой температуре. Использование серпентинита в виде засыпки исключило дополнительную нагрузку на тракты технологических каналов за счет расширения материала при нагреве. Верхние пояса защиты работают в условиях одностороннего нагрева при перепаде температуры около 250° С. Поэтому материалом защиты выбран железобарийсерпентинитовый цементный камень, способный выдерживать такой перепад температуры и обладающий достаточно высокими защитными свойствами как по отношению к нейтронам, так и к γ-излучению. Так как оба материала используются в больших количествах, то немаловажно (при выборе их для защиты), что они доступны и недороги.
Применение вода в радиальной защите обусловлено не только необходимостью снизить плотность потока излучений на бетонные стены шахты реактора, но и снизить тепловой поток из активной зоны. Вода служит тепловым экраном, для отвода тепла от вода организован специальный технологический контур — контур охлаждения защиты.
Защита реактора РБМК-1000 в направлении вверх по данным расчета должна обеспечивать в центральном зале реактора мощность дозы 0,8 мкбэр/с (центральный зал — обслуживаемое помещение); измерения показали, что при нормальной работе АЭС мощность дозы в центральном зале не превышает этого значения (в отдельных точках), а в среднем по центральному залу — не более 0,6 мкбэр/с.
Толщина и состав защиты в направлении вниз выбраны из условия: снизить плотность потока нейтронов до значения, не дающего заметной активации трубопроводов и металлоконструкций в необслуживаемом (при работе АЭС на мощности) помещении нижних водных коммуникаций. Контрольные измерения показали, что это условие обеспечено.
Защита других канальных реакторов (на Белоярской, Билибинской А ТЭЦ) по идее не отличается от защиты РБМК. Реакторы размещены в бетонных шахтах (рис. 5.23, 5.24), окружены в радиальном направлении защитой из воды и бетона. В направлении вниз — защита из стали и бетона. В направлении вверх — чередующиеся слои графита и чугуна общей толщиной примерно 1,5 м (Белоярская АЭС) и около I м (Билибинская АТЭЦ). Над этой защитой размещена верхняя защитная плита — это коробчатая металлоконструкция, которая на Билибинской АТЭЦ заполнена смесью серпентинита с чугунной дробью. Далее в направлении вверх размещено защитное перекрытие. Между ним и верхней защитной плитой находится разводка трубопроводов с теплоносителем. Поэтому верхнее защитное перекрытие одновременно является защитой реактора и части технологического контура. На Белоярской АЭС защитное перекрытие из чугуна (25 см) и битума (18 см), а на Билибинской АТЭЦ — из стали (20 см) и железосерпентинитового бетона (70 см).
Рис. 5.24. Конструкция защиты реактора Белоярской АЭС:
1 — нижняя плита; 2 — графитовая кладка реактора; 3 — верхняя плита; 4 — верхнее перекрытие; 5 — защита из воды
Принципиально так же сделана защита реактора на первой в мире АЭС.
