В этой части в общих чертах рассматриваются основные компоненты реакторов БН: активная зона и зона воспроизводства, тепловыделяющие сборки, части механической конструкции, система теплопередачи. Подробное описание отдельных систем содержится в последующих главах. В ряде случаев обсуждаются альтернативные варианты систем.
А. УСТРОЙСТВО АКТИВНОЙ ЗОНЫ И ЗОНЫ ВОСПРОИЗВОДСТВА
Главная особенность БР по сравнению с тепловыми реакторами-конверторами заключается в способности расширенного воспроизводства делящегося материала. Поэтому оптимальное размещение делящегося и сырьевого материалов в быстрый реактор-размножитель имеет принципиальное значение. На этот счет существуют две концепции (рис. 2.1). Первая из них — внешнее воспроизводство, при котором весь сырьевой материал располагается в зоне воспроизводства, окружающей активную зону, т. е. все воспроизводство происходит вне активной зоны. Другая концепция — внутреннее воспроизводство, при котором часть сырьевого материала смешана с топливом активной зоны (при этом имеется также и зона воспроизводства).
В первых конструкциях быстрых реакторов, которые имели небольшой объем, предпочтение отдавалось концепции внешнего воспроизводства. Получался жесткий спектр нейтронов, низкая удельная загрузка и большой коэффициент воспроизводства. Однако выяснились и существенные недостатки: быстрая потеря реактивности по мере выгорания (что требовало частой перегрузки топлива), малая глубина выгорания, малая величина доплеровского эффекта и малое число делений в сырьевом материале. Все это связано с высоким обогащением топлива и большой толщиной зоны воспроизводства. Современные проекты основаны на концепции внутреннего воспроизводства. Это не означает, что внутренний коэффициент воспроизводства больше единицы. Существенная доля топлива производится также в зоне воспроизводства, и с учетом этого общий коэффициент воспроизводства во всем реакторе превышает единицу.
Конфигурация, показанная на рис. 2.1, б, является гомогенной, потому что активная зона заполнена однородной смесью сырьевого и делящегося материалов, а радиальная и торцевые зоны воспроизводства состоят из чистого сырьевого материала. Возможна иная конфигурация топлива в концепции внутреннего воспроизводства, когда топливные воспроизводящие сборки (содержащие чистый сырьевой материал) распределены по объему активной зоны.
Рис. 2.1 Композиция активной зоны и зоны воспроизводства в двух концепциях воспроизводства:
а — концепция внешнего воспроизводства; б — концепция внутреннего воспроизводства; 1-зона воспроизводства, 2 — боковая защита
Такая активная зона называется гетерогенной. В реакторе с гетерогенной активной зоной несколько повышается коэффициент воспроизводства и уменьшается натриевый пустотный коэффициент реактивности, однако растет удельная загрузка. Во всех первых конструкциях прототипных реакторов использовалась гомогенная активная зона. В усовершенствованном американском проекте CRBRP (Clinch River Breeder Reactor Plant) предусматривается гетерогенный вариант активной зоны.
Схематический вид плана и разреза типичной гомогенной активной зоны реактора с жидкометаллическим теплоносителем показан на рис. 2.2, а. Центральная часть является активной зоной (содержит начальную загрузку смешанного топлива), внешняя состоит из радиальной и торцевых зон воспроизводства и защиты. Изображенная на рисунке активная зона в свою очередь разбита на внутреннюю подзону малого обогащения и наружную подзону большого обогащения. Введением подзон разного обогащения достигается выравнивание поля тепловыделения по радиусу. На рисунке показано также местоположение органов регулирования и защиты.
Рис. 2 2. Типичные композиции гомогенной (а) и гетерогенной (б) активных зон (в концепции внутреннего воспроизводства)
А— вид сверху; Б - вид сбоку; 1 — топливо; 2 — зона воспроизводства, 3 — органы регулирования; 4— боковая защита; 5 — органы защиты; 6 — сборки внутренней зоны воспроизводства, 7 — торцевая зона воспроизводства
Таблица 2. 2
Характеристики гомогенной и гетерогенной активных зон БР электрической мощностью 1000 МВт |2]
* Тепловыделяющая сборка содержит 271 твэл диаметром 7,9 мм и длиной активной части 1,22 м.
** Сборка содержит 127 твэлов диаметром 13 мм.
Часто в них используется поглотитель нейтронов 10В (в виде В4С). Причина, по которой тепловыделяющие сборки имеют шестигранную форму, обсуждается в § 2.3.
Гетерогенная конфигурация активной зоны изображена на рис. 2.2, б. В данном случае сборки из сырьевого материала расположены в центре активной зоны и вдоль концентрических окружностей. Результаты сравнительного расчета [21 БР электрической мощностью 1000 МВт в гомогенном и гетерогенном вариантах представлены в табл. 2.2.
Размеры активной зоны быстрого реактора меньше, чем теплового реактора такой же мощности. В тепловом реакторе важное значение имеет оптимальный выбор соотношения топлива и замедлителя. При уменьшении размера зоны ниже некоторого оптимального значения ухудшаются экономические характеристики реактора. В быстром реакторе, напротив, выгодно уменьшать активную зону с точки зрения как физических, так и экономических характеристик. Количество замедляющих материалов также следует свести к минимуму, чтобы получить возможно более жесткий спектр нейтронов. С увеличением объемной доли топлива за счет минимизации количества конструкционных материалов и теплоносителя уменьшается утечка нейтронов из активной зоны, и доля делящегося материала может быть уменьшена. Так что уменьшение размеров активной зоны при заданном количестве топлива ведет к росту реактивности.
Б. решетка тепловыделяющих сборок
Стремление уменьшить удельную загрузку БР, увеличивая объемную долю топлива (соответственно уменьшая утечку нейтронов), вынуждает конструкторов к более плотному расположению тепловыделяющих сборок. Треугольная решетка лучше отвечает этой цели, нежели квадратная. Поэтому в практике конструирования быстрых реакторов утвердилась треугольная решетка, в конструктивном исполнении — шестигранная форма тепловыделяющих сборок.
В ЛВР типичной является квадратная решетка, потому что при оптимальном соотношении топлива и воды получается довольно свободное расположение тепловыделяющих стержней. Квадратная форма пакетов в этом случае облегчает определенные механические операции.
В. ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩАЯ СБОРКА
На рис. 2.3 схематично изображена типичная тепловыделяющая сборка реактора с жидкометаллическим теплоносителем. В ней 217 твэлов заполняют внутреннее пространство шестигранного чехла, образуя решетку треугольного типа. Твэлы отделены друг от друга благодаря навитой по спирали дистанционирующей проволоке. Этой же цели может служить дистанционирующая решетка.
Рис. 2 3. Типичная тепловыделяющая сборка реактора с жидкометаллическим теплоносителем а — твэл; б — TBC, в — сечение ТВС, г—1/12 часть TBC (увеличенный вид сечения): 1— верхний наконечник, 2 —газовая полость, 3 —таблетки торцевой (верхней) зоны воспроизводства, 4 — таблетки смешанного UO2—РuO2 топлива, 5—таблетки торцевой (нижней) зоны воспроизводства, 6 — нижний наконечник, 7 — участок активной зоны, 8 — оболочка, 9- дистанционирующая проводка: 10 — шаг между твэлами, 11 — диаметр твэла, I — номер ряда твэлов; II -количество твэлов в ряде, III — полное количество твэлов
Средняя часть твэла, соответствующая границам активной зоны по высоте, заполнена топливными таблетками. Верхняя и нижняя части, отвечающие торцевым зонам воспроизводства, заполнены таблетками из сырьевого материала. Вверху показан также объем для сбора газообразных продуктов деления. Существуют также варианты конструкции твэла с расположением газового объема в нижней части.
На рис. 2.3 показан сегмент (1/12 часть сборки), который можно рассматривать как элементарную ячейку для расчетов нейтронных полей в реакторе. Исходя из геометрии ячейки делают расчет концентрации топлива, конструкционных материалов и теплоносителя. В таблице на рисунке приведены числа, показывающие количество твэлов в зависимости от последовательного заполнения рядов шестигранника (или сборок в активной зоне в зависимости от номера ряда).
Г. КОНСТРУКЦИЯ БАКА
Активная зона располагается на опорной платформе, закрепленной внутри бака, как показано на рис. 2.4.
В баке реактора с жидкометаллическим теплоносителем с натрием в жидком состоянии избыточное давление практически отсутствует. Поэтому толщина стенки выбирается по критерию механической прочности. Обычно она равна примерно 30 мм, тогда как в случае ЛВР требуется 300 мм, чтобы противостоять большому внутреннему давлению.
Рис. 2.4. Типичное устройство реактора с жидкометаллическим теплоносителем петлевого типа
1— активная зона, 2 — обечайка активной зоны, 3 — направляющие органов регулирования; 4 — опорная колонна, 5- приводы органон регулирования, 6 - верхняя крышка бака; 7 — перегрузочный механизм; 8 — выход натриевой петли (три петли), 9 — дистанцирующие выступы ТВС активной зоны; 10— опорная конструкция, 11 -вход натриевой петли
Постановка топливных сборок в реактор производится через направляющие отверстия конструкции активной зоны. В этой конструкции имеются ограничивающие активную зону кольца, обычно на уровне верхней части активной зоны и верхней торцевой зоны воспроизводства. Органы регулирования входят в зону сверху вниз и управляются приводными механизмами, расположенными на верхней плите бака. Обычно бак подвешивается на несущей опоре, верхняя плита жестко скрепляется с конструкцией бака.
Могут быть и иные варианты крепления бака.
Натрий поступает через нижние входные отверстия и прокачивается через объемы активной зоны и экранов снизу вверх, затем собирается в большом резервуаре над активной зоной и достигает промежуточного теплообменника (ПТО). Верхний, свободный от натрия объем бака заполнен подушкой из нейтрального газа (обычно аргона).
Д. СИСТЕМА ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ
Из-за активации натриевого теплоносителя в первом контуре (обсуждается в § 2.4) необходим второй контур циркуляции натрия в реакторе БН.
Таким образом, система теплоносителя обеспечивает прокачку натрия через активную зону и промежуточный теплообменник по первому контуру, а дальнейшая теплопередача от промежуточного теплообменника к парогенератору происходит по второму контуру. Температура натрия на выходе из реактора около 550, что существенно выше температуры теплоносителя в ЛВР (300 °С). Поэтому температура пара в реакторе БН выше.
Рис. 2. 5. Баковая (интегральная) (а) и петлевая (б) системы реактора с жидкометаллическим теплоносителем:
1 — натриевый насос, 2 —активная зона; 3— промежуточный теплообменник
Рис. 2.6 Схема теплоотвода в реакторе БН бакового типа
→ — натрий в первом контуре, →— натрий по втором контуре, 1 — реакторный бак, 2 — активная зона, 3 — насосы первого контура; 4 — промежуточный теплообменник, 5 — насосы второго контура; 6 -система циркуляции пара; 7 — турбина. 8 — парогенератор
Первый натриевый контур в отличие от второго должен быть снабжен защитой, предохраняющей обслуживающий персонал от вредного воздействия излучения. Эту задачу можно решить, либо располагая промежуточный теплообменник и насос первого контура внутри бака, либо вынося его наружу с системой трубопроводов и защитой. Первый вариант соответствует баковой (интегральной) компоновке, второй — петлевой компоновке.
В упрощенном виде оба варианта показаны на рис. 2.5. В баковом варианте горячий натрий входит непосредственно в промежуточный теплообменник и далее поступает в баковый бассейн, содержащий реакторное оборудование. Далее насос первого контура нагнетает охлажденный жидкий натрий в систему прокачки через реактор.
В конструкции петлевого типа важным является выбор местоположения насоса первого контура (горячий или холодный участок) и входа теплоносителя. Аргументы за и против того или иного типа компоновки и варианты петлевого типа обсуждаются в гл. 12.
На рис. 2.6 показана упрощенная схема системы теплопередачи при баковой компоновке. Паровой цикл в АЭС с реактором БН осуществляется таким же образом, как и в АЭС с ЛВР или на электростанции с органическим топливом. Определенная специфика имеется лишь в парогенераторе (система натрий — вода). Вместе с тем надо подчеркнуть, что более высокая температура пара в реакторе БН приводит к более высокому КПД преобразования тепловой энергии в электрическую.
