Уолтер А., Рейнольдс А.
Реакторы-размножители на быстрых нейтронах: Пер. с англ. — Москва: Энергоатомиздат, 1986.
Рассмотрены вопросы исследования, разработки, проектирования и эксплуатации всех существующих типов быстрых реакторов. Изложены основы методов расчета ядерно-физических характеристик и оценки безопасности быстрых реакторов Описаны программы развития быстрых реакторов в ведущих промышленно развитых странах.
Для инженеров и научных работников, специализирующихся в области ядерной энергетики.
ПРЕДИСЛОВИЕ ПЕРЕВОДЧИКОВ
Книга Алана Уолтера, руководителя отдела безопасности быстрых реакторов Ханфордской лаборатории, и профессора Алберта Рейнольдса, крупного американского специалиста по ядерной технологии, охватывает широкий круг проблем быстрых реакторов и потому будет полезной в качестве справочного руководства по быстрым реакторам для работников атомной промышленности, аспирантов и студентов. Хотя в США пока не построено ни одного демонстрационного быстрого реактора большой мощности, американские специалисты располагают значительным потенциалом в области реакторостроения и проводят широкие физико-технологические исследования по всем аспектам быстрых реакторов. Особенно важными на современном этапе являются материаловедческие исследования на реакторе FFTF, характеризующегося высоким потоком быстрых нейтронов. Авторы книги, будучи в «гуще событий» национальной программы развития быстрых реакторов, хорошо представляют неизбежность и трудности практического внедрения быстрых реакторов. Они справедливо подчеркивают международный характер работ в этой области, общность концепций и проблем, над которыми работают специалисты в разных странах (прежде всего проблемы надежности и конкурентоспособности БР при требовании малого времени удвоения). К сожалению, эти проблемы могут отодвинуть начало широкомасштабного использования быстрых реакторов на период, более далекий, чем ожидалось 15—20 лет назад. Сложность задачи в целом хорошо показана в книге.
При ее переводе возникали определенные неудобства, связанные с тем, что для многих понятий реакторной физики и техники в русской технической литературе не находится твердо установившихся терминов. К примеру, твэл (тепловыделяющий элемент) в сборке зоны воспроизводства быстрого реактора можно было бы назвать сырьевым твэлом, или сэлом, в органах регулирования — пэлом (поглощающим), но тогда твэл в гомогенной активной зоне нужно выделить как аэл (активный) либо дэл (делящийся), сохранив за термином «твэл» общность: в конечном счете элементы всех типов реакторных сборок являются в той или иной мере тепловыделяющими. Существующие многообразия физических понятий, например таких, как коэффициент воспроизводства (соответственно, время удвоения), коэффициент размножения и другие, необходимо четко классифицировать. Назрела необходимость в рекомендациях по терминологии в области ядерной экономики. Практическая важность стандартизации терминов и определений в реакторной науке и технике на современном этапе (т. е. усовершенствование и расширение существующих ГОСТ) очевидна. В этом деле решающее слово остается за специалистами.
А. А. Ваньков
В. В. Яровицин
Мы посвящаем эту книгу, во-первых, научным и техническим работникам разных стран, способствовавшим развитию быстрых реакторов-размножителей для обеспечения грядущих поколений безопасным, экономичным и неисчерпаемым источником ядерной энергии;
во-вторых, нашим женам Анне и Елене, которые нас вдохновляли и всячески поддерживали в работе над книгой.
ПРЕДИСЛОВИЕ
Признание специфики и особой роли быстрых реакторов-размножителей произошло давно, еще в 40-х годах. Теперь общепризнано, что ядерная энергия открывает принципиально новые возможности по сравнению с. традиционными источниками энергии, однако долгосрочная перспектива атомной энергетики требует осуществления воспроизводства ядерного топлива. Масштабность ядерной энергии легко проиллюстрировать, рассматривая отношение ядерной энергии, заключенной в 1 г делящегося материала, к энергии, выделяемой при сгорании 1 г углерода. Это поистине гигантская величина, примерно 3·106. Однако в обычном реакторе, просто «сжигающем» делящийся материал, используется лишь около 0,5 % природного, добытого из руд урана. А теперь учтем, что при широкомасштабном внедрении ядерной энергии придется использовать руды с бедным содержанием урана, скажем, 7·10-5. Тогда эти факторы превращают полученное нами значение 3·106 в единицу:
Тем самым ядерная энергия сравнивается с тем, что в нашем веке именуется органическим топливом. При таком использовании урана можно применить термин «желтый уголь». И только в условиях воспроизводства может быть использовано не 0,5 %, а около 60% извлеченного из руд природного урана, что в свою очередь позволяет обойтись, по крайней мере в следующем тысячелетии, эксплуатацией руд с высоким содержанием урана.
Другими словами, ядерная энергия завоюет истинно доминирующую роль лишь в условиях воспроизводства ядерного топлива. Для углубленного понимания такой ситуации и долгосрочного прогноза нужен системный подход. Развитие концепции реактора-размножителя — долговременная проблема, в целом не определяемая экономическими факторами сегодняшнего дня. Значение ядерной энергии раскрывается лишь в глобальной оценке, с точки зрения далекой перспективы. Это хорошо понимают участники международной деятельности по разработке быстрых реакторов-размножителей. Однако такая задача по силам не каждой стране. Так что развитие концепции реактора-размножителя в определенном смысле происходит изолированно.
Практическое освоение реакторов-размножителей возможно лишь на основе опыта создания ядерных энергетических реакторов первого поколения, которыми являются реакторы-переработчики и особенно легководные реакторы. Для АЭС первого поколения было главным не долговременная перспектива, а скорее демонстрация надежности и конкурентоспособности источника электроэнергии. Это оказалось весьма сложной задачей, потребовавшей большего времени, чем вначале ожидалось. Так что созданию быстрого реактора-размножителя не всегда уделялось достаточно средств и внимания.
В связи с развитием быстрых реакторов-размножителей очевиден и другой момент: необходимо, чтобы топливный цикл был замкнут. В случае АЭС первого поколения выполнение этого требования в принципе может быть отодвинуто на одно-два десятилетия. О реализации программы расширенного воспроизводства с участием быстрых реакторов и о неисчерпаемости ядерного источника энергии можно говорить, имея в виду обязательное условие замкнутого топливного цикла.
В следующем десятилетии мы будем вынуждены принять глобальную и долгосрочную стратегию в отношении энергетической проблемы. На сегодняшний день большая часть топлива поступает из одного основного источника мировых запасов — Персидского залива. Если же говорить о решении мировой энергетической проблемы на период после 2000-го года, то неизбежно приходим к необходимости практического использования быстрых реакторов-размножителей. Но сначала нужно продемонстрировать возможности ядерного воспроизводства. Занимаясь проблемой быстрых реакторов в 80-х годах, мы не опережаем события, а скорее делаем это с опозданием.
По этим причинам книга Алана Уолтера и Алберта Рейнольдса весьма полезна. Она заполняет существенный пробел в литературе, поскольку в ней собрана и представлена в виде обзоров широкая информация, касающаяся быстрых реакторов-размножителей. Тем самым она способствует углублению и расширению знаний в этой области. Книга, несомненно, будет полезна как специалистам, так и студентам. Следует заметить, что книга отражает работы, выполненные в разных странах. И это вполне согласуется с международным характером исследований по быстрым реакторам-размножителям. Пусть же она послужит своей цели и исполнит свою чрезвычайно нужную миссию.
Вольф Хэфеле
заместитель директора Международного института системного анализа, Шлос Лаксенбург, Австрия
ВВЕДЕНИЕ
Роль быстрых реакторов-размножителей (далее будем пользоваться сокращением БР) как неисчерпаемого источника электрической энергии ясно показана профессором Хэфеле в предисловии. В этой книге содержится описание основных характеристик и конструкционных особенностей БР, а также методов их проектирования и анализа.
Ведущим мотивом при написании книги было желание удовлетворить потребность в пособии по технологии БР, в котором нуждаются обучающиеся в этой области специалисты, аспиранты, а также студенты старших курсов. Предполагается, что читатель имеет начальные знания по теории реакторов, теплопередаче и гидродинамике. Мы рассчитываем, что книга может быть широко использована на курсах по специальности БР, предполагая, что ее многоплановое содержание поможет преподавателю выбрать интересующие его темы. Кроме того, книга может служить в качестве пособия на курсах по безопасности быстрых реакторов.
Другая цель этой книги—служить в качестве общего справочного руководства для инженерно-технического персонала, специалистов, активно работающих в области создания быстрых реакторов. Отчеты по исследованиям и развитию быстрых реакторов-размножителей обычно предполагают глубокие знания предмета. Но малочисленность справочных пособий и публикаций вводного характера затрудняет задачу обучения и подготовки молодых специалистов. Поэтому многие темы книги сопровождаются вводными аналитическими разделами, которые отсутствуют в открытой литературе. Тем самым общеобразовательный аспект этой книги может быть полезен и для инженеров, работающих в области создания БР.
В книге большое внимание уделяется методологии проектирования и анализа, а также физическому описанию систем, тогда как численные примеры играют подчиненную роль. Результаты анализа и проектирования изменяются по мере непрерывной эволюции в конструкциях БР, но многие методы проектирования остаются в своей основе неизменными в течение длительного времени.
Приложение А в этом смысле является исключением. Значительные усилия при его написании были затрачены на сбор и удобное представление конструкционных данных построенных и проектируемых (на момент написания) быстрых реакторов.
Область технологии быстрых реакторов охватывает многие вопросы. Поэтому, учитывая ограниченный объем книги, приходилось тщательно выбирать темы, удовлетворяющие общеобразовательной цели. В то же время нужно было дать общие представления, важные для проектирования быстрых реакторов.
Были отобраны такие темы, которые широко рассматриваются в проблеме развития быстрых реакторов и которые были разработаны до уровня практических методов. Тщательный поиск компромисса между количеством тем и глубиной их освещения склонил авторов в пользу выбора меньшего числа тем с более основательным изложением. Поэтому пришлось свести к минимуму описание системы теплопередачи и дополнительных систем, несмотря на их очень большую роль в быстрый реактор-размножитель. В области безопасности быстрых реакторов явления, требующие всестороннего анализа, чрезвычайно многочисленны, поэтому в книге, посвященной общим вопросам, возможно сколько- нибудь детальное рассмотрение только небольшой их части. В связи с этим в теме безопасности акцент был смещен от углубленного рассмотрения в сторону физического описания наиболее важных явлений и общих представлений, существенных для понимания безопасности БР.
Имея в виду основную функцию книги — служить в качестве учебного и справочного пособия по БР, авторы не пытались обозревать всю литературу по каждому предмету. Таким образом, список цитируемых работ невелик по сравнению с опубликованной литературой по каждой теме. Более того, на стиль изложения неизбежно повлиял прошлый опыт авторов по части методов (особенно машинных программ), которые используются в Соединенных Штатах. Однако необходимо признать, что во всем мире происходит быстрое развитие быстрых реакторов-размножителей, и международное сообщество специалистов в этой области ощущает сильное влияние успехов в развитии БР во всех странах.
Книга разделена на пять частей: I. Общие вопросы (гл. 1—3); II. Нейтронно-физические характеристики (гл. 4—7); III. Системы (гл. 8—12); IV. Безопасность (гл. 13—16); V. Газоохлаждаемые быстрые реакторы (гл. 17 и 18).
Первые две главы содержат вводный материал по воспроизводству, запасам ядерного топлива, программам развития реакторов-размножителей. Глава по экономическому анализу ядерных реакторов включена по причине важности экономики для коммерческого освоения быстрых реакторов. Она написана П. С. Овеном и Р. П. Омбергом из фирмы «Вестингауз» (Хэнфорд) — ведущими специалистами в вопросах сравнительного экономического анализа реакторных систем.
Главы 4—7 посвящены различным вопросам переноса нейтронов, включая нейтронно-физические расчетные методы и такие понятия, как спектр нейтронов, энергораспределение, нейтронные сечения, кинетические и реактивностные эффекты, топливный цикл, коэффициент воспроизводства и время удвоения. Главы 8—12 освещают тему теплогидродинамики и механики, куда входят анализ прочности и теплонапряженности тепловыделяющих элементов, расчеты температурных полей, характеристик охлаждающей системы и факторов перегрева, выбор материалов.
В теме безопасности БР (гл. 14, 15) рассматриваются методологические вопросы и физические явления, возникающие в контролируемых и неконтролируемых переходных процессах.
Благодаря доминирующей на нынешнем этапе роли быстрых реакторов- размножителей с жидкометаллическим теплоносителем (далее используется сокращение БН1), им в книге уделяется основное внимание. Альтернативное решение — газоохлаждаемый быстрый реактор-размножитель—обсуждается в последней части книги.
Каждая глава заканчивается задачами или обзорными вопросами. Для решения некоторых из них требуются расчеты на ЭВМ, но все они ограничены рамками нуль-мерной геометрии. Их решение способствует углубленному пониманию физики быстрых реакторов. Обзорными вопросами снабжены главы более описательного и менее аналитического характера.
Август 1981
Ричланд, Вашингтон
Алан Е. Уолтер
Шарлотсвил, Вирджиния Алберт Б. Рейнольдс
