Опыт разработки быстрых газовых реакторов в России - Реактор с «плутониевой» активной зоной

1.2. Реактор с «плутониевой» активной зоной
Реактор с чисто "плутониевой" активной зоной характеризуется малыми размерами активной зоны (около 100 л), предельно достижимым жестким спектром нейтронов, высоким значением коэффициента воспроизводства КВ»2 и очень высокой объемной энергонапряженностью 2-3 МВт/л /6,7/.
Реактор состоит из ТВС активной зоны и боковых зон воспроизводства (БЗВ). ТВС активной зоны и БЗВ одинаковы по габаритам, имеют шестигранную форму с размером под ключ 69 мм и размещены в треугольной решетке с шагом 71 мм. ТВС активной зоны по высоте состоят из участка активной зоны и симметрично с каждой стороны из участков торцевых зон воспроизводства (ТЗВ). Суммарная высота ТВС примерно равна 180 см.
Активная зона имеет высоту 40 см. ТВС набирается из стержневых твэлов, со стальной оболочкой и таблетками диоксида плутония. Размазанная плотность топлива в твэлах составляет около 7 -8 г/см3. Оболочки твэлов выполнены негерметичными, т.е., разгружены от внутреннего и внешнего давления газовых продуктов. Для уменьшения активности теплоносителя в каждом твэле помешается пробка-фильтр, задерживающая выход газовых продуктов деления на время, достаточное для существенного снижения их радиоактивности.
Конструктивная схема стержневого твэла представлена на рисунке 4 /10/. Стержневой твэл имеет крестообразное поперечное сечение с описанным диаметром 5,15 мм. Этот твэл обладает рядом преимуществ. Он имеет развитую теплообменную поверхность, обладает хорошими прочностными характеристиками. Для него не требуется дистанционирующих устройств. Топливо используется в виде засыпки крупки из соединений плутония с плотностью около 7,5 г/см3.
Активная зона состоит из 56 ТВС, из которых 4 совмещают функции компенсирующих органов. Кроме того, в активной зоне размещены 2 ТВС с поглощающими стержнями для автоматического регулирования и 3 ТВС аварийной защиты. ТВС активной зоны набираются из твэлов с увеличенной поверхностью охлаждения (около 0,6 мг/л). Проходное сечение для теплоносителя составляет около 50% от поперечного сечения активной зоны.

Рисунок 4. Конструктивная схема твэла крестообразного поперечного сечения (размеры приведены в мм)
1 - оболочка, 2 - топливо, 3 - фильтр, 4 - пробка, 5 - микроотверстие
ТЗВ выполняются из металлического урана с тонкими противоосколочными покрытиями. Причем слои металлического урана вблизи активной зоны легированы молибденом до 10% для повышения стойкости топлива под облучением. ТВС БЗВ выполнены двух типов. Три внутренних ряда ТВС БЗВ в количестве 108 штук, прилегающих к активной зоне, выполнены из одного центрального участка и двух периферийных.
Центральный участок высотой около 70 см выполнен из металлического урана с тонкими противоосколочными покрытиями, легированного молибденом до 3%. Верхние и нижние участки этих ТВС выполнены из металлического урана без легирования с тонкими противоосколочными покрытиями. Проходное сечение для теплоносителя в этих ТВС составляет около 30%.
ТВС БЗВ шести внешних рядов в количестве 410 штук содержат металлический уран без легирования с тонкими противоосколочными покрытиями. Проходное сечение для теплоносителя составляет около 20%.
Поглощающая сборка (ПС) аварийной защиты представляют собой чехловую трубу из нержавеющей стали диаметром 64 мм и толщиной стенки 1 мм, в которой размещаются 61 поглощающих элементов в виде трубок 6x0,13 мм, заполненных на высоте 40 см в средней части таблетками диаметром 5,3 мм из карбида бора с обогащением 60% по 10В. В одной ПС аварийной защиты содержится примерно 1,2 кг такого карбида обогащенного бора. 3 ПС аварийной защиты размещены равномерно во втором ряду ТВС активной зоны.
ПС автоматического регулирования представляют собой чехловую трубу из нержавеющей стали диаметром 64 мм и толщиной стенки 1 мм, в которой размещаются 7 поглощающих элементов в виде трубок 8,6 х 0,2 мм, заполненных на высоте 40 см в средней части таблетками диаметром 7,8 мм из карбида необогащенного бора. В одной ПС автоматического регулирования содержится примерно 0,3 кг такого карбида бора. Две ПС автоматического регулирования размещаются в третьем ряду ТВС активной зоны.
ПС аварийной защиты и автоматического регулирования перемещаются в стальных направляющих трубах диаметром 68 мм и толщиной стенки 0,5 мм с помощью штанг, соединенных с исполнительными механизмами приводов.
Компенсирующие ТВС по своей конструкции аналогичны ТВС активной зоны, но они снабжены штангой для их перемещения по высоте реактора. Они располагаются в четвертом ряду ТВС активной зоны. Компенсирующие ТВС при выведении из активной зоны участка из диоксида плутония с одновременным введением участка из легированного молибденом металлического урана обеспечивают уменьшение реактивности, достаточное для компенсации эффекта выгорания топлива между перегрузками реактора.
Основные параметры плутониевого реактора приведены в таблице 1.
Была выбрана следующая схема перегрузок реактора с «плутониевой» активной зоной:

1. Время облучения ТВС в активной зоне - 300 эф. суток.
2. Максимальное время облучения ТВС БЗВ внутреннего ряда - 300 эф. суток.
3. Время облучения ТВС БЗВ внешнего ряда - 1500 эф. суток.

Распределение ТВС с разным выгоранием по рядам активной зоны до и после
перегрузки реактора приведено в таблице 2.
Реактор с «плутониевой» активной зоной размещается в стальном корпусе /6,7/.
Корпус реактора с толщиной стенки примерно 250 мм имеет внутренний диаметр 2,2 м и высоту около 6 м. К верхней части корпуса присоединяется стальная крышка толщиной 600 мм, через которую внутрь корпуса вводится перегрузочное устройство, обеспечивающее перестановку, загрузку и выгрузку ТВС. Во время работы реактора на мощности проходка в верхней крышке корпуса закрывается специальной защитной пробкой.
Таблица 1. Основные параметры реактора с «плутониевой» активной зоной

Таблица 2. Распределение ТВС с разным выгоранием по рядам активной зоны

К нижней части корпуса приварено эллиптическое днище с патрубком в центральной части. Через этот патрубок к реактору подводится и отводится газовый теплоноситель.
С внутренней стороны корпуса на расстоянии 10-20 мм располагается страховочный лайнер с толщиной стенки около 40 мм, который исключает потерю теплоносителя при возникновении трещин в основном корпусе реактора в аварийных ситуациях. При аварии такого типа лайнер под действием перепада давлений газа прилегает к корпусу и за счет пластических деформаций закрывает образующиеся в корпусе отверстия.
Наружная поверхность корпуса снабжена стальными кольцевыми бандажами, которые исключают хрупкое разрушение корпуса с разлетом фрагментов.
Приводы системы регулирования размещены на днище корпуса Блок приводов заключен в герметичную оболочку.
Горячий теплоноситель из корпуса реактора подается в парогенераторы. Вырабатываемый в них пар идет в паровую турбину.
Принципиальная технологическая схема АЭС с использованием малых модульных реакторов приведена на рисунке S.

Рисунок 5. Принципиальная технологическая схема АЭС с использованием малых
модульных реакторов
1 - реакторы; 2 - парогенераторы; 3- газодувки; 4 - защитные оболочки; 5 - коллектор питательной воды; 6 - коллектор перегретого пара; 7 - цилиндр высокого давления; 8 - цилиндр низкого давления; 9 - конденсатор;
10 - питательный насос; 11 - регенеративные подогреватели;
12 - электрогенератор.
На рисунке 6 приводится схема компоновки модулей в реакторном здании АЭС.

Рисунок 6. Компоновка модулей в реакторном здании АЭС (три петли на один
реактор)
На рисунке 7 представлен общий вид одного модуля - реактор с парогенераторами (три петли на один реактор).

Рисунок 7. Общий вид одного модуля - реактор с парогенераторами (три петли на один реактор)