Тепловой реактор с внутренней безопасностью

Наилучший ядерный цикл осуществляется в реакторах на быстрых нейтронах. Обращение к тепловым реакторам оправдано их хорошей освоенностью. Из всех известных тепловых реакторов лучшим нейтронным балансом обладает тяжеловодный (D2O) реактор типа канадского «Саndu», использующий в качестве топлива природный (необогащенный) уран. На его примере поясним одну идею физической регулировки мощности, отличную от принудительной регулировки стержнями управления в стандартном реакторе).

Введем понятие относительной концентрации урана δ=ND2O/NU. Расчеты показывают, что коэффициент размножения нейтронов превышает единицу, т.е. k>1 (лишь при этом условии может существовать стационарный реактор), в области разбавления 10<δ<1000 (Максимальное значение k достигается при δ=200). При более высоких значениях δ, k начинает падать из-за слабого, но все же конечного поглощения нейтронов в тяжелой воде. При значениях δ<10, k также падает из-за изменения спектра нейтронов: спектр ужесточается и уходит в область резонансного поглощения в 238U.

Предположим, что реактор приведен в рабочее состояние в точке с концентрацией на левой ветви интервала 10<δ<100. Начинается горение и вместе с ним изменение компонент топлива: постепенно исчезает 235U, появляется 239Pu, осколки. Размножающие свойства активной зоны в тяжеловодном реакторе вначале нарастают (в обычном тепловом реакторе они падают), т.к. накопление плутония идет быстрее, чем убывание, вследствие выгорания 235U, т.е. КВ≥1. В неизменных условиях процесс нарастания активности вскоре прекратился бы, т.к. равновесная концентрация плутония в реакторе на тепловых нейтронах равная 0,25% заметно меньше, чем содержание 235U (0,7%) в исходном топливе. (Именно по этому выгорание в реакторе «Candu» невелико, на уровне первоначального содержания 235U в природном уране). В новой конструкции тяжеловодного реактора предлагается сделать активную зону кипящей. Капли сконденсированной жидкости, скатываясь вниз, вновь попадают в активную зону. Критическое состояние поддерживается автоматически, темп энерговыделения диктуется теплосъемом.

Отличительной чертой модифицированного реактора является замкнутый объем с открытой водяной поверхностью и переносом тепла внутри реактора посредством свободной конвекции паров воды и теплосъемом вне активной зоны (Рис.8). На первых порах вследствие повышения концентрации активных атомов усилится выделение тепла, увеличится испарение воды, изменится вылет и спектр нейтронов. Из-за снижения разбавленности δ и включения резонансов равновесная концентрация плутония увеличится, и процесс накопления будет продолжаться. Спустя некоторое время, в горении будет принимать участие почти исключительно плутоний (из урана-238), что в несколько раз увеличивает выгорание (экономия в пересчете на природный уран составляет четыре раза по сравнению с ВВЭР).

Задача. Зависимость пройденного пути от времени задается уравнением   (). Определить через сколько времени после начала движения ускорение  тела станет равным 2,8.

Рис.9. Схема реактора

Самым важным качеством предлагаемой конструкции всякой системы управления. Функционирование реактора обладает физической безопасностью. Независимо от причин, случайное повышение тепловыделения приведет к дополнительному испарению замедлителя и немедленному прекращению реакции, как за счет ужесточения спектра нейтронов, так и за счет их вылета. Разделение зон энерговыделения и энергосъема обеспечивает возможность использования в первом контуре обычной воды. В реакторе темп теплосъема регулирует тепловыделения (мощность): повышение мощности теплосъема приводит к усилению охлаждения реактора, к более интенсивной концентрации паров тяжелой воды и, следовательно, к большому тепловыделению.

Рассмотрим теперь самый тяжелый случай аварии – полное прекращение теплосъема. Ничего страшного! Авария будет развиваться очень медленно, потребуются десятки минут, чтобы вода полностью испарилась. А фактически намного дольше, так как вскоре цепная реакция оборвется из-за роста концентрации урана в тяжелой воде. Повышенное давление паров может быть сброшено через односторонний клапан во вспомогательный клапан раз и навсегда.

Атомная энергетика Типы ядерных реакторов


На главную