Су арқылы жылу тасымалданатын графитті реакторлар

Бірінші АЭС. 1954жОбнинскте электр қуаты 5МВт болатын АЭС іске қосылды. Реактор графитті, отын-дисперсионды (жылуөткізгіш матрицадағы уранның молибденмен қоспасы), белсенді зонасының көлемі кіші м, м болғандықтан, байыту жоғары (6%); жылутасымалдағышы 10МПа қысымдағы, шығу температурасы су; конструкциялы материалы- тотықпайтын болат. Жылулық қуаты 30МВт, жылу шығару екі контурлы, турбинадағы газ параметрлері 280ºC, 1,3МПа. Құрылғы өнеркәсіптік масштабта жұмыс істеді. Реакторға арналған ЖБЖ өте ысытылған бу алуға мүмкіндік берді, сондықтан реактор жетілген реакторлардың прототипі болды.

Белоярлық АЭС. Заречный ауылына жақын жерде Оралда Белоярлық АЭС салынды. Электр қуаты 100МВт (1964ж, 1981ж тоқтатылған) және 200МВт (1967ж) екі блоктан тұрады. БАЭС реакторлары алдыңғысынан айырмашылығы аз. Дегенмен қуаты жоғары болғандықтан активті зонасының көлемі үлкен, ЖБЖ-да төртеу орнына алты шеткері (периферийный) труба бар және активті зонаның үлкендігінен нейтрондарды жоғалту аз болғандықтан, аз байытылған уранмен жұмыс істейді. Басты өзгертулер циркуляция схемасында және жылутасымалдағышты қыздыруда.

Екінші блоктың белсенді зонасы ( м, м) графитті призмадан жинақталған (1-сурет). ЖБЖ құрылғысы үшін әрқайсысының диаметрі 7,5см болатын осьтік каналы бар. Тор квадратты, қадамы 20см. Жылутасымалдағыш циклі жылуалмастырғышсыз тура жүреді, ал өте қыздырылған бу әдетте екісатылы қыздыру арқылы алынады (2-сурет). Буландыратын жинаққасу мм (20мм - сыртқы диаметр, 1мм - қабырға қалыңдығы) орталық трубадан беріледі, жоғарыдан төмен қарай жүреді. Ұзындығы 6м трубалар ЖБЭЛ-дің ішкі қабырғалары болғандықтан, төменгі камерада кері бұрылғаннан кейін алты мм шеткері трубалармен қыза және кайнай жоғары көтеріледі. Алынғанбу-сулы қосылыстан сепатор арқылы бу іріктеледі, ол үш шеткері трубамен төмен қарай қайтадан белсенді зонаға (бу қыздыратын ЖБЖ арқылы) өтеді. Ал қалған үшеуімен температурасы 510ºC-қа көтеріліп жоғары өтеді. Бу параметрлері (510ºC, 9МПа) станддартты турбоагрегаттарды қолдануға негізделген. Құрылғының ПӘК-і 37,4%.

Буландыратын және қыздыратын ЖБЖ-ның трубалы ЖБЭЛ-тері өлшемі мм және мм болатын сыртқы қабықшыдан тұрады. Жылутасымалдағыш трубалар тәрізді болаттан жасалған. Олардың конструкциясы бөліну өнімдерінің жылутасымалдағышқа түсуін толықтай жояды. Буландыратын ЖБЭЛ өзегі – 9% молибден мен 2,8% байытылған уран қоспасы, магний қабықшаның қабаты; қыздыратын ЖБЭЛ өзегі – жылуөткізгіш матрицадағы 5,7% байытылған уран диоксиді. Жану тереңдігі – 16 800 және 22 000 МВт·тәул/т. Реакторға енгізілген уран массасы 40т.

Белсенді зонада 732 буландыратын және 266 қыздыратын ЖБЖ бар. Барлығы белсенді зонада қатарларда кезекпен орналасады. Бірақ оның шеткері бөлігі (периферийная часть) тек буландыратын ЖБЖ-дан тұрады. Сондықтан бу қыздыратын бөлігі белсенді зонаның ортасында орналасады. ЖБЭЛ-тің ішкі қабырғасынан жылу бөлінетіндіктенграфит қатты қызады (800ºC-тан жоғары). Оның қышқылдануының алдын алу үшін реактор болат қабықшаның ішіне орналасады. Ол жерде инертті газдың, азоттың, гелийдің атмосфералықпен салыстырғанда аздаған қарсы қысымы пайда болады.

1-сурет.

2-сурет. БАЭС-тің ІІ блогының жылулық схемасы.

1- реактор, 2-сепаратор, 3-турбина

Өндірістік қуаттағы ядролық реакторда буды қыздыру мүмкіндігі және тиімділігі БАЭС-та дәлелденді. Қаныққан булы АЭС-қа қарағанда станцияның ПӘК-і жоғары. БАЭС реакторын пайдалану тәжірибесі пайдалы болды және келесі ұрпақтың реакторы графитті реакторды ҮҚҚР (үлкен қуатты қайнайтын реактор (РБМК)) жасауда қолданылды. Кеңес одағы кезінде ССЭР-мен (су-сулы энергетикалық реактор) қатар ядролық энергетиканы құрады.

Үлкен қуатты қайнайтын реакторлар (ҮҚҚР). Реакторлар жылу алудың және қаныққан бу өндірудің бір контурлы схемасына есептелген. ҮҚҚР-дың жетілдірілуі маңызды артықшылықтар береді және жоғары экономикалық көрсеткіштерге алып келеді. Конструкционды материалы цирконий болады. Бұл аз байытылған уранды қолдануға мүмкіндік береді. Отыны – уран диоксиді, ЖБЭЛ – стерженьді, жылу алу олардың сыртқы бетінен жүзеге асады.

Электр қуаты 1000МВт болатын мұндай типті алғашқы реактор (ҮҚҚР-1000, 3-сурет) Ленинградтық АЭС-та пайдалануға 1974ж берілді. Белсенді зонасы ( м, м) жылутасымалдағышты өткізу үшін труба астында вертикаль цилиндрлі саңылаулары бар графитті призмадан құрылған.

3-сурет. ҮҚҚР-1000 реакторы:

1-белсенді зона, 2 - кіретін судың трубасы, 3 – бу-сулы қоспаның алынуы, 4-жүктейтін машина, 5-сепаратор, 6-қуаттаушы насос.

4-сурет. ҮҚҚР-1000 реакторының жылу бөлгіш жинағы:

1-судың кіретін жері, 2-болат труба, 3-қорғаныстың төменгі тақтасы (плита), 4-графитті бекітетін втулка, 5-цирконий труба, 6-ЖБЭЛ жинағы, 7-қорғаныстың жоғарғы қабаты, 8-су-булы қоспаның шығатын жері.

Тор қадамы 25см. Трубаның толық ұзындығы 22м, алайда оның активті зонаға келетін жеті метрлік орталық бөлігі 2,5% ниобийлі қымбатцирконий қорытпасынан жасалады. Жоғарғы және төменгі трубалары болаттан жасалған. Цирконий трубаға өлшемі мм болатын әрқайсысының биіктігі 3,5м екі ЖБЖ бірінің үстіне бірі орнатылған (4-сурет). ЖБЖ осінде цирконий стержень орналасқан, ал оның айналасында 2 қатар ЖБЭЛ концентрлі орналасқан. Ішкі қатарында 6 ЖБЭЛ, сыртқы қатарында 12 ЖБЭЛ бар. ЖБЭЛ-дің сыртқы диаметрі 13,5мм, 1% ниобийлі цирконий қорытпасынан тұратын қалыңдығы 0,9мм қабықша. Өзегі – 2% байытылған уран. Реактордың тұрақты жүктелуі 180т уран. Егер жүктеу 180т болса, байытылу 1,1%, ал жүктеу 155т болса, байытылу 2% болады. Орташа жану тереңдігі 18 500 МВт·тәул/т. Отынды жүктеу реактордың тоқтауынсыз жүзеге асады. Чернобыль апатынан кейін каналдардың бір бөлігі қосымша жұтқыштармен толтырылған, байтылу 2,4%-ке өскен, жану тереңдігі біршама төмендеген.

Су төменнен беріледі, ЖБЖ-мен байланысу арқылы қызады және қайнайды, трубаның жоғары бөлігінен су-булы қоспа алынады. Сепараторда бу алынады және 280ºC температурамен 6,6МПақысымда турбинаға бағытталады. Реактордың жылулық қуаты 3200 МВт, АЭС ПӘК-і 31%.

ҮҚҚР-1000 реакторлары бірнеше АЭС-тарда (Ленинград, Курск, Чернобыль, Смоленск АЭС-тары) жұмыс істейді. 1983ж Игналинск АЭС-да ҮҚҚР-1500 реакторының І блогы іске қосылды. Бұл реактордың белсенді зонасында жылу алу (теплоотвод) күшейтілген, яғни сол көлемнен 1,5 есе көп қуат алынады. ҮҚҚР реакторларында каналды реакторлардың барлық артықшылықтары бар. Мұндай реакторларда қыздырылған бу алудың принциптік қиындықтары жоқ. Тек қыздыратын каналдарға болат қажет болады. Сонымен бірге ҮҚҚР реакторларын дамыту идеялары тоқтатылған.

Графитті каналды реакторлардың қосынды қуаты әлемдегі АЭС қуатының 5%-н құрайды.

Чернобыль апаты. 1986ж сәуірде Чернобыль АЭС-індеҮҚҚР-1000 реакторының ІV блогының апатты жарылысы ядролық энергетиканың дамуында қайғылы кезең болды. Себебі экологиялық таза энергия көзі идеясын әлсіретіп қана қоймай, ядролық құрылғыларға елеусіз көзқарастың адам шошырлық қаупін көрсетті. Әрине, қызған графит арқылы 65 атм. (6,5МПа) қысымда су жіберілетін жерде апат болу мүмкіндігі ҮҚҚР-ды алғаш ойлағанда белгілі болған. Әйткенмен, каналдың жарылуы тек апатқа алып келмейді, реактор да істен шығады. Мұның барлығы белгілі болды, есептелінді және тәжірибеде болды. Сондықтан қуатта жұмыс істейтін реактор қауіпсіз. Бу қысымынапатты жағдайда тастаған кездегі турбогенератордың выбегін сынап көру үшін профилактикалық жөндеуге тоқтатылған реактордың жанып кеткен және ксенонмен ластанған белсенді зонасын қуатқа шығару әрекетінде потенциалды қатер болды. Бұл жерде де операторлар тіпті жауапсыздық деп бағалауға келмейтін қателік жіберді. Бақыланбайтын процесс арқылы реактивтілікті көтеруге тырысу, су басқан каналдардағы жылутасымалдағыштың закипаниясы - дөрекі салғырттық. Оларға реактор реактивтіліктің оң бу коэффициентіне облагает екендігі айдан анық болды ғой. Жалпы айтқанда, келтірілген шарттарда мұны жасауға болтын еді. Тек алдын ала компенсаторлар арқылы әдейі теріс реактивтілік орнату керек еді. Сосын қалдық энергия бөлу кезінде жылутасымалдағыштың подкипаниясынан кейін, реактивтілік бірлігінде калибрленген реттеуші стерженьдердің көмегімен реактивтілікті көтеру керек. Осылайша бәрі және үнемі жасауы қажет. Сондықтан операторлардың әрекетіне ақталу жоқ. Олар активті зонаның қандай да бөлігін ерітетін және талқандайтын ядролық жарқыл (ядерная вспышка) жасады. Бірақ бұл әлі апат емес. Ядролық реактор, әсіресе, ҮҚҚР ядролық жарылыс беруі мүмкін емес. Реакторды қиратқан бу жарылысы, ал жарылыс болу үшін қысым керек болғандықтан, оны тек басты циркуляциялық насостар жасай алады. Қысымсыз қыздырылған белсенді зонаға су жіберу мүмкін емес. Егер жобалаушылар ядролық жарқылдың мүмкіндігін ескерген болса, температура ең болмаса 1000ºC-қа көтерілген кезде насостардың қайта қалпына келмей ажыратылуын қарастыруға міндетті еді. Суытудың апаттық жүйесі жылуды реттеуге шамасы келетіндіктен, жалған сигнал жағдайында реакторға зиян келмейтін еді. Төмен қысымда апаттық жарылыс жасай алмағандықтан, нақты қызу кезінде соңғысы қауіпсіз. Ұйымдық қателік сынақ басында ядролық маман болмағандықтан жіберілген.

Ең таң қалдырарлығы ҮҚҚР-дыңоң бу коэффициентін реактордың конструкциясын және физикалық сипаттамаларын өзгертпей-ақ төмендетуге болатыны белгілі болғандығы. Графиттің көлемдік үлесін төмендету, тіпті Ленинград АЭС-і іске қосылғаннан кейін уәде етілді: «ЛАЭС-тің бірінші блогын пайдаланудың бірінші этабы уран-графитті қатынастағы жобаны қабылдау өтпелі режимдегі реакторларды басқару тұрғысынан толықтай оңтайлы емес екендігін көрсетті. Келесі реакторларда уран-графитті қатынас оңтайлылыққы жақын болады, ал қуатты таратуды басқару астоматты түрде жүзеге асатын болады». Сол бу коэффициенті қуатта жұмыс істейтін реакторда нейтрондардың таралуының тұрақсыздығын тудырады. Сондай-ақ оны уран-графитті қатынасты өзгерту арқылы төмендетуге ұсыныс жасалды.