Водо-водяные кипящие реакторы. Реакторы с кипящей водой

1  ВОДО-ВОДЯНЫЕ КИПЯЩИЕ РЕАКТОРЫ

1.1  Физические особенности

В отличие от ВВЭР, в водо-водяных кипящих реакторах (ВК) теплоноситель прогревается до температуры насыщения уже на начальной, экономайзерной, части своего пути через активную зону; в остальной, большей части активной зоны происходит объемное кипение воды и на выход поступает пароводяная смесь с объемным паросодержанием до 75 %. Реакторы ВК (в англо-американской литературе BWR — Boiling Water Reactors) по конструкции, спектру нейтронов и материалам, используемым в активной зоне, мало отличаются от ВВЭР.

Возможны различные схемы,АЭС с кипящими реакторами. В настоящее время практически все подобные АЭС работают по так называемому прямому циклу: пар из реактора, пройдя несколько ступеней сепарации, направляется непосредственно в турбину. Возможность создания таких АЭС и следует рассматривать как основное преимущество реакторов ВК по сравнению с ВВЭР. Отсутствие парогенератора существенно упрощает тепловую схему АЭС и уменьшает капитальные затраты. Основной недостаток АЭС, работающих по прямому циклу,— повышение уровня излучения в турбине и в основном технологическом оборудовании, что осложняет их эксплуатацию и ремонт.

Водо-водяные кипящие реакторы могут работать либо на естественной, либо на принудительной циркуляции теплоносителя. Наибольшее распространение в настоящее время получили вторые. В Советском Союзе в 1965 г. был пущен в опытно-промышленную эксплуатацию кипящий реактор на естественной циркуляции (ВК-50).

В табл. 1.1 11.1 приведены данные по кипящему реактору и реактору с водой под давлением электрической мощностью 1000 МВт каждый. Видно, что АЭС с реакторами этих двух типов имеют практически одинаковые значения КПД. Однако при этом давление в корпусе ВВЭР примерно в 2 раза выше, чем в корпусе реактора ВК. Более тесная решетка и несколько меньший диаметр твэлов позволяют при одном и том же значении максимальной и линейной плотности теплового потока q_l^макс получить в ВВЭР объемную энергонапряженность q_v примерно в 2 раза большую. Максимальная поверхностная плотность теплового потока на 20—30 % ниже в кипящих реакорах, что в основном объясняется меньшим давлением и наличием пара в этих реакторах.

Реакторы ВК, как и ВВЭР, имеют тесную решетку и поэтому им присущи в той или иной мере все физические особенности реакторов с водой под давлением. Однако существуют эффекты, свойственные реакторам с кипением и играющие заметную роль только в этих реакторах.

В современных кипящих реакторах среднее по объему активной зоны истинное объемное паросодержание φ_* составляет 30—40 %. Появление пара в активной зоне приводит к тому, что из нее вытесняется значительное количество замедлителя. Поскольку при работе реакторов ВВЭР и ВК отношение чисел атомов Н и U должно быть примерно одинаково, то оптимальное отношение количества ядер водорода и урана в холодном реакторе ВК больше, чем в реакторе без кипения. Типичное значение отношения объемов воды и топлива в реакторах ВК составляет около 2,5.

 В кипящих реакторах, где теплоноситель одновременно является и замедлителем, условия диффузии, замедления и размножения нейтронов существенно меняются по ходу теплоносителя. Вследствие этого наиболее важной с точки зрения нейтронной физики особенностью реакторов ВК следует считать сильную зависимость формы аксиальной компоненты нейтроного потока от мощности, обусловленную значительным изменением по высоте плотности замедлителя.

Таблица 1.1 11.1. Сравнение основных параметров современных кипящих реакторов и водо-водяных энергетических реакторов электрической мощностью 1000 МВт (по американским данным)