Из каких частей состоит ядерный реактор?

 

Наступило время для инженеров… Применительно к водоводяным реакторам (PWR) то, «из каких частей состоит реактор», соответствует первичному контуру (Primary Circuit). Это также называется охлаждающая система реактора (Reactor Coolant System), потому что обеспечивает протекание воды, отводящей тепло из реактора.

 

Здесь мы опишем все компоненты, входящие в первичный контур, с использованием соответствующих чертежей и фотографий. Для оператора реактора очень важно хорошо знать, как это оборудование связано между собой. Только это позволяет действительно понять его поведение и как им управлять.

 

Позвольте начать с эскиза первичного контура, приведенного на рис. 1.1.

 

Здесь показан контур охлаждения PWR. Для лучшего понимания начнем с участка трубы, отмеченного на рисунке как холодная ветвь циркуляционного контура. Вода в первичной ветви течет слева направо, а затем возвращается назад, справа налево. Я написал «холодная» но на самом деле температура воды в этой ветви свыше 290°С. Из этой ветви вода течет в корпус реактора сначала вниз, к его дну, а затем вверх, через его ядро. В ядре расположены сборки топливных элементов, в которых и происходит выделение тепла в результате ядерной реакции. Теперь горячая вода покидает корпус реактора и поступает в горячую ветвь циркуляционного контура. Чтобы был понятен масштаб, отмечу, что и холодная, и горячая ветви выполнены из труб диаметром около 0,7 м, так что через них можно проползти.

 

Рост температуры воды при ее протекании через ядро реактора удивительно мал и составляет всего около 30°С. Так что температура в горячей ветви – около 325°С. Однако при протекании 20 т воды в секунду через ядро реактора даже такой небольшой ее нагрев соответствует огромной тепловой энергии. Из горячей ветви вода поступает в парогенератор (Steam Generator – SG). 

 

Он содержит свыше 5000 отдельных трубок, имеющих форму перевернутой буквы U. Снаружи этих трубок располагается отдельный водяной контур, в который и передается тепло из первичного контура. Функцией парогенератора является забрать тепло из первичного контура и использовать его для преобразования воды во вторичном контуре в пар. Вода из первичного контура поступает назад в ветвь холодной воды при температуре около 290°С. 

 

Из парогенератора вода в первичном контуре поступает через трубопровод (здесь мы его называем реверсивная ветвь трубопровода (Crossover Leg) в насос охлаждения реактора (Reactor Coolant Pump – RCP). Этот насос приводится в действие электроэнергией и обеспечивает возвращение воды в холодную ветвь контура, так что она вновь и вновь циркулирует по нему.

 

 

В ветвь горячей воды включен также компенсатор давления (Pressuriser). Хотелось бы отметить, что реакторы PWR редко строятся только с одной системой передачи тепла и охлаждения, как это показано на рис. 1.1. Стандартным является использование двух, трех или четырех таких систем с одним реактором. Компенсатор давления при этом вводится в одну из ветвей циркуляции горячей воды. На рис. 1.2 показан реактор PWR с четырьмя системами передачи тепла и охлаждения.

 

Итак, реактор PWR расположен в корпусе, который через четыре горячие ветви соединяется с четырьмя парогенераторами. Реверсивные ветви трубопровода соединяют парогенераторы с насосами охлаждения реактора, которые в свою очередь подают воду в корпус реактора. Компенсатор давления соединен с одной из горячих ветвей циркуляционного контура. Это не единственный вариант конструкции трубопроводной системы для реакторов PWR, но, пожалуй, наиболее распространенный.

 

 

Вода из различных ветвей трубопровода смешивается в корпусе реактора, так что давление во всей системе оказывается одинаковым, и требуется только один компенсатор давления. Зачем используется несколько контуров? Потому что это решение позволяет отвести больше энергии (тепла) от реактора. Как альтернативу можно было бы использовать меньшее число контуров, но при этом пришлось бы увеличивать размеры парогенераторов и насосов, что затруднило бы их транспортировку с завода до места монтажа!

 

По сравнению с другими конструкциями реакторов в PWR первичный контур довольно простой. В нем нет клапанов и сложных трубопроводов. Насос охлаждения работает с постоянной скоростью и обеспечивает почти постоянный поток воды. При этом требуется очень незначительная регулировка, за исключением управления самим реактором. 

 

 

Корпус реактора представляет собой контейнер, в котором располагается атомное ядро. В большинстве реакторов PWR на самом деле имеется два корпуса, один в другом. Внешний корпус представляет собой камеру, способную противостоять высокому давлению и имеющую большой запас прочности. 

 

Внутри внешнего корпуса располагаются нижние и верхние элементы конструкции и внутренний контейнер, в котором размещены топливные сборки и стержни управления. Верхние и нижние элементы конструкции подвешены за выступы в верхней части внешнего корпуса и образуют держатель ядра реактора.

 

На рис. 1.3 показан корпус реактора в разрезе. Топливные сборки (ядро) имеют в длину 4 м, а весь корпус в высоту – 14 м. В левой части рисунка показаны отрезки трубопровода входящей («холодной») воды, а в правой части – выходящей («горячей»). Число этих трубопроводов соответствует числу ветвей передачи тепла, и, например, в системе с четырьмя ветвями используется четыре комплекта трубопроводов. На рис. 1.3 показаны также пути протекания воды в реакторе от трубопровода входящей воды вниз до нижних элементов конструкции, а затем через топливные сборки. После этого вода через верхние элементы конструкции поступает в трубопроводы выходящей воды.

 

 

 

Как видно на рис. 1.3, верхняя часть корпуса реактора соединена с остальным корпусом с помощью болтов, что позволяет ее снимать при перезагрузке топлива. Механизм привода стержней управления соединен с верхней частью корпуса и обеспечивает возможность перемещения стержней в трубах, входящих в верхние элементы конструкции. В нижней части реактора располагается вторичный держатель ядра, предназначенный для удержания его от падения при аварии. Эта часть конструкции может быть использована для размещения детектора нейтронов при обычном контроле мощности реактора, хотя не во всех реакторах PWR предусмотрена такая возможность.

Рис. 1.4 Корпус ядерного реактора в процессе монтажа
 

На рис. 1.4 приведена фотография реального корпуса реактора в процессе его монтажа на электростанции. Он целиком весит 435 т, а человек в левом нижнем углу фотографии дает возможность оценить масштаб конструкции. Корпус выкован из низкоуглеродистой стали (для прочности), а изнутри для обеспечения долговременной химической защиты покрыт нержавеющей сталью.

 

 

Кроме корпуса реактора, самым большим узлом в конструкции первичного контура является парогенератор. В PWR применяется по одному парогенератору в каждой ветви переноса тепла и охлаждения. В нем встречаются первичный и вторичный контуры.

 

После поступления в нижнюю часть парогенератора горячей воды она проходит через более чем пять тысяч тонкостенных трубок. Тонкие стенки позволяют обеспечить хорошую теплопередачу от первичного контура к вторичному. Как видно на рис. 1.1 и 1.5, теплообменные трубки имеют форму перевернутой буквы U и образуют толстый набор из них. Между этими трубками имеются достаточные зазоры для протекания воды из вторичного контура и при этом превращения ее в пар. После каждого комплекта теплообменных трубок размещаются механические осушители пара.  

 

 

Затем стывшая вода в первичном контуре вытекает из парогенератора в реверсивную ветвь трубопровода. На рис. 1.5 показан парогенератор в разрезе.

 

На рис. 1.6 дан парогенератор в процессе его доставки при монтаже атомной электростанции. Эта модель имеет более 20 м высоты и 4,5 м в  поперечнике. Сухой вес парогенератора составляет 300 т, так что нет ничего необычного в том, что при стро-ительстве атомных электростанций для доставки таких грузов используется речной или морской транспорт. Автомобили для этого были бы не удобны.

 

 

 

 

Насос охлаждения реактора имеет большой электрический мотор, вращающий вертикальный вал. На другом конце вала – лопастное колесо, расположенное внутри фигурной части корпуса насоса. Когда оно вращается, вода из первичного контура поступает через реверсивную ветвь трубопровода в его холодную ветвь, как это показано на рис. 1.7.

 

Мотор для PWR конструируют так, чтобы вал вращался с частотой вдвое ниже частоты питающей сети. В Великобритании, где частота сети равна 50 Гц (3000 периодов в минуту), вал будет вращаться с частотой 1500 оборотов в минуту. В зависимости от того, как выполнена обмотка мотора, возможна его работа и на другой частоте питающего напряжения (например, ј от стандартной). Типовая мощность мотора в этом насосе составляет 5 МВт, и это реально большой мотор, весящий около 50 т. На рис. 1.8 приведена фотография такого мотора.

 

Вал передает вращение от мотора к лопастному колесу, которое работает как пропеллер, только толкает не воздух, а воду. Но здесь есть определенные проблемы. Лопастное колесо работает в первичном контуре реактора при давлении воды 155 бар и температуре 290°С. Мотор же, хотя и находится в реакторном здании, расположен снаружи первичного контура. Это означает, что вал проходит через границу сред с разными давлениями. 

 

Как же поступить, чтобы исключить вытекание воды из первичного контура? Это сложная задача, и для ее решения нет простых механических уплотнителей. Взамен этого в PWR и большинстве других реакторов используется впрыскивание чистой воды под давлением свыше 155 бар в корпус уплотнителя. Часть этой воды утекает в первичный контур реактора, а часть – по валу наружу, собирается и используется затем вновь. Другими словами, в насосе применяется «подача запирающей воды в уплотнение» для удержания воды в первичном контуре.

 

 

Компенсатор давления используется для управления давлением в первичном контуре. Он обеспечивает достижение давлением значения 155 бар и удержание его на этом уровне. В PWR компенсатор давления представляет собой цилиндрический бак большой величины, установленный вертикально. На дне его расположены электрические нагреватели мощностью около 2 МВт, а в верхней части – несколько маленьких соединителей. Если включить нагреватели (иногда это можно сделать с пульта управления реактором), вода в баке начнет нагреваться. Когда начнется кипение, в верхней части бака появится пар. Чем будет больше пара, тем больше станет возрастать его давление на воду, сдвигая точку кипения вдоль кривой насыщения. Когда-нибудь в системе будут достигнуты 345°С и 155 бар. Когда это произойдет, можно включать реактор.

 

Нижняя часть бака компенсатора давления соединена длинной трубкой с одной из горячих ветвей первичного контура. Через эту трубу (уравнительная линия компенсатора давления) давление пара в баке компенсатора давления уравнивается с давлением в первичном контуре. Уравнительная линия служит для перетекания воды из бака компенсатора давления в первичный контур или обратно вследствие теплового расширения воды. Длинная трубка используется для уменьшения колебаний температуры вблизи дна бака компенсатора давления; если бы она была короче, то ее срок службы снизился бы из-за усталостных явлений.

 

В любой момент, если требуется повысить давление в первичном контуре, достаточно увеличить мощность нагрева в баке компенсатора давления. 

 

Если надо уменьшить это давление, следует на время выключить нагреватели. Требуется уменьшить давление быстрее – можно открыть клапан, через который холодная вода подается к форсункам распылителей, расположенных в верхней части бака компенсатора давления. Существуют разные конструктивные решения, но обычно в PWR в эти распылители вода подается из холодной ветви контура, где она имеет температуру более чем на 50°С ниже, чем пар в баке. Такая вода вызывает конденсацию пара, и давление падает быстро. В верхней части бака обычно устанавливается клапан избыточного давления. Этот клапан защищает первичный контур от воздействия избыточного давления, если форсунки не справляются или их невозможно использовать.

 

На рис. 1.9 показан чертеж системы поддержки избыточного (компенсатора) давления в разрезе. Ясно видны нагреватели, патрубок уравнительной линии и форсунки охлаждения. Этот узел имеет высоту более 15 м и вес около 100 т порожняком.

 

 

 

Трудно вообразить, сколько инженерного труда вкладывается в конструирование, изготовление и сборку компонентов первичного контура. Они должны быть изготовлены из высококачественных материалов, устойчивых одновременно к ковке и сварке с проведением множества операций контроля качества в процессе изготовления. Различные детали должны быть затем доставлены на место сборки, сварены между собой внутри здания реактора, проверены, и начаты пуско-наладочные работы.

 

На рис. 1.10 приведен подходящий пример. На фотографии вы должны увидеть четыре парогенератора, покрытых зеркально отражающей изоляцией для уменьшения потерь тепла. Сверху парогенераторов видны главные паропроводные трубы, основательно усиленные, чтобы противостоять давлению газа и землетрясениям. Между парогенераторами располагается заправочная емкость, и при ежедневной эксплуатации из нее берется средство для обновления зеркально отражающей изоляцией корпуса парогенератора. 

 

Сам реактор вместе с его ядром располагаются ниже уровня пола заправочной емкости, и его не видно на этой фотографии. Насосы охлаждения спрятаны под полом с каждой стороны (здесь они демонтированы для проведения сборочных работ). Большие охлаждающие вентиляторы (светло-серые конуса) расположены над насосами. И наконец, вы можете еще увидеть верхнюю часть системы поддержки избыточного давления в отдельном корпусе на левом краю фотографии… и множество кранов!

 

 

 

Здание реактора – это куда помещаются все узлы первичного контура. Для современных реакторов эти здания строятся большими и прочными. Стены здания реактора изготавливаются из бетона толщиной свыше метра. Бетон должен быть хорошо укреплен, а еще крепче его делают стальные тросы, проведенные через специальные трубы в бетоне и натянутые после завершения строительства здания: бетон становится прочнее, когда он сжат этим способом.

 

Но останавливаться рано. Внутренние стены реакторного здания покрыты сваренными стальными листами. Каждая труба или кабель, проходящие внутрь или наружу этого здания, должны быть приварены или зафиксированы к этой стальной облицовке. Когда кто-то говорит вам, что он «ходил в коробку», надо понимать, что он так говорит, потому что был в облицованном сталью реакторном здании.

 

Комбинация из бетона и стальной облицовки стен обеспечивает исключительную прочность здания и его воздухонепроницаемость. Можно было бы создать избыточное давление свыше 3 бар, например от лопнувшей трубы, и утечки не будет. Здание также способно противостоять ударам извне и воздействию землетрясения. По этой причине реакторное здание иногда называют «карантинным». Однако для современных реакторов не редкость постройка вокруг реакторного здания второго здания на случай, если во внутреннем произойдет утечка. В такой конструкции мы имеем здание с «первичным» и «вторичным» карантином, хотя, несмотря на схожесть, эти названия не имеют ничего общего с первичным и вторичным контурами реактора.

 

Некоторые цифры:

 

- Первичный контур работает при 300°С и 155 бар.

- Реактор производит 3500 МВт тепла.

- В первичном контуре поток воды составляет около 20 т в секунду.

- Мотор насоса охлаждения весит 50 т и обеспечивает вращение вала со 

скоростью 1500 об/мин.

- И все это должно надежно работать 1–2 года кряду, без перерывов.

 

Вот почему нам нужны инженеры!