Реакторы атомных станций. Проектирование и эксплуатация

Реакторы-бридеры с быстрым спектром нейтронов

Атомные электростанции с натриевым теплоносителем

Жидкометаллический теплоноситель может использоваться в реакторах, как на тепловых, так и на быстрых нейтронах, в последнем случае коэффициент воспроизводства ядерного горючего больше единицы. Преимущество такого теплоносителя – возможность работы при низких давлениях (0,5 МПа) в первом контуре. Значительная в сравнении с водным и газовым теплоносителями плотность жидких металлов позволяет перекачивать малые объемы, т.е. уменьшать диаметр трубопроводов и расходы на собственные нужды, а также обеспечивать высокий коэффициент теплоотдачи от поверхности оболочки твэла к теплоносителю, что позволяет при той же температуре оболочки получать более высокие температуры теплоносителя. Пока для АЭС используется в качестве теплоносителя жидкий натрий, но рассматриваются и исследуются варианты использования эвтектических сплавов Na-K, Pb-Bi, а также Hg.

Жидкометаллический теплоноситель значительно осложняет оборудование АЭС и выдвигает довольно большое число инженерно-технических проблем. Поэтому АЭС с жидкометаллическими теплоносителями разрабатывают только применительно к быстрым реакторам – размножителям.

Одно из преимуществ жидкого натрия как теплоносителя – возможность создать высокое удельное энерговыделение в активной зоне, что приводит к уменьшению ее размеров. В связи с этим вероятность вылета нейтронов из активной зоны относительно велика и может достигать 30%. Эти нейтроны используются для воспроизводства топлива, для чего активная зона окружается воспроизводящим экраном, содержащим обедненный (отвальный) уран. Еще одно преимущество жидкого натрия как теплоносителя - возможность работы при высоких температурах. Это требует оболочек из стали 08Х18Н10Т, но позволяет использовать пар высоких параметров.

Жидкий натрий как теплоноситель выдвигает ряд требований к оборудованию и его эксплуатации. Температура плавления натрия 97ºС, поэтому для пуска станции необходим предварительный разогрев всего оборудования и трубопроводов. В зависимости от тепловой схемы пуск станции может потребовать от трех до пяти недель.

Если натрий радиоактивен, то бурная реакция его с водой может иметь особенно негативные последствия. В связи с этим обязателен промежуточный натриевый контур. Давление в промежуточном контуре поддерживается большим, чем в первом контуре. Тем самым обеспечивается отсутствие радиоактивности в промежуточном контуре, т.е. исключается контакт воды с радиоактивным натрием при появлении протечек между контурами.

Оборудование первого и промежуточного натриевых контуров существенно отличаются от применяемого при других теплоносителях. Так, в системе трубопроводов должны быть предусмотрены установки для очистки натрия от окислов и гидридов, так называемые холодные ловушки, обеспечивающие охлаждение некоторой части теплоносителя до температур, при которых оксиды выпадают в осадок и могут быть отфильтрованы.

Особые требования предъявляются к арматуре и циркуляционным насосам. Арматура при использовании натриевого теплоносителя должна быть кованной для предупреждения межкристаллической коррозии. Учитывая высокую теплопроводность натрия, приходится выдвигать такое требование, как стойкость арматуры против теплового удара, а малая вязкость натрия требует применения для арматуры твердых материалов, препятствующих задиранию.

Важное требование к арматуре для жидких металлов – отсутствие утечек через сальники. Оно обусловлено высокой стоимостью жидкости, а также тем, что протечка даже небольшого количества натрия опасна с точки зрения возникновения пожара и т.д. Обычные набивки в данном случае нестойки при высоких температурах, поэтому переходят к бессальниковым конструкциям со специальными уплотнениями иногда в комбинации с замораживаемыми уплотнителями и сальниками.

Относительная сложность эксплуатации АЭС с жидкометаллическим теплоносителем и наиболее высокая их стоимость побуждают вести поиск и других теплоносителей для реакторов на быстрых нейтронах. К их числу относятся, например, предложения использовать в качестве теплоносителя гелий.

Развитие ядерной индустрии в СССР