Как устроен ядерный реактор: от топливной таблетки до корпуса

• ≈16 МПадавление воды в первом контуре ВВЭР
• ≈320 °Cтемпература воды на выходе из активной зоны
• 163ТВС в активной зоне ВВЭР-1000 и ВВЭР-1200
• 312твэлов в одной сборке ВВЭР-1000

Две задачи реактора

По сути ядерный реактор — это котёл. Он нагревает воду, а превращают тепло в электричество турбина и генератор. От угольного котла его отличает источник тепла: вместо горения — деление ядер урана в цепной реакции. Как устроено само деление, рассказано в статье «Деление ядра и цепная реакция».

Задач у любого реактора две. Первая — поддерживать цепную реакцию на нужном уровне: выводить её на мощность, держать мощность постоянной и в любой момент заглушить. Вторая — отводить тепло так же непрерывно, как оно выделяется. У ВВЭР-1000 тепловая мощность около 3000 МВт, и всё это тепло нужно уносить из объёма размером с небольшую комнату.

Из чего состоит реактор

Реакторы бывают очень разными, но набор основных частей у них общий.

• Активная зонаобласть, где находится топливо и идёт цепная реакция.
• Ядерное топливоматериал с делящимися ядрами, чаще всего уран, обогащённый ураном-235 до нескольких процентов.
• Замедлительвещество из лёгких ядер, которое гасит скорость нейтронов: обычная или тяжёлая вода, графит. Нужен только реакторам на тепловых нейтронах.
• Теплоносительто, что прокачивают через активную зону, чтобы забрать тепло: вода, тяжёлая вода, жидкий натрий, газ.
• Органы регулирования и аварийной защитыподвижные стержни с сильными поглотителями нейтронов: соединениями бора и диспрозия, гафнием. В ВВЭР к ним добавляется борная кислота, растворённая в воде.
• Отражательслой вещества вокруг активной зоны, который возвращает часть вылетающих нейтронов обратно. В ВВЭР эту роль играют вода и сталь вокруг зоны.
• Корпус или каналыто, что держит давление теплоносителя: один толстостенный стальной сосуд или множество отдельных прочных труб.
• Биологическая защитатолщи бетона, стали и воды, которые ослабляют излучение до безопасного уровня. Подробнее — в статье «Радиация и защита от неё».

В ВВЭР обычная вода служит одновременно замедлителем и теплоносителем — отсюда и название: водо-водяной энергетический реактор.

Топливо: таблетка, твэл, сборка

Топливо энергетических реакторов — не металл, а керамика: диоксид урана UO₂. Порошок прессуют в таблетки и спекают при высокой температуре; таблетка для ВВЭР — цилиндрик диаметром 7–8 мм и высотой около сантиметра. Диоксид урана плавится при температуре выше 2800 °C, почти не реагирует с горячей водой и удерживает в себе большую часть продуктов деления.

Таблетки укладывают столбиком в тонкую трубку из циркониевого сплава — у ВВЭР это цирконий с 1 % ниобия. Цирконий выбран потому, что слабо поглощает нейтроны и устойчив к коррозии в горячей воде. Трубку заполняют гелием и герметично заваривают: получается твэл, тепловыделяющий элемент. Твэл ВВЭР — стержень диаметром около 9 мм и длиной почти 4 м, внутри которого несколько сотен таблеток.

Твэлы собирают в тепловыделяющую сборку — ТВС. У ВВЭР она шестигранная: твэлы стоят в треугольной решётке и через каждые несколько десятков сантиметров скреплены дистанционирующими решётками, чтобы не касаться друг друга и не вибрировать в потоке. В сборке ВВЭР-1000 — 312 твэлов, 18 направляющих каналов для поглощающих стержней и центральная трубка.

Активную зону ВВЭР-1000 и ВВЭР-1200 набирают из 163 таких сборок; у ВВЭР-1000 она образует подобие цилиндра высотой около 3,5 м и диаметром около 3 м. Таблетка и оболочка твэла — первые барьеры на пути радиоактивных веществ. За ними стоят стенки первого контура и защитная оболочка здания.

Топливо ВВЭР: от таблетки до активной зоны

1. Таблеткапорошок UO₂ прессуют и спекают: диаметр 7–8 мм, высота около сантиметра
2. Твэлтрубка из циркониевого сплава с сотнями таблеток, длина почти 4 м
3. ТВСшестигранная сборка твэлов с дистанционирующими решётками
4. Активная зонау ВВЭР-1000 — высота около 3,5 м, диаметр около 3 м

ВВЭР: вода под давлением

ВВЭР — отечественная ветвь самого распространённого в мире типа энергетических реакторов, с водой под давлением. Давление в его первом контуре около 16 МПа — примерно в 160 раз выше атмосферного, — и вода при нём закипает лишь около 345 °C. Поэтому в активной зоне она остаётся жидкой: входит при температуре около 290 °C и выходит нагретой примерно до 320 °C.

Сердце установки — корпус реактора, стальной сосуд высотой около 11 м и диаметром около 4,5 м со стенкой толщиной около 20 см. Его делают из теплостойкой легированной стали (у ВВЭР-1000 — марки 15Х2НМФА), а внутреннюю поверхность покрывают наплавкой из нержавеющей стали. Корпус ВВЭР-1000 весит больше 300 т, а его диаметр ограничен в том числе возможностью перевозки по железной дороге.

Внутри корпуса стоит шахта — стальной стакан, в нижней части которого собрана активная зона. Вода входит через входные патрубки, опускается по кольцевому зазору между корпусом и шахтой, разворачивается в днище и поднимается через сборки, забирая тепло. Нагретая вода уходит через выходные патрубки к парогенераторам и, отдав тепло, насосами возвращается обратно. Через активную зону ВВЭР-1000 ежечасно проходит больше 80 000 м³ воды.

Этот замкнутый контур называют первым. Давление в нём держит компенсатор давления — высокий сосуд, частично заполненный водой, над которой стоит паровая «подушка»: электронагреватели повышают давление, впрыск более холодной воды снижает. Как тепло первого контура превращается в пар и электричество, рассказано в статье «Как работает атомная электростанция».

Топливо меняют на остановленном реакторе раз в 12–18 месяцев. Реактор расхолаживают, снижают давление и вскрывают, сняв крышку вместе с приводами стержней. Над активной зоной всё это время стоит слой воды с повышенным содержанием бора: он защищает людей от излучения и не даёт начаться цепной реакции.

Перегрузочная машина выгружает часть выгоревших сборок — обычно от четверти до трети, — переставляет остальные и устанавливает свежие. Каждая сборка проводит в реакторе несколько лет.

Разрез корпуса реактора ВВЭР (схема). Холодная вода входит через нижние патрубки, опускается по зазору между корпусом и шахтой, поворачивает в днище и поднимается через активную зону, нагреваясь примерно с 290 до 320 °C. Мощность регулируют поглощающие стержни, которые входят в зону сверху.

Как управляют мощностью и как глушат реактор

Мощностью ВВЭР управляют двумя способами. Быстрый — органы регулирования: пучки поглощающих стержней, которые приводы на крышке реактора опускают в направляющие каналы сборок или поднимают из них. Медленный — концентрация борной кислоты в воде первого контура; нейтроны поглощает изотоп бор-10, которого в природном боре около 20 %.

Бор хорош тем, что распределяется по активной зоне равномерно. В начале кампании, когда топливо свежее и даёт избыток нейтронов, бора в воде больше, а по мере выгорания топлива его концентрацию постепенно снижают. Стержни же нужны для быстрых изменений мощности и для управления распределением энерговыделения по высоте зоны.

Особая задача — аварийная защита. Во время работы большая часть стержней поднята над активной зоной и удерживается электромагнитными приводами. По сигналу защиты питание приводов снимается, и стержни под собственным весом за несколько секунд падают в зону. Пропадание электропитания приводит к тому же результату: конструкция сама работает на безопасность.

Помогает и физика. ВВЭР спроектирован так, что при росте температуры размножение нейтронов падает: нагретая вода становится менее плотной и хуже замедляет нейтроны, а горячий уран-238 сильнее их поглощает. Если вода в активной зоне вскипит или уйдёт, вместе с ней исчезнет замедлитель, и цепная реакция затухнет. Кроме того, системы безопасности могут быстро ввести в контур концентрированный раствор бора.

Заглушить реакцию — ещё не значит прекратить тепловыделение. Осколки деления продолжают распадаться: сразу после остановки они дают около 6–7 % прежней мощности, через час — около 1 %, через сутки — около 0,5 %. Для реактора на 3000 МВт в первые часы это десятки мегаватт, поэтому остаточное тепловыделение отводят специальные системы, в том числе пассивные, работающие без электропитания.

Остаточное тепловыделение после остановки, доля прежней мощности

• 6–7 %сразу после остановки
• ≈ 1 %через час
• ≈ 0,5 %через сутки

Для реактора на 3000 МВт в первые часы это десятки мегаватт.

Другие типы реакторов

ВВЭР — не единственное решение. Конструкторы по-разному выбирают замедлитель, теплоноситель и способ держать давление, и этот выбор определяет облик всего реактора.

РБМК: графит и кипящая вода

РБМК — реактор большой мощности канальный. Вместо одного корпуса у него графитовая кладка, пронизанная вертикальными трубами-каналами с топливными сборками внутри. Нейтроны замедляет графит, а вода, поднимаясь по каналам, закипает. Пар отделяется в барабанах-сепараторах и сразу идёт на турбину — схема одноконтурная.

Каналы независимы друг от друга, поэтому топливо в РБМК меняют на ходу, не останавливая реактор, с помощью разгрузочно-загрузочной машины. Канальной схеме не нужен огромный корпус, который трудно изготовить и перевезти.

Но замедляет нейтроны графит, а вода в основном их поглощает, и в исходном проекте образование пара в каналах усиливало цепную реакцию. Это свойство стало одной из причин аварии на Чернобыльской АЭС в 1986 году; после неё все реакторы РБМК модернизировали.

БН: быстрые нейтроны и натрий

Реакторы БН работают на быстрых нейтронах, и замедлителя в них нет вовсе. Активная зона компактна, тепло выделяется очень плотно, а вода не годится — она замедляла бы нейтроны. Тепло уносит жидкий натрий: он плавится при 98 °C, кипит около 880 °C и отлично проводит тепло. Поэтому давление в первом контуре близко к атмосферному, хотя натрий на выходе из зоны нагрет примерно до 550 °C.

Натрий в реакторе БН: от плавления до кипения

• 98 °Cплавится
• ≈ 550 °Cна выходе из активной зоны
• ≈ 880 °Cкипит

Давление в первом контуре при этом близко к атмосферному.

Натрий бурно реагирует с водой, поэтому схема трёхконтурная: радиоактивный натрий первого контура отдаёт тепло нерадиоактивному натрию второго, а тот нагревает воду и пар третьего. Главное достоинство быстрых реакторов — они способны превращать уран-238 в плутоний и нарабатывать новое топливо. Реакторы БН-600 и БН-800 построены на Белоярской АЭС; о замыкании топливного цикла — в статье «Ядерный топливный цикл».

Зарубежные аналоги

Ближайший родственник ВВЭР — западный PWR (pressurized water reactor, реактор с водой под давлением). Принцип тот же, различия в деталях: квадратные сборки вместо шестигранных, вертикальные парогенераторы вместо горизонтальных. В BWR (boiling water reactor) вода кипит прямо в корпусе при давлении около 7 МПа, пар идёт на турбину без промежуточного контура, а стержни управления вводят снизу.

Канадский CANDU — канальный реактор с тяжёлой водой, которая и замедляет нейтроны, и охлаждает топливо. Тяжёлая вода почти не поглощает нейтроны, поэтому топливом может служить природный, необогащённый уран, а перегрузка, как и в РБМК, идёт на ходу.

Почему реакторы такие разные

Выбор замедлителя тянет за собой всё остальное. Обычная вода дешева и компактна, но поглощает заметную долю нейтронов, поэтому водо-водяным реакторам нужен обогащённый уран. Тяжёлая вода и графит поглощают мало и позволяют обойтись природным или слабообогащённым ураном, зато тяжёлая вода дорога, а графитовая активная зона получается огромной.

Теплоноситель задаёт давление и температуру. Воде для высокой температуры нужно высокое давление, натрию — нет, но обращаться с ним сложнее. Корпусная схема компактна и держит давление в одном прочном сосуде; канальная обходится без гигантских поковок и позволяет менять топливо на ходу. У каждого решения своя цена, и потому в мире до сих пор работают реакторы разных типов.

Термины

• Активная зонаЧасть реактора, где находится ядерное топливо и идёт цепная реакция деления.
• ТвэлТепловыделяющий элемент — герметичная трубка из циркониевого сплава с топливными таблетками внутри.
• ТВСТепловыделяющая сборка — пучок твэлов в общем каркасе, который устанавливают в реактор и извлекают из него целиком.
• ТеплоносительВещество, которое прокачивают через активную зону для отвода тепла: вода, тяжёлая вода, жидкий натрий, газ.
• ЗамедлительВещество из лёгких ядер, снижающее энергию нейтронов до тепловой: обычная вода, тяжёлая вода, графит.
• Органы регулированияПодвижные стержни с поглотителями нейтронов, которыми управляют мощностью реактора.
• Аварийная защитаСистема, которая по сигналу опасности быстро вводит в активную зону поглощающие стержни и прекращает цепную реакцию.
• Остаточное тепловыделениеТепло от распада продуктов деления, которое топливо выделяет и после остановки реактора.

Частые вопросы

Из чего состоит ядерный реактор?

Основные части — активная зона с ядерным топливом, замедлитель (в реакторах на тепловых нейтронах), теплоноситель, стержни регулирования и аварийной защиты, отражатель, корпус или каналы и биологическая защита.

Почему вода в реакторе ВВЭР не кипит?

Первый контур находится под давлением около 16 МПа, а при таком давлении вода закипает лишь примерно при 345 °C. На выходе из активной зоны её температура около 320 °C, так что до кипения остаётся запас.

Как часто меняют топливо в атомном реакторе?

В ВВЭР — раз в 12–18 месяцев на остановленном реакторе: выгружают часть отработавших сборок, остальные переставляют и добавляют свежие. В канальных реакторах РБМК и CANDU топливо меняют на ходу, без остановки.

Чем ВВЭР отличается от РБМК?

ВВЭР — корпусной реактор, в котором обычная вода под давлением и замедляет нейтроны, и охлаждает топливо, а пар для турбины получают во втором контуре. РБМК — канальный реактор с графитовым замедлителем: вода кипит прямо в каналах, и пар идёт на турбину без промежуточного контура.

Как останавливают ядерный реактор?

По сигналу аварийной защиты поглощающие стержни под собственным весом за несколько секунд падают в активную зону, и цепная реакция прекращается. Топливо после этого ещё выделяет остаточное тепло, поэтому охлаждение продолжает работать.