Тяжеловодные реакторы CANDU и PHWR: природный уран и тяжёлая вода

• 0,72 %урана-235 в природном уране, на котором работает CANDU
• 380горизонтальных каналов в реакторе CANDU-6
• 4560топливных пучков в активной зоне CANDU-6
• 99,75 %D₂O — минимум для тяжёлой воды реакторной чистоты

Зачем нужна тяжёлая вода

Чтобы цепная реакция шла на тепловых нейтронах, быстрые нейтроны деления нужно замедлить, и лучше всего это делают лёгкие ядра. Водород обычной воды тормозит нейтроны лучше всех, но заметно их и поглощает. Поэтому водо-водяным реакторам нужен обогащённый уран, в котором урана-235 3–5 % вместо природных 0,72 %; как уран обогащают, рассказано в статье «Ядерный топливный цикл».

Тяжёлая вода D₂O — вода, в которой обычный водород замещён дейтерием, изотопом водорода с протоном и нейтроном в ядре; об изотопах водорода — в статье «Изотопы и радиоактивность». Дейтерий поглощает тепловые нейтроны в сотни раз слабее обычного водорода. Нейтронов теряется так мало, что цепную реакцию удаётся поддерживать в природном уране — без обогащения.

Платить за это приходится размерами. Дейтерий вдвое тяжелее обычного водорода, нейтрону нужно больше столкновений, чтобы замедлиться, поэтому каналы с топливом расставляют просторнее, и активная зона получается заметно больше, чем у ВВЭР.

Реакторы, где тяжёлая вода служит и замедлителем, и теплоносителем под давлением, называют PHWR (pressurized heavy water reactor). Самая известная их ветвь — канадские CANDU: название сложено из слов Canada, deuterium, uranium. Коротко о CANDU сказано в статье «Как устроен ядерный реактор», здесь — подробнее.

Как получают тяжёлую воду

Дейтерий есть в любой воде: в водороде морской воды примерно один атом дейтерия приходится на 6400 атомов обычного водорода. Выделить его трудно, потому что химически изотопы почти не различаются. Основной промышленный способ — изотопный обмен между водой и сероводородом при двух температурах: в холодной колонне дейтерий переходит из газа в воду, в горячей — обратно в газ, и ступень за ступенью вода обогащается дейтерием. До нужной чистоты её доводят дистилляцией.

Для реактора нужна вода реакторной чистоты — не меньше 99,75 % D₂O. На энергоблок её требуются сотни тонн, и стоит она дорого, поэтому каждую протечку на станции собирают, а разбавленную воду доочищают.

Каландр и каналы давления

Сердце CANDU — каландр: горизонтальный цилиндрический бак из нержавеющей стали, заполненный тяжеловодным замедлителем. Давления в нём почти нет, а температура воды на входе — около 70 °C. С обоих концов каландр закрыт защитными экранами, заполненными стальными шариками и водой, а сам стоит в облицованной сталью бетонной шахте с обычной водой.

Сквозь каландр от торца к торцу проходят горизонтальные топливные каналы — в CANDU-6 их 380, длина активной зоны около 6 м. Как и в РБМК, давление теплоносителя держит не общий корпус, а каждый канал в отдельности, только вокруг каналов не графит, а тяжёлая вода; о канальной схеме подробно — в статье «Канальные реакторы РБМК».

Канал устроен как труба в трубе:

• Труба давления. Внутренняя, из сплава циркония с 2,5 % ниобия, внутренним диаметром около 103 мм. В ней лежат пучки топлива и течёт горячий теплоноситель.
• Труба каландра. Наружная, из циркониевого сплава; её концы развальцованы в трубных досках каландра, и она отделяет канал от замедлителя.
• Газовый зазор. Кольцевой зазор между трубами заполнен углекислым газом и теплоизолирует горячую трубу давления от холодного замедлителя. Четыре дистанционирующие пружины не дают трубам соприкоснуться.
• Концевые фитинги. Детали из нержавеющей стали на обоих концах трубы давления. К ним подходят трубы-фидеры с теплоносителем, а в торцах стоят съёмные пробки, которые открывает перегрузочная машина.

Устройства регулирования и аварийной защиты входят в каландр сверху и сбоку, между рядами каналов, — в холодный замедлитель без давления, а не в контур теплоносителя. Мощностью управляют отсеки с обычной водой, уровень которой меняют, и поглощающие стержни. Глушат реактор две независимые системы: кадмиевые стержни, падающие в зону, и впрыск раствора нитрата гадолиния в замедлитель.

Около 4 % тепла реактора выделяется в самом замедлителе — в основном от гамма-излучения и при замедлении нейтронов. Это тепло уносят насосы и теплообменники системы замедлителя. Большой объём холодной тяжёлой воды служит и запасом на случай аварии: в него может уходить тепло каналов, если откажет их охлаждение.

Тяжёлая вода в CANDU работает дважды: замедлителем и теплоносителем

Теплоноситель, второй контур и тритий

Теплоноситель — тоже тяжёлая вода, но горячая и под давлением около 10 МПа. В CANDU-6 она входит в каналы при температуре около 266 °C и выходит нагретой примерно до 310 °C. Каждый канал соединён с коллекторами двумя трубами-фидерами, по одной на каждом конце, а в соседних каналах теплоноситель течёт навстречу друг другу.

Контур разделён на две петли, каждая охлаждает половину каналов. Петля устроена «восьмёркой»: теплоноситель дважды проходит через активную зону в противоположных направлениях, а между проходами отдаёт тепло в парогенераторе и снова разгоняется насосом. Всего в CANDU-6 четыре парогенератора с U-образными трубками и четыре насоса, а давление держит компенсатор давления.

Внутри трубок парогенератора течёт тяжёлая вода, снаружи кипит обычная вода второго контура, и пар давлением около 4,7 МПа идёт на турбину. Схема двухконтурная, как у ВВЭР: радиоактивная тяжёлая вода остаётся в первом контуре.

Тяжёлая вода в реакторе постепенно накапливает тритий: ядро дейтерия захватывает нейтрон и становится тритием — радиоактивным изотопом водорода с периодом полураспада около 12,3 года. Больше всего трития в замедлителе, который всё время находится в потоке нейтронов, и на единицу мощности CANDU нарабатывает его больше, чем реакторы других распространённых типов.

Поэтому за тяжёлой водой следят строго: протечки собирают, пары улавливают осушителями воздуха, поступление трития в организм персонала контролируют. Из тяжёлой воды тритий извлекают на специальных установках — такую в 1990 году пустили на канадской АЭС Дарлингтон. Извлечённый тритий используют, например, в светящихся без электропитания указателях и в исследованиях по термоядерному синтезу.

Тяжеловодный реактор CANDU (схема). Горизонтальный бак-каландр заполнен тяжёлой водой — замедлителем, она почти не поглощает нейтроны, поэтому реактор работает на природном уране. Сквозь каландр проходят горизонтальные каналы давления с короткими пучками твэлов, по ним течёт теплоноситель — тоже тяжёлая вода — и уносит тепло в парогенератор. Перегрузочные машины с двух торцов меняют пучки на ходу: одна вставляет свежие, другая принимает отработавшие.

Топливо и перегрузка на ходу

Топливо CANDU-6 — таблетки природного диоксида урана в оболочках из циркониевого сплава циркалой-4. Твэлы короткие, около полуметра, и собраны по 37 штук в цилиндрический топливный пучок диаметром около 10 см и массой около 24 кг. Твэлы держат торцевые пластины, а друг от друга их отделяют напаянные дистанционирующие элементы. Оболочка тонкая — около 0,4 мм — и под давлением теплоносителя прижимается к таблеткам.

В канале CANDU-6 лежат 12 пучков, а во всей активной зоне — 4560. Бывают пучки и из 28 твэлов, в индийских реакторах на 220 МВт — из 19, а в канадском варианте CANFLEX — из 43.

Перегрузку ведут на ходу две перегрузочные машины — по одной с каждого торца реактора. Обе стыкуются с концевыми фитингами одного канала и снимают пробки. Одна машина вталкивает в канал свежие пучки по направлению течения теплоносителя, другая принимает вытесненные отработавшие. Обычно за одну операцию меняют 4 или 8 пучков из 12, а за неделю перегружают около 10 каналов.

Перегрузка CANDU на ходу: две машины на одном канале

1. Стыковкамашины подходят к каналу с обоих торцов и стыкуются с фитингами
2. Снятие пробокобе машины открывают канал
3. Загрузкаодна вталкивает свежие пучки по направлению течения теплоносителя
4. Приёмдругая принимает вытесненные отработавшие пучки
5. Выдержкаотработавшие пучки передают в бассейн выдержки

Обычно за одну операцию меняют 4 или 8 пучков из 12, а реактор продолжает работать.

Отработавшие пучки машина передаёт в бассейн выдержки. Природный уран выгорает неглубоко, поэтому пучков через реактор проходит много, и отработавшего топлива по массе получается больше, чем у ВВЭР такой же мощности. Зато пучок с повреждённой оболочкой можно извлечь, не останавливая реактор.

Где строили тяжеловодные реакторы

Канада занялась тяжеловодными реакторами ещё в годы Второй мировой войны. В 1945 году в Чок-Ривере заработал ZEEP — маленький экспериментальный реактор на тяжёлой воде и природном уране, первый реактор за пределами США. В 1962 году ток в сеть дала демонстрационная АЭС NPD, в 1967 году — АЭС Дуглас-Пойнт мощностью около 200 МВт, а с 1971 года вступили в строй блоки больших станций провинции Онтарио — сначала Пикеринг, затем Брюс и Дарлингтон.

Канадская тяжеловодная программа: от ZEEP до Пикеринга

• 1945ZEEP в Чок-Ривере — первый реактор за пределами США
• 1962демонстрационная АЭС NPD даёт ток в сеть
• 1967АЭС Дуглас-Пойнт мощностью около 200 МВт
• 1971первые блоки АЭС Пикеринг в Онтарио

Самой распространённой моделью CANDU стал CANDU-6 мощностью около 700 МВт: такие блоки строили и в Канаде, и за её пределами. Индия начала с канадского проекта и затем развила собственную линию PHWR на 220, 540 и 700 МВт. В Аргентине, кроме CANDU-6, построены тяжеловодные реакторы немецкой разработки на АЭС Атуча — корпусные, а не канальные.

Плюсы и минусы

Сильные и слабые стороны тяжеловодной схемы вытекают из одного выбора — тяжёлой воды и каналов. Достоинства:

• Природный уран. Обогащение не нужно — это важно для стран без собственных разделительных производств. Запас нейтронов позволяет использовать и другие виды топлива с малым содержанием делящихся ядер.
• Нет большого корпуса. Давление держат трубы диаметром около 10 см, а не толстостенный сосуд из уникальных поковок.
• Перегрузка на ходу. Не нужны остановы ради перегрузки, повреждённое топливо можно извлечь в любой момент.

Недостатки:

• Дорогая тяжёлая вода. Сотни тонн на блок, плюс затраты на сбор протечек и доочистку.
• Большая активная зона. Реактор и здание крупнее, а отработавшего топлива по массе больше.
• Положительный пустотный эффект. Если теплоноситель в каналах вскипит или уйдёт, реактивность растёт. Замедлитель при этом остаётся на месте, и эффект ограничен, но его должны быстро погасить две независимые системы останова.
• Тритий. Нужны контроль облучения персонала и выбросов, а лучше — извлечение трития.
• Старение каналов. Под облучением и давлением трубы давления удлиняются, растут в диаметре, провисают и набирают водород. Поэтому в середине срока службы блок надолго останавливают и меняют все каналы и фидеры.

Что важно изготовителю

Оборудование CANDU — это тысячи одинаковых точных деталей и несколько крупных систем, у каждой из которых свои требования.

Трубы давления и трубы каландра — длинные тонкостенные трубы из циркониевых сплавов. Кроме размеров, жёстко нормируют структуру металла и содержание водорода: избыток водорода даёт хрупкие гидриды, которые опасны для трубы, десятилетиями работающей под давлением. Каждую трубу по всей длине проверяют ультразвуком.

Концевые фитинги — крупные точёные детали из нержавеющей стали. С трубой давления их соединяют вальцовкой, поэтому посадочные поверхности обрабатывают очень точно, а уплотнение под пробку должно выдерживать многократное открытие и закрытие перегрузочной машиной под полным давлением.

Перегрузочные машины — сложные механизмы с прецизионными приводами, уплотнениями и магазинами для пучков. Теплообменники тяжёлой воды — парогенераторы и теплообменники замедлителя — должны быть особенно плотными: каждая течь означает потерю дорогой воды, содержащей тритий. Фидеры — сотни гнутых труб из углеродистой стали на торцах реактора, у которых в работе следят за утонением стенки от эрозионно-коррозионного износа.

Отдельная большая работа — замена каналов при восстановлении блока: для неё делают специальную оснастку для резки и извлечения старых труб, а новые трубы, фитинги и фидеры поставляют комплектами на весь реактор. Требования к изделиям задают нормы страны-заказчика, но принципы те же, что и для ВВЭР: чистота нержавеющей стали и циркония, полный пакет документов и прослеживаемость каждой трубы и поковки.

Термины

• Тяжёлая водаВода D₂O, в которой обычный водород замещён дейтерием; слабо поглощает нейтроны и служит замедлителем.
• PHWRТяжеловодный реактор с теплоносителем под давлением; самая известная ветвь — канадские CANDU.
• КаландрГоризонтальный бак реактора CANDU с тяжеловодным замедлителем, сквозь который проходят топливные каналы.
• Труба давленияВнутренняя труба топливного канала из сплава циркония с ниобием, в которой лежат пучки топлива и течёт теплоноситель.
• Топливный пучокКороткая цилиндрическая сборка твэлов из природного урана, которую загружают в канал CANDU.
• Перегрузочная машинаМашина, которая стыкуется с торцом канала работающего реактора и загружает или принимает пучки топлива.
• Пустотный эффект реактивностиИзменение реактивности при вскипании или потере теплоносителя в каналах; у CANDU он положительный.
• ТритийРадиоактивный изотоп водорода с периодом полураспада около 12,3 года; образуется в тяжёлой воде под нейтронами.

Частые вопросы

Почему реактор CANDU может работать на природном уране?

Его замедлитель и теплоноситель — тяжёлая вода, а дейтерий поглощает нейтроны в сотни раз слабее обычного водорода. Нейтронов теряется так мало, что цепная реакция идёт даже при 0,72 % урана-235 в природном уране.

Что такое каландр?

Горизонтальный цилиндрический бак из нержавеющей стали, заполненный тяжеловодным замедлителем при низкой температуре и почти без давления. Сквозь него проходят горизонтальные каналы давления с топливом — в CANDU-6 их 380.

Как в CANDU меняют топливо?

На ходу, без остановки реактора: две перегрузочные машины стыкуются с одним каналом с обоих торцов, одна вталкивает свежие пучки, другая принимает вытесненные отработавшие. Обычно за операцию меняют 4 или 8 пучков из 12.

Откуда в тяжеловодном реакторе тритий?

Ядра дейтерия захватывают нейтроны и превращаются в тритий, больше всего — в замедлителе. Его контролируют, а на некоторых станциях извлекают из тяжёлой воды и используют, например, в светящихся указателях и термоядерных исследованиях.

В каких странах работают тяжеловодные реакторы?

Реакторы CANDU и родственные PHWR построены в Канаде, Индии, Аргентине, Южной Корее, Румынии и Китае. Самая распространённая модель — CANDU-6 мощностью около 700 МВт.