АЭС с водо-водяными энергетическими реакторами

Водо-водяные энергетические реакторы получили наибольшее распространение из-за своей компактности и относительно простой и надежной конструкции. В настоящее время на АЭС применяют реакторы ВВЭР-440 и ВВЭР-1000.

Принципиальная технологическая схема блока АЭС с реактором ВВЭР-440 показана на рисунке 1. Тепловая схема блока — двухконтурная. Обычная не кипящая вода, используемая в качестве теплоносителя и замедлителя, циркулирует под давлением 7—16 МПа (в зависимости от типа реактора), создаваемым главным циркуляционным насосом (ЩН) 3, в результате этого осуществляется перенос тепловой энергии от реактора 1 к парогенератору 4. Высокое давление теплоносителя возможно только при размещении активной зоны реактора внутри защитного стального корпуса.

Для повышения надежности и безопасности работы АЭС тепло-отвод от активной зоны реактора выполняют в виде нескольких самостоятельных циркуляционных петель. Например, первый радиоактивный контур реактора ВВЭР-440 имеет шесть петель. Увеличение числа циркуляционных петель усложняет конструкцию, технологическую схему и создает трудности в эксплуатации, следовательно, увеличиваются капитальные вложения в установку. Более перспективной является четырехпетлевая схема охлаждения реактора ВВЭР-1000.

Первый радиоактивный контур помимо циркуляционного контура имеет вспомогательные системы: компенсации температурных изменений объема теплоносителя, его подпитки и очистки; охлаждения бассейна перегрузки и выдержки; управления и защиты реактора; борного регулирования; аварийного расхолаживания реактора и снижения давления в защитной оболочке; дегазации теплоносителя и снижения взрывоопасной концентрации водорода.

Использование ГЦН с большими маховыми массами позволяет перейти на режим естественной циркуляции теплоносителя в первом контуре при потере питания в системе собственных нужд (СН) станции, так как увеличивается время выбега агрегата и не обязательно использовать энергию выбега турбогенераторов.

Для поддержания постоянного давления в первом контуре реактора в стационарных и переходных режимах применяют паровой компенсатор 2, в водяном объеме которого находятся электронагреватели, создающие паровую подушку и поддерживающие соответствующую температуру воды Регулировочная группа электронагревателей предотвращает вскипание теплоносителя при потере питания в системе СН станции, поэтому требует бесперебойного электроснабжения. Компенсатор подключают к одной из циркуляционных петель до главной запорной задвижки 5.

Система очистки теплоносителя и возвращения его в контур циркуляции включает регенеративный теплообменник 6, доохладитель продувки 7 и фильтровальную группу 8. Так как в фильтрах наполнителями являются органические смолы, работающие при 60°С, продувочная вода в элементах 6 и 7 охлаждается до 45—50 °С.

Восполнение потерь теплоносителя первого контура и поддержание заданного водного режима осуществляются из деаэратора 10 подпиточными насосами 9, требующими повышенной надежности электроснабжения, производительность которых должна быть в несколько раз выше производительности рабочих насосов. Степень надежности электроснабжения аварийных насосов такая же, как и рабочих.

Для хранения и выдержки отработавших в реакторе тепловыделяющих элементов (ТВЭЛов) предназначена система охлаждения бассейна перегрузки и выдержки, включающая в себя теплообменник и насос контура расхолаживания, к электроснабжению которого предъявляют повышенные требования. Температура воды в бассейне перегрузки и выдержки не должна превышать 60 °С

Одной из важнейших является система управления и защиты реактора (СУЗ), которая обеспечивает его пуск, вывод на определенный режим работы и поддержание заданного режима по мощности, а также выравнивание полей энерговыделения по объему активной зоны и аварийный останов (защиту). Электропривод механизмов этой системы требует особо надежного питания

Система управления и защиты реактора имеет две независимые друг от друга части, основанные на разных принципах действия: систему механических органов (кассеты СУЗ) и систему борного регулирования.

Система механических органов СУЗ обеспечивает ввод отрицательной реактивности в реактор при аварийных режимах. Кассета СУЗ для реактора ВВЭР-440 состоит из поглотителя (верхняя часть) и ядерного топлива (нижняя часть) При взведении кассеты СУЗ поглотитель извлекается из активной зоны, а его место занимает топливная часть. Внутри шестигранного чехла поглотителя СУЗ размещены вкладыши из борированной стали, поглощающие тепловые нейтроны. Наличие воды внутри поглотителя обеспечивает непрозрачность для быстрых нейтронов, а сам поглотитель СУЗ является ловушкой для них. Быстрые нейтроны замедляются в воде и поглощаются бором, тепловые при прохождении замедляются в воде и поглощаются в борированных вкладышах. При извлечении поглотителя из активной зоны эффективность поглощения нейтронов шестигранной водяной полостью составляет 70 % от эффективности поглотителя СУЗ. Это свойство поглощения используют при перегрузке топлива.

Рисунок 1 – Принципиальная технологическая схема блока АЭС с реактором ВВЭР-440

1- ревктор; 2-компенсатор давления; 3, 9, 23 – ГЦН, подпиточный и питательный насосы; 4-парогенератор; 5-главные запорные задвижки; 6-регенеративный теплообменник; 7-доохладитель продувки; 8-фильтровальная группа; 10-деаэратор подпитки; 11, 13-баки «грязного» и «чистого» конденсата; 12-выпарной аппарат; 14-стопорный клапан турбины; 15, 17-цилиндры высокого и низкого давлений; 16 – сепаратор-пароперегреватель; 18-конденсатор; 19-эжектор; 20-регенеративные подогреватели питательной воды; 21 – спецводоотчистка второго контура; 22-деаэратор.

Эффективность кассет СУЗ зависит от их местоположения в активной зоне, температуры активной зоны и концентрации борной кислоты в реакторе.

Механическая система управления и защиты ВВЭР-1000 включает в себя 109 приводов, каждый из которых способен перемещать пучок (кластер), состоящий из 12 стержней — поглотителей, внутри кассеты в пределах активной зоны. Приводы СУЗ, объединенные в группы, перемещают кластеры одновременно.

Борная кислота вводится в теплоноситель для равномерного распределения поглотителя в активной зоне. Уменьшение неравномерности энерговыделения обусловлено тем, что раствор борной кислоты изменяет нейтронно-физические характеристики активной зоны, в то время как поглощающие стержни действуют преимущественно на ближайшие части зоны.

Медленные изменения реактивности (выгорание топлива) компенсируются изменением концентрации раствора борной кислоты в теплоносителе. Для аварийных ситуаций предусмотрена быстродействующая система аварийного впрыска бора.

Таким образом, система борного регулирования в ВВЭР обеспечивает компенсацию медленных изменений реактивности, а система механических органов управления — регулирование мощности реактора в нестационарных режимах и компенсацию реактивности при плановых и аварийных остановах.

Система аварийного охлаждения активной зоны (САОЗ), предназначенная для подачи в нее раствора бора при разуплотнениях циркуляционной системы, состоит из пассивной и активной частей.

Пассивная часть (система залива) включает в себя две группы гидроаккумуляторов, производительность которых достаточна для предотвращения расплавления оболочек ТВЭЛов и создания запаса времени для включения в работу активной части (системы впрыска).

Система впрыска имеет три независимые группы, каждая из которых обеспечивает аварийное охлаждение активной зоны и состоит из бака аварийного запаса водного раствора бора, аварийных насосов высокого и низкого давления и теплообменника.

Спринклерная система, предназначенная для охлаждения и очистки воздуха в боксах при нормальных и послеаварийных режимах, а также для отвода теплоты из помещений локализации аварии, имеет три независимые группы, включающие в себя спринклерный насос. Спринклерные группы получают питание от автономных источников.

Второй контур (нерадиоактивный) выполняют аналогично технологической схеме обычной конденсационной станции (КЭС). Пар из парогенератора 4 поступает в цилиндр высокого давления (ЦВД) 15, а затем через сепаратор-пароперегреватель 16—в цилиндры низкого давления (ЦНД) 17 турбины, после чего конденсируется в конденсаторе 18. Далее через подогреватели низкого давления вода поступает в деаэратор 22, из которого питательным насосом 23 подается в парогенератор 4 через подогреватели высокого давления.

Особенностью второго контура является работа турбины на насыщенном паре средних давлений, что приводит к увеличению удельного расхода пара, а следовательно, мощностей конденсатных, циркуляционных и питательных насосов. Поэтому рабочие питательные насосы имеют турбопривод, а пускорезервные и аварийные — электропривод.

Рисунок 2 – Поперечный разрез главного корпуса АЭС с реакторами ВВЭР-1000

1-контейнер; 2-бассейн перегрузки и выдержки; 3-перегрузочная машина; 4-реактор; 5-компенсатор объема; 6-барбатер; 7-деаэратор; 8-дополнительная гидроаккумулирующая емкость; 9-турбоагрегат; 10-машинный зал; 11-регенеративные подогреватели.

Для подачи воды в парогенератор при исчезновении напряжения в системе СН станции аварийные питательные насосы присоединяют к системе надежного питания. Парогенераторы с реакторами ВВЭР представляют собой двухконтурные горизонтальные теплообменники с погруженной поверхностью теплообмена. Сепарационные устройства парогенераторов имеют естественную циркуляцию рабочего тела.

На рисунке 2 приведен поперечный разрез главного корпуса АЭС с реакторами ВВЭР-1000, на котором показано размещение основного оборудования станции. Ядерное топливо, находящееся в ТВЭЛах, доставляется на станцию в контейнерах 1 и перегрузочной машиной 3 загружается в активную зону реактора 4. Кассеты с отработавшими ТВЭЛами помещаются в бассейн 2, где выдерживаются в течение определенного времени для снижения радиоактивности горючего и материала кассет После этого кассеты в контейнерах вывозят на перерабатывающие заводы.

В реакторном зале находятся компенсатор объема 5, барбатер 6, дополнительная гидроаккумулирующая емкость 8. Пар от парогенераторов (на рисунке не показано) направляется в турбоагрегат 9 машинного зала 10, на нулевой отметке которого размещены регенеративные подогреватели 11 Деаэраторы 7 устанавливаются между реакторным помещением и турбинным цехом.