Устройство и технические характеристики реактора РБМК

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ЯДЕРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ 

«МИФИ»

 

 

 

 

 

 

РЕФЕРАТ

на тему:

«Устройство и технические характеристики реактора РБМК»

 

                                                                                     Выполнил: студент гр.  М03-02

Иванов Н.В.

 

Преподаватель: Свирков В.В.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Москва

2015 

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

I. ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………....3

II. Устройство и физические характеристики реактора РБМК…5

2.1 Описание конструкции и технических характеристик реактора…………………………………………………………….5

2.2 Металлоконструкции реактора РБМК…………………….….9

2.3 Состав и устройство активной зоны реактора……………...13

2.4 Графитовая кладка реактора…………………………………14

2.5 Конструкция ТВС и технологического канала……………..17

2.6 Стержни СУЗ реактора  РБМК…………………………….…21

III. ЗАКЛЮЧЕНИЕ……………………………………………….25

IV. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ………....26

 

 

 

 

 

I. Введение

Разработка РБМК явилась значительным шагом в развитии атомной энергетики СССР, поскольку такие реакторы позволяют создать крупные АЭС большой мощности.

Из двух типов реакторов на тепловых нейтронах - корпусных водо-водяных и канальных водографитовых, использовавшихся в атомной энергетике Советского Союза, последние оказалось проще освоить и внедрить в жизнь. Это объясняется тем, что для изготовления канальных реакторов могут быть использованы общемашиностроительные заводы и не требуется такого уникального оборудования, которое необходимо для изготовления корпусов водо-водяных реакторов. 

До аварии на Чернобыльской АЭС в СССР существовали обширные планы строительства таких реакторов, однако после аварии планы по сооружению энергоблоков РБМК на новых площадках были свернуты. После 1986 года были пущены два реактора РБМК: РБМК-1000 Смоленской АЭС (1990г) и РБМК-1500 Игналинской АЭС (1987). Еще один реактор РБМК-1000 5-го блока Курской АЭС находится в стадии достройки (~70-80 % готовности). После аварии на Чернобыльской АЭС были проведены дополнительные исследования и модернизация. В настоящее время реакторы РБМК не уступают по безопасности и экономическим показателям отечественным и зарубежным АЭС того же периода постройки. На сегодняшний день приемлемый уровень безопасности РБМК подтвержден на национальном уровне, а также международными экспертизами.

Реактор РБМК (Реактор Большой Мощности Канальный) Разработан в 1960-е годы Курчатовским институтом. Первый энергоблок с реактором типа РБМК-1000 пущен в 1973 г. году на Ленинградской АЭС. В общей сложности сдано в эксплуатацию 17 энергоблоков с РБМК. Вклад АЭС с реакторами РБМК в общую выработку электроэнергии всеми АЭС России составляет порядка 50 % .

Первоначально проект РБМК был разработан на электрическую мощность 1000 МВт, чему при выбранных параметрах соответствовала тепловая мощность реактора 3200 МВт. При имеющемся в реакторе количестве рабочих каналов (1693) и полученном коэффициенте неравномерности тепловыделения в активной зоне реактора максимальная мощность канала составляла около 3000 кВт.

В числе аргументов в пользу РБМК выдвигались преимущества, обусловленные лучшими физическими характеристиками активной зоны, в первую очередь лучший баланс нейтронов, обусловленный слабым поглощением графита, и возможность достичь глубокого выгорания урана благодаря непрерывным перегрузкам топлива. Расход природного урана на единицу выработанной энергии, в то время считавшийся одним из главных критериев экономичности, оказывался примерно на 25 % ниже, чем в ВВЭР.

 

 

 

II. Устройство и физические характеристики РБМК.

2.1 Описание конструкции  и технических характеристик.

Реактор РБМК-1000 (рис. 2.1) тепловой мощностью 3200 МВт представляет собой систему, в которой в качестве теплоносителя используется легкая вода, а в качестве топлива - двуокись урана.

Реактор РБМК-1000 - гетерогенный, уран-графитовый, кипяще- го типа, на тепловых нейтронах предназначен для выработки насыщенного пара давлением 70 кг/см2. Теплоноситель - кипящая вода. Основные технические характеристики реактора приведены в табл. 2.1.

Рис. 2.1. Разрез блока с реактором РБМК-1000

Реактор состоит из набора вертикальных каналов, вставленных в цилиндрические отверстия графитовых колонн, а также верхней и нижней защитных плит. Легкий цилиндрический корпус (кожух) замыкает полость графитовой кладки.

Кладка состоит из собранных в колонны графитовых блоков квадратного сечения с цилиндрическими отверстиями по оси. Кладка опирается на нижнюю плиту, которая передает вес реактора на бетонную шахту. Топливные каналы и каналы регулирующих стержней проходят через нижние и верхние   металлоконструкции. Приводы регулирующих стержней расположены над активной зоной в районе верхней защитной конструкции реакторного зала.

Реактор оснащен двумя  одинаковыми  петлями  охлаждения (рис. 2.2). К каждой петле подключено по 840 параллельных верти- кальных каналов с тепловыделяющими сборками (ТВС).

Петля охлаждения имеет четыре параллельно включенных глав- ных циркуляционных насоса (три работающих,  подающих  по  7000 т/ч воды с напором 1,5 МПа, и один резервный).

Вода в каналах нагревается до кипения и частично испаряется. Пароводяная смесь со средним массовым паросодержанием 14 % отводится через верхнюю часть канала и пароводяную коммуника- цию в два горизонтальных гравитационных сепаратора. Отделен- ный в  них  сухой  пар  (влажность  не  более  0,1 %)  при  давлении 7 МПа поступает из каждого сепаратора по двум паропроводам в две турбины электрической мощностью по 500 МВт, а вода после смешения с конденсатом пара по 12 опускным трубам подается во всасывающий коллектор ГЦН.

Рис. 2.2. Петля циркуляции теплоносителя

 

Теплоноситель поступает в топливные каналы снизу при темпе- ратуре 270 °С. Расход теплоносителя по каждому топливному каналу может регулироваться независимо индивидуальным запорно-регулирующим клапаном.

 

Основные технические характеристики реактора

Таблица 2.1

Параметрр	Величина
Номинальная тепловая мощность реактора, кВт	3,2´106
Номинальный расход теплоносителя через реактор, м3/ч	48-50´103
Паропроизводительность, т/ч	5400
Среднее массовое паросодержание на выходе из реактора, %	14,5
Температура теплоносителя, °С, на входе в ТК/ на выходе из ТК	270/284,5
Давление теплоносителя, кгс/см2, на входе в ТК/ на выходе из ТК	79,6/75,3
Загрузка реактора, т	189,7
Обогащение топлива, %	2,4
Выгорание топлива в ТВС, МВт·сут/т, среднее по реактору в стационарном режиме перегрузок (кампания 1300 эфф. сут)	22 500
Общее количество ТК – 1661 шт., из них:
ТК для установки ТВС	1156
Общее количество каналов СУЗ - 227, из них под установку:
стержней БАЗ	24
стержней ЛАР	12
стержней РР	143
стержней УСП	32
ДКЭ по высоте активной зоны	12
Диаметр активной зоны, мм	12 000
Высота активной зоны, мм	7000
Толщина бокового отражателя, мм	1000
Шаг технологической решетки, мм	250´250
Проектный срок службы реактора, лет	30

 

 

Достоинства. Пониженное, по сравнению с корпусными ВВЭР, давление воды в первом контуре; нет дорогостоящих и сложных парогенераторов; нет принципиальных ограничений на размер активной зоны; более полное использование ядерного топлива; возможность наработки оружейногоплутония; замена топлива без остановки реактора благодаря независимости каналов друг от друга.

Недостатки. Наличие положительного парового коэффициента реактивности (при увеличении парообразования в каналах реактор разгоняется), что в определённых ситуациях может привести к неконтролируемому росту мощности; Конструкция всех реакторов РБМК была подвергнута усовершенствованиям. Для устранения положительного парового коэффициента реактивности в активную зону были установлены дополнительные поглотители и был осуществлён переход на использование более обогащённого урана (2,4 %). Была также изменена конструкция стержней аварийной защиты и внедрена дополнительная система быстродействующей аварийной защиты.

2.2 Металлоконструкции реактора РБМК-1000

Реактор размещен в бетонной шахте квадратного сечения размером 21,6´21,6´25,5 м. На рис. 2.3 и 2.4 показаны метало- конструкции реактора РБМК-1000, которые расположены в бетонной шахте.

По обе стороны ЦЗ симметрично вертикальной плоскости, проходящей через центр реактора и направленной в сторону БВ, расположены помещения основного оборудования: петель ГЦН, БС, шахты опускных трубопроводов, помещения коллекторов ГЦН. Над сепараторами размещены паровые коллекторы. Под плитным настилом - коммуникации трубопроводов ПВК.

Трубопроводы НВК расположены в помещениях РГК и под схемой «ОР».

Передача усилий от веса внутренних узлов, сборок и коммуникаций реактора на бетон, а также герметизация внутренней полости реактора осуществляются с помощью сварных МК, одновременно выполняющих роль биологической защиты. К металлоконструкциям  относятся  следующие  конструктивные  элементы:  схемы «С»,

«ОР», «КЖ», «Л» и «Д», «Е», «Г», плитный настил, «Э». Все пере- численные схемы представлены на продольном разрезе реактора (см. на рис. 2.4).

Металлоконструкция схемы «С» является основной опорной металлоконструкцией для схемы «ОР». Передает вес от нижней металлоконструкции схемы «ОР», графитовой кладки и НВК на закладные части крестообразной фундаментной плиты из жаропрочного железобетона на отметке +11,21 м. Две отдельно стоящие стойки служат опорами боковой биологической защиты.

Металлоконструкция схемы «ОР» служит опорой для графитовой кладки, схемы

Рис. 2.3. Реактор РБМК-1000

 

Рис. 2.4. Продольный разрез реактора РБМК-1000

«КЖ» и коммуникаций низа реактора, является нижней биологической защитой реактора.

Металлоконструкция схемы «ОР» соединена с корпусом боковой биозащиты двумя (верхним и нижним) сильфонными компенсаторами.

Металлоконструкции схем «Л» и «Д» являются боковой биозащитой реактора, снижают потоки излучения на бетон шахты; служат тепловым экраном; способствуют охлаждению кожуха реактора. Металлоконструкция схемы «Л» является также опорной конструкцией для схемы «Е».

Металлоконструкция схемы «Д» - верхняя часть биозащиты, опирающаяся на металлоконструкцию схемы «Л».

В металлоконструкциях схем «Л» и «Д» размещены каналы рабочих и пусковых ионизационных камер (РИК и ПИК), а также дренажные трубы и гильзы термопар (по одной на каждый отсек) для замера температуры воды в отсеках.

Монтажное пространство, образованное внешним цилиндром МК схем «Л» и «Д» и шахтой реактора, заполнено песком, который служит дополнительной биозащитой.

Металлоконструкция схемы «Е» служит верхней биологической защитой реактора и опорой для ТК, спецканалов, плитного настила и трубопроводов коммуникаций верха реактора. Схема «Е»,

Металлоконструкция схемы «Г» представляет собой плиты и короба перекрытия на отметке 35,5 м, которые служат биологической защитой ЦЗ от ионизирующих излучений верхних коммуникаций реактора. В пространстве между коробами и плитами размещены кабели идущих от сервоприводов КСУЗ, ДКЭ, КД, ПИК, РИК, от термопар расположенных в кладке, опорных и защитных плитах и отсеках МК схемы «Л» и дренажные трубы схемы «Г».

Металлоконструкция схемы «Э» является дополнительной биологической защитой помещений НВК, устанавливается над проемами нижних коммуникаций реактора и выполнена в виде стальных плит толщиной 100 мм.

 

2.3 Состав и устройство активной зоны реактора

Активная зона - основная конструктивная часть реактора. сформированная на основании расчетно-теоретических исследова- ний.

АЗ имеет форму вертикального цилиндра диаметром 12,0 м и высотой 7 м, окружена боковым отражателем толщиной 1 м и тор- цевыми отражателями по 0,5 м.

В состав активной зоны входят:

1. топливная загрузка;
2. технологические каналы;
3. каналы СУЗ и КОО;
4. стержни СУЗ;
5. теплоноситель;
6. графитовая кладка.

Для обозначения ячеек ТК и специальных каналов используется система координат, представленная на рис. 2.5.

Система координат используется при эксплуатации реактора и перегрузке. В этой системе номера ячеек обозначаются в восьми- ричной системе для обработки и выдачи результатов контроля в ЭВМ СЦК «СКАЛА». Координаты ячеек обозначены в осях Х–Y. Ось Х параллельна оси машзала.

Рис. 2.5. Система координат РБМК-1000

2.4 Графитовая кладка реактора

Графитовая кладка используется в качестве замедлителя и отражателя нейтронов. В графитовом замедлителе происходит уменьшение энергии нейтронов деления до тепловой, а графитовый отражатель снижает утечку нейтронов из активной зоны реактора. Графитовая кладка размещена внутри защитного кожуха схемы «КЖ» (реакторное пространство). Представляет собой вертикально расположенный цилиндр диаметром 14,0 м и высотой 8,0 м. собранный из отдельных графитовых блоков изготовленных из графита удовлетворяющего специальным требованиям по ядерной чистоте и плотности в 14 слоев, образующих 2488 колонн с шагом 250 мм общей массой 1760 т.

Четыре периферийных ряда колонн по всей окружности кладки выполняют функцию бокового отражателя. Графитовая кладка включает в себя активную зону в форме вертикального цилиндра с диаметром 12 м и высотой 7 м. В 1693 колоннах активной зоны имеются отверстия диаметром 114 мм, образующие в колоннах тракты для размещения ТК и других специальных устройств, обеспечивающих   работу   реактора.   В   отверстиях   колонн бокового отражателя в место каналов установлены графитовые стержни из отдельных блоков высотой 280, 500, 600 мм.

Графитовые блоки имеют квадратное сечение 250´250 мм и различную высоту 200, 300, 500 и 600 мм. Основными являются блоки высотой 600 мм. Внутри блоков имеются отверстия диаметром 114 мм, образующие в колоннах тракты для размещения каналов.

Каждая графитовая колонна (рис. 2.6) установлена на стальной опорной плите, которая опирается на стальной стакан, приваренный к верхней плите нижней МК схемы «ОР». Нагрузку от графитовой кладки, стальных опорных плит и стаканов несет МК схема «ОР», которая одновременно служит нижней биологической защитой реактора.

 

Рис. 2.6. Конструкция ТК и графитовой колонны

В верхней части графитовая колонна крепится с помощью стальных защитных плит, соединительных патрубков и труб- трактов, вваренных в верхнюю МК схемы «Е». Соединение труб- трактов с патрубками допускает температурное удлинение колонн.

Центрирование блоков относительно друг друга в колонне обеспечивается конусными соединениями типа «выступ-впадина», а центрирование графитовых колонн в трактах, вваренных в верхнюю МК схемы «Е», осуществляется с помощью защитных плит и соединительных патрубков.

При разогреве-расхолаживании реактора температура трактов температурных каналов в зоне бокового отражателя отстает от температуры трактов рабочих каналов и прилегающих ребер зна- чительно больше, чем в зоне плато, что ведет к возникновению неравномерности их температурных расширений и недопустимым напряжениям в местах приварки трактов к плитам МК схемы «Е». Для исключения (смягчения) напряжений в тракты периферийных температурных каналов вварены сильфонные компенсаторы. В этом отличие периферийных температурных каналов от трактов центральных температурных каналов.

2.5 Конструкция ТВС и технологического канала

В качестве тепловыделяющего элемента в реакторе РБМК-1000 используется закрытая с обоих концов циркониевая трубка диамет- ром 13,9 мм, толщиной стенки 0,9 мм и длиной около 3,5 м, заполненная таблетками топлива диаметром  11,5  мм  и  высотой 15 мм. Для уменьшения величины термического расширения топливного столба, таблетки имеют лунки. Начальная среда под оболочкой заполнена гелием под давлением 5 кгс/см2. Топливный столб фиксируется пружиной. Максимальная температура в центре топливной таблетки может достигать 2100 °С. Реально эта температура не выше 1600 °С, давление гелия до 17 кгс/см2, а температура наружней поверхности оболочки твэл около 300 °С.

 

Рис. 2.7. Тепловыделяющая сборка реактора РБМК

Тепловыделяющие элементы (твэлы) компонуются в тепловыделяющие сборки (ТВС) по 18 шт. в каждой; 6 шт. по окружности диаметром 32 мм и 12 штук – диаметром 62 мм. В центре – несущий стержень (рис. 2.7, сечение Б-Б). Твэлы в сборке скреплены через каждые полметра специальными дистанционирующими решетками.

Основным топливным блоком реактора является тепловыделяющая (или рабочая) кассета, состоящая из двух ТВС, соединенных общим несущим стержнем, штанги, наконечника и хвостовика. Таким образом, часть кассеты, располагающаяся в активной зоне, имеет длину около 7 м.

Прочный корпус – это основной конструктивный элемент реакторов типа ВВЭР. Для реакторов РБМК роль корпуса играет большое количество прочных трубопроводов, внутри которых и размещаются кассеты. Такой трубопровод называется технологическим каналом (ТК), в пределах активной зоны  он циркониевый и имеет диаметр 88 мм при толщине стенки 4 мм,  в РБМК-1000 1661 технологический канал. Технологический канал (см. рис. 2.6) предназначен для размещения ТВС и организации потока теплоносителя.

Корпус канала представляет собой сварную конструкцию, со- стоящую из средней и концевых частей. Средняя часть канала выполнена из циркониевого сплава, концевые - из нержавеющей стали. Между собой они соединены переходниками сталь-цирконий.

Топливная кассета устанавливается внутри канала на подвеске, которая удерживает ее в активной зоне и позволяет с помощью РЗМ производить замену отработанной кассеты без останова реактора. Подвеска снабжена запорной пробкой, которая герметизирует канал.

В реакторе размещены каналы управления и защиты. В них располагаются стержни поглотители, датчики контроля энерговыделения. Размещение каналов управления в колоннах графитовой кладки автономно от технологических каналов.

Пространство между графитом и каналами заполнено гелием, имеющим хорошую теплопроводность, малую теплоемкость и не оказывающим существенного влияния на ход цепной реакции. Для улучшения теплопередачи от графита к каналу при движении газа создается своеобразный лабиринт (рис. 2.8). На канал и отверстия блоков поочередно надеваются разрезные графитовые кольца высотой 20 мм каждое на участке 5,35 м в центре  активной зоны. Таким образом, газ движется по схеме «графит – разрез кольца – стенка канала – разрез кольца – графит».

Рис. 2.8. Фрагмент вертикального сечения активной зоны

В РБМК-1000 в качестве отражателя используется дополнительный слой графита вокруг активной зоны – по 0,5 м сверху и снизу и 1 м по цилиндрической поверхности. Он набирается из таких же блоков, но часть отверстий боковых колонн заглушена графитовыми же втулками.

Всего в графитовой кладке 14 слоев и 2488 вертикальных колонн.

2.6 Стержни СУЗ реактора РБМК

Регулирование реактивности, мощности реактора осуществляется с помощью системы управления и защиты (СУЗ).

Схема расположения стержней исполнительных механизмов СУЗ по высоте активной зоны реакторов РБМК и их геометрические размеры приведены на рис. 2.9.

Рис. 2.9. Схема расположения стержней исполнительных механизмов СУЗ по высоте активной зоны реакторов РБМК

Стержни СУЗ характеризуются физическим весом, интегральной и дифференциальной характеристиками (табл. 2.2).

Таблица 2.2

Средняя эффективность стержней РР в различных состояниях реактора

Состояние активной зоны	Наличие воды в КО СУЗ	Средний вес стержня × 10-5а.е.
Горячее на мощности	Есть	46
Разогретое разотравленное, с водой в КМПЦ	Есть Нет	40 57
Холодное разотравленнное, с водой в КМПЦ	Есть Нет	32 49
Разогретое разотравленное, без воды в КМПЦ	Есть Нет	51 69
Холодное разотравленнное, без воды в КМПЦ	Есть Нет	45 62,5

При сливе воды из КО СУЗ стержни лишаются «водного экрана», поток тепловых нейтронов, падающих на них, увеличивается, что приводит к увеличению эффективности стержня.

Кардинальное решение проблемы - внедрение кластерных регулирующих органов (КРО).

Принципиальным отличием КРО от штатных стержней СУЗ, включая стержни БАЗ, является то, что его рабочий орган перемещается не в канале СУЗ, а в собственном дополнительном канале- гильзе, которая неподвижно устанавливается в канал.

При использовании КРО количество воды в канале на участке активной зоны из-за вытеснения снижается до 3 л на один канал, что позволяет повысить и технико-экономические показатели реактора за счет увеличения глубины выгорания топлива, а положительный эффект реактивности при обезвоживании КО СУЗ в критических состояниях снижается до величины менее 1 bэф. Для сравнения КРО со штатными стержнями СУЗ в табл. 2.3 представлены их основные параметры и характеристики.

Таблица 2.3

Характеристики и параметры штатных рабочих органов СУЗ и КРО

Параметр	Штатный орган	КРО
Рабочий ход, мм	6550	7000
Масса рабочего органа, кг	52±1,8	35,6±0,9
Вес рабочего органа в воде, кгс	16,8±1,8	-
Длина поглощающей части рабочего органа	6772	7550
Время аварийного ввода на рабочий ход, с	1432	Не более 7
Гидродинамические нагрузки на рабочий орган при извлечении из зоны со скоростью 0,4 м3/ч, кгс	47	-
Количество воды в канале на участке а.з. при извлеченном поглотителе, л	16	До 3
Эффект обезвоживания КО СУЗ в критсостоянии, bэф	4…4,5	Менее 1
Физическая эффективность относительно штатного стержня в канале с водой	1	~1
Перекрытие поглотителем высоты а.з., %	93,6	%

Кластерный регулирующий орган включает в себя (рис. 2.10): гильзу, рабочий орган (ПЭЛ – поглощающий элемент), защитную пробку, аварийный демпфер, опору.

Рис. 2.10. Схема расположения КРО:

1 – канал СУЗ; 2 – гильза; 3 – защитная пробка; 4 – ПЭЛ; 5 – подвеска; 6 – сервопривод; 7 – аварийный демпфер; 8 – опорная труба; 9 – клапан; 10 – закладка; 11 – защита; 12 – подвод воды КО СУЗ

Гильза  КРО  выполнена  на  основе  круглой  фасонной   12-канальной трубы из высокопрочного алюминиевого сплава САВ1.

 

III. Заключение

Реактор РБМК как и другие реакторы имеет свою достоинства и недостатки. Как и любой реактор, РБМК безопасен лишь при правильной эксплуатации и хорошо разработанных системах защиты. Из основных достоинств РБМК следует выделить несколько наиболее значимых - наиболее дешевое и менее трудозатратное изготовление корпуса, возможность наращивания мощности путем пристройки новых графитовых блоков без изменения конструкций других узлов, а также возможность замены без остановки реактора отработавших тепловыделяющих элементов на новые, и самое главное это физические свойства реактора -  способность использовать малообогащенное топливо или  даже  отработанное топливо ВВЭР-ов.

 

 

 

 

 

IV. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Левин В. Е. Ядерная физика и ядерные реакторы. 4-е изд. — М.: Атомиздат, 1979.
2. Абрамов М. А., Авдеев В. И., Адамов Е. О. и др. Под общей редакцией Черкашова Ю. М. Канальный ядерный энергетический реактор РБМК. — М.: ГУП НИКИЭТ, 2006. 632 с.
3. Шелегов А.С., Лескин С.Т., Слободчук В.И. Физические особенности  и конструкция реактора РБМК-1000: Учебное пособие. М.: НИЯУ МИФИ, 2011, – 64 с.
4. http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%C1%CC%CA
5. http://petuhoff.chat.ru/rbmk/03_rbmk.htm