10.2. Нейтронно-физические особенности канальных графитовых реакторов

Реактор Большой Мощности Канальный (РБМК) — серия энергетических ядерных реакторов, разработанных в Советском Союзе. Реактор РБМК канальный, гетерогенный, графито-водный, кипящего типа, на тепловых нейтронах. Теплоноситель — кипящая вода.

В канальных реакторах РБМК топливом служит двуокись урана UO₂, теплоносителем  вода и замедлителем  графит.

В настоящее время энергоблоки с ЯР РБМК работают на Курской, Ленинградской, Смоленской АЭС, но строить их больше не планируют. Проектные теплогидравлические характеристики приведенный в табл. 10.3

Таб. 10.3. Основные характеристики реактора РБМК-1000 1-го и 2-го энергоблоков Ленинградской АЭС (указаны значения параметров нормальной эксплуатации для уровня мощности 3200 МВт(т)):

Мощность реактора, МВт: тепловая электрическая	3200 1000
Расход теплоносителя через реактор, тыс. м3/ч	46÷48
Паропроизводительность, т/ч	5440÷5600
Среднее массовое паросодержание на выходе из реактора, %	14,5
Температура теплоносителя, оС: на входе на выходе	270 284
Обогащение топлива по U235, %	2,4/2,6/2,8
Средняя глубина выгорания извлекаемого топлива (для 2,8%), МВт.сут/кг U	30

Особенности нейтронно-физических характеристик реакторов рбмк

1. Замедляющая способность графита ~20 раз меньше, чем у воды, следовательно, большие размеры а.з. Соответственно технологические каналы в графитовых реакторах расположены далеко друг от друга (шаг решетки каналов ра­вен 25 см при l_s в графите ~ 3 см), и вероятность прямого (без столкновений) пролета нейтронов между каналами очень мала.

2. Из-за очень малого сечения поглощения большие объемы графита, необходимые для замедления, не приводят к неприемлемо большому пог­лощению тепловых нейтронов.

3. Д ля решеток с большим объемом замедлителя типична значительная гетерогенность для тепловых нейтронов: отношение средних потоков в замедлителе и топливе около 1,5 вместо ~ 1,15 для водо-водяных решеток. Использо­вание в РБМК урана с малым обогащением и замедлителя, весьма слабо поглощающего нейтроны, приводит к тому, что среднее по ячейке значение параметра обычно не превышает 0,1. В связи с этим практически все поглощение нейтронов происходит после их замедления до тепловых энергий, когда устанавливается спектр нейтронов, близкий к спектру Максвелла. В топливе этот спектр отли­чается от максвелловского, поскольку здесь в основном происходит пог­лощение нейтронов.

4. В канале расположено довольно большое количество твэлов - 18. Внутри канала твэлы расположены весьма близко друг к другу: отношение объемов воды и урана составляет ~ 1. Тесное расположение твэлов заставляет учитывать те эффекты, которые в большей степени имеют место в уран-водных решетках. Сюда относятся эффекты в надпороговой области (влияние на m ) и резонансной области (влияние на j) энергий. Эти эффекты проявляются при рассмотрении взаимодействия отдельных твэлов в канале, а затем - отдельных гомогенизированных каналов в однородной решетке. Поскольку расстояние между каналами велико по сравнению с характерной длиной пробега в замедлителе (l_{s tr}), то перекрестный эффект между каналами проявляется в значительно меньшей степени, чем между отдельными твэлами. Коэффициент размножения на быстрых нейтронах в канальных графитовых реакторах ниже, чем в ВВЭР, тогда как вероятность избежать резонансного поглощения выше.

5. Поскольку расстояние между каналами велико по сравнению с характерной длиной пробега в графите (l_{s tr}), то перекрестный эффект между каналами в РБМК проявляется в значительно меньшей степени, чем между отдельными твэлами. Коэффициент размножения на быстрых нейтронах в РБМК ниже, чем в ВВЭР, тогда как вероятность избежать резонансного поглощения выше.

6. В канальных кипящих реакторах (в отличие от корпусных) коэф­фициент размножения несущественно меняется по высоте а.з.: кипе­ние вызывает лишь незначительное отклонение распределения потока теп­ловых нейтронов от исходного.

7. Пространственное разделение теплоносителя и замедлителя позволяет выбирать их рабочие параметры независимо друг от друга. Так в РБМК температура воды в активной зоне около 280 °С, в то время как температура графита достигает 700 °С. Поэтому температура нейтронно­го газа изменяется по зонам ячейки в довольно широких пределах.

8. Графитовые решетки характеризуются большими значениями возраста нейтронов t_р (мала замедляющая способность графита) и квадрата длины диффузии тепловых нейтронов (велико значение L² в чистом замедлителе). Возраст t_р сравнительно слабо зависит от состава активной зоны. Однако кипение в активной зоне все же приводит к изменению замедляющей способности ячейки на 20-30 %.

9. Площадь миграции решетки М_р² в отличие от легководных реше­ток, определяется не только замедлением, но и диффузией нейтронов и составляет 500-600 см². Утечка нейтронов мала, (обычно не превышает 1-1,5 %), поскольку размеры реактора велики.

10. Активная зона РБМК окружена боковым графитовым отражателем толщиной 1 м и торцевым толщиной 0,5 м. В энергетическом режиме дополнительное выравнивание нейтронного распределения по высоте а.з. имеет место за счет:

- более высокого отравления ксеноном-135 центральной по высоте области активной зоны, приводящего к снижению нейтронного потока в этой области и перераспределения, его к торцевым отражателям;

- более высокой температурой графита (и, как следствие - нейтронного газа в центральных областях зоны) в сравнении с температурой графита вблизи торцевых отражателей, что приводит к относительно большему снижению сечения деления ²³⁵U, в центре зоны в сравнении со снижением сечения деления ²³⁵U в зоне торцевых отражателей.

В таблице 10.4 приведены основные физические характеристики активной зоны РБМК-1000.

Таб. 10.4. Основные физические характеристики активной зоны РБМК-1000

Высота, м	7
Диаметр, м	25
Шаг решетки, см	1,0
Толщина бокового отражателя, м	0,5
Толщина торцевых отражателей, м	2525
Размеры графитовых блоков в поперечном сечении, см	20, 30, 50,
Высота графитовых блоков, см	60
Количество графитовых колонн а) в графитовой кладке всего б) в отражателе в том числе с каналами охлаждения отражателя в) в активной зоне	2488 600 156 1888
Соотношение ядер графита и урана для топлива 2 % обогащения а) перед энергопуском б) в установившемся режиме	~ 120 ~ 130
Теплонапряженность на Nном, кВт/лАЗ а) средняя по зоне б) максимальная с учетом КV	3,9 5,6
Средний поток тепловых нейтронов а активной зоне при Nном, 1/см2с а) в топливе б) в графите в) на корпусе ТК	(45)  1013 (78)  1013 6  1013
Максимальный поток надтепловых нейтронов на корпусе ТК, 1/см2с	~ 1,3  1014
Мощность источника нейтронов в активной зоне через 24 недели после останова блока, н/с	~ 108
Максимально допустимая температура твэла при Nном, 0С	490
Максимально допустимая температура UO2 в твэле при Nном, 0С	2100
Количество энергии, выделяющееся в графитовой колонне по отношению к энергии, снимаемой теплоносителем с топливной кассеты этой же колонны, %	до 7
Загрузка UO2 в кассете 2 % обогащения, кг в кассете 2,4 % обогащения, кг	131  5 131  5
Загрузка 235U в кассете 2 % обогащения, кг в кассете 2,4 % обогащение, кг	2,29  0,1 2,76  0,1

Достоинства РБМК:

1) Пониженное, по сравнению с корпусными ВВЭР, давление воды в первом контуре;

2) Благодаря канальной конструкции отсутствует дорогостоящий корпус;

3) Нет дорогостоящих и сложных в исполнении парогенераторов;

4) Нет принципиальных ограничений на размер и форму активной зоны, и, следовательно, на мощность реактора (чем больше а.з. – тем больше топливных каналов и больше мощность);

5) Независимый контур системы управления и защиты (СУЗ);

6) Высокая ремонтопригодность;

7) Малое «паразитное» поглощение нейтронов в активной зоне (более благоприятный нейтронный баланс) по графиту, как следствие — более полное использование дешевого ядерного топлива из-за меньшего начального обогащения и более равномерного и глубокого (по сравнению с корпусными ВВЭР) выгорания;

8) Более легкое (по сравнению с корпусными ВВЭР) протекание проектных аварий, вызванных разгерметизацией циркуляционного контура, а также переходных режимов, вызванных отказами оборудования;

9) Удобный отдельный выбор параметров теплоносителя и замедлителя;

10) Регулирование коэффициентов неравномерности энерговыделения при непрерывных перегрузках без останова РУ в целом.

11) Малое, в отличие от корпусных кипящих, изменение К_эфф по высоте (в 1-ом приближении можно вести расчет отдельно от теплофизики).

Недостатки РБМК:

1) Большое количество трубопроводов и различных вспомогательных подсистем требует наличия большого количества квалифицированного персонала;

2) Более высокая нагрузка на оперативный персонал по сравнению с ВВЭР, связанная с большим количеством узлов (например, запорно-регулирующей арматуры);

3) Необходимость проведения поканального регулирования расходов, что может повлечь за собой аварии, связанные с прекращением расхода теплоносителя через канал;

4) Бо́льшее количество активированных конструкционных материалов из-за больших размеров а.з. и металлоёмкости РБМК, остающихся после вывода из эксплуатации и требующих утилизации;

5) Отсутствие борного регулирования, и, следовательно, единственная система оперативного регулирования реактивности;

6) Неизбежное искажение поля энерговыделения по а.з. при вводе в а.з. ПС СУЗ, склонность к возникновению ксеноновой нестабильности и ксеноновых колебаний – более напряженная работа оперативного персонала БЩУ; по сравнению с ВВЭР-1000;

7) Большой положительный паровой коэффициент реактивности;

8) Относительно малая по сравнению с ВВЭР энергонапряженность а.з.