воскресенье, 20 марта 2022 г.

Устройство, особенности и безопасность различных типов АЭС в мире

 

В настоящее время в мире эксплуатируются пять основных типов энергетических реакторов на медленных нейтронах. Это PWR (у нас – ВВЭР), РБМК – 1000 (только в России), BWR (Япония, США), PHWR (Индия) и CANDU (Канада). Про них я и подготовил этот материал.

 


РБМК-1000

Этот реактор для простоты понимания пресса часто называет «чернобыльским». Вообще-то, Украине в известной степени и в советское время повезло – все остальные АЭС Украины оснащены реакторами ВВЭР разных модификаций. Зато в России действующих РБМК-1000 на сегодня аж восемь – два на Ленинградской АЭС (г. Сосновый Бор, расстояние до Санкт-Петербурга по дороге 92 км на машине и 68 км по прямой). Ещё три блока работают на Курской АЭС (г. Курчатов, расстояние до Курска по дороге 47 км на машине и 37 км по прямой) и на Смоленской АЭС (г. Десногорск, расстояние до Смоленска на машине 146 км и 107 км по прямой).

Но прежде чем начать свой рассказ, мне следует уточнить, что для протекания управляемой цепной реакции нужен не только уран, но и вещество, при столкновении с ядрами которого образующиеся быстрые нейтроны деления «замедляются» до скоростей, при которых они (нейтроны) могут вызвать дальнейший процесс деления урана в соседних тепловыделяющих сборках.

Итак, реактор большой мощности канальный электрической мощностью 1000 МВт (РБМК-1000). Первый энергоблок такого типа был введён в эксплуатацию на Ленинградской АЭС в 1973 г. Последний – «Курск-5» - недостроен и законсервирован в марте 2012 г.

Что же представляет из себя РБМК-1000? Это гигантский графитовый «бочонок» диаметром 12 и высотой 7 метров. Выполнялся из графитовых «кирпичей», если можно так выразиться. Внутри были проведены около 1700 отверстий квадратной формы под тепловыделяющие сборки (ТВС) и технологические каналы для управления цепной реакцией. Снаружи активную зону реактора окружала железобетонная плита биологической защиты толщиной 120 см, которая, как показал Чернобыль, абсолютно бессильна перед мощным взрывом внутри себя. Вдобавок к этому время срабатывания аварийной защиты (сигнал на пульте управления АЗ-5) изначально составляло 18 (!!!) секунд (после Чернобыля поглощающие нейтроны циркониевые стержни были дооснащены мощными стальными пружинами, и время срабатывания АЗ-5 уменьшилось до 1,2 секунды). Но, как говорится, «хорошая мысля приходит опосля».

По большому счёту, РБМК-1000 был увеличенным в несколько раз вариантом уран-графитового реактора, пущенного на первой в мире Обнинской АЭС в 1954 г. Её мощность была всего 5 МВт. Спросите, почему так? Ну, потому что в те годы ещё не было тяжёлых станков, на которых можно было изготавливать стальные корпуса реакторов. Позже появилась подмосковная «Электросталь», ленинградская «Ижора» и только в начале 1980-х был построен наш «Атоммаш» - крупнейший завод в Европе для изготовления атомного технологического оборудования.

Гигантизм в атомной технике крепчал, и в Литве были даже вполне себе рабочими два энергоблока Игналинской АЭС (г. Снечкус) с реакторами РБМК-1500, из-за которых Литва до 2009 г. была мировым лидером по доле эл/энергии, вырабатываемой на АЭС (82%). По этому показателю она опережала даже Францию (72%). По моим данным, в конце 1980-х на полном серьёзе обсуждался вопрос о строительстве Костромской АЭС с двумя реакторами типа РБМК-2400 (!!!). К счастью, этому грандиозному плану не суждено было сбыться. Ну и слава Богу.

Но вернёмся к реакторной установке РБМК-1000. У неё, помимо низкой скорости срабатывания АЗ, был другой серьёзнейший недостаток: при прекращении подачи питательной воды в реактор замедлитель никуда не девался – графит вещество твёрдое. И в этом случае возникала резко возрастающая т.н. положительная реактивность: интенсивность реакции лавинообразно растёт, ТВС и графитовая кладка, если можно так выразиться, «раскаляются докрасна», после чего неизбежен тепловой взрыв, полное разрушение реактора и грандиозный пожар.  Что более чем наглядно показал Чернобыль.

 


ВВЭР-1000

Является логичным завершением предшествовавших реакторов ВВЭР-210 и ВВЭР-365 на Нововоронежской АЭС (выведены из эксплуатации в 1984-ом и в 1990-ом годах соответственно), а так же реактора ВВЭР-440 (блок № 3 выведен из эксплуатации в декабре 2016 г). Энергоблоки ВВЭР-440 и ВВЭР-1000 работают на украинских АЭС и дают 55% общего энергопроизводства в этой стране. Первый блок проекта ВВЭР-1000 был пущен в эксплуатацию в 1980 г. и работает по сей день. ТВС наших ВВЭРов имеют шестигранную форму и помещаются в реактор числом 163.

Чем же принципиально отличается ВВЭР от РБМК? Во-первых,  двухконтурностью схемы: нагретая почти до 300 градусов вода в первом контуре отдаёт своё тепло воде с меньшим давлением в парогенераторе, после чего, чуть остыв, вода I контура возвращается обратно в реактор.  В парогенераторе вода II контура, находящаяся под более низким давлением (60 против 160), превращается в пар, который и вращает турбину. Отработанный пар снова конденсируется в воду, она очищается от механических примесей и воздуха и отправляется снова в парогенератор.

Во-вторых, если по какой-то причине вода в реакторе исчезнет, то никакого «разгона» не произойдёт – в самом худшем случае частично оплавятся верхние концы ТВС, и мы просто потеряем реактор как энергетическую единицу. Подобное уже случилось однажды в марте 1979 г. на американской АЭС «Три Майл Айленд». Паника среди населения была жуткая, десятки тысяч авто создали невообразимую давку на дороге, ведущей из ближайших городков. Однако в результате этой первой в мире ядерной аварии лишь несколько человек получили дозу в 6 рентген (или бэр, что в данном случае одно и то же). Что ж, всё живое боится непонятного: звери – огня, люди – радиации.

Когда-то давно, лет 25 назад, мне для пояснения разницы между РБМК и ВВЭР пришлось сравнивать кипячение (или нагрев) воды обычным петлевым кипятильником и электрочайником. В первом случае вода в кастрюле, оставленная без присмотра, постепенно испаряется, кипятильник перегревается и взрывается. Во втором же случае, даже если не работает выключатель, после испарения всей воды пластины нагревателя теряют между собой водяную прослойку, работающую как слабый электролит, и чайник остаётся цел и невредим.

И, наконец, главное. Реактор ВВЭР-1000 и четыре его парогенератора находится внутри так называемой гермооболочки, выполненной из напряжённого железобетона толщиной те же 120 см (и стены, и купол). Внутри гермооболочки проходит несколько десятков витых стальных тросов диаметром где-то 40-50 см, которые сначала пропускаются вниз (с края купола), проходят под днищем, затем снова протягиваются вверх, натягиваются до нужной величины спецдомкратом и фиксируются мощным стальным затвором. Поэтому даже при запроектной аварии (ЗПА), если каким-то чудесным образом полным сечением порвётся главный циркуляционный трубопровод (ГЦТ) и вся вода превратится в пар, то всё это «счастье» не попадёт в окружающую среду, а останется внутри гермооболочки. После чего включится мощный холодный душ (сработает т.н. спринклерная система), и за короткое время весь пар снова превратится в воду.

Энергоблок № 4 Ростовской АЭС стал последним блоком проекта В-320, который просуществовал без малого 40 лет. Для этого проекта «тысячника» характерна кубическая обстройка вокруг реакторного отделения, по которой его можно легко узнать среди «тысячников» других проектов. А её толщина может при необходимости легко выдержать выстрел из гранатомёта или лёгкого артиллерийского орудия. В 1982 г. группа алжирских террористов, во главе которых стоял некий Shakal, обстреляла из гранатомётов одну из французских АЭС. Прибывший на место ЧП вскоре после этого репортёр телеканала France 2 сказал, осмотрев и показав повреждения обстройки в прямом эфире: «С таким же успехом можно забрасывать помидорами танковую колонну (дело было, по-моему, на АЭС Graveline, там, как и на Запорожской АЭС, шесть реакторов типа PWR).

 


Реакторы BWR

Аббревиатура расшифровывается как «реактор с кипящей водой», схема – одноконтурная: «реактор – пар – турбина – конденсатор – деаэратор». По миру их довольно много, они дешевле PWR (а в Японии и США, в отличие от нашей страны, все АЭС частные), и до аварии на Фукусиме казалось, что с BWR всё хорошо. Однако оказалось, что в критической ситуации эти реакторы трудно управляемы из-за очень малого времени осушения парогенераторов (30-60 секунд) и большому количеству общих трубопроводов и оборудования на двух блоках (а вводили их, как на ЧАЭС, т.н. «очередями» из двух параллельных блоков). В итоге получился «один парашют на двоих». Гигантское цунами накрыло резервные дизельные станции (РДС), и блоки «посыпались» один за другим, как домино.

 


Реакторы PHWR и CANDU

Это довольно экзотические конструкции атомных реакторов, работающие на природном уране (не нужно его обогащать) и тяжёлой воде (а вот для её изготовления нужен специальный водно-химический корпус) в качестве теплоносителя и замедлителя нейтронов. Их корпус лежит горизонтально, и рабочее давление очень небольшое, мощность тоже небольшая. Аббревиатура PHWR расшифровывается как «энергетический реактор на тяжёлой воде», CanDU – «канадский реактор на дейтерии и уране». В общем-то, эти конструкции суть одно и то же. С моей точки зрения, низкое рабочее давление и температура теплоносителя способствуют сравнительно низкому КПД таких реакторов, и строят их канадские специалисты у себя в Канаде и в Индии, где природный уран лежит почти на поверхности.

Вот и весь мой рассказ о различных типах реакторных установок, наиболее распространённых в разных странах мира. Надеюсь, это было познавательно.

P.S. Ниже публикую карту АЭС Украины.



1 комментарий: