Ольга Баклицкая-Каменева.
Осенью в Дубне запущен модернизированный реактор ИБР-2. Сотрудники Лаборатории нейтронной физики им. И. М. Франка Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) рассказали, зачем останавливали реактор, об исследованиях, которые проводят на сложнейших установках и о системах безопасности.
Пульт управления реактором.
Главный инженер Лаборатории нейтронной физики Александр Виноградов рассказывает о работе реактора.
Реакторный зал.
Александр Куклин, начальник группы малоуглового рассеивания лаборатории, показывает, как организована работа с образцами.
Рис. 1. Принцип действия периодического импульсного реактора ИБР.
Рис. 2. Схема модернизированного реактора.
В декабре 2006 года в Дубне был остановлен реактор ИБР-2. Но не потому, что он вышел из строя или наша страна сворачивает разработки в атомной энергетике, как некоторые европейские страны после страшной трагедии на Фукусиме. «Наш реактор был запущен в середине 1980-х. Сейчас его оборудование заменили в соответствии с новыми российскими стандартами, которые полностью соответствуют стандартам МАГАТЭ», – сообщил директор Лаборатории нейтронной физики Александр Белушкин. На заключительном этапе энергетического пуска 12 октября 2011 года в 14.34 реактор ИБР-2 достиг номинальной мощности 2 МВт. В ОИЯИ заработал обновленный исследовательский реактор, для проведения экспериментов на котором уже собралась завидная очередь из ученых разных стран.
Немного истории
Сотрудникам ОИЯИ потребовалось около пяти лет, чтобы воплотить идеи Дмитрия Ивановича Блохинцева и полвека назад запустить первый реактор на быстрых нейтронах ИБР-1, открыв тем самым новую страницу научных исследований в знаменитом институте ядерных исследований. Накопленный опыт строительства и эксплуатации таких реакторов, а в институте их было три – ИБР, ИБР-30 и ИБР-2, помог за такой же небольшой срок подготовить и реализовать принципиальные технические решения по модернизации реактора ИБР-2, существенно улучшающие его эксплуатационные характеристики.
Реактор предназначен для изучения взаимодействия нейтронов с атомными ядрами. С помощью пучка нейтронов можно изучать возникающие ядерные реакции, возбуждение ядер, их структуру, то есть свойства самых разных веществ, решая при этом не только сугубо научные, но и некоторые прикладные задачи. Посмотрим, на каких принципах основана его работа.
Как рассказывал сам академик Д. И. Блохинцев в своей книге [Рождение мирного атома. М., Атомиздат, 1977], в разработке теории реактора ИБР приняли участие исследователи Физико-энергетического института им. А. И. Лейпунского (ГНЦ РФ-ФЭИ). Они придумали устройство небольшой мощности, в котором короткими импульсами «зажигается» управляемая цепная реакция, или маленькие «ядерные взрывы» с выбросом нейтронов, во время которых можно проводить измерения. Блохинцев предложил конструкцию реактора с двумя активными зонами – неподвижной на статоре и быстро вращающейся на роторе. Реактор переходит в сверхкритическое состояние, вызывающее цепную реакцию деления, когда ротор быстро проскакивает мимо статора, и в нём на мгновение развивается мощная цепная реакция, затухающая с удалением ротора. Такую «атомную минибомбу» и удалось приручить в Дубне (рис. 1).
Из реактора вылетают нейтроны разных энергий, от медленных тепловых до быстрых, рождающихся сразу после процесса деления. Выполняя растянутые во времени (метод измерений по времени пролета) измерения с определенной порцией нейтронов, можно отличать ядерные события, происшедшие первыми (с быстрыми нейтронами) и последними (с медленными). Для превращения нейтронов в удобный инструмент для исследований, исследователи провели огромную работу по созданию импульсного реактора.
«Наш реактор ИБР-2 начал работу в 1984 году. В 2006 году, без всяких замечаний к работе, мы его остановили – таковы эксплуатационные правила. Когда заканчивается некий установленный проектом ресурс, независимо от состояния оборудования и наличия или отсутствия признаков деградации, мы обязаны его менять или продлить его работу, применяя установленные процедуры. В частности, достигли установленных пределов выгорание топлива и накопленный конструкциями активной зоны флюенс нейтронов», рассказывает главный инженер Лаборатории нейтронной физики Александр Виноградов. – Такие пределы на этапе проектирования закладывают главный конструктор и генеральный проектировщик реактора. В данном случае это Научно-исследовательский и конструкторской институт энерготехники им. Н. А. Доллежаля (ОАО «НИКИЭТ») и специализированный проектный институт «ГСПИ». Помимо этого в программе модернизации, которая продолжалась около десяти лет, приняли участие ОИЯИ, Всероссийский научно- исследовательский институт неорганических материалов им. А. А. Бочвара (ФГУП ВНИИНМ), ПО «Маяк» и другие предприятия и организации атомной отрасли». Обновлённый реактор станет работать до 2035 года. Предполагается, что ученые из более чем 30 стран будут ежегодно проводить на нём более 100 экспериментально-исследовательских работ.
Модернизированный реактор
После остановки ИБР-2 сотрудники Лаборатории нейтронной физики и других подразделений ОИЯИ занялись разработкой, проектированием, сборкой и отладкой всех важных узлов для модернизированного реактора. Корпус реактора, внутрикорпусные и околореакторные устройства, систему электропитания, электронную аппаратуру системы управления и защиты реактора и контроля технологических параметров изготовили заново согласно современным требованиям. В реконструкцию реактора было вложено 11 миллионов долларов.
В конце июня 2011 года в ОИЯИ состоялось заседание Государственной приёмочной комиссии по определению готовности к энергетическому пуску модернизированного реактора ИБР-2. Комиссия подписала акт о готовности к энергетическому пуску реактора, который последовал за физическим пуском реактора (подобных пусков исследовательских реакторов в России не было около двадцати лет). По результатам энергетического пуска Ростехнадзор выдает лицензию на использование реактора.
После модернизации реактора изменилось очень многое. Во-первых, у ИБР-2 стала компактней активная зона – шестигранная призма небольшого объёма, примерно на 22 литра. Она помещена в цилиндрический корпус реактора высотой около семи метров в двойной стальной оболочке. Максимальная плотность потока нейтронов в импульсе в центре активной зоны достигает огромного значения – 1017 на квадратный сантиметр в секунду. Поток уходящих из активной зоны нейтронов пространственно разделяется на 14 горизонтальных пучков для проведения научных экспериментов (рис. 2).
В модернизированном ИБР-2 в полтора раза увеличена глубина выгорания топливных элементов реактора, выполненных из таблеток двуокиси плутония (PuO2). Плутоний в качестве основы для ядерного топлива – весьма редкий материал, в исследовательских реакторах обычно используют урановые композиции. В случае ИБР-2 используется существенное преимущество плутония в сравнении с ураном: запаздывающая доля нейтронов – важная характеристика качества нейтронного источника – для плутония в три раза меньше, чем для урана, следовательно, радиационный фон между основными импульсами, меньше. Высокая плотность нейтронов в импульсе, длительная кампания активной зоны (за счет импульсного режима работы) позволяет отнести модернизированный ИБР-2 к лидирующей в мире группе нейтронных источников.
Отличительная особенность реактора ОИЯИ – способность генерировать импульсы нейтронов с частотой 5 герц, которую обеспечивает так называемый подвижный отражатель. Это сложная механическая система, смонтированная рядом с активной зоной, состоит из двух массивных роторов, изготовленных из стали с высоким содержанием никеля, вращающихся в кожухе, наполненном чистым газообразным гелием. В момент совмещения роторов у физического центра активной зоны реактора генерируется импульс. Роторы вращаются в противоположных направлениях с разными скоростями. Скорость основного ротора в усовершенствованном подвижном отражателе уменьшена в два с половиной раза по сравнению с предыдущим поколением подвижного отражателя - до 600 оборотов в минуту, благодаря чему значительно увеличился эксплуатационный ресурс реактора – с 20 до 55 тысяч часов, сохранив длительность нейтронного импульса.
Система охлаждения реактора состоит из трех контуров, в первом и втором используется жидкий натрий, который перекачивают электромагнитные насосы, в третьем – воздух. Такая схема обеспечивает безопасность реактора: если одна система сломается, её можно отсечь аварийными вентилями.
Почему используют именно жидкий натрий? Если во всех контурах будет вода, которая сильно замедляет нейтроны, энергетические характеристики нейтронного излучения активной зоны будут хуже. В первом контуре, трубы которого имеют двойную защитную оболочку, циркулирует радиоактивный натрий, во втором – натрий, необлученный нейтронами. При аварийном отключении электричества разогрев контура, а значит и охлаждение реактора, надежно обеспечит газовый нагрев.
Безопасность (и защита «от дураков»)
Географически город Дубна – это остров, который хорошо контролируется по границам. Кроме того, ОИЯИ, как организация, функционирует на охраняемой производственной площадке, на которой ИБР имеет собственный внутренний периметр физической защиты. Концепция охраняемого «ядерного острова» позволяет гарантировано защитить реактор от внешней угрозы. Если же во время работы реактора гипотетически что-то идёт не так из-за действий персонала, должна срабатывать так называемая защита «от дурака» (fool proof system). Реактор надежно защищен по «человеческому фактору», если ни один человек, ни сознательно, ни бессознательно не может причинить ущерб реактору.
Разные системы, в том числе сложная электроника, останавливает работу реактора на мощности. Знание законов физики помогает предсказать процессы, происходящие при нештатных ситуациях. Например, если вдруг очередной импульс отличается от заложенных параметров, срабатывает быстрая аварийная защита без вмешательства оператора. Такой контроль идет по всем параметрам реактора, зарезервированы и продублированы все системы защиты.
В последние годы, рассказывает Виноградов, было несколько ложных срабатываний системы защиты, как правило, – в связи с перебоями во внешнем электроснабжении. В этом случае реактор гасится, проводится полный анализ происшедшего при каждом срабатывании аварийной защиты. В интересах безопасности на реакторе используется три источника электропитания: штатное электропитание по высоковольтной линии 110 кВ с п/п «Темпы», 10 кВ от Иваньковской ГЭС на Волге и от мощного дизельного генератора, для которого всегда есть запас топлива, необходимый для длительной работы. Главная задача для любого реактора, подчеркивает Виноградов, – это обеспечение стабильного охлаждения активной зоны при любой аварии, чтобы избежать развития событий по японскому варианту (АЭС «Фукусима»), когда при нарушении охлаждения активной зоны произошла разгерметизация топливных элементов и частичное плавление топлива, выход продуктов деления в окружающую среду. На нашем реакторе негативные сценарии возможных аварий и их последствий достаточно хорошо продуманы, добавляет учёный, и нам не пришлось наши расчеты пересматривать после японской трагедии. Это печальное событие, повлекшее за собой многочисленные жертвы, показало, насколько устарели некоторые принципы безопасности, заложенные в проект АЭС «Фукусима». Надо делать выводы из таких уроков, но не запугивать людей атомной энергетикой. В наше время при строительстве атомных станций закладываются современные принципы безопасности, учтены многие события прошлого, и сегодня, например, никто не поставит АЭС на берегу океана в высокосейсмичной зоне. Любая современная электроника может оказаться беззащитной перед большой волной. Что касается реактора ОИЯИ, то он выдержит землетрясение до 7 баллов, хотя землетрясение магнитудой 6 баллов в этой области может произойти с вероятностью один раз в тысячу лет, а магнитудой 5 баллов – раз в сто лет.
Исследования на реакторе
Реактор ОИЯИ работает в режиме центра коллективного пользования. Это означает, что любые исследователи из других организаций могут проводить на нём эксперименты. Время для работы на реакторе ИБР-2М чётко распределено: внутренние пользователи получают 35% времени, для исследователей из других организаций 55% приходится на обычные заявки, 10% – на срочные.
«Специальная международная экспертная комиссия рассмотрит предложение и если он получит одобрение и высокую оценку научного потенциала, выделит проекту время на проведение эксперимента. Я, как ответственный экспериментатор, также просматриваю запросы и даю заключение, можно ли на наших установках провести такого рода исследования. Ведь эксперименты очень дорогие, и их экспертиза – это обычная международная практика», – рассказывает начальник группы малоуглового рассеивания лаборатории Александр Иванович Куклин.
По словам учёного, модернизированный ректор открывает невероятные возможности для исследований как фундаментальных, так и прикладных исследований; его даже называют «окном в наномир». Для этого предназначены уникальные установки, которые многие годы обкатывались и совершенствовались в стенах института. На каждом из четырнадцати каналов реактора находятся исследовательские установки с мишенями. Сейчас, в частности, ведутся работы по созданию концепции нового криогенного замедлителя для реактора, который позволит менять спектр нейтронов. На реакторе есть десять спектрометров, на подходе еще два.
«С помощью метода рассеяния нейтронов можно получать информацию о том, как устроено вещество на атомном и надатомном уровне, выяснить его свойства и структуру, причем это касается также биологических материалов», – объясняет Виноградов. – Такого рода фундаментальные исследования определенно станут основой для создания новых материалов и технологий».
С помощью Фурье-дифрактометра , например, можно изучать строение вещества, структуру моно- и поликристаллов, исследовать новые типы материалов, например, композитов, керамик, градиентных систем, а также механические напряжения и деформации, возникающие в кристаллах и многофазных системах. Высокая проницающая способность нейтронов обуславливает их применение для неразрушающего контроля напряжений в объёмах материалах или изделиях под воздействием нагрузок, облучения или высокого давления. Обычные методы не позволяют обнаруживать скрытые дефекты внутри бруска в несколько сантиметров толщиной. Нейтронография дает возможность исследовать материал по объёму и найти места напряжений, которые в процессе эксплуатации станут критическими дефектами. Такие исследования очень важны для разработки будущих безопасных реакторов. Или, например, геофизические исследования: нейтроны можно использовать для изучения горных пород. По ориентации кристаллитов в них можно восстановить картину процессов там, откуда извлечены породы. На реакторе уже проводили интересные исследования образцов из Кольской сверхглубокой скважины, взятых с глубин от 8 до 10 километров. Полученные данные позволили проверить и дополнить модели тектонических процессов, проходивших в этом регионе.
Огромный интерес вызывают фундаментальные и прикладные исследования материалов, содержащих магнитные атомы, водород, литий, кислород. Такие функциональные материалы могут широко использоваться в технологиях записи и хранения информации, в энергетике и системах связи. На ИБР-2 уже проводили и проводят исследования сложных оксидных материалов с уникальными свойствами – колоссальным магнитным сопротивлением, сверхпроводимостью, магнитоэлектрическими эффектами, выяснили, какие механизмы лежат в основе их физических свойств на структурном уровне. Спектрометры и рефлектометры с поляризованными электронами позволяют изучать объёмные наноструктуры, в том числе многослойные; коллоидные растворы, ферромагнитные жидкости, определять свойства поверхности и тонких пленок толщиной до нескольких тысяч микрон, их ядерные и магнитные свойства.
Спектрометр малоуглового рассеяния нейтронов благодаря щадящему характеру излучения позволяет проводить эксперименты по исследованию биологических объектов размером от одного до нескольких сотен нанометров. «Мы можем изучать не только внутреннюю структуру, но и поверхность объекта. Это, в первую очередь, белки в растворе, мембраны или митохондрии, полимеры. Под действием различных факторов у мембраны изменяется структура, толщина, физические свойства, проницаемость, подвижность. Мы можем получить новые сведения о биологических объектах в разных условиях в процессе жизнедеятельности, которые невозможно получить другими способами», – рассказывает про работу своей группы Куклин.
У ИБР славная история, полная многих открытий. Сегодня помимо фундаментальных исследований много внимания уделяется и прикладным исследованиям свойств наноструктур, наноматериалов и живых тканей, всего того, что может оказаться важным и полезным для здоровья человека.
Рисунок 3.1 Пульты управления непосредственно реактором
На рисунке 3.2 представлены панели вызова пультов управления РУ и ТУ
Рисунок 3.2 Панели вызова пультов управления РУ и ТУ
Из мнемосхем управления реакторным и турбинным отделением для выполнения лабораторных работ потребуются следующие мнемосхемы. Вызов мнемосхемы осуществляется щелчком по названию соответствующей мнемосхемы.
Реакторное отделение
На рисунке 3.3 представлена мнемосхема управления реакторной установкой.
Рисунок 3.3 Мнемосхема управления реакторной установкой
На рисунке 3.4 представлена мнемосхема управления системой водообмена.
Рисунок 3.4 Мнемосхема управления системой водообмена
Турбинное отделение
На рисунке 3.5 представлена мнемосхема управления электрогидравлической системой регулирования турбоустановкой.
Рисунок 3.5 Мнемосхема управления электрогидравлической системой регулирования
На рисунке 3.6 представлена мнемосхема всей турбоустановки. Использовать ее в лабораторной работе можно только для анализа состояния турбоустановки в целом.
Рисунок 3.6. Обобщенная мнемосхема всей турбоустановки
На рисунке 3.7 представлена мнемосхема системы подогревателей низкого давления. При выполнении лабораторных работ данный пульт управления лучше не трогать во избежание срабатывания защитных систем турбоустановки.
Рисунок 3.7. Мнемосхема системы подогревателей низкого давления
На рисунке 3.8 представлена мнемосхема управления сосбственно турбиной (за исключением того, что управляется с панэли ЭГСР).
Рисунок 3.8. Мнемосхема управления сосбственно турбиной
На рисунке 3.9 представлена мнемосхема системы подогревателей высокого давления
Рисунок 3.9. Мнемосхема системы подогревателей высокого давления
На рисунке 3.10 представлена мнемосхема системы питательной воды парогенераторов.
Рисунок 3.10. Мнемосхема системы питательной воды парогенераторов
При описании выполнении каждой из трех лабоаторных работ будут описаны действия оператора и указаны необходимые мнемосхемы. При неаварийном пуске на экране появляются практически все мнемосхемы одновременно. Лишние нужно закрыть (но не свернуть).
Запуск модели энергоблока на счет выполняется с помощью FAR-коммандера в три этапа:
Запуск из командной строки начальной точки командой #RESTART.BAT 105 (перевод команды в командную строку осуществляется комбинацией клавиш Ctrl+Enter, при условии, что команда выделена курсором);
Запуск из командной строки собственно модели энергоблока АЭС командой #AUTORUN.BAT
Запуск из командной строки пультов управления командой ##runvideo.bat.
Для выполнения последней команды может не хватить ресурсов компьютера, тогда придется запускать панели вручную. (Вручную в директории MBTY\project запустить последовательно bpu.mrj, contr.mrj, ru_video.mrj и tu_video.mrj. После кажого запуска панели ОБЯЗАТЕЛЬНО запустить МВТУ кнопкой бегущего человечка до запуска следующей! ). В данном пособии правила работы с ПС МВТУ не описывются.
Устойчивость работы реактора
Пульт управления ядерным реактором
Зал управления ядерным реактором
Ядерные реакторы проектируются так, чтобы в любой момент времени процесс деления находился в устойчивом равновесии относительно малых изменений параметров, влияющих на реактивность (см. Коэффициент размножения нейтронов). Например, при выдвижении управляющего стержня из реактора коэффициент размножения нейтронов становится больше единицы, что при неизменности всех остальных параметров приводит к экспоненциальному нарастанию скорости ядерной реакции с характерным временем нейтронного цикла от τ = 10−3 с для реакторов на тепловых нейтронах до τ = 10−8 с для реакторов на быстрых нейтронах. Однако, при повышении скорости ядерной реакции растёт тепловая мощность реактора, в результате чего растёт температура ядерного топлива, что приводит к уменьшению сечения захвата нейтронов и, в свою очередь, к уменьшению скорости ядерной реакции. Таким образом, случайное повышение скорости ядерной реакции гасится, а вызванное перемещением управляющих стержней или медленным изменением других параметров - приводит к квазистационарному изменению мощности реактора, а не развитию взрыва. Описанная закономерность является одной из физических причин отрицательного мощностного коэффициента реактивности.
Для безопасного управления ядерным реактором крайне важно, чтобы все коэффициенты реактивности были отрицательны. В случае, если хотя бы один коэффициент реактивности положительный, работа реактора становится неустойчивой, причём время развития этой неустойчивости может быть настолько малым, что никакие системы активной аварийной защиты ядерного реактора не успевают сработать. В частности, анализ показал, что положительный паровой коэффициент реактивности реактора РБМК стал одной из причин Чернобыльской аварии.
Снижение реактивности
Реактор, работающий в стационарном режиме как угодно долго, представляет собой математическую абстракцию. На самом деле, протекающие в реакторе процессы вызывают ухудшение размножающих свойств среды, и без механизма восстановления реактивности реактор не смог бы работать сколь-либо продолжительное время. Обращение нейтронов в реакторе включает процесс деления; каждый акт деления означает убыль атома делящегося материала, а значит, и снижение k0. Правда, делящиеся атомы частично восстанавливаются за счёт поглощения избытка нейтронов ядрами 238U с образованием 239Pu. Однако накопление нового делящегося материала обычно не компенсирует потерь делящихся атомов, и реактивность снижается. Кроме того, каждый акт деления сопровождается появлением двух новых атомов, ядра которых, как и любые другие ядра, поглощают нейтроны. Накопление продуктов деления также снижает реактивность (см. Иодная яма). Снижение реактивности компенсируется квазистационарным понижением температуры реактора (соответствующее увеличение сечения захвата нейтронов компенсирует падение реактивности и возвращает реактор в критическое состояние). Однако, активные зоны энергетических реакторов должны быть разогреты до возможно бо́льшей (проектной) температуры, поскольку коэффициент полезного действия тепловой машины в конечном счёте определяется разностью температур источника тепла и холодильника - окружающей среды. Поэтому нужны системы управления для восстановления реактивности и поддержания проектной мощности и температуры активной зоны.
Система управления
Система управления была впервые разработана и применена на установке Ф-1. Создатель системы - Е. Н. Бабулевич
Ядерный реактор может работать с заданной мощностью в течение длительного времени только в том случае, если в начале работы имеет запас реактивности. Исключение составляют подкритические реакторы с внешним источником тепловых нейтронов. Освобождение связанной реактивности по мере её снижения в силу естественных причин обеспечивает поддержание критического состояния реактора в каждый момент его работы. Первоначальный запас реактивности создается путём постройки активной зоны с размерами, значительно превосходящими критические. Чтобы реактор не становился надкритичным, одновременно искусственно снижается k0 размножающей среды. Это достигается введением в активную зону веществ-поглотителей нейтронов, которые могут удаляться из активной зоны в последующем. Так же как и в элементах регулирования цепной реакции, вещества-поглотители входят в состав материала стержней того или иного поперечного сечения, перемещающихся по соответствующим каналам в активной зоне. Но если для регулирования достаточно одного-двух или нескольких стержней, то для компенсации начального избытка реактивности число стержней может достигать сотни. Эти стержни называются компенсирующими. Регулирующие и компенсирующие стержни не обязательно представляют собой различные элементы по конструктивному оформлению. Некоторое число компенсирующих стержней может быть стержнями регулирования, однако функции тех и других отличаются. Регулирующие стержни предназначены для поддержания критического состояния в любой момент времени, для остановки, пуска реактора, перехода с одного уровня мощности на другой. Все эти операции требуют малых изменений реактивности. Компенсирующие стержни постепенно выводятся из активной зоны реактора, обеспечивая критическое состояние в течение всего времени его работы.
Иногда стержни управления делаются не из материалов-поглотителей, а из делящегося вещества или материала-рассеивателя. В тепловых реакторах - это преимущественно поглотители нейтронов, эффективных же поглотителей быстрых нейтронов нет. Такие поглотители, как кадмий, гафний и другие, сильно поглощают лишь тепловые нейтроны благодаря близости первого резонанса к тепловой области, а за пределами последней ничем не отличаются от других веществ по своим поглощающим свойствам. Исключение составляет бор, сечение поглощения нейтронов которого снижается с энергией значительно медленнее, чем у указанных веществ, по закону l / v. Поэтому бор поглощает быстрые нейтроны хотя и слабо, но несколько лучше других веществ. Материалом-поглотителем в реакторе на быстрых нейтронах может служить только бор, по возможности обогащенный изотопом 10В. Помимо бора в реакторах на быстрых нейтронах для стержней управления применяются и делящиеся материалы. Компенсирующий стержень из делящегося материала выполняет ту же функцию, что и стержень-поглотитель нейтронов: увеличивает реактивность реактора при естественном её снижении. Однако, в отличие от поглотителя, такой стержень в начале работы реактора находится за пределами активной зоны, а затем вводится в активную зону. Из материалов-рассеивателей в быстрых реакторах употребляется никель, имеющий сечение рассеяния быстрых нейтронов несколько больше сечений других веществ. Стержни-рассеиватели располагаются по периферии активной зоны и их погружение в соответствующий канал вызывает снижение утечек нейтронов из активной зоны и, следовательно, возрастание реактивности. В некоторых специальных случаях целям управления цепной реакцией служат подвижные части отражателей нейтронов, при перемещении изменяющие утечки нейтронов из активной зоны. Регулирующие, компенсирующие и аварийные стержни совместно со всем оборудованием, обеспечивающим их нормальное функционирование, образуют систему управления и защиты реактора (СУЗ).
Аварийная защита
На случай непредвиденного катастрофического развития цепной реакции, а также возникновения других аварийных режимов, связанных с энерговыделением в активной зоне, в каждом реакторе предусмотрено экстренное прекращение цепной реакции, осуществляемое сбрасыванием в активную зону специальных аварийных стержней или стержней безопасности. Аварийные стержни изготовляются из поглощающего нейтроны материала. Они сбрасываются под действием силы тяжести в центральную часть активной зоны, где поток наибольший, а значит, и наиболее велика отрицательная реактивность, вносимая в реактор стержнем. Стержней безопасности, как и регулирующих, обычно два или несколько, однако в отличие от регуляторов они должны связывать возможно бо́льшую величину реактивности. Роль стержней безопасности может выполнять и часть компенсирующих стержней.
: … довольно банально, но тем не менее я так и не нашел инфу в удобоваримой форме — как НАЧИНАЕТ работать атомный реактор. Про принцип и устройство работы всё уже 300 раз разжеванно и понятно, но вот то как получают топливо и из чего и почему оно не столь опасно пока не в реакторе и почему не вступает в реакцию до погружения в реактор! — ведь оно разогревается только внутри, тем не менее перед загрузкой твлы холодные и всё нормально, так что-же служит причиной нагрева элементов не совсем ясно, как на них воздействуют и так далее, желательно не по научному).
Сложно конечно такую тему оформить не «по научному», но попробую. Давайте сначала разберемся, что из себя представляют эти самые ТВЭЛы.
Ядерное топливо представляет собой таблетки черного цвета диаметром около 1 см. и высотой около 1.5 см. В них содержится 2 % двуокиси урана 235, и 98 % урана 238, 236, 239. Во всех случаях при любом количестве ядерного топлива ядерный взрыв развиться не может, т.к.для лавинообразной стремительной реакции деления, характерной для ядерного взрыва требуется концентрация урана 235 более 60%.
Двести таблеток ядерного топлива загружаются в трубку, изготовленную из металла цирконий. Длина этой трубки 3.5м. диаметр 1.35 см. Эта трубка называется ТВЭЛ- тепловыделяющий элемент. 36 ТВЭЛов собираются в кассету (другое название «сборка»).
Устройство твэла реактора РБМК: 1 - заглушка; 2 - таблетки диоксида урана; 3 - оболочка из циркония; 4 - пружина; 5 - втулка; 6 - наконечник.
Превращение вещества сопровождается выделением свободной энергии лишь в том случае, если вещество обладает запасом энергий. Последнее означает, что микрочастицы вещества находятся в состоянии с энергией покоя большей, чем в другом возможном, переход в которое существует. Самопроизвольному переходу всегда препятствует энергетический барьер, для преодоления которого микрочастица должна получить извне какое-то количество энергии - энергии возбуждения. Экзоэнергетическая реакция состоит в том, что в следующем за возбуждением превращении выделяется энергии больше, чем требуется для возбуждения процесса. Существуют два способа преодоления энергетического барьера: либо за счёт кинетической энергии сталкивающихся частиц, либо за счёт энергии связи присоединяющейся частицы.
Если иметь в виду макроскопические масштабы энерговыделения, то необходимую для возбуждения реакций кинетическую энергию должны иметь все или сначала хотя бы некоторая доля частиц вещества. Это достижимо только при повышении температуры среды до величины, при которой энергия теплового движения приближается к величине энергетического порога, ограничивающего течение процесса. В случае молекулярных превращений, то есть химических реакций, такое повышение обычно составляет сотни градусов Кельвина, в случае же ядерных реакций - это минимум 107 K из-за очень большой высоты кулоновских барьеров сталкивающихся ядер. Тепловое возбуждение ядерных реакций осуществлено на практике только при синтезе самых лёгких ядер, у которых кулоновские барьеры минимальны (термоядерный синтез).
Возбуждение присоединяющимися частицами не требует большой кинетической энергии, и, следовательно, не зависит от температуры среды, поскольку происходит за счёт неиспользованных связей, присущих частицам сил притяжения. Но зато для возбуждения реакций необходимы сами частицы. И если опять иметь в виду не отдельный акт реакции, а получение энергии в макроскопических масштабах, то это возможно лишь при возникновении цепной реакции. Последняя же возникает, когда возбуждающие реакцию частицы снова появляются, как продукты экзоэнергетической реакции.
Для управления и защиты ядерного реактора используются регулирующие стержни, которые можно перемещать по всей высоте активной зоны. Стержни изготавливаются из веществ, сильно поглощающих нейтроны – например, из бора или кадмия. При глубоком введении стержней цепная реакция становится невозможной, поскольку нейтроны сильно поглощаются и выводятся из зоны реакции.
Перемещение стержней производится дистанционно с пульта управления. При небольшом перемещении стержней цепной процесс будет либо развиваться, либо затухать. Таким способом регулируется мощность реактора.
Ленинградская АЭС, Реактор РБМК
Начало работы реактора:
В начальный момент времени после первой загрузки топливом, цепная реакция деления в реакторе отсутствует, реактор находится в подкритическом состоянии. Температура теплоносителя значительно меньше рабочей.
Как мы уже тут упоминали, для начала цепной реакции делящийся материал должен образовать критическую массу, - достаточное количество спонтанно расщепляющегося вещества в достаточно небольшом пространстве, условие, при котором число нейтронов, выделяющихся при делении ядер должно быть больше числа поглощенных нейтронов. Это можно сделать, повысив содержание урана-235 (количество загруженных ТВЭЛОВ), либо замедлив скорость нейтронов, чтобы они не пролетали мимо ядер урана-235.
Вывод реактора на мощность осуществляется в несколько этапов. С помощью органов регулирования реактивности реактор переводится в надкритическое состояние Кэф>1 и происходит рост мощности реактора до уровня 1-2 % от номинальной. На этом этапе производится разогрев реактора до рабочих параметров теплоносителя причем скорость разогрева ограничена. В процессе разогрева органы регулирования поддерживают мощность на постоянном уровне. Затем производится пуск циркуляционных насосов и вводится в действие система отвода тепла. После этого мощность реактора можно повышать до любого уровня в интервале от 2 — 100 % номинальной мощности.
При разогреве реактора реактивность меняется, в виду изменения температуры и плотности материалов активной зоны. Иногда при разогреве меняется взаимное положение активной зоны и органов регулирования, которые входят в активную зону или выходят из нее, вызывая эффект реактивности при отсутствии активного перемещения органов регулирования.
Регулирование твердыми, движущимися поглощающими элементами
Для оперативного изменения реактивности в подавляющем большинстве случаев используется твердые подвижные поглотители. В реакторе РБМК управляющие стержни содержат втулки из карбида бора заключенные в трубку из алюминиевого сплава диаметром 50 или 70 мм. Каждый регулирующий стержень помещен в отдельный канал и охлаждается водой контура СУЗ (система управления и защиты) при средней температуре 50 ° С. По своему назначению стержни делятся на стержни АЗ (аварийной зашиты), в РБМК таких стержней 24 штуки. Стержни автоматического регулирования — 12 штук, Стержни локального автоматического регулирования — 12 штук, стержни ручного регулирования -131, и 32 укороченных стержня поглотителя (УСП). Всего имеется 211 стержней. Причем укороченные стержни вводятся в АЗ с низу остальные с верху.
Реактор ВВЭР 1000. 1 - привод СУЗ; 2 - крышка реактора; 3 - корпус реактора; 4 - блок защитных труб (БЗТ); 5 - шахта; 6 - выгородка активной зоны; 7 - топливные сборки (ТВС) и регулирующие стержни;
Выгорающие поглощающие элементы.
Для компенсации избыточной реактивности после загрузки свежего топлива, часто используют выгорающие поглотители. Принцип работы которых состоит в том, что они, подобно топливу, после захвата нейтрона в дальнейшем перестают поглощать нейтроны (выгорают). Причем скорости убыли в результате поглощения нейтронов, ядер поглотителей, меньше или равна скорости убыли, в результате деления, ядер топлива. Если мы загружаем в АЗ реактора топливо рассчитанное на работу в течении года, то очевидно, что количество ядер делящегося топлива в начале работы будет больше чем в конце, и мы должны скомпенсировать избыточную реактивность поместив в АЗ поглотители. Если для этой цели использовать регулирующие стержни, то мы должны постоянно перемещать их, по мере того как количество ядер топлива уменьшается. Использование выгорающих поглотителей позволяет уменьшить использование движущихся стержней. В настоящее время выгорающие поглотители часто помешают непосредственно в топливные таблетки, при их изготовлении.
Жидкостное регулирование реактивности.
Такое регулирование применяется, в частности, при работе реактора типа ВВЭР в теплоноситель вводится борная кислота Н3ВО3, содержащая ядра 10В поглощающие нейтроны. Изменяя концентрацию борной кислоты в тракте теплоносителя мы тем самым изменяем реактивность в АЗ. В начальный период работы реактора когда ядер топлива много, концентрация кислоты максимальна. По мере выгорания топлива концентрация кислоты снижается.
Механизм цепной реакции
Ядерный реактор может работать с заданной мощностью в течение длительного времени только в том случае, если в начале работы имеет запас реактивности. Исключение составляют подкритические реакторы с внешним источником тепловых нейтронов. Освобождение связанной реактивности по мере её снижения в силу естественных причин обеспечивает поддержание критического состояния реактора в каждый момент его работы. Первоначальный запас реактивности создается путём постройки активной зоны с размерами, значительно превосходящими критические. Чтобы реактор не становился надкритичным, одновременно искусственно снижается k0 размножающей среды. Это достигается введением в активную зону веществ-поглотителей нейтронов, которые могут удаляться из активной зоны в последующем. Так же как и в элементах регулирования цепной реакции, вещества-поглотители входят в состав материала стержней того или иного поперечного сечения, перемещающихся по соответствующим каналам в активной зоне. Но если для регулирования достаточно одного-двух или нескольких стержней, то для компенсации начального избытка реактивности число стержней может достигать сотни. Эти стержни называются компенсирующими. Регулирующие и компенсирующие стержни не обязательно представляют собой различные элементы по конструктивному оформлению. Некоторое число компенсирующих стержней может быть стержнями регулирования, однако функции тех и других отличаются. Регулирующие стержни предназначены для поддержания критического состояния в любой момент времени, для остановки, пуска реактора, перехода с одного уровня мощности на другой. Все эти операции требуют малых изменений реактивности. Компенсирующие стержни постепенно выводятся из активной зоны реактора, обеспечивая критическое состояние в течение всего времени его работы.
Иногда стержни управления делаются не из материалов-поглотителей, а из делящегося вещества или материала-рассеивателя. В тепловых реакторах - это преимущественно поглотители нейтронов, эффективных же поглотителей быстрых нейтронов нет. Такие поглотители, как кадмий, гафний и другие, сильно поглощают лишь тепловые нейтроны благодаря близости первого резонанса к тепловой области, а за пределами последней ничем не отличаются от других веществ по своим поглощающим свойствам. Исключение составляет бор, сечение поглощения нейтронов которого снижается с энергией значительно медленнее, чем у указанных веществ, по закону l / v. Поэтому бор поглощает быстрые нейтроны хотя и слабо, но несколько лучше других веществ. Материалом-поглотителем в реакторе на быстрых нейтронах может служить только бор, по возможности обогащенный изотопом 10В. Помимо бора в реакторах на быстрых нейтронах для стержней управления применяются и делящиеся материалы. Компенсирующий стержень из делящегося материала выполняет ту же функцию, что и стержень-поглотитель нейтронов: увеличивает реактивность реактора при естественном её снижении. Однако, в отличие от поглотителя, такой стержень в начале работы реактора находится за пределами активной зоны, а затем вводится в активную зону.
Из материалов-рассеивателей в быстрых реакторах употребляется никель, имеющий сечение рассеяния быстрых нейтронов несколько больше сечений других веществ. Стержни-рассеиватели располагаются по периферии активной зоны и их погружение в соответствующий канал вызывает снижение утечек нейтронов из активной зоны и, следовательно, возрастание реактивности. В некоторых специальных случаях целям управления цепной реакцией служат подвижные части отражателей нейтронов, при перемещении изменяющие утечки нейтронов из активной зоны. Регулирующие, компенсирующие и аварийные стержни совместно со всем оборудованием, обеспечивающим их нормальное функционирование, образуют систему управления и защиты реактора (СУЗ).
Аварийная защита:
Аварийная защита ядерного реактора – совокупность устройств, предназначенная для быстрого прекращения цепной ядерной реакции в активной зоне реактора.
Активная аварийная защита автоматически срабатывает при достижении одним из параметров ядерного реактора значения, которое может привести к аварии. В качестве таких параметров могут выступать: температура, давление и расход теплоносителя, уровень и скорость увеличения мощности.
Исполнительными элементами аварийной защиты являются, в большинстве случаев, стержни с веществом, хорошо поглощающим нейтроны (бором или кадмием). Иногда для остановки реактора жидкий поглотитель впрыскивают в контур теплоносителя.
Дополнительно к активной защите, многие современные проекты включают также элементы пассивной защиты. Например, современные варианты реакторов ВВЭР включают «Систему аварийного охлаждения активной зоны» (САОЗ) – специальные баки с борной кислотой, находящиеся над реактором. В случае максимальной проектной аварии (разрыва первого контура охлаждения реактора), содержимое этих баков самотеком оказываются внутри активной зоны реактора и цепная ядерная реакция гасится большим количеством борсодержащего вещества, хорошо поглощающего нейтроны.
Согласно «Правилам ядерной безопасности реакторных установок атомных станций», по крайней мере одна из предусмотренных систем остановки реактора должна выполнять функцию аварийной защиты (АЗ). Аварийная защита должна иметь не менее двух независимых групп рабочих органов. По сигналу АЗ рабочие органы АЗ должны приводиться в действие из любых рабочих или промежуточных положений.
Аппаратура АЗ должна состоять минимум из двух независимых комплектов.
Каждый комплект аппаратуры АЗ должен быть спроектирован таким образом, чтобы в диапазоне изменения плотности нейтронного потока от 7% до 120% номинального обеспечивалась защита:
1. По плотности нейтронного потока – не менее чем тремя независимыми каналами;
2. По скорости нарастания плотности нейтронного потока – не менее чем тремя независимыми каналами.
Каждый комплект аппаратуры АЗ должен быть спроектирован таким образом, чтобы во всем диапазоне изменения технологических параметров, установленном в проекте реакторной установки (РУ), обеспечивалась аварийная защита не менее чем тремя независимыми каналами по каждому технологическому параметру, по которому необходимо осуществлять защиту.
Управляющие команды каждого комплекта для исполнительных механизмов АЗ должны передаваться минимум по двум каналам. При выводе из работы одного канала в одном из комплектов аппаратуры АЗ без вывода данного комплекта из работы для этого канала должен автоматически формироваться аварийный сигнал.
Срабатывание аварийной защиты должно происходить как минимум в следующих случаях:
1. При достижении уставки АЗ по плотности нейтронного потока.
2. При достижении уставки АЗ по скорости нарастания плотности нейтронного потока.
3. При исчезновении напряжения в любом не выведенном из работы комплекте аппаратуры АЗ и шинах электропитания СУЗ.
4. При отказе любых двух из трех каналов защиты по плотности нейтронного потока или по скорости нарастания нейтронного потока в любом не выведенном из работы комплекте аппаратуры АЗ.
5. При достижении уставок АЗ технологическими параметрами, по которым необходимо осуществлять защиту.
6. При инициировании срабатывания АЗ от ключа с блочного пункта управления (БПУ) или резервного пункта управления (РПУ).
Может кто то сможет еще менее по научному объяснить кратко как начинает работу энергоблок АЭС? :-)
Вспомните такую тему, как и Оригинал статьи находится на сайте ИнфоГлаз.рф Ссылка на статью, с которой сделана эта копия -
Этот моддинг не задумывался как что-то интересное. Просто мой друг попросил сделать небольшой корпус, чтобы его можно было брать с собой. Друг увлекается музыкой и компьютер нужен только для обработки музыки. Он просил сделать нечто минималистское, без особых изысков. Единственным ограничением было необходимость вписаться в определённые размеры. По этой причине первоначальных фотографий очень мало. Хотя сделать каркас аквариумного типа по силам любому самодельщику. Но в процессе работы получилось по принципу «Остапа несло» и я просто не мог остановиться на самом простом варианте, и решил сделать некое подобие военного аппарата времён СССР. Но давайте по порядку…
Передняя панель сделана из трёхмиллиметровой дюралевой пластины, окна под DVD и всё остальное делались на фрезерном станке.
На обратной стороне были закреплены термометр на микроконтроллере ATtiny 2313 и кнопки включения. Термометр будет показывать температуру процессора в реальном времени. Кнопки куплены крупные, со встроенными светодиодами, один индицирует активность винчестера, а другой включение компьютера.
Для сохранения небольших габаритов в проекте применена материнская плата формата mini-ATX со встроенной видеокартой. Больших графических способностей от компьютера не требуется. Зато процессор применён четырёхядерный и установлено четыре гигабайта памяти. Материнка заняла практически весь объём корпуса, и я оказался на грани превышения максимальных габаритов.
Чтобы не выйти за рамки размера, пришлось существенно уменьшить блок питания. Он был разобран, теплоотводы установлены более низкого профиля, вентилятор заменён на очень тонкий. В итоге блок питания мощностью пятьсот ватт занял в корпусе всего пятьдесят миллиметров.
На процессор я установил низкопрофильный радиатор с тепловыми трубками.
Винчестер крепится на противоположной стенке корпуса.
Привод DVD размещается точно по середине на дополнительных кронштейнах из алюминиевого уголка.
Предварительная сборка показала, что все детали подходят друг к другу. В качестве общего выключателя установлен мощный тумблер.
Так же пришла в голову идея подсветить днище. Для этого в нём установлены две полоски из красных светодиодов.
В этот момент мне показалось, что всё сделано. Как же я был наивен!
Вроде бы всё в порядке, скажете вы. И даже термометр работает…
И DVD открывается… Но где индикатор активности DVD-привода?
Я про него совсем забыл. Пришлось всё разбирать по новой. Но раз уж разобрал, то решил сделать подсветку лотка привода. Эту проблему решил самым простым способом: на одной из стенок закрепляется геркон, а на каретке магнит.