Я решил немного расширить тему интересного в атомной энергетике и рассказать на пальцах то, о чем вы возможно и не знали. Речь пойдет о тяжеловодном реакторе CANDU, который монополизировал рынок атомной энергетики Канады.

Краткая расшифровка терминов

CANDU – Canada Deuterium Uranium (reactor) — канадский дейтериевый реактор
PWR – Pressurized Water Reactor -реактор с водой под давлением. Зарубежный аналог ВВЭР
Обогащение – доля определенного изотопа в составе топлива, большая в сравнении с природным составом.
Тяжелая вода (D2O) – вода, в которой атомы водорода представлены тяжелым нерадиоактивным изотопом — дейтерием.
Дейтерий  – тяжелый изотоп водорода. Содержит в ядре один протон и один нейтрон

Автор статьи: Николай Вододохов, магистр в области атомной энергетики и теплофизики НИУ «МЭИ», McMaster University PhD student в области надежности реакторов малой мощности четвертого поколения.

Плод горячей канадской любви PWR и РБМК – реактор CANDU

Канада имеет свою уникальную конструкцию реактора — CANDU. Более того, для генерации энергии Канада использует только этот тип реакторов и никакой другой. Он, на первый взгляд, даже кажется чем-то абсурдным, если сравнить его с российским ВВЭР. Реактор горизонтальный, парогенератор вертикальный, дополнительного обогащения топлива нет, и каналы почти как у РБМК. Всё с ног на голову, наоборот и противоестественно, но это работает, и конкретно в момент написания статьи 57.13% электроэнергии в провинции Онтарио генерируется на АЭС (9.55 ГВт из 13 ГВт доступных). Как же так вышло?

Канадцы очень прожорливы до электричества, и оно у них очень дешевое
Канадцы очень прожорливы до электричества, и оно у них очень дешевое

Атомная энергетика Канады построена вокруг тяжеловодного реактора. Выбору данной технологии в качестве флагманской способствовали большие природные запасы урана и огромные ресурсы ГЭС. Последние можно использовать для добычи тяжелой воды. Основой экономической составляющей концепции CANDU является использование природного урана. Это называется открытым ядерным циклом. При данной концепции ядерное топливо попадает в реактор лишь один раз, после чего захоранивается. Открытый топливный цикл выгодно отличается тем, что в нем отстутствуют обогащение и переработка отработавшего топлива. Это позволяет снизить экономические затраты. При этом в рассчетах не учитывается стоимость плутония в отработавшем топливе. Однако, в случае переработки, он будет довольно ценным ресурсом.

CANDU отличается большой болей капитальных затрат. Это связано с тем, что данный вид замедлителя заметно бьет по карману, а топливо само по себе дешево. Система CANDU на тяжелой воде достаточно дорога. Однако, потребность в природном уране для этого реактора примерно вдвое меньше, нежели для водных реакторов аналогичной мощности(PWR, BWR). При росте потребности в уране за счет низкой топливной составляющей CANDU может получить серьезное преимущество. 

Рождение канадского тяжеловодного реактора

Началось всё в 1949 году, когда Канадцы решили использовать энергию деления ядра для производства электричества. Разработка проекта и постройка первой АЭС заняла 13 лет, как итог в 1962 году первый реактор типа CANDU увидел свет. Это был NPD (Nuclear Power Demonstration), установка, которая выдавала в сеть 20 МВт электроэнергии. Отличительными особенностями данного реактора были расположение топлива в горизонтальных каналах и тяжелая вода в качестве замедлителя и теплоносителя. У обоих этих нюансов есть вполне естественные причины:

1) Горизонтальные каналы можно перегружать с двух сторон, в отличии от реакторов других типов, которые перегружать можно только сверху из-за вертикального расположения

2) Тяжелая вода является наилучшим замедлителем и позволяет использовать природный уран без обогащения, с исходным содержанием изотопа U-235 в 0.71% (для сравнения ВВЭР использует около 4%)

В 1967 году свет увидел энергоблок мощностью 200 МВт, а в 1971-1973 гг. на станции Пикеринг заработали 4 энергоблока по 500 МВт каждый. Канада вступила в эпоху реакторов большой мощности весьма успешно, и с тех пор построила свои реакторы в Аргентине, Китае, Румынии и Южной Корее. Дальше Канада продвинуться не смогла из-за того, что не смогла провести грамотную маркетинговую кампанию на международной арене.

Очень подробное эволюционное древо реакторов типа CANDU
Очень подробное эволюционное древо реакторов типа CANDU

Особенности использования тяжелой воды в качестве замедлителя

В современных реакторах в качестве основного ядерного топлива применяется U-235, который делится преимущественно медленными нейтронами, то есть такими, которые замедлены до тепловых энергий (нейтроны двигаются со скоростями сопоставимыми со скоростями движения молекул газов). В мире используются только 3 относительно доступных вещества в качестве замедлителя – графит (реакторы РБМК и газоохлаждаемые в Великобритании, например), легкая вода (пример PWR, ВВЭР, BWR) и тяжелая вода (пример CANDU). Легкая вода является самой доступной из этой троицы, но и замедляет она хуже всех, следовательно для того, чтобы нейтроны чаще попадали в атомы, способные к делению, требуется относительно высокое обогащение топлива, в 3-4%. Графит на втором месте – замедляет лучше, но стоит уже подороже, поэтому топливо для графитовых реакторов имеет более низкое обогащение, около 2-3%. D2O – самый эффективный замедлитель и позволяет использовать уран с естественным обогащением в 0.7 %.

Чем больше число справа – тем замедлитель нейтронов лучше
Чем больше число справа – тем замедлитель нейтронов лучше

Простым языком можно сказать так: молекулы тяжелой воды нейтроны почти не поглощают из-за того, что уже перегружены лишними нейтронами, поэтому тяжелая вода только замедляет их и не препятствует цепной реакции. Доля замедленных нейтронов, достигших топлива, намного выше, по сравнению с ВВЭР и РБМК, поэтому достаточно естественного обогащения топлива, но цена замедлителя очень высока. Эта особенность канадских реакторов позволяет использовать отработавшее топливо PWR реакторов, где доля урана-235 существенно снижена по сравнению со свежим топливом, и составляет порядка 1%. К тому же, в составе такого отработанного топлива находится около 1.2% плутония-239, тоже пригодного для “сжигания” в CANDU. Благодаря низкому проценту поглощенных нейтронов в тяжелой воде эффективность использования урана-235 возрастает: из одного и того же количества урана-235 в CANDU получается вдвое больше энергии, нежели в водяном реакторе. Помимо прочего, 50% энерговыделения, происходит при делении плутония-239, образующегося в реакторе из урана-238. В отработавшем ядерном топливе тяжеловодных реакторов содержится вдвое больше плутония-239, чем в топливе с реакторов с обычной водой в виде замедлителя. Также, за счет эффективного баланса нейтронов CANDU можно рассматривать как кандидата для конверсии тория-232 в уран-233 в ториевом топливном цикле.

Вжух – и CANDU к топливу неприхотлив
Вжух – и CANDU к топливу неприхотлив

Технические особенности реактора CANDU

Канальная структура реактора позволяет ему не иметь корпуса, но работать при высоком давлении. Давление воды в канале 11 МПа, или примерно 110 атмосфер, что помогает создать оптимальные условия для теплообмена при относительно низкой энергонапряжённости. Каналы находятся в «баке», который называется каландрия, она заполнена тяжелой водой и удерживает каналы, если очень грубо проводить аналогию с РБМК, то это аналог кожуха. Давление тяжелой воды в кожухе ниже чем в каналах, вода в каландрии непрерывно циркулирует, но в производстве электроэнергии не участвует.

При этом необходимо обеспечить соотношение объема топлива к объёму замедлителя примерно 1/20, это делает реактор огромным по сравнению с водо-водяными реакторами.

Размер активной зоны CANDU огромен по сравнению с PWR при одинаковой мощности
Размер активной зоны CANDU огромен по сравнению с PWR при одинаковой мощности

Регулирующие и защитные стержни расположены вертикально, в случае возникновения аварийной ситуации работают независимо и могут быть сброшены под действием гравитационных сил.

Преимущество горизонтальной конструкции реактора ещё и в том, что перегрузку можно осуществлять с двух концов активной зоны, и ТВС (тепловыделяющие сборки, упаковки герметичных трубочек, содержащих ядерное топливо) представляют из себя не длинные стержни, как у вертикальных реакторов, а короткие пакеты, загружаемые друг за другом паровозиком.

Такие бочонки в качестве ТВС используют разные CANDU
Такие бочонки в качестве ТВС используют разные CANDU
CANDU выглядит непривычно, будто кто-то взял РБМК, ВВЭР и начал экспериментировать наугад с их скрещиванием.
CANDU выглядит непривычно, будто кто-то взял РБМК, ВВЭР и начал экспериментировать наугад с их скрещиванием.

В целях безопасности, реакторы CANDU являются двухконтурными, как ВВЭР или PWR, поскольку тяжеловодный пар может оказаться значительно более радиоактивным, чем пар на легкой воде, в которой содержание радиоактивного трития значительно ниже после пребывания в реакторе.

Упрощенная тепловая схема. Тепло (heat) полученное в результате деления (fission) снимается в реакторе (nuclear reactor) и поступает в парогенератор (steam generator), где вода второго контура превращается в пар и поступает в паровую турбину (steam turbine), которая вращает электрогенератор
Упрощенная тепловая схема. Тепло (heat) полученное в результате деления (fission) снимается в реакторе (nuclear reactor) и поступает в парогенератор (steam generator), где вода второго контура превращается в пар и поступает в паровую турбину (steam turbine), которая вращает электрогенератор

Конструкционные особенности реактора позволяют канадцам не строить новые атомные станции, поскольку основные элементы атомного реактора можно заменить по цене примерно в половину себестоимости нового реактора (по словам инженеров занимающихся CANDU), поэтому Канаде не потребуется закрывать атомные станции после окончания срока эксплуатации. В то же время, реакторы других типов после окончания срока службы требуют закрытия и постепенного демонтажа оборудования.

Особенностью реактора является положительный температурный паровой коэффициент реактивности, то есть чем больше пара появляется в каналах – тем сильнее разгоняется реактор. Данный момент контролируется автоматикой, CANDU изначально задумывался как реактор с системой автоматизированного управления. (В McMaster даже есть курс на тему автоматизации реактора).

Итог

Канада построила собственный тип реакторов, используя максимально рационально географическое расположение, доступность ресурсов, техническую базу и нейтралитет. Уникальное сочетание этих факторов в своё время позволило этой стране разработать свой уникальный тип энергетических реакторов и активно их применять. Ключевыми особенностями такого пути являются дешевизна топлива для АЭС, отсутствие необходимости в закрытии атомных станций и уникальный путь. слабый маркетинг и политическая обстановка в мире в XX-м веке не позволили CANDU получить широкое распространение, но у него ещё есть шанс стать главной печкой для дожигания отработавшего топлива с PWR.

Читайте также статью о развитии альтернативной энергетики в Советском союзе:

Другие мои статьи и заметки вы можете читать:
В группе нашего коллектива ВКонтакте, под хэштегом #Вододохов@century_arch
Также, чтобы не пропускать новые статьи, советую подписаться на нашу рассылку в Телеграм:

Подписаться на рассылку

Пишем для вас

Источники:

http://energetika.in.ua/ru/books/book-4/part-1/section-2/2-4/2-4-1
https://unene.ca/essentialcandu/
https://canteach.candu.org/

Изображения взяты из открытых источников и использованы в образовательных целях.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *