Среда, 29 мая, 2024

16+

РБМК — реактор, изменивший атомную энергетику

Время на чтение 6 мин.

Реакторы РБМК (Реактор Большой Мощности Канальный) — это уникальная страница в истории ядерной энергетики. Созданные в Советском Союзе, они стали символом как технического прогресса, так и потенциальных опасностей атомной энергии. В этом материале объясняем, как устроен реактор РБМК, зачем замедлять нейтроны и почему концевой эффект, возможно, сыграл ключевую роль в аварии на Чернобыльской АЭС.

«Атом Мирный»

Первые шаги к созданию РБМК были сделаны еще на заре атомной эры. Прототипом для будущих РБМК послужил реактор АМ-1 («Атом Мирный»), запущенный на первой в мире атомной электростанции в Обнинске в 1954 году. Этот уран-графитовый канальный реактор с водяным теплоносителем заложил основу для разработки более мощных и эффективных систем. Такая же конструкция применялась и в промышленных реакторах, построенных на ПО «Маяк», Горно-химическом комбинате в Железногорске (тогда Красноярск-26) и Сибирском химическом комбинате.

С 1960-х годов началась активная разработка чисто энергетических реакторов.  АМБ-1 и АМБ-2 («Атом Мирный Большой») — опытные реакторы, предназначенные для выработки электроэнергии, — установленные на Белоярской АЭС помогли отработать ключевые технологии.

К середине 1960-х инженеры накопили большой опыт в создании и эксплуатации уран-графитовых реакторов, а заводы наладили выпуск основных узлов для них. В 1964 году началось проектирование реактора, получившего обозначение Б-190.

РБМК — реактор, изменивший атомную энергетику
Реакторный зал Ленинградской АЭС. Фото: Росатом

Зачем в реакторе графит

Конструкция РБМК представляет собой довольно сложную систему, включающую в себя множество компонентов. Перед разработчиками стояла задача сделать реактор максимально эффективно даже при использовании урана низкого обогащения.

Ключевая функциональная и конструктивная часть реактора, определяющая его работу и эффективность — это активная зона. В ней происходит контролируемая цепная реакция деления ядер тяжелых изотопов урана. В ходе этой реакции выделяется энергия в виде тепловых нейтронов и гамма-излучения, а также кинетической энергии осколков деления. Активная зона включает в себя ядерное топливо, замедлитель, теплоноситель, который передает тепло за пределы реактора, и устройства систем управления и защиты реактора.

Тепловые нейтроны, также известные как медленные нейтроны, — это свободные частицы с кинетической энергией, близкой к наиболее вероятной энергии теплового движения молекул газа при комнатной температуре, что соответствует примерно 0,0253 электрон-вольта. Эти нейтроны получаются в результате замедления быстрых нейтронов, которые образуются при ядерных реакциях деления. После нескольких столкновений с ядрами вещества, быстрые нейтроны теряют свою кинетическую энергию и становятся тепловыми, достигая термодинамического равновесия со средой.

Тепловые нейтроны играют ключевую роль в ядерных реакторах, так как сечение поглощения теплового нейтрона ядром урана-235 с последующим делением значительно выше по сравнению с сечением деления быстрыми нейтронами. Это позволяет использовать топливо с меньшей концентрацией делящегося вещества, что делает тепловые нейтроны особенно важными для поддержания управляемой цепной реакции в ядерных реакторах.

Чтобы быстрые нейтроны стали медленными, необходим графитовый замедлитель. Графит эффективен в этой роли, так как он обладает способностью замедлять нейтроны без значительного их поглощения.

Природный графит содержит примеси, включая бор, который является хорошим поглотителем нейтронов, поэтому для использования в реакторах применяют специально очищенный реакторный графит. Он получается искусственно из смеси нефтяного кокса и каменноугольной смолы.

Графитовая кладка в реакторах РБМК служит замедлителем нейтронов и состоит из вертикальных колонн, в которых размещены технологические каналы.  В них устанавливаются топливные сборки с ядерным топливом и каналы системы управления и защиты — те самые графитовые стержни. Чем больше их вводится в реактор, тем лучше поглощаются нейтроны, следовательно, мощность реактора снижается. И наоборот: чтобы увеличить мощность, нужно убрать максимальное количество стержней. Для этого в РБМК есть специальный механизм, поднимающий и опускающий графитовые стержни.

Каждая топливная, или тепловыделяющая, сборка состоит из 18 тепловыделяющих элементов (твэлов), оболочки которых заполнены таблетками диоксида урана. Через активную зону течет вода, которая охлаждает твэлы и нагревается до температуры кипения и частично превращается в пар. Над активной зоной расположены барабаны-сепараторы, где пар отделяется от воды и направляется к турбинам, вращая их для выработки электричества.

РБМК — реактор, изменивший атомную энергетику
Работы с графитовой кладкой на Смоленской АЭС. Фото: Росатом

Концевой эффект

РБМК разработаны таким образом, что их активная зона состоит из отдельных каналов, что позволяет заменять топливные элементы без остановки реактора. Эта же конструктивная особенность дает возможность регулирования мощности: РБМК могут изменять свою мощность в широких пределах, что удобно для сетевых операторов.

Использование низкообогащённого урана делает топливо для РБМК более доступным, а также снижает риск того, что реактор будут использовать для создания ядерного оружия.

Однако на момент создания РБМК конструкторы не уделили достаточного внимания системам безопасности. Частично это связано с бытовавшим мнением, что атомная электростанция сама по себе настолько безопасна и управляема, что вероятность аварии на ней крайне мала.

В частности, во время проектирования инженеры неверно рассчитали паровой коэффициент реактивности — величину для оценки того, как содержание пара в теплоносителе влияет на цепную реакцию в активной зоне. Таким образом, чем больше пара оказывалось в теплоносителе, тем больше росла мощность реактора. При этом в некоторых режимах работы (как в режиме выбега, в котором работал реактор четвертого энергоблока ЧАЭС) компенсировать этот эффект было невозможно.

Еще одной конструктивно причиной аварии на ЧАЭС считается концевой эффект в реакторах РБМК — явление, которое происходит при опускании стержней системы управления и защиты (СУЗ) из крайнего верхнего положения. Вместо ожидаемого снижения, наблюдалось кратковременное увеличение реактивности ядерного реактора. Это связано с конструкцией стержней СУЗ, которые имели графитовый вытеснитель на конце. При опускании стержня графитовый вытеснитель замещал воду в нижней части активной зоны, что приводило к увеличению реактивности, поскольку графит имеет меньшую способность поглощать нейтроны по сравнению с водой.

На сегодняшний день РБМК продолжают функционировать на Курской, Ленинградской и Смоленской АЭС. Реакторы прошли модернизацию, на них введены новые меры безопасности. Но будущее атомной энергетики обойдется без них.

Оставьте ответ

Пожалуйста, введите свой комментарий!
Пожалуйста, введите ваше имя здесь