Ядерные реакторы

Основы классификации ядерных реакторов

Ядерные реакторы можно разделить с учетом ряда критериев. Вот некоторые из них:

• Энергия нейтронов, вызывающих деление:
• тепловой реактор, использующий тепловые нейтроны, по крайней мере, с энергиями ниже примерно 100 эВ,
• реактор, работающий на быстрых нейтронах с энергией преимущественно в диапазоне 50 — 100 кэВ.
• Ядерное топливо (в виде металла, карбидов или оксидов, керамики):
• реактор, работающий на природном уране,
• реактор, работающий на обогащенном уране,
• реактор, работающий на ^{239 232} Pu,
• реактор, работающий на ²³² Th (точнее ²³³U).
• Размещение ядерного топлива:
• гомогенный реактор,
• гетерогенный реактор.
• Замедлитель:
• водный реактор,
• тяжеловодный реактор,
• реактор с бериллиевым замедлителем,
• графитовый реактор,
• реактор без замедлителя (на быстрых нейтронах).
• Теплоноситель
• реактор, охлаждаемый водой или другой жидкостью,
• реактор с газовым охлаждением (воздух, гелий, СО2, диссоциирующий газ),
• реактор, охлаждаемый жидким металлом (жидкий натрий и его сплавы, калий, висмут).

Необходимо помнить, что приведенное выше разделение не единственное. Кроме того, классификацию можно различать по материалу оболочки, в которую заключено топливо, степени обогащения топлива, типу конструкции топливных элементов и др. Постоянное технологическое развитие обеспечивает появление новых решений и придает некоторым из упомянутых реакторов лишь историческое значение.

Поколения реакторов

I поколение ядерных реакторов включало все те, которые были построены в 50-е и 60-е гг. прошлого века. В то же время они были прототипами реакторов II поколения. Первые ядерные реакторы имели конструкции, взятые из военных программ. Во время Второй мировой войны они в основном использовались для производства плутония. Реакторы первого поколения характеризовались тем, что имели возможность перевалки топлива во время работы реактора без необходимости его отключения. Это были графитовые реакторы. В качестве топлива использовался природный или слабообогащенный уран. В качестве теплоносителя выступали вода или углекислый газ.

II поколение ядерных реакторов (в основном построенные с 1970 по 1990 годы) ставило перед собой цель максимально эффективно производить электроэнергию. Широко распространенные в настоящее время кипящие реакторы или реакторы с водой под давлением относятся к поколению II.

В конце 80-х годов прошлого века были начаты исследования по внедрению ряда изменений и усовершенствований в строительстве и эксплуатации ядерных реакторов для выхода на III поколение. Это следующее поколение включает в себя ядерные реакторы, которые были модифицированы и улучшены для повышения безопасности, а также снижения затрат на строительство и эксплуатацию электростанции. Современный конкурентный энергетический рынок приводит к тому, что решения, введенные с ядерными реакторами третьего поколения, в настоящее время истощаются.

IV поколение ядерных реакторов включает в себя совершенно инновационный подход к получению ядерной энергии. Учитываются методы, которые отличаются от используемых в настоящее время решений. Многие из них представляют собой водо-водяные реакторы малой и средней мощности с оригинальными конструкциями.

Ядерные реакторы — разделение по конструкции

Резервуарные реакторы

• Водо-водяной ядерный реактор типа PWR (Pressurized Water Reactor)

Это наиболее часто распространенный тип реактора, используемый для энергетических целей. Сердечник данного типа реактора расположен внутри сосуда под давлением с водным бассейном. Вода является одновременно теплоносителем и замедлителем. Таблетки диоксида урана, заключенные в оболочку из циркония (или нержавеющей стали), являются топливом для этого вида реакторов. Реактор имеет два контура. Первый контур – вода, которая омывает твэлы и передает тепло парогенератору. После спуска она возвращается в реактор. Во втором контуре пар, образующийся в парогенераторе (нагретый первым контуром), приводит в движение турбины реактора.

• Реакторы ВВЭР (водо-водяной энергетический реактор)

Это реакторы средней и большой мощности PWR, разработанные в СССР. Их конструкция мало чем отличается от западных. Они оснащены четырьмя уровнями защиты от утечек. Были изготовлены два основных типа реакторов ВВЭР: ВВЭР — 440 и ВВЭР — 1000.

• Кипящий водо-водяной реактор типа BWR (Boiling Water Reactor)

В случае этого реактора, не вода, а водяной пар является теплоносителем, а также рабочей средой. Вода в активной зоне доведена до кипения, и на выходе из реактора мы получаем насыщенный пар, который приводит в движение паровую турбину. Реакторы типа BWR имеют только один контур.

Канальные реакторы

• Реакторы CANDU (тяжеловодный водо-водяной ядерный реактор производства Канады)

Реактор CANDU является примером тяжеловодного реактора — и теплоносителем, и замедлителем является тяжелая вода, D₂O. Его задача — понизить энергию нейтронов. В качестве топлива используется природный уран (без обогащения). Реактор CANDU был первоначально спроектирован и построен в Канаде как первый коммерческий тяжеловодный реактор.

• Реакторы РБМК (Реактор большой мощности канальный)

РБМК – это кипящий реактор. В качестве замедлителя используется графит. Вода получает тепло и, превратившись в пар, вращает турбины. В этом реакторе не вода, а графит замедляет быстрые нейтроны. В качестве топлива используется природный уран без обогащения. Хотя реактор РБМК является одним из самых экономичных, он имеет ряд конструктивных недостатков.

Ядерные реакторы — разделение по назначению

Энергетические реакторы — их основная задача — преобразование ядерной энергии в электрическую. Они используются в коммерческих электростанциях.

Исследовательские/учебные реакторы — в них в первую очередь проводятся научно-исследовательские работы. Исследовательские реакторы позволяют проводить эксперименты по изучению структуры твердых тел и исследования материалов и ядерного топлива для энергетических реакторов.

Военные реакторы — в армии ядерные реакторы использовались для производства плутония для военной промышленности.

Транспортные реакторы — одним из применений ядерной энергии является приведение в действие кораблей или подводных лодок. Для этой цели необходимы специально сконструированные транспортные реакторы.

Тепловые реакторы — используются для производства необходимого количества тепла для целей нагрева в ядерных тепловых установках.

Высокотемпературные реакторы — в высокотемпературных реакторах вырабатывается тепло, которое затем используется в технологических целях.

Реакторы специального назначения — этот тип реакторов в основном используется в медицинских или отдельных отраслях промышленности. В них создаются радиоизотопы для конкретных применений.