Кіріспе

Қарапайым суды пайдаланатын ядролық реактордың түрі. Жеңіл су реакторы (ЖЖР) – ауыр суға қарағанда қарапайым суды салқындатқыш және нейтрондық тежегіш ретінде пайдаланатын термиялық нейтрондық реактордың түрі; сондай-ақ, отын ретінде бөлінетін элементтердің қатты күйі қолданылады. Термиялық нейтрондық реакторлар – ядролық реакторлардың ең көп таралған түрі, ал жеңіл су реакторлары – термиялық нейтрондық реакторлардың ең көп таралған түрі. Жеңіл су реакторларының үш түрі бар: қысымды су реакторы (ПСЖР), қайнап тұратын су реакторы (ҚСЖР) және (көптеген конструкциялар бойынша) суперкритикалық су реакторы (СКЖР).

Алғашқы тұжырымдамалар мен тәжірибелер

Ядролық бөлінудің, қалыптанудың және ядролық тізбекті реакцияның теориялық мүмкіндігінің ашылуынан кейін, алғашқы тәжірибелік нәтижелер табиғи уранның тек графит немесе ауыр суды модератор ретінде пайдалана отырып ғана тұрақты тізбекті реакцияға түсе алатынын көрсетті. Әлемдегі алғашқы реакторлар (CP 1, X10 және т.б.) сәтті түрде белсенділікке жеткен кезде, Манхэттен жобасының – ядролық жарылғыш құрылғы жасау мақсатына жету үшін уранды байыту теориялық тұжырымдамадан практикалық қолдануға қарай дамуын бастады. 1944 жылдың мамыр айында Лос-Аламостағы төмен қуатты (LOPO) реакторында алғаш рет өндірілген байытылған уранның алғашқы грамдары белсенділікке жетті, ол атом бомбасын жасау үшін U235-тің критикалық массасын бағалау үшін қолданылды. LOPO коррозияға төзімді материалмен қапталған қатты уран қосылысы емес, суда ерітілген уранил сульфаты тұзынан құралғандықтан, бірінші жеңіл су реакторы деп қарастырылмайды. Дегенмен, ол бірінші сулы гомогенді реактор және байытылған уранды отын ретінде және қарапайым суды модератор ретінде пайдаланған алғашқы реактор. Бұл эксперименттің мақсаты – жеңіл суды модератор және салқындатқыш ретінде, ал қатты уранды отын ретінде пайдалана отырып, ядролық реактордың мүмкіндігін анықтау болды. Нәтижелер көрсеткендей, аз байытылған уранмен де белсенділікке жетуге болады. Бұл эксперимент жеңіл су реакторына жасалған алғашқы практикалық қадам болды. Екінші дүниежүзілік соғыстан кейін және байытылған уранның қолжетімділігімен жаңа реактор тұжырымдамалары іске асырыла бастады. 1946 жылы Юджин Вигнер және Алвин Вайнберг байытылған уранды отын ретінде, ал жеңіл суды модератор және салқындатқыш ретінде пайдаланатын реактор тұжырымдамасын ұсынды және дамытты. Бұл реакторды жобалау үшін тәжірибелер қажет болды, сондықтан ORNL-де MTR-дің макеті салынды, ол негізгі контурдың гидравликалық өнімділігін бағалау және содан кейін оның нейтрондық сипаттамаларын сынау үшін пайдаланылды. Бұл MTR макеті, кейіннен Төмен Интенсивті Сынақ Реакторы (LITR) деп аталды, 1950 жылдың 4 ақпанында белсенділікке жетті және әлемдегі алғашқы жеңіл су реакторы болды.

Қысымды су реакторлары

Екінші дүниежүзілік соғыс аяқталғаннан кейін, АҚШ Әскери-теңіз күштері капитан (кейін адмирал) Хайман Риковердің басшылығымен кемелерді ядролық қуатпен қамтамасыз ету бағдарламасын бастады. 1950 жылдардың басында алғашқы қысымды су реакторларын жасап шығарды, соның нәтижесінде алғашқы ядролық суасты кемесі – "Наутилус" сәтті қолданысқа енгізілді. КСРО 1950 жылдардың соңында ПВР (PWR) үлгісін VVER деген атпен дербес әзірледі. Ол функционалдық тұрғыдан американдыққа өте ұқсас болғанымен, батыстық ПВР-лерден (PWR) белгілі бір конструкциялық айырмашылықтары бар.

Қайнаған су реакторы

Зерттеуші Самуэль Унтермайер II АҚШ Ұлттық реакторды сынау станциясында (қазіргі Айдахо Ұлттық зертханасы) BORAX эксперименттері деп аталатын бірқатар сынақтар арқылы BWR-ді әзірлеуді жетекшілік етті.

PIUS реакторы

PIUS, Process Inherent Ultimate Safety дегенді білдіретін, ASEA ATOM компаниясы жасаған шведтік жоба. Бұл жеңіл су реакторы жүйесінің тұжырымдамасы. SECURE реакторымен қатар, ол қауіпсіз жұмыс істеуді қамтамасыз ету үшін оператордың араласуын немесе сыртқы энергия көздерін қажет етпейтін пассивті шараларға негізделген. Ешқандай құрылыс салынбады.

OPEN100

2020 жылы Энергия әсері орталығы 300 МВт жылулық/100 МВт электр энергиясын өндіруге қабілетті қысымды су реакторының ашық бастапқы кодты инженерлік жобасын жариялады, ол OPEN100 деп аталды.

Реактордың құрылысы

Жеңіл су реакторы бақыланатын ядролық бөліну арқылы жылу шығарады. Ядролық реактордың активтік аймағы – ядролық реакциялардың жүретін ядролық реактордың бөлігі. Ол негізінен ядролық отын мен басқару элементтерінен тұрады. Қарындаштай жұқа ядролық отын таяқшалары, әрқайсысы шамамен 3,7 метр (12 фут) ұзын, «отын жинағы» деп аталатын топтарға жүздеген данадан біріктіріледі. Әрбір отын таяқшасының ішінде уран немесе, көбінесе, уран тотығы гранулалары бірінен соң бірі тізілген. Басқару элементтері, «бақылау таяқшалары» деп аталады, гафний немесе кадмий сияқты нейтрондарды оңай сіңіретін заттардың гранулаларымен толтырылған. Бақылау таяқшалары активтік аймаққа түсірілгенде, олар нейтрондарды сіңіріп алады, осылайша тізбекті реакцияға қатысу мүмкіндігінен айырылады. Керісінше, бақылау таяқшалары алынғанда, жақын жердегі отын таяқшаларындағы 235 уран немесе 239 плутоний ядроларына көбірек нейтрондар тиеді, ал тізбекті реакция күшейеді. Мұның бәрі «реактор ыдысы» деп аталатын, сумен толтырылған болаттан жасалған қысым ыдысының ішінде орналасқан. Қайнап тұратын су реакторында бөлінуден пайда болған жылу суды буға айналдырады, ол тікелей электр энергиясын өндіретін турбиналарды итермелейді. Ал қысымды су реакторында бөлінуден пайда болған жылу жылу алмастырғыш арқылы екінші контурға беріледі. Бу екінші контурда пайда болады, ал екінші контур электр энергиясын өндіретін турбиналарды итермелейді. Екі жағдайда да, турбиналар арқылы өткеннен кейін бу конденсаторда суға айналады. Конденсаторды салқындату үшін қажетті су жақын жердегі өзеннен немесе мұхиттан алынады. Содан кейін ол жылы күйінде өзенге немесе мұхитқа қайта құйылады. Жылуды салқындату мұнарасы арқылы атмосфераға таратуға да болады. АҚШ электр энергиясын өндіру үшін жеңіл су реакторларын пайдаланады, ал Канада ауыр су реакторларын қолданады.

Бақылау

Басқару таяқшалары әдетте басқару таяқшалары жиынтығына біріктіріледі – әдетте коммерциялық қысымды су реакторы жиынтығында 20 таяқша болады – және отын элементіндегі бағыттаушы түтіктерге енгізіледі. Басқару таяқшасы ядролық реактордың орталық өзегіне енгізіліп немесе алынып тасталады, осы арқылы уран атомдарын одан әрі бөліп шығаратын нейтрондардың санын бақылауға болады. Бұл өз кезегінде реактордың жылу қуатына, пайда болатын бу мөлшеріне және одан шығатын электр энергиясына әсер етеді. Тізбекті реакция жүзеге асуына мүмкіндік беру үшін бақылау таяқшалары өзектен ішінара алынып тасталады. Реактордың реактивтілігін басқару үшін енгізілген бақылау таяқшаларының саны мен олардың енгізілу тереңдігін өзгертуге болады. Әдетте реактивтілікті басқарудың басқа да тәсілдері бар. PWR конструкциясында реактор салқындатқышына ерітілген нейтронды сіңіргіш, әдетте борик қышқылы қосылады, бұл стационарлық режимде басқару таяқшаларын толық шығаруға мүмкіндік береді, соның нәтижесінде бүкіл өзектің бойымен қуат пен нейтрон ағынының тең таралуы қамтамасыз етіледі. BWR конструкциясының операторлары реактордың айналымдық сорғыларының жылдамдығын өзгерту арқылы реактивтілікті басқару үшін өзектен өтетін салқындатқыш ағынын пайдаланады. Салқындатқыш ағынының артуы бу көпіршіктерін кетіруді жақсартады, осылайша салқындатқыш/баяулатушының тығыздығы артып, қуат төмендейді.

Салқындатқыш

Жеңіл су реакторында реакторды салқындату үшін әдеттегі су қолданылады. Салқындатушы – жеңіл су – реактордың активтік аймағы арқылы айналып, оның бөліп шығаратын жылуын сіңіреді. Жылу реактордан шығарылып, содан кейін бу өндіруге пайдаланылады. Көптеген реакторлық жүйелер қысымды буды жасау үшін қайнатылатын судан физикалық жағынан бөлек салқындату жүйесін қолданады, мысалы, қысымды су реакторы. Бірақ кейбір реакторларда бу турбиналары үшін су реактордың активтік аймағымен тікелей қайнатылады, мысалы, қайнап тұратын су реакторы. Көптеген басқа реакторлар да жеңіл сумен салқындатылады, атап айтқанда, RBMK және кейбір әскери плутоний өндіру реакторлары. Бұл реакторлар ЖСЖ (жеңіл су реакторлары) деп есептелмейді, себебі олар графитпен баяулатылады, нәтижесінде олардың ядролық қасиеттері өте ерекше. Коммерциялық қысымды су реакторларында салқындатқыш ағыны тұрақты болғанымен, АҚШ Әскери-теңіз флоты кемелерінде қолданылатын ядролық реакторларда ол тұрақты емес.

Отын

Қарапайым суды пайдалану реактордың қажетті сындылығын сақтау үшін уран отынын белгілі бір деңгейде байытуды қажет етеді. Жеңіл су реакторы отын ретінде шамамен 3 пайызға дейін байытылған уран-235-ті пайдаланады. Бұл оның басты отыны болғанымен, уран-238 атомдары да плутоний-239-ға айналып, бөліну процесіне үлес қосады; оның шамамен жартысы реакторда тұтынылады. Жеңіл су реакторлары әдетте 12-18 ай сайын отынмен қайта толықтырылады, осы кезде отынның шамамен 25 пайызы ауыстырылады. Байытылған UF6 уран диоксидінің ұнтағына айналдырылып, содан кейін таблеткаларға өңделеді. Таблеткалар жоғары температурадағы, күйдіру пешінде қыздырылып, байытылған ураннан жасалған қатты, керамикалық таблеткалар құрылады. Цилиндр пішіндес таблеткалар біркелкі пішін өлшеміне жету үшін ұнтақтау процесінен өтеді. Уран оксиді құбырларға салынар алдында, керамикалық отындағы коррозия мен сутегінің әсерінен жарылуға алып келетін ылғалды кетіру үшін кептіріледі. Таблеткалар әр ядроның конструкциялық ерекшеліктеріне сәйкес, коррозияға төзімді металл қорытпасынан жасалған құбырларға салынады. Құбырлар отын таблеткаларын қамтиды: осы құбырлар отын таяқшалары деп аталады. Дайын отын таяқшалары арнайы отын жинақтарында топтастырылады, содан кейін электр станциясының ядролық отын өзегін құру үшін қолданылады. Құбырларға қолданылатын металл реактордың конструкциясына байланысты. Бұрын тот баспайтын болат қолданылған, бірақ қазіргі көптеген реакторлар цирконий қорытпасын пайдаланады. Реакторлардың ең көп таралған түрлері үшін құбырлар белгілі бір арақашықтықта орналасқан түйіндерге жиналады. Бұл түйіндерге бірегей идентификациялық нөмір беріледі, олардың өндірістен бастап пайдалануға және кәдеге жіберуге дейінгі жолын қадағалауға мүмкіндік береді. Қысымды су реакторының отыны цилиндрлі таяқшалардан тұрады. Уран оксидінің керамикасы таблеткаларға айналдырылып, цирконий қорытпасынан жасалған құбырларға салынады. Цирконий қорытпасынан жасалған құбырлардың диаметрі шамамен 1 см, ал отын қаптамасының аралығы гелий газымен толтырылады, бұл отыннан қаптамаға жылуды өткізуді жақсартады. Бір отын жинағында шамамен 179 264 отын таяқшасы болады және реактордың өзегіне 121-ден 193-қа дейін отын жинағы салынады. Әдетте, отын жинақтары 14x14-тен 17x17-ге дейін отын таяқшаларынан тұрады. PWR отын жинақтарының ұзындығы шамамен 4 метрді құрайды. Цирконий қорытпасынан жасалған құбырлар гелиймен қысымға ие, бұл ұзақ мерзімді кезеңде отын таяқшаларының бұзылуына әкелетін таблеткалар мен қаптама арасындағы өзара әрекеттесуді азайтуға бағытталған. Қайнаған су реакторларында отын PWR отынына ұқсас, бірақ жинақтар "қаптамаланған", яғни әр жинақты қоршаған жұқа құбыр бар. Бұл негізінен жергілікті тығыздық өзгерулерінің ядролық өзектің нейтроникалық және жылулық гидравликалық сипаттамаларына жаһандық деңгейде әсер етуін болдырмау үшін жасалады. Қазіргі заманғы BWR отын жинақтарында өндірушіге байланысты жинаққа 91, 92 немесе 96 отын таяқшасы кіреді. Реактордың өзегін құрайтын ең кішкентай U.S. BWR үшін 368, ал ең үлкені үшін 800 жинақ бар. Әрбір BWR отын таяқшасы шамамен үш атмосфера (300 кПа) қысымға дейін гелиймен толтырылады.

Модератор

Нейтрондық модератор — жылдам нейтрондардың жылдамдығын төмендетіп, оларды уран-235 қатысатын ядролық тізбекті реакцияны қолдауға қабілетті жылулық нейтрондарға айналдыратын орта. Жақсы нейтрондық модератор — нейтрондарды оңай сіңірмейтін жеңіл ядролы атомдарға толы материал. Нейтрондар ядроға шағылысып, кері қайтарылады. Көптеген соқтығысулардан кейін нейтронның жылдамдығы ядролардың жылулық жылдамдықтарымен шамалас болады; мұндай нейтрон жылулық нейтрон деп аталады. Жеңіл су реакторында модератор ретінде әдеттегі су қолданылады. Жеңіл су байытылмаған табиғи уранмен қолдану үшін тым көп нейтрондарды сіңіреді, сондықтан мұндай реакторларды іске қосу үшін уранды байыту немесе ядролық қайта өңдеу қажет болады, бұл жалпы құнға әкеледі. Бұл оны ауыр су реакторынан ажыратады, ол модератор ретінде ауыр суды пайдаланады. Әдеттегі суда ауыр су молекулалары бар болғанымен, олар көптеген қолданулар үшін маңызды емес. Басымды су реакторларында салқындатқыш су модератор ретінде қолданылады, нейтрондар судағы жеңіл сутек атомдарымен көптеген соқтығысуларға түседі, осы процесте жылдамдықтарын жоғалтады. Су тығыз болғанда нейтрондардың модерациялануы жиі болады, себебі соқтығысулар көбірек болады. Суды модератор ретінде пайдалану – PWR қауіпсіздігінің маңызды ерекшелігі, себебі температураның кез келген өсуі судың кеңеюіне және тығыздығының төмендеуіне әкеледі, соның салдарынан нейтрондардың баяулау деңгейі төмендеп, реактордағы реактивтілік азаяды. Егер реактивтілік қалыпты деңгейден асып кетсе, нейтрондардың нашар модерациялануы тізбекті реакцияны баяулатып, жылу өндірімін азайтады. Бұл қасиет, реактивтіліктің теріс температуралық коэффициенті деп аталады, PWR-ді өте тұрақты етеді. Егер салқындатқыш жоғалса, модератор да жоғалады және белсенді бөліну реакциясы тоқтатылады. Тізбекті реакция тоқтағаннан кейін де, бөлінудің радиоактивті қосалқы өнімдерінен жылу бөлінеді, бұл номиналды қуаттың шамамен 5% құрайды. Бұл «тоңазыту жылуы» тоқтатылғаннан кейін 1-ден 3 жылға дейін жалғасады, содан кейін реактор «толық суық тоқтау» күйіне жетеді. Тоңазыту жылуы қауіпті және ядроны балқытуға жеткілікті күшті болғанымен, белсенді бөліну реакциясымен салыстырғанда оның қарқындылығы аз. Реакторды тоқтату кезеңінде суыту суын сорғылау қажет, әйтпесе реактор қызып кетеді. Егер температура 2200 °C-тан жоғары болса, салқындатқыш су сутек пен оттегіге ыдырайды, олар (химиялық) жарылғыш қоспаны құрайды. Тоңазыту жылуы – LWR қауіпсіздігі көрсеткіштеріндегі маңызды тәуекел факторы.