Кіріспе
Ядролық электр станциясының компоненті
Ядролық электр станциясындағы реакторлық қысым ыдысы (RPV) – ядролық реактордың салқындату сұйықтығын, реактор қаптамасын және реактордың активтік аймағын қамтитын қысым ыдысы.
Ядролық реакторларды жіктеу
Ресейлік совет дәуіріндегі RBMK реакторларында әрбір отын жинағы жеке 8 см диаметрлі құбырға орналастырылған, қысымды ыдыс болмайды. Көптеген қуатты реакторларда қысымды ыдыс бар, бірақ олар әдетте салқындатқыш сұйықтығының түріне емес, салқындатқыштың ішінде сақтауға арналған ыдыстың құрылымына қарай жіктеледі. Классификациялар:
Жеңіл су реакторы – қысымды су реакторы және қайнаған су реакторын қамтиды. Көптеген ядролық электр станциялары осы типті. Графитпен тоңазытылған реактор – Ресейдегі және әлемдегі ядролық электр станцияларының көпшілігімен салыстырғанда ерекше реакторлық конфигурацияға ие, мысалы, Чернобыль реакторы (RBMK). Газбен суытылатын термиялық реактор – Advanced Gas cooled Reactor, газбен суытылатын жылдам көбею реакторы және жоғары температуралы газбен суытылатын реакторды қамтиды. Газбен суытылатын реактордың мысалы – британдық Magnox. Қысымды ауыр су реакторы – ауыр суды немесе суды, онда сутектің дейтерий изотопының қалыпты көрсеткіштен жоғары мөлшері бар, белгілі бір жолмен пайдаланады. Дегенмен, D2O (ауыр су) қымбат, және ол негізгі компонент ретінде қолданылуы мүмкін, бірақ бұл жағдайда міндетті түрде салқындатқыш ретінде қолданылмайды. Ауыр су реакторының мысалы – Канаданың CANDU реакторы. Сұйық металлмен суытылатын реактор – реакторлық өзекті суыту үшін натрий немесе қорғасын-бисмут қорытпасы сияқты сұйық металл пайдаланады. Балқытылған тұз реакторы – салқындатқыш ретінде тұздар, әдетте сілтілі және сілтілік жер металдарының фторидтері қолданылады. Жұмыс істеуі жоғары температура және төмен қысыммен металлмен суытылатын реакторларға ұқсас, сумен немесе бумен суытылатын конструкцияларға қарағанда реакторлық ыдысқа түсетін қысымды азайтады. Қысымды ыдысы бар реакторлардың негізгі кластарының ішінде қысымды су реакторы ерекше, себебі қысымды ыдыс жұмыс кезінде маңызды нейтрондық сәулеленуге (флюенс деп аталады) ұшырайды және уақыт өте келе қатайып, сынығұр болуы мүмкін. Атап айтқанда, қайнаған су реакторының үлкен қысымды ыдысы нейтрондық ағыннан жақсы қорғалған, сондықтан, бастапқыда оның өндірісі үлкен өлшемге байланысты қымбат болғанымен, қыздыруға қажеттілігі жоқ. Қысымды су реакторларының ыдыстарын олардың қызмет ету мерзімін ұзарту үшін қыздыру – бұл күрделі және құнды технология, оны ядролық қызметтердің провайдерлері (AREVA) және қысымды су реакторларының операторлары белсенді түрде дамытып жатыр.
Light water reactor Includes the pressurized water reactor and the boiling water reactor. Most nuclear power reactors are of this type. Graphite moderated reactor Includes the Chernobyl reactor (RBMK), which has a highly unusual reactor configuration compared to the vast majority of nuclear power plants in Russia and around the world. Gas cooled thermal reactor Includes the Advanced Gas cooled Reactor, the gas cooled fast breeder reactor, and the high temperature gas cooled reactor. An example of a gas cooled reactor is the British Magnox. Pressurized heavy water reactor utilizes heavy water, or water with a higher than normal proportion of the hydrogen isotope deuterium, in some manner. However, D2O (heavy water) is more expensive and may be used as a main component, but not necessarily as a coolant in this case. An example of a heavy water reactor is Canada's CANDU reactor. Liquid metal cooled reactor utilizes a liquid metal, such as sodium or a lead bismuth alloy to cool the reactor core. Molten salt reactor salts, typically fluorides of the alkali metals and of the alkali earth metals, are used as the coolant. Operation is similar to metal cooled reactors with high temperatures and low pressures, reducing pressure exerted on the reactor vessel versus water or steam cooled designs. Of the main classes of reactor with a pressure vessel, the pressurized water reactor is unique in that the pressure vessel suffers significant neutron irradiation (called fluence) during operation, and may become brittle over time as a result. In particular, the larger pressure vessel of the boiling water reactor is better shielded from the neutron flux, so although more expensive to manufacture in the first place because of this extra size, it has an advantage in not needing annealing to extend its life. Annealing of pressurized water reactor vessels to extend their working life is a complex and high value technology being actively developed by both nuclear service providers (AREVA) and operators of pressurized water reactors.
Қысымды су реакторының қысым ыдысының құрамдас бөліктері
Барлық қысымды су реакторларының қысым корпустары, нақты конструкциясына қарамастан, бірнеше ортақ белгілері болады.
Реактор ыдысының корпусы
Реактор ыдысының корпусы ең ірі компонент болып табылады және отын жинағын, салқындатқышты, сондай-ақ салқындатқыш ағынын қамтамасыз ететін және қолдау құрылымдарын бекітетін жабдықтарды ішінде сақтауға арналған. Ол көбінесе цилиндр тәрізді болып келеді және отын жүктеуге ыңғайлы болу үшін жоғарғы жағы ашық болады.
Реактор ыдысының басы
Бұл құрылым реактор ыдысының үстіңгі бөлігіне бекітіледі. Ол басқару таяқшаларын қоздыру механизмінің басқару таяқшаларына отын жинағында қосылуына мүмкіндік беретін тесіктерге ие. Сонымен қатар, салқындатқыш деңгейін өлшеу сенсоры реактор ыдысының қақпағы арқылы ыдысқа енгізіледі.
Отын құралы
Ядролық отынның отын жинағы, әдетте ураннан немесе уран-плутоний қоспаларынан құралады. Ол әдетте торлы отын таяқшаларынан тұратын тіктөртбұрышты блок болып келеді.
Нейтронды шағылыстырғыш немесе сіңіруші
Отын жинағынан қашып шығатын жылдам нейтрондардан ыдыстың ішкі бетін қорғау үшін отын жинағының айналасына цилиндрлі қалқан орнатылған. Нейтрон көлдеткіштер отынды тиімдірек пайдалану үшін нейтрондарды отын жинағына қайтарады. Бірақ, басты мақсат – ыдысты жылдам нейтрондардың әсерінен болатын зақымданудан сақтау, бұл ыдыстың қатайып, қызмет ету мерзімін қысқартуына әкелуі мүмкін.
Материалдар
РПВ қуатты реактордың қауіпсіздігінде маңызды рөл атқарады және қолданылатын материалдар реактордың активтік аймағын жоғары температура мен қысымда сақтай білуі керек. Ыдыстардың цилиндрлі қабығында қолданылатын материалдар уақыт өте келе өзгеріп келген, бірақ олар әдетте 3–10 мм аустениттік тот баспайтын болатпен қапталған төмен легирленген ферриттік болаттардан тұрады. Тот баспайтын болаттан жасалған қаптама, негізінен, коррозияны азайту үшін салқындатқышпен тікелей жанасатын жерлерде қолданылады. Дегенмен, осы болаттардың қасиеттерін қарастырғанда, олардың сәулеленудің әсеріне қалай жауап беретінін ескеру қажет. Ауыр жағдайларға байланысты, РПВ цилиндр қабығының материалы ядролық реактордың қызмет ету мерзімін шектейтін компонент болып табылады.
Металдар мен қорытпаларда радиациялық зақымдану
Ядролық энергия өндірілу ерекшелігіне байланысты, реакторлық қысымды ыдыста (РҚЫ) қолданылатын материалдар үнемі жоғары энергиялы бөлшектермен бомбаланады. Бұл бөлшектер нейтрондар немесе ядролық бөліну нәтижесінде пайда болатын атом фрагменттері болуы мүмкін. Осы бөлшектердің бірі материалдағы атоммен соқтығысқанда, кинетикалық энергиясының бір бөлігін беріп, атомды кристалдық тордағы орнынан жылдырады. Осы кезде, жылғарылған негізгі "соққы" атомы (PKA) және энергетикалық бөлшек кері секіріп, тордағы басқа атомдармен соқтығысуы мүмкін. Бұл көптеген атомдардың бастапқы орнынан ығысуына себеп болатын тізбектік реакцияны тудырады. Ауысу каскадының бос орындарға толы ядросы да дислокациялық циклдарға айналуы мүмкін. Сәулеленудің әсерінен материалдарда әдеттегі болаттарға қарағанда кемшіліктердің концентрациясы артады, ал жұмыс істеу кезіндегі жоғары температура кемшіліктердің жылжуына ықпал етеді. Бұл интерстициалдар мен бос орындардың бірігуіне және ұқсас кемшіліктердің кластерленуіне алып келуі мүмкін, нәтижесінде шөгінділер немесе қуыстар пайда болуы немесе таралуы мүмкін. Кемшіліктердің жылжуы үшін термодинамикалық тұрғыдан қолайлы орындар – дәнекерленген шекаралар, қуыстар, тұрақсыз шөгінділер және дислокациялар.
Сәулелену арқылы бөліну
Ақаулар мен қорытпа элементтерінің өзара әрекеттесуі астық шекаралары сияқты атомдардың жиналатын орындарында атомдардың қайта таралуына алып келуі мүмкін. Бұл физикалық әсердің нәтижесінде кейбір элементтер осы аймақтарда толықсып немесе азайтылып, көбінесе астық шекараларының қатайып кетуіне немесе басқа да қасиеттердің нашарлауына себеп болады. Мұның себебі, бос орындар жиналатын орынға тартылып, ал атомдар әртүрлі диффузия коэффициенттерімен жиналатын орыннан немесе оған қарай қозғалады. Диффузия жылдамдықтарының тең емес болуы атомдардың шоғырлануына әкеледі, бұл атомдардың пропорциясы қорытпаның дұрыс құрамына сәйкес келмейді. Никель, мыс және кремний жиналатын орындарда толықсып, ал хром азаяды. Соның салдарынан астық шекараларында немесе қуыстардың/үйлеспейтін тұнбалардың айналасында химиялық құрам өзгереді, олар да атомдардың жиналатын орны ретінде танылады.