Кіріспе
Суды тікелей қайнататын ядролық реактор түрі. Қайнаған су реакторы (BWR) – электр энергиясын өндіруге қолданылатын жеңіл су ядролық реакторының бір түрі. Бұл, қысымды су реакторынан (PWR) кейін екінші ең көп таралған электр энергиясын өндіретін ядролық реактор түрі, ол да жеңіл су ядролық реакторының түрі болып табылады. BWR мен PWR арасындағы басты айырмашылық – BWR-де реакторлық ядро суды қыздырады, ол буға айналып, содан кейін бу турбинасын іске қосады. PWR-де реакторлық ядро суды қыздырады, бірақ ол қайнамайды. Бұл ыстық су төмен қысымды жүйемен жылу алмасып, суды буға айналдырады, ол турбинаны іске қосады. BWR 1950-ші жылдардың ортасында Аргонн ұлттық зертханасы және General Electric (GE) компанияларымен әзірленген. Қазіргі кездегі негізгі өндіруші – GE Hitachi Nuclear Energy, ол осы типтегі реакторларды жобалау және құрылыс салуға маманданған.
A boiling water reactor (BWR) is a type of light water nuclear reactor used for the generation of electrical power. It is the second most common type of electricity generating nuclear reactor after the pressurized water reactor (PWR), which is also a type of light water nuclear reactor. The main difference between a BWR and PWR is that in a BWR, the reactor core heats water, which turns to steam and then drives a steam turbine. In a PWR, the reactor core heats water, which does not boil. This hot water then exchanges heat with a lower pressure system, which turns water into steam that drives the turbine. The BWR was developed by the Argonne National Laboratory and General Electric (GE) in the mid 1950s. The main present manufacturer is GE Hitachi Nuclear Energy, which specializes in the design and construction of this type of reactor.
Шолу
Қайнаған су реакторы суыту және нейтрондық баяулатушы ретінде деминерализацияланған суды пайдаланады. Реактордың активтік аймағында ядролық бөліну нәтижесінде жылу пайда болады, бұл салқындату суын қайнатып, бу тудырады. Бу тікелей турбинаны айналдыру үшін қолданылады, содан кейін конденсаторда суытылып, сұйық суға айналады. Бұл су реактордың активтік аймағына қайта оралып, цикл толықтай аяқталады. Салқындату суы шамамен 75 атм (7,6 МПа, 1000–1100 пси) қысымда ұсталады, соның нәтижесінде ол активтік аймақта шамамен 285 °C (550 °F) температурада қайнайды. Қарама-қарсылығы, қысымды су реакторында (PWR) жоғары қысымның сақталуына байланысты маңызды қайнауға рұқсат етілмейді – шамамен 158 атм (16 МПа, 2300 пси). Реактордың активтік аймағының зақымдану жиілігі 10−4 және 10−7 аралығында деп есептелді (яғни, әр 10 000-нан 10 000 000 реактор жылдарына бір активтік аймақ зақымдану оқиғасы).
Конденсат және ағынды су
Турбинадан шыққан бу төмен қысымды турбиналардың астында орналасқан конденсаторларға ағылады, онда бу салқындатылады және сұйық күйге (конденсат) қайта айналады. Конденсат әртүрлі турбиналық сатылардан алынған буды пайдалану арқылы температурасын көтеретін су жылытқыштар арқылы сорылады. Су жылытқыштардан келетін су реакторлық қысымды ыдысқа (RPV) ыдыстың жоғарғы бөлігіндегі сораптар арқылы, ядролық отын жинақтарының үстінен (осы ядролық отын жинақтары "орталықты" құрайды), бірақ су деңгейінен төмен кіреді. Азық су төмен түсетін немесе аннулолық аймаққа кіреді және ылғалды бөлушілерден шыққан сумен біріктіріледі. Азық су ылғалды бөлушілерден алынған қаныққан суды төмендетеді. Бұл су енді төмен түсетін немесе аннулус аймағына ағып түседі, ол ядродан биік саванмен бөлінеді. Су содан кейін қосымша сорғылау қуатын (гидравликалық бас) қамтамасыз ететін реактивті насостар немесе ішкі айналым насостары арқылы өтеді. Су енді 180 градусқа бұрылып, төменгі ядролық пластина арқылы ядролық ядроға көтеріледі, онда отын элементтері суды қыздырады. Жоғары бағыттағы отын арналарынан шыққан су шамамен 15% бу сапасымен қанықтырылған. Типтік ядро ағыны 45 000 000 кг/сағ (100 000 000 фунт/сағ) болуы мүмкін, 6 500 000 кг/сағ (14 500 000 фунт/сағ) бу ағыны. Алайда, ядроның орташа бос кеңістік үлесі айтарлықтай жоғары (~40%). Мұндай мәндер әрбір станцияның қолжетімді Техникалық ережелерінде, Қауіпсіздік туралы есепте немесе Ядролық жұмыс шектері есебінде табылуы мүмкін. Ядродан шыққан жылу жылулық бас тудырады, ол айналым насостарына RPV ішіндегі суды айналдыруға көмектеседі. BWR айналым насостарыз жобалануы мүмкін және суды RPV ішінде айналдыру үшін толығымен жылулық басқа сүйене алады. Айналым насостарынан мәжбүрлі айналым басы қуатты басқаруда өте пайдалы және басқа жағдайда мүмкін емес жоғары қуат деңгейлеріне қол жеткізуге мүмкіндік береді. Термиялық қуат деңгейін айналым насостары арқылы мәжбүрлі айналым ағынын арттыру немесе азайту арқылы оңай өзгертуге болады. Ядродан жоғары екі фазалы сұйықтық (су және бу) көтерілгіш аймаққа кіреді, ол саванның ішіндегі жоғарғы аймақ. Бұл аймақтың биіктігі табиғи термиялық айналымды күшейту үшін арттырылуы мүмкін. Көтерілгіш аймақтың жоғарғы жағында ылғалды бөлуші орналасқан. Циклондық сепараторларда екі фазалы ағынды айналдыру арқылы бу бөлініп, бу кептіргішке қарай жоғары көтеріледі, ал су артта қалып, төмен түсетін немесе аннулолық аймаққа көлденең ағып шығады. Төмен түсетін немесе аннулус аймағында ол азық су ағынымен бірігіп, цикл қайталанады. Сепаратордың үстіне көтерілген қаныққан бу шевронды кептіргіш құрылымымен кептіріледі. "Жылы" бу су тамшыларының жылдамдығы бәсеңдеп, төмен түсетін немесе аннулос аймағына қарай бағытталатын қисық жолмен өтеді. "Құрғақ" бу төрт негізгі бу желісі арқылы RPV-ден шығып, турбинаға өтеді.
Басқару жүйелері
Реактордың қуаты екі тәсілмен реттеледі: басқару таяқшаларын (бақылау бледтерін) енгізу немесе алып тастау және реактор өзегі арқылы су ағынын өзгерту арқылы. Басқару таяқшаларын орналастыру (сығу немесе енгізу) – бұл BWR-ді іске қосқан кезде қуатты басқарудың қалыпты әдісі. Басқару таяқшалары алынып тасталғанда, бақылау материалындағы нейтронды сіңіру азаяды және отын мөлшері артады, сондықтан реактордың қуаты артады. Басқару таяқшалары енгізілгенде, бақылау материалындағы нейтронды сіңіру артады және отын мөлшері азаяды, сондықтан реактордың қуаты төмендейді. PWR-ден айырмашылығы, BWR-де басқару таяқшалары (бор карбиді пластиналары) қуатты біркелкі бөлу үшін төменнен енгізіледі: жоғары жағында будың пайда болуына байланысты судың тығыздығы төмен, бұл нейтронды модерациялаудың тиімділігін төмендетеді және бөліну ықтималдығын азайтады. Қалыпты жағдайда басқару таяқшалары реактордағы қуатты біркелкі бөлу үшін және отынның шығынын өтеу үшін қолданылады, ал қуат су ағыны арқылы басқарылады (төменде қараңыз). Кейбір ертедегі BWR және ұсынылып отырған ESBWR (General Electric Hitachi жасаған экономикалық оңайлатылған BWR) конструкциялары қуатты нөлден 100%-ға дейін басқару үшін басқару таяқшасы бар табиғи циркуляцияны ғана қолданады, өйткені оларда реактордың қайта айналым жүйесі жоқ. Су ағынын өзектен өтетін (көбейту немесе азайту) – реактор қуатын шамамен 30%-дан 100%-ға дейін басқарудың қалыпты және ыңғайлы тәсілі. "100% штанга желісі" деп аталатын жұмыс кезінде қуатты шамамен 30%-дан 100%-ға дейін өзгертуге болады, реактордың қайта айналым жүйесі ағынын қайта айналым сорғыларының жылдамдығын өзгерту немесе ағысты реттеу клапандарын модуляциялау арқылы. Судың өзектен өту ағысы ұлғайғанда, будың көпіршіктері ("бос кеңістіктер") өзектен тез кетеді, өзектен өтетін сұйық судың мөлшері артады, нейтронның модерациясы артады, отын сіңіруіне көбірек нейтрондар баяулайды және реактордың қуаты артады. Судың өзектен өту ағысы азайғанда, будың бос кеңістіктері өзекте ұзаққа созылады, өзектен өтетін сұйық судың мөлшері азаяды, нейтронның модерациясы төмендейді, жанармай сіңіретін нейтрондар азаяды және реактордың қуаты төмендейді. Осылайша BWR теріс бос кеңістік коэффициентіне ие. Реактор қысымын негізгі турбина немесе негізгі бу айналма клапандары арқылы басқарады. PWR-ден айырмашылығы, онда турбинаның буға деген сұранысын операторлар қолмен белгілейді, BWR-де турбина клапандары реактор қысымын белгіленген нүктеде ұстап тұру үшін модуляцияланады. Бұл басқару режимінде турбинаның шығысы реактор қуатының өзгеруіне автоматты түрде сәйкес келеді. Турбина тоқтаған немесе іске қосылған кезде негізгі буды айналып өту/алып тастау клапандары ашылып, буды тікелей конденсаторға бағыттайды. Бұл айналма клапандар реактордағы қысымды ұстап тұру үшін және булану кезінде реактордың қызу және салқындау жылдамдығын бақылау үшін қажеттілік бойынша автоматты түрде немесе қолмен модуляцияланады. Реактордағы су деңгейі негізгі ағынды су жүйесі арқылы басқарылады. 0,5%-дан 100%-ға дейін, сумен қоректену реактордағы су деңгейін автоматты түрде басқарады. Қуаты аз жағдайда, қоректендіру суын бақылау реактордағы су деңгейін бақылау арқылы қарапайым PID басқару ретінде әрекет етеді. Жоғары қуат жағдайында контроллер "Үш элемент" басқару режиміне ауыстырылады, онда контроллер реактордағы ағымдағы су деңгейін, сондай-ақ реакторға кіретін судың мөлшерін және реактордан шығатын будың мөлшерін қарайды. Суды инъекциялау және бу ағыны жылдамдықтарын пайдалану арқылы суды басқару жүйесі су деңгейінің ауытқуларын тез болжап, су деңгейін орнатылған нүктеден бірнеше сантиметр ішінде ұстауға жауап бере алады. Егер екі су сорғысының бірі жұмыс кезінде істен шықса, су жүйесі қайта айналым жүйесіне өзекті ағынды тез азайтуды бұйырады, яғни реактордың қуатын бірнеше секунд ішінде 100%-дан 50%-ға дейін азайтады. Осы қуат деңгейінде бір ғана су сорғысы судың негізгі деңгейін сақтай алады. Егер барлық су жоғалса, реактор тоқтап қалады және реактордағы су деңгейін қалпына келтіру үшін авариялық өзекті салқындату жүйесі қолданылады.
Бу турбиналары
Реактордың өзегінде пайда болатын бу, бу бөлгіштері мен кептіргіш пластиналар арқылы өзектің үстінен өтіп, тікелей турбинаға жеткізіледі, ол реактор контурының бөлігі болып табылады. Реактордың өзегін қоршаған су, судағы нейтрондарды ұстау нәтижесінде радионуклидтердің іздерімен ластануға ұшырайтындықтан, турбина қалыпты жұмыс кезінде қорғанышпен жабдықталуы керек, ал техникалық қызмет көрсету кезінде радиациялық қорғау шаралары қолданылуы тиіс. BWR-ді пайдалану және күтіп-ұстауға байланысты қосымша шығындар, PWR-мен салыстырғанда BWR-дің қарапайым конструкциясы мен жоғары жылу тиімділігінен туындайтын үнемділікті теңестіреді. Судағы радиоактивтіліктің көп бөлігі өте аз уақытқа созылады (көбінесе N 16, 7 секундтық жартылай ыдырау периодымен), сондықтан реактор тоқтатылғаннан кейін турбина залына кіруге болады. BWR бу турбиналары қаныққан буды өңдеуге арналған жоғары қысымды турбинаны және бірнеше төмен қысымды турбиналарды пайдаланады. Жоғары қысымды турбина буды тікелей реактордан қабылдайды. Жоғары қысымды турбинадан шығатын бу, буды қайта қыздыру арқылы төмен қысымды турбиналарға пайдалану үшін 400 градустан жоғары температураға дейін қыздырады. Төмен қысымды турбиналардан шығатын бу негізгі конденсаторға жіберіледі. Буды қайта қыздыру құрылғылары турбинадан буды алып, жоғары қысымды турбинадан шығатын буды қайта қыздыру үшін оны жылу көзі ретінде пайдаланады. Бұл құрылғылар турбинадан буды азайтатын болса да, жалпы нәтиже – олар станцияның термодинамикалық тиімділігін жақсартады.
Реактордың өзегі
Қазіргі заманғы BWR отын жинағы 74-тен 100-ге дейін отын таяқшаларынан тұрады, ал реактордың активтік аймағында шамамен 800 жинаққа дейін болады, олар шамамен 140 тоннаға дейін аз байытылған уранды қамтиды. Нақты бір реактордағы отын жинақтарының саны, қажетті реактор қуаты, реактордың активтік аймағының мөлшері және реактордың қуат тығыздығы ескере отырып анықталады.
Қауіпсіздік жүйелері
Қазіргі заманғы реакторлар көптеген қауіпсіздік жүйелерімен жабдықталған, олар терең қорғаныс философиясымен жобаланған. Бұл философия құрылыс және іске қосу кезеңдерінің барлығында интеграцияланған жобалау тәсілі болып табылады. Қайнатылған су реакторы (BWR) қысымды су реакторына (PWR) ұқсас, өйткені бөліну реакциялары тоқтағаннан кейін де жылу өндіруді жалғастырады, бұл өзектің зақымдануына мүмкіндік тудыруы мүмкін. Бұл жылу бөліну өнімдері мен нейтрондарды сіңіру арқылы белсендірілген материалдардың радиоактивті ыдырауы нәтижесінде пайда болады. BWR-лер авариялық тоқтатудан кейін өзекті салқындатуға арналған бірнеше қауіпсіздік жүйелерін қамтиды.
Жанармай құю жүйелері
Реактордың отын таяқшалары кейде реактордың қысым ыдысынан пайдаланылған отын бассейніне жылжытылып ауыстырылады. Типтік отын циклі 18–24 айға созылады, жанармай құю кезінде отын жинақтарының шамамен үштен бірі ауыстырылады. Қалған отын жинақтары келесі отын циклында тиімділікті және қуатты арттыру үшін жаңа өзектік орындарға қайта орналастырылады. Олар радиоактивті және жылулық тұрғысынан ыстық болғандықтан, бұл жұмыс крандар арқылы және су астында жүзеге асырылады. Осы себепті пайдаланылған отынды сақтау бассейндері әдетте реактордың үстінде орналасқан. Олар өздерінің биіктігінен бірнеше есе артық сумен қоршалған және сындықтың пайда болуын болдырмау үшін геометриясы бақыланатын қатаң құрылымдарда сақталады. Фукусима Дайичи ядролық апатында бұл мәселе туды, себебі су жоғалды (пайдаланылған отынның қыздыруы салдарынан) бір немесе бірнеше пайдаланылған отын бассейндерінен, ал жер сілкінісі геометрияны өзгерте алды. Отын таяқшаларының қаптамасы цирконий қорытпасынан жасалғандығы да қиындық тудырды, себебі бұл элемент жоғары температурада су буымен реакцияласып, ауадағы оттегімен тұтанбалы сутегін бөліп шығарады. Әдетте, отын таяқшалары реакторда және пайдаланылған отын бассейндерінде жеткілікті түрде салқындатылып сақталады, сондықтан бұл мәселе туындамайды, ал қаптама таяқшаның қызмет ету мерзімі бойы зақымдалмайды.
which can ignite with oxygen in the air. Normally the fuel rods are kept sufficiently cool in the reactor and spent fuel pools that this is not a concern, and the cladding remains intact for the life of the rod.
Алғашқы тұжырымдамалар
BWR тұжырымдамасы PWR тұжырымдамасына қарағанда сәл кейінірек әзірленді. BWR-ді әзірлеу 1950 жылдардың басында басталды және ол General Electric (GE) компаниясы мен бірнеше АҚШ ұлттық зертханаларының ынтымақтастығының нәтижесі болды. АҚШ-тағы ядролық энергияны зерттеуге үш әскери қызмет түрі басшылық етті. Теңіз күштері су асты кемелерін толық уақытты су астында жүзуге қабілетті машиналарға айналдыру мүмкіндігін көріп, жанармай толықтырусыз әлемді шарлай алатын кемелерді құру мақсатында, инженерлік бөлімнің өкілі капитан Хайман Риковерді өздерінің ядролық энергия бағдарламасын басқаруға жіберді. Риковер Теңіз күштері үшін PWR бағытын таңдады, себебі ядролық энергетика саласындағы алғашқы зерттеушілер реактор ішінде тікелей бу өндірудің тұрақсыздыққа әкелуі мүмкін деп қорқып, ал қысыммен ұсталған судың жылуды тасымалдау құралы ретінде тиімді жұмыс істейтінін білген. Осы алаңдаушылық АҚШ-тың ядролық энергия саласындағы алғашқы зерттеу жұмыстарын PWR-ге бағыттады, ол әскери кемелерге (әсіресе су асты кемелеріне) өте қолайлы болды, себебі кеңістік шектеулі болды және PWR-ді осындай кемелерге сыйымды, ықшам және жеткілікті қуатты етіп жасауға болады. Бірақ басқа зерттеушілер реактордағы судың қайнауынан туындайтын тұрақсыздықтың шынайы тұрақсыздыққа себеп болатынын тексеруді қалады. Реакторды әзірлеудің алғашқы кезеңдерінде инженерлердің шағын тобы тәжірибелік реактордың қуат деңгейін осылай көтерді, нәтижесінде су тез қайнап кетті. Бұл реакторды тоқтатты, соның арқасында төтенше жағдайлардағы өзін-өзі реттеу қасиеті анықталды. Аргонн ұлттық зертханасының зерттеушісі Сэмюэл Унтермайер II энергия өндіруде қайнаған су реакторының қолданылу мүмкіндігін тексеру үшін BORAX эксперименттерін ұсынды және басқарды. Ол реакторларын қатаң сынақтардан өткізгеннен кейін BWR қауіпсіздік принциптерін дәлелдеді. Осы сынақтардың нәтижесінде GE компаниясы осы технологияны нарыққа шығару үшін Аргонн ұлттық зертханасымен бірлесіп жұмыс істеді. 1950 жылдардың соңында/1960 жылдардың басында/ортасында турбинаны қоректендіру үшін тікелей (бірінші) ядролық қазандық жүйесінің буын ішінара ғана пайдаланған, ал турбинаның жеке бөліктерін қозғау үшін екінші буды өндіру үшін жылу алмастырғыштар қолданылған ірі масштабты сынақтар жүргізілді. Бұл жағдайдың себебі әдебиетте көрсетілмеген, бірақ ол BWR өндіріс үлгілерінде жойылды.
Бірінші серия
Бірінші буын қайнаған су реакторлары БВР-дің ерекше және айрықша ерекшеліктерін біртіндеп дамытты: торус (буды суытуды қажет ететін кездейсоқ жағдайда буды суыту үшін қолданылады), сондай-ақ құрғақ ұңғыма, жылу алмастырғышты жою, бу кептіргіш, реактор ғимаратының ерекше жалпы орналасуы және реакторды басқару және қауіпсіздік жүйелерін стандарттау. Бірінші, General Electric (GE) өндірістік БВР сериясы 6 итеративтік жобалау кезеңінен өтті, олардың әрқайсысы BWR/1-ден BWR/6-ға дейін аталды. (BWR/4, BWR/5 және BWR/6 қазіргі уақытта қолданыстағы ең көп таралған типтер.) Әлемдегі қолданыстағы БВР-дің басым көпшілігі осы жобалау кезеңдерінің біріне жатады. 1-ші буын БВР: Mark I қорғанысымен BWR/1. 2-ші буын БВР: BWR/2, BWR/3 және кейбір BWR/4, Mark I қорғанысымен. Басқа BWR/4 және Mark II қорғанысымен BWR/5. 3-ші буын БВР: Mark III қорғанысымен BWR/6. Қорғаныстың әртүрлі нұсқалары негізгі қорғаныс, құрғақ және ылғалды ұңғымалар үшін бетон немесе болаттан әртүрлі комбинацияларда салынды. GE жобаларынан басқа ABB (Asea Atom), MITSU, Toshiba және KWU (Kraftwerk Union) жобалары да болды. Қайнаған су реакторларының тізіміне қараңыз.
Жоғары деңгейдегі қайнаған су реакторы
BWR-дің жаңа дизайны озық қайнаған су реакторы (ABWR) деп аталады. ABWR 1980-жылдардың соңы мен 1990-жылдардың басында әзірленді және қазіргі күнге дейін жетілдіріліп келеді. ABWR жобасында компьютерлік басқару, станцияның автоматтандырылуы, басқару таяқшаларын алу, жылжыту және орналастыру, реакторлық айдарын сору және ядролық қауіпсіздік сияқты озық технологиялар енгізілген, бұл бастапқы сериялық өндірістік BWR-лерге қарағанда қуаттылығын арттыруға (бір реакторға 1350 МВт) және реакторлық зақымдану мүмкіндігін едәуір төмендетуге мүмкіндік береді. Ең маңыздысы, ABWR толыққанды стандартталған дизайн болды, оны сериялық өндіріске шығаруға болады. ABWR 1990-жылдардың басында АҚШ Ядролық реттеу комиссиясынан стандартталған жоба ретінде өндіріске рұқсат алды. Содан кейін Жапонияда көптеген ABWR салынды. ABWR-дің Жапониядағы табысының нәтижесінде General Electric компаниясының ядролық энергетика бөлімі Hitachi Corporation компаниясының ядролық энергетика бөлімімен бірігіп, GE Hitachi Nuclear Energy компаниясын құрды, ол қазіргі таңдағы BWR дизайнының әлемдік ірі әзірлеушісі болып табылады.
Қарапайым қайнаған су реакторы - лицензиясы жоқ
ABWR-ді әзірлеумен қатар General Electric компаниясы басқа да тұжырымдама жасады, ол қарапайым қайнау су реакторы (SBWR) деп аталды. Бұл кішігірім 600 мегаватт электр қуаты бар реактор, жеңіл су реакторында алғаш рет "пассивті қауіпсіздік" принциптерін енгізгенімен ерекшеленді. Пассивті қауіпсіздік концепциясы реактордың қауіпсіздік шегінде болуы үшін авариялық инъекциялық сорғылар сияқты белсенді жүйелердің араласуын қажет етпейді. Егер қауіпсіздікке қатысты жағдай туындаса, реактор табиғи күштердің әрекеті арқылы ғана қауіпсіз күйге оралуға тиіс. Мысалы, реактор тым қызып кетсе, ол реакторлық ядроға ерігіш нейтронды сіңіретін (әдетте боратты материалдардың немесе борактың ерітіндісі) немесе тізбекті реакцияны нейтрондарды сіңіру арқылы тежеуге қабілетті материалдарды шығаратын жүйені іске қосады. Ерігіш нейтронды сіңіретін резервуар реактордың үстінде орналасады, ал жүйе іске қосылғаннан кейін сіңіру ерітіндісі гравитация күші арқылы ядроға ағып, реакцияны толық тоқтатады. Тағы бір мысал – оқшаулағыш конденсатор жүйесі, ол реактордың үстіндегі терең су резервуарларында орналасқан үлкен жылу алмастырғыштарға ыстық су/будың көтерілу принципін пайдаланып, ыстық салқындатқышты жеткізеді, осылайша қалдық жылуды жояды. Тағы бір ерекшелік – ядродағы айналымдық сорғылардың болмауы. Мұндай сорғылар басқа BWR конструкцияларында салқындату суын қозғалыста ұстау үшін қолданылады, олар қымбатқа түседі, жөндеуге қиын және кейде бұзылуы мүмкін. Сенімділікті арттыру үшін ABWR кемінде 10 айналымдық сорғыны қамтыды, сондықтан бірнешеуі бұзылған жағдайда да жеткілікті саны жұмыс істейтін күйде қалады, соның салдарынан жоспардан тыс тоқтату қажеттілігі тумайды және сорғыларды келесі отын ауыстыру кезінде жөндеуге болады. Керісінше, қарапайым қайнау су реакторының конструкторлары термиялық талдауды пайдаланып, реакторлық ядроны табиғи айналым (салқын су төмен түседі, ыстық су көтеріледі) принципі бойынша жобалады, осылайша су ядроның ортасына қайнау үшін жеткізіледі. SBWR-дің пассивті қауіпсіздік мүмкіндіктерінің нәтижесінде реактор авариялық жағдай туғаннан кейін кемінде 48 сағат бойы адамның араласуын қажет етпейді. Содан кейін, реактордан толығымен оқшауланған және салқындату жүйесінен бөлек орналасқан, реактордың қалдық жылуын булану арқылы жоюға арналған салқындату су резервуарларын мерзімдік түрде толтыру ғана қажет болады. Қарапайым қайнау су реакторы АҚШ Ядролық реттеу комиссиясына ұсынылды, бірақ мақұлдау алдында кері тартылды. Дегенмен, бұл концепция General Electric конструкторлары үшін қызығушылық тудыра берді және болашақ әзірлемелердің негізі болды.
Экономикалық қарапайым қайнау су реакторы
1990 жылдардың соңында GE инженерлері озық қайнау су реакторының мүмкіндіктерін қарапайым қайнау су реакторының қауіпсіздік ерекшеліктерімен үйлестіруді ұсынды, сондай-ақ нәтижесіндегі конструкцияны 1600 МВт (4500 МВт жылулық қуаты) көлеміне дейін кеңейтуді қарастырды. Бұл Экономикалық қарапайым қайнау су реакторы (ЭСБВР) жобасы 2005 жылдың сәуірінде АҚШ Ядролық реттеу комиссиясына бекітуге ұсынылды және 2014 жылдың қыркүйегінде NRC жобаға сертификат берді. Хабарлама бойынша, бұл жобаның ядроға зақым келтіру ықтималдығы жылына 3×10−8 ядролық зақымдану оқиғасына тең деп жарнамаланды. Яғни, олардың 100 жылдық қызмет мерзімі ішінде бір ғана ядроға зиян келтіретін оқиға тіркелмеуі үшін 3 миллион ESBWR реакторы жұмыс істеуі керек. BWR-дың алдыңғы конструкциялары, BWR/4, жылына 1×10−5 ядролық зақымдану оқиғасына дейін ядроға зақым келтіру ықтималдығына ие болған. ESBWR үшін мұндай төмен CDP көрсеткіші нарықтағы басқа ірі су-су реакторларынан (LWR) әлдеқайда жоғары.
Басқару таяқшасының мәселелері
Қазіргі BWR конструкцияларында басқару таяқшалары төменнен енгізіледі. Төтенше жағдайларда BWR өзегіне басқару таяқшаларын айдай алатын екі гидравликалық қуат көзі бар. Әрбір басқару таяқшасы үшін арналған жекелеген жоғары қысымды гидравликалық аккумулятор және реакторлық қысым ыдысының ішіндегі қысым қол жетімді. Әрбір таяқшаны толық енгізу үшін арнайы аккумулятор (әр таяқшаға біреу) немесе реакторлық қысым жеткілікті. Көптеген басқа реактор түрлері жоғарыдан енгізілетін басқару таяқшаларын қолданады, олар электрмагниттермен жоғары көтерілген күйде ұсталады, қуат жоғалған жағдайда гравитация күшімен реакторға түседі. Бұл артықшылық гидравликалық күштердің таяқшаларды енгізу үшін гравитациядан гөрі әлдеқайда күштірек күш беруімен толықтай өтелмейді, нәтижесінде BWR басқару таяқшалары өзектің зақымдануы кезінде басқару таяқшалары арналарының зақымдануына байланысты жартылай енгізілген күйде тұрып қалу мүмкіндігі әлдеқайда төмен. Төменнен енгізілетін басқару таяқшалары басқару таяқшаларын және олардың жетектерін алып тастамай-ақ отынды ауыстыруға, сондай-ақ отын ауыстыру кезінде ашық реакторлық қысым ыдысымен басқару жүйелерін сынауға мүмкіндік береді.
Бастауыш ("критикалық"
Реакторды іске қосу (критикалық жағдай) – ядролық тізбекті реакцияның өзін-өзі ұстап тұрғаны анық болатын деңгейге жету үшін басқару таяқшаларын өзектен шығару арқылы жүзеге асырылады. Бұл "критикалық жағдайға өту" деп аталады. Реактордың критикалық жағдайға жақындаған кезде, өзектің жағдайларын мұқият бақылау үшін басқару таяқшаларын баяу шығару керек. Реактордың сәл ғана артық реактивтілікке ие болғандығы байқалғанда, яғни реактордың қуаты өздігінен артып бара жатқанда, реактор критикалық деп жарияланады. Таяқшалардың қозғалысы таяқша басқару жүйелері арқылы жүзеге асырылады. Жаңа BWR конструкциялары, мысалы ABWR және ESBWR, сондай-ақ барлық неміс және швед BWR конструкцияларында Fine Motion Control Rod Drive жүйесі қолданылады, ол бірнеше таяқшаларды өте тегіс қозғалыстармен басқаруға мүмкіндік береді. Бұл реактор операторына ядроның реактивтілігін біркелкі арттырып, реакторды критикалық жағдайға жеткізуге мүмкіндік береді. Ескі BWR конструкциялары қолмен басқару жүйесін пайдаланады, ол әдетте бір уақытта бір немесе төрт басқару таяқшасын басқарумен шектеледі және тек белгіленген аралықтары бар қатарлы позициялар арқылы ғана басқару мүмкін. Қолмен басқару жүйесінің шектеулеріне байланысты, іске қосу кезінде өзектің жағдайы сондай болуы мүмкін, бір басқару таяқшасының қозғалысы реактивтіліктің үлкен сызықтық емес өзгеруіне әкеліп, отын элементтерін олардың зақымдануына (балауыздануына, тұтануына, әлсіреуіне және т.б.) дейін қыздыруы мүмкін. Осының салдарынан, GE 1977 жылы BPWS (Banked Position Withdrawal Sequence) деп аталатын ережелер жиынтығын әзірледі, ол кез келген басқару таяқшасының қозғалысының әсерін азайтуға және басқару таяқшасының құлау жағдайында отынның зақымдануын болдырмауға көмектеседі. BPWS басқару таяқшаларын төрт топқа бөледі: A1, A2, B1 және B2. Содан кейін, барлық A немесе B басқару таяқшалары белгілі бір реттілікте толығымен шығарылып, "шахмат тақтасы" үлгісі құрылады. Келесіде, қарсы топ (B немесе A) 02, содан кейін 04, 08, 16 және соңында толығымен (48) позицияларға дейін белгілі бір реттілікпен шығарылады. BPWS талаптарына сәйкес іске қосу реттілігін орындау арқылы қолмен басқару жүйесін бүкіл өзекті біркелкі және қауіпсіз түрде критикалық жағдайға жеткізуге және отын таяқшаларының отынға зиян келтіруі мүмкін кез келген жағдайда 280 калория/грамм энергияның босатылуын болдырмауға болады.
Критикалық қуат қатынасын шектейтін ең жоғары фракция (MFLCPR)
МФЛКР отын шоғырының «құрғап кетуіне» (немесе PWR үшін «қайнаудың ядролық шегінен шығуына») қаншалықты жақын екенін көрсетеді. Өтпелі қайнау – ядролық қайнаудың пленкалық қайнауға ұласуына бейім тұрақсыз кезең. Ыстық табадағы су тамшысының «билеуі» – пленкалық қайнаудың мысалы. Пленкалық қайнау кезінде жылу берілген бет пен салқындатқыш арасын оқшаулағыш бу қабаты бөліп тұрады, бұл жылу берілген беттің температурасын күрт көтеріп, салқындатқышпен тепе-теңдіктегі жылу алмасуға жеткізеді. Басқаша айтқанда, бу жылу берілген бетті жартылай оқшаулайды, температурасы көтеріліп, конвекция және сәулелі жылу алмасу арқылы жылу салқындатқышқа жетеді. Пленкалық қайнау ядролық отынды зақымдауы мүмкін, бұл отын қаптамасының қызып, бүлінуіне әкелуі мүмкін. MFLCPR BWR отынын өндірушілер (GE, Westinghouse, AREVA NP) жасаған эмпирикалық формуламен бақыланады. Өндірушілерде ядролық жылуды кедергілік қыздыру арқылы модельдеуге және нақты отын дизайны үшін салқындатқыш ағынының, отын құрастырмасының қуатының және реактор қысымының өтпелі қайнау аймағына кіру/шығу жағдайларын эксперименттік жолмен анықтауға мүмкіндік беретін сынақ стендтері бар. Қысқасы, өндірушілер отын құрастырмасының моделін жасап, оны кедергілік жылытқыштармен қуаттайды. Бұл модельдік отын жинақтары сынақ стендісіне орнатылып, белгілі қуаттарда, ағындарда және қысымдарда деректер жиналады. Эксперименттік деректер BWR отыны үшін қалыпты немесе кездейсоқ жұмыс кезінде пленкалық қайнауға көшудің алдын алу үшін консервативті түрде қолданылады. Типик SLMCPR/MCPRSL (Қауіпсіздік шегінің MCPR) BWR реакторының лицензиялық шегі, есептеу арқылы негізделген, онда BWR реакторындағы отын таяқшаларының 99,9%-ы қалыпты жұмыс немесе болжамды операциялық жағдайларда пленкалық қайнауға өтпейтіні дәлелденеді. BWR қайнап жатқан су болғандықтан, ал бу сұйық су сияқты тиімді жылу өткізбейді, MFLCPR әдетте отын құрастырмасының жоғарғы бөлігінде, бу көлемі ең жоғары болатын жерде пайда болады.
Сызықтық жылу өндіру жылдамдығын шектейтін бөлшектер (FLLHGR)
FLLHGR (FDLRX, MFLPD) – реактордың активтік аймағындағы отын таяқшасының қуатының шегі. Жаңа отын үшін бұл шек әдетте отын таяғының 13 кВт/фут (43 кВт/м) шамасында болады. Бұл шек отын пеллетерінің орталық температурасы отын материалдарының (уран/гадолиний оксидтері) балқу температурасынан аспауын қамтамасыз етеді, ең нашар жағдайдағы кездейсоқ тоқтау/апатты жағдай кезінде. LHGR-дың өтпелі процестегі реакциясын түсіндіру үшін, турбиналарға бу жіберілгендегі клапандардың күрт жабылуын көзге елестетіңіз. Бұл бу ағынының дереу тоқтауына және BWR-дың қысымының бірден өсуіне алып келеді. Қысымның өсуі реактор салқындатқышын бірден салқындатады; көпіршіктер (бу) суға айналады. Реактордағы көпіршіктер құлағанда, ядролық бөліну реакциясы күшейеді (көбірек жылулық нейтрондар); басқару таяқшалары автоматты түрде енгізілгенге дейін қуат күрт өседі (120%). Демек, реактор турбинадан жылдам оқшауланғанда, ыдыстағы қысым тез өседі, бұл су буын құлатады, нәтижесінде реактордың қорғау жүйесімен тоқтатылатын қуаттың кенет өсуіне (қуаттық секіруге) әкеледі. Егер отын таяқшасы өтпелі процеске дейін 13,0 кВт/фут қуатпен жұмыс істесе, көпіршіктердің құлауы оның қуатын арттырады. FLLHGR шегі ең қуатты отын таяқшасының қысымдық транзиент кезінде қуаты күрт өскен жағдайда балқымауын қамтамасыз ету үшін белгіленген. LHGR шегін сақтау қысымдық транзиент кезінде отынның балқуына жол бермейді.
Орташа жазықты сызықтық жылу өндіру жылдамдығы (APLHGR)
APLHGR, отын шоғырларындағы ыдырау жылуының өлшемі болып табылатын Linear Heat Generation Rate (LHGR) орташасы, LBLOCA (үлкен суытушы сұйықтығының жоғалуы – реактордағы салқындатқыш қысымның катастрофалық түрде төмендеуіне әкелетін ірі құбырдың жарылуы, ықтималдық тәуекелді бағалау және ядролық қауіпсіздікте ең қауіпті «жобалық негізгі апат» саналады) кезінде отынның бұзылу қаупіне байланысты қауіпсіздік шегі болып табылады, бұл өзекке уақытша әсер етуге алып келуі мүмкін; мұндай өзек кебу оқиғасы өзек «ашылуы» деп аталады, себебі өзек салқындатқыш сұйықтықтың жылуды кетіретін қабатын жоғалтады, мысалы, BWR үшін жеңіл су. Егер өзек тым ұзақ уақыт ашық қалса, отынның бұзылуы мүмкін; жобалау мақсатында, отынның бұзылуы жабық отынның температурасы шекті температураға (1100 °C, 2200 °F) жеткен кезде болады деп есептеледі. BWR жобаларында осы температураға жеткенге дейін ашық қалған отынды жылдам салқындату және қауіпсіздендіру үшін қателікке төзімді қорғау жүйелері қарастырылған; бұл қателікке төзімді жүйелер авариялық өзек салқындату жүйесі (ECCS) деп аталады. ECCS реакторлық қысым ыдысын жылдам сумен толтыруға, өзекке су шашуға және осы жағдайда реактор отынын жеткілікті түрде салқындатуға арналған. Дегенмен, кез келген жүйе сияқты, ECCS-тің де шектеулері бар, оның суыту қабілетіне қатысты, сондықтан отынның тым көп ыдырау жылуын өндіретіндей етіп жасалуы мүмкін, бұл ECCS-тің мүмкіндігінен асып, оны сәтті салқындата алмайды. Мұндай жағдайға жол бермеу үшін, отын жинақтарында сақталатын ыдырау жылуы ECCS-тің қабілетін басып кетпеуі керек. Осылайша, ыдырау жылуын өндіру шамасы ретінде белгілі LHGR GE инженерлерімен әзірленді, ал осы шамадан APLHGR туындайды. APLHGR реактордың негізгі қорғау жүйелерін жеңіп шығаратын орташа қуат деңгейінде жұмыс істемеуін қамтамасыз ету үшін бақыланады. Жаңа отынмен толықтырылған өзек пайдалануға лицензия алғанда, отын жеткізуші/лицензия алушы компьютерлік модельдермен оқиғаларды симуляциялайды. Олардың тәсілі – реактор ең осал күйде болғандағы ең нашар жағдайды модельдеу. APLHGR салалық тәжірибеде көбінесе «Apple Hugger» деп аталады.
Аспаптың алдын ала жөндеу жөніндегі уақытша басқару жөніндегі ұсыным (PCIOMR)
PCIOMR – бұл отын пеллеттері мен қаптама арасындағы өзара әрекеттесуден туындайтын қаптаманың зақымдануын болдырмауға бағытталған ережелер мен шектеулер жиынтығы. Бірінші ядролық қыздыру кезінде ядролық отын пеллеттері жарылуы мүмкін. Пеллеттің өткір жиектері қаптаманың ішкі қабырғасына тиіп, сызады және өзара әрекеттеседі. Отын пеллеттерінің қуаты артқанда, керамикалық отын материалы отын қаптамасынан жылдамрақ кеңейеді, ал пеллеттің өткір жиектері қаптамаға қысым түсіре бастайды, бұл оның тесілуіне әкелуі мүмкін. Мұны болдырмау үшін екі түзету шарасы қолданылды. Біріншісі – отын қаптамасының ішкі қабырғаларына пеллет-қаптама өзара әрекеттесуінен туындайтын тесілуге төзімді жұқа қорғаныш қабатын қосу, ал екіншісі – PCIOMR аясында жасалған ережелер жиынтығы. PCIOMR ережелері жаңа отынды бастапқы "үйретуді" талап етеді. Яғни, әрбір отын элементінің бірінші ядролық қыздырылуы кезінде отын пеллеттерінің жарылуын болдырмау және отынның жылулық кеңею жылдамдықтарының айырмашылығын шектеу үшін жергілікті қуатты өте баяу арттыру қажет. PCIOMR ережелері сондай-ақ максималды жергілікті қуат өзгеруін (кВт/сағат-метрде) шектейді, басқару таяқшаларын көршілес таяқшалардың ұштарынан төмен түсіруге тыйым салады және басқару таяқшаларының реттілігін ядролық модельдеу бағдарламалық құралымен талдауды талап етеді. PCIOMR талдауы басқару таяқшаларының орналасуының өзгеруі немесе қуаттың жылдам өзгеруі салдарынан туындауы мүмкін жергілікті қуат шыңдары мен ксенонның өзгеруін қарастырады, осылайша жергілікті қуат деңгейлерінің ең жоғары шекті мәндерден аспауын қамтамасыз етеді.
BWR тізімі
Іске қосылған және тоқтатылған BWR тізімі үшін, BWR тізіміне жүгініңіз.