Основные типы энергетических реакторов

Ядерные реакторы существенно различаются между собой в зависимости от назначения и других признаков. Принципиально возможны многочисленные типы ядерных реакторов. Однако практически целесообразных конструкций оказывается не так много. Рассмотрим возможные сочетания для ядерных энергетических реакторов двух основных компонентов—замедлителя и теплоносителя. В таблице знаком « + » отмечены целесообразные сочетания (это уже работающие реакторы или существующие реальные проекты).

Сочетания замедлителя и теплоносителя в ядерных реакторах

Как видно, в легководных реакторах целесообразно использовать в качестве теплоносителя только обычную воду. Все остальные теплоносители для использования в энергетических реакторах явно нецелесообразны. Газовый теплоноситель уступает воде по теплосъему, а его применение усложнило бы конструкцию и компоновку активной зоны реактора. Тяжелая вода по стоимости значительно дороже обычной, а по теплофизическим свойствам близка к ней. Из жидких металлов в качестве теплоносителя практически используется только расплавленный натрий. Сочетание его с водным замедлителем исключено. Таким образом, в легководных реакторах с обычной водой в качестве замедлителя и теплоносителя служит вода. Это хорошо известные водо-водяные реакторы на тепловых нейтронах корпусного типа с водой под давлением или кипящие.

В графитовых реакторах теплоносителем служит обычная вода или газ, а замедлителем — графит. Графитовые реакторы с водным теплоносителем (графитоводные) изготовляются только канального гила, так как контакт воды с графитовой кладкой должен быть исключен. Графитогазовые реакторы — реакторы корпусного типа. Тяжелая вода и расплавленные металлы в качестве теплоносителя в этих реакторах применять нецелесообразно.

В тяжеловодных реакторах конкурентоспособны уже три вида теплоносителя. Как видно из таблицы выше, разнообразие таких реакторов сравнительно велико. В зависимости от вида теплоносителя тяжеловодные реакторы, так же как и графитовые, могут быть канального или корпусного типа. Наибольшее распространение получил пока канальный вариант, даже если в качестве теплоносителя используется тяжелая вода.

В тяжеловодных реакторах весьма перспективны в качестве теплоносителя органические жидкости. Преимущество их заключается в том, что они не требуют высокого давления. По сравнению с использованием водного теплоносителя применение органических жидкостей существенно позволяет упростить схему подвода и отвода коммуникаций теплоносителя, уменьшить толщину стенок каналов в пределах активной зоны, что благоприятно сказывается на балансе нейтронов. Однако использование органических жидкостей в энергетических реакторах осложняется тем, что они разлагаются под действием излучения и повышенных температур. Эта проблема пока остается не решенной до конца.

В реакторах на быстрых нейтронах (без замедлителя) в качестве теплоносителя используются пока только расплавленные металлы, а практически только натрий. Натриевый теплоноситель обеспечивает высокий удельный теплосъем, не требует высокого давления и вполне удовлетворителен по нейтронно-физическим характеристикам. Однако его использование сопряжено с трудностями, которые подробно обсуждаются ниже. Поэтому ведутся работы по выяснению возможности использования других теплоносителей, и прежде всего газового. По сравнению с натриевым теплоносителем газ обеспечивает меньший теплосъем, что неизбежно приводит к необходимости высокого давления в контуре и ограничивает использование газового теплоносителя. Однако в этом направлении ведутся интенсивные работы. В качестве возможного теплоносителя в реакторах на быстрых нейтронах рассматривается водяной пар.

Из энергетических реакторов перечисленных типов наиболее распространены водо-водяные, вслед за ними идут графитовые, затем тяжеловодные и, наконец, реакторы на быстрых нейтронах. Все эти реакторы относятся к гетерогенному типу. Среди энергетических реакторов пока практически нет гомогенных. Однако это не означает, что их не следует рассматривать на перспективу. В гомогенных реакторах предполагается циркуляция ядерного топлива, находящегося в виде раствора, тонкой взвеси или расплава солей в несущей среде. Все указанные в таблице выше теплоносители можно в принципе считать пригодными в качестве несущей среды. Это говорит о чрезвычайно большом разнообразии возможных типов гомогенных реакторов. В последнее время все большее внимание привлекают реакторы с расплавом урановых солей. Однако возможность использования их и других типов гомогенных реакторов пока еще не ясна. Выбор типа энергетического реактора в конечном итоге определяется требованиями к его надежности и безопасности, степенью сложности и освоенности технологии изготовления основных узлов реактора и другого оборудования.