沸水反应堆 压力管式石墨慢化沸水反应堆 压力管式石墨慢化沸水反应堆-反应堆

沸水反应堆 压力管式石墨慢化沸水反应堆 压力管式石墨慢化沸水反应堆-反应堆

压力管式石墨慢化沸水反应堆(RBMK,俄语:РеакторБольшойМощностиКанальный,意思是“大功率管式反应堆”)是一种苏联建造的用于核电站的石墨慢化沸水反应堆,也是切尔诺贝利核事故中的核反应炉类型。2010年,俄罗斯境内仍有至少11台RBMK反应堆在运行[1],但是并没有再新建此类型反应堆的计划(此技术于20世纪50年代发明,现在已被认为过时)并且国际社会上有关于关闭剩余那些反应堆的要求。
RBMK反应堆是苏联核能项目的最高峰,其为一种基于苏联的石墨慢化军事级钚生产反应堆的水冷反应堆。其中的第一台机型,AM-1(АтомМирный,俄语“和平核能”)可以产生5兆瓦电能,并在1954至1959年间为奥布宁斯克供应电力。
由于其使用轻水作冷却剂、石墨做减速剂,所以可以使用天然铀作为燃料。因此可以建造大型核反应堆而不需要像浓缩铀和重水般分离同位素(例如立陶宛的伊格纳利纳核电站中,每台机组可发电1500兆瓦,无论在当时还是现今都已是极大的功率。)。

沸水反应堆_压力管式石墨慢化沸水反应堆 -反应堆的设计和运行



立陶宛伊格纳利纳核电站的一台RBMK-1500的反应堆房

RBMK反应堆结构示意

采用RBMK反应堆的电站结构

切尔诺贝利核事故发生时的RBMK反应堆控制棒位置。蓝色=启动中子源(12),黄色=底部的短控制棒(32),灰色=冷却水通道(1661),绿色=手动控制棒(167),红色=自动控制棒(12)。图为事发前约1分30秒时控制棒插入的深度,单位为厘米。
[编辑]反应堆的容器、减速剂、保护外墙
反应堆坑由钢筋混凝土制成,外形大小21.6×21.6×25.5米,是一个圆柱体,上下置有金属板,内部则放置反应堆容器。容器中则有石墨堆,并填充氦氮混合气体,以提供一个惰性环境并帮助将石墨上的热量带到冷却管中。
减速剂块由核能级石墨制成,大小250×250×500毫米。其纵向方位有直径114毫米的孔以便燃料棒和控制棒插入。这些石墨块则放置在一个14米直径、8米高的圆柱形反应堆容器中[2]。这些石墨最高能承受730°C[3]。
反应堆容器是一个圆柱形钢铁,外径14.52米,厚16毫米,高9.75米,并有伸缩缝以对抗各方向上的热膨胀/收缩应力。
减速剂放在一个圆柱形的,内径16米,外径19米的中空水槽。水槽壁厚30毫米,内部分为16个垂直单元。水从单元底部泵入并从顶部流出。这些水亦可被用于紧急冷却反应堆。水槽有热电藕器来监视水温和离子室以监控反应堆功率[4]。水槽、沙层和反应堆坑中的混凝土亦被作为额外的生物防护层。
反应堆顶部被“上层生物防护层”覆盖,又被称为“SchemaE”,“Pyatachok”,在切尔诺贝利核事故后亦被称为“Elena”。这是一个厚3米,直径17米的圆柱体,并有立管钻孔以供安装燃料棒和控制棒。防护层上下以40毫米厚的钢板覆盖,并焊牢起来以防氦气逸出,同时起到加强结构的功能。保护板与管道间的空隙用含大量束缚水的蛇纹岩填充。防护层由混凝土水箱上的16个滚轴支撑。防护层的结构提供了对控制棒、燃料棒、反应堆房的地板以及蒸汽管道的支撑[4][5]。
反应堆下部则有“下层生物防护层”,与上层的类似,但是只有14.5米直径和2米厚度。其同样有穿孔以便压力管通过、承载石墨堆和提供冷却管道的入口。下层防护层下焊有两块成直角的两块钢板,用于支撑防护层并将结构负荷传递到建筑上[5]。
上层防护层之上有“上防护盖”。其上表面即为反应堆房的地板。它是防护层的一部分,并用于隔离反应堆的热量。其位于反应堆上方的中央部分有独立的可移除的金属-石墨棒[5]。
[编辑]加压管道
加压燃料棒由焊死的锆合金制成,内径80毫米,壁厚4毫米,穿过石墨减速剂中央的通道。燃料棒上下端由不锈钢制成,并与锆合金以碳-铁-锆合金过渡连接。加压的管道由两片交叠的20毫米厚的石墨支撑。其中一片直接接触管道,与石墨堆有1.5毫米空隙,另一片直接接触石墨堆并与管道有1.3毫米空隙。这种结构减轻了由于中子膨胀、热膨胀与压力管道的其他因素造成的负载转移,并促进石墨堆中热能的转移。这些管道被焊接到反应堆外壳的底部与顶部的金属盘上[5]。
据估计核心中约有5.5%的热能以石墨热能的形式存在,其中约80~85%由燃料冷却通道经石墨圈带走,剩下的热能则由控制棒冷却管道带走。反应堆周围的气体辅助将这些热能带至周边的冷却管道,但是其自身没有起到任何散热效果。
反应堆核心有1661个燃料通道和211个控制棒通道。
燃料组件被挂在一个支架上,悬在燃料通道里,并用有一个密封栓。密封栓设计简单以方便由机器人安装和移除。
燃料通道中除了燃料亦可以放置中子吸收剂,也可以空置放置冷却水。
加压管道和石墨间的空隙使石墨对于损坏很易感。如果加压管道变形了(例如在内部压力过高时),会造成很大的负载并使其损坏,甚至可能影响周围的管道。
[编辑]核燃料

RBMK反应堆的燃料棒1-衔铁;2-燃料棒外壳;3-核燃料
燃料由二氧化铀粉末组成,与粘结剂烧结为直径11.5毫米,长15毫米的桶状。原料中可能含有二氧化铕作为可燃烧的核毒药(中子吸收剂)来降低新的和用了一部分的燃料的差别。[6]为了减轻热膨胀以及和外壳反应的问题,这些颗粒有半球形凹陷,中心还有一个2毫米直径的孔。这个孔还有助于对气态裂变产物的排出。其使用的浓缩铀的浓缩等级为2%(末端颗粒为0.4%)。燃料可以耐受2100°C的高温。
燃料棒由锆合金(1%铌)制成,外径13.6毫米,厚度0.825毫米。燃料棒中充有压强为0.5MPa的氦气并完全密封。保持环使得燃料呆在燃料棒中央并辅助散热。燃料在竖直方向上由弹簧支撑。每支燃料棒中含有3.5千克的燃料。燃料棒长3.64米,其中有效部分(含有燃料的部分)长3.4米。燃料棒可以耐受600°C高温[7]。
燃料构件由两组共18根燃料棒构成。这些燃料棒被摆放在中心的支撑棒(外径13毫米)周围由10个不锈钢隔板支撑并隔开36厘米。两个子构件在其中心由一根圆柱体连接。反应堆运行时这一段无核燃料的区域降低了反应堆中心区域的中子流。燃料构件中铀的总质量为114.7kg。燃料的燃烧度为20MW・d/kg。整个燃料构件总长10.025米,其中有效长度6.862米。
除了常规的燃料构件,还有一些燃料构件在其中心安装了仪器来探测中子流。这种情况下,燃料棒由一根15毫米外径,2.5毫米厚的管子替代[8]。
与常规压水/沸水反应堆不同的是,RBMK反应炉的燃料构件为圆柱型以适应加压管道。
遥控的再装料机器安装在一个龙门吊车上。燃料更换可以在不关闭反应炉的情况下进行,这是生产武器级钚的一个重要因素,对民用来说,亦能提高反应堆的发电时间。当一根燃料棒需要更换时,机器会被放置在燃料管道上方并与之对接,然后平衡其内部压力,拉出旧的燃料棒并换一根新的进去。用过的燃料帮被放置在冷却池中。在标称功率下,再装料机器的运行能力是每天2根燃料构件,峰值为每天5根燃料构件。
[编辑]控制棒
反应堆的大多数控制棒都是从上方插入的,另外有24根短棒则是从下方插入以用来增加对核心纵向输出分布的控制。除了12根自动控制的控制棒,所有控制棒在末端都有4.5米长的石墨,并以1.25米长的嵌入物隔开以在石墨与碳化硼中子吸收剂间建立一个充满水的部分。石墨部分(称为置换剂)被用来增强在控制棒插入和取出时中子流衰减的差异,因为水也是一种中子吸收剂(虽然比碳化硼弱得多),而石墨会将水置换出来。控制棒的通道中在充满水的时候比填满石墨的时候能吸收的中子要多,所以会增加在控制棒插入和取出时中子流衰减的差异。当控制棒完全收回时,石墨部分则位于核心的中央高度,两侧各有1.25米深的水。当控制棒伸入时,由于石墨将底部的水置换出来,会使得石墨所在位置的反应速率上升。这个效应在1983年于伊格纳利纳核电站被发现,但是很快就被忘掉了。控制棒的管道使用单独的冷却水,温度被控在40到70°C。控制棒与管道间的狭小缝隙使得水会阻碍控制棒的移动,这便是控制棒插入很缓慢的主要原因(通常需要18~21秒,约0.4米每)。在切尔诺贝利事故后,其他RBMK反应堆的控制棒服务器被更换以加速插入过程,让控制棒插入更快的方法是仅使用一层水膜来冷却控制棒的管道,这样控制棒就可以在气体中移动。
将控制棒在用于手动控制和应急保障间进行分配是随意的。控制棒可在反应堆运行时被重新分配至另一个系统而不会带来任何技术或组织上的问题。
另外当反应堆使用新的燃料时,固定的硼基中子吸收剂会被放入。在最初装料后大约会放入240个吸收剂。这些吸收剂最后均会被拿走以增加燃烧度。反应堆的空泡系数由其中所装填的物品决定。因此其可能从很低的值(所有的吸收剂都装入时为负数)一直到很高的值(没有吸收剂被装入时)。
通常操作下使用43~48根控制棒。
[编辑]气体回路
反应堆在氦  

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