Многие из нас, если даже никогда в жизни не бывали на АЭС, сотни раз видели их на фотографиях – целая группа сооружений группируется на одной площадке, рядом с которой расположены высоченные башни градирен. Где-то там, в недрах этих зданий, вращаются турбины под давлением тугих потоков пара, генерируются миллионы киловатт-часов, текут-журчат сотни и тысячи тонн воды, гудят огромные трансформаторы. Все большое, крупное, местами даже колоссальное, промышленные дизайнеры стараются придать всему этому громадью эффектный вид, чтобы порадовать глаза наблюдателей. И мы порой даже не задумываемся о том, что все то, что можно видеть, создано для обслуживания процессов в крохотных частицах вещества – атомах.
В самом сердце атомных реакторов идут процессы, сотни лет являвшиеся пределом мечтаний алхимиков – одно вещество превращается в другое, в третье, в четвертое и даже пятое, хотя при этом нигде не полыхает пламя, над которым греются реторты с неведомыми растворами. Да, это почти магия – человек научился извлекать из крохотных таблеток ядерного топлива энергии столько же, сколько его дают сотни литров нефти или тысячи кубометров природного газа, тонны угля. Энергии в крошечных количествах вещества настолько много, что немалая часть оборудования атомных энергетических блоков создана с целью удерживать ее потоки под контролем, не дать превратиться в взрывчатку невероятной мощности.
Здравый смысл на службе атомной физики
Конечно, описать с детальной точностью то, что происходит с ядерным топливом в активной зоне реактора можно только с использованием сложнейших понятий атомной, ядерной и квантовой физики, только на языке математики высшего уровня сложности. Об этом написаны учебники и монографии, научные работы, на изучение которых физики-атомщики тратят годы учебы. Но можно попытаться использовать школьные знания физики и приложить к ним здравый смысл и логику – детального знания таким способом не достичь, но общее понимание того, что происходит за стенами АЭС вполне достижимо. Что понадобится из школьных знаний? Да, в общем-то, минимальный набор, даже перечислять как-то стеснительно. При высокой температуре металлы становятся мягкими, легко сгибаются, растягиваются, а если температуру поднять еще выше, они могут стать даже жидкими. Длительный контакт поверхности металла с водой приводит к появлению ржавчины. При нормальном атмосферном давлении температура кипения воды – сто градусов Цельсия, а, чем выше давление, тем выше температура кипения. Мощный поток воды способен сдвинуть с места даже тяжелые металлические предметы, потому, чтобы такого не происходило, эти предметы надо основательно закреплять. Металлы хорошо проводят тепло, неметаллические вещества – значительно хуже: внешние стенки толстого керамического сосуда могут оставаться холодными, хотя внутри него кипит вода. Что, это вообще не имеет отношения к школьным наукам, это набор понятий из арсенала «Капитана Очевидность»? Да и ладно, все равно пригодится, а вот дальше все будет намного сложнее, готовьтесь – придется вспомнить, как выглядит атом любого химического элемента.
Солнечная системаАтом, в общем-то, похож на нашу Солнечную систему: в центре у него очень массивное ядро, вокруг которого по своим орбитам с большой скоростью носятся электроны. У электронов имеется отрицательный заряд, ядро заряжено положительно, разноименные электрические заряды притягиваются, но электроны на ядро атома не сваливаются – будем считать, исключительно потому что скорость вращения у них большая, в силу чего возникает центробежная сила, которая и уравновешивает электрическое притяжение. Это, конечно, модель чрезвычайно грубая, но в этот раз сойдет – нам, если честно, вообще дела никакого нет до тех электронов. Они, эти электроны, отвечают только за химические реакции, за всякие там соединения одних атомов с другими – но мы-то с вами люди серьезные, нас сейчас тайны атомной физики интересуют, а не всякой там химии. Потому интересуют нас только ядра атомов, и вот тут придется припомнить, что они не являются чем-то единым и неделимимым, а состоят из двух типов субатомных частиц – протонов и нейтронов.
Школьный курс физики и Эйнштейн
Нейтрон называется нейтроном потому, что он электрически нейтрален – вот такая неожиданность, кто бы мог догадаться. В слове «протон» имеется слог «про», а на латыни pro – это положительный. Электрические частицы одинакового заряда отталкиваются, но в ядре атома протоны умудряются держаться вместе, поскольку их сцепляет взаимодействие более мощное, чем электрическое отталкивание. Снова неожиданность: это взаимодействие называется … барабанная дробь…. «сильное». Но работает это сильное взаимодействие только на очень маленьком расстоянии, и как только протоны отдаляются друг от друга на расстояние чуть большее, так все, баста – сильное взаимодействие выключается и электрическое отталкивание разгоняет протоны в разные стороны. При этом, уносясь прочь, протон вполне может уволочь с собой один или несколько нейтронов – сильное взаимодействие действует и на нейтроны в комплекте с протонами. А электрического заряда у нейтрона нет, никто ни от чего его не отталкивает – так отчего бы не полетать, уцепившись за нейтрон?
Надеемся, что и тут ничего сложного, как ничего сложного и в следующей тривиальности: чем тяжелее химический элемент – тем больше в его ядре этих самых нейтронов и протонов. Химический элемент номер «один» в таблице Менделеева – это водород, а число «один» у него потому, что его ядро состоит из одного протона. Самый тяжелый химический элемент из существующих на Земле в естественном состоянии – уран, с его порядковым номером 92 в таблице Менделеева. Да, все верно, в ядре урана – 92 протона. И держаться протонам друг рядом с другом уже не просто. Если представить, что ядро атома имеет шарообразную форму, то расстояние между протонами, расположенными на поверхностях шара на расстояниях диаметра уже критическое – еще чуть-чуть, и сильное взаимодействие вырубится, включится электрическое отталкивание, и вот тогда вся спокойная жизнь у ядра закончится: эти протоны начнут разлетаться в противоположные стороны, утаскивая с собой какое-то количество нейтронов.
Капелька росы, висящая на кончике травинки – вот так наглядно можно представить ядро урана. Малейший удар, махонькая брызга – и капелька разлетится на мелкие кусочки. Что может быть такой «махонькой брызгой»? Нечто, имеющее размер меньше ядра, но способное прорваться сквозь облако электронов и добраться до цели. Электроны, как уже говорилось, электрический заряд имеют, потому любой электрически заряженной частице продираться через толпу электронов не просто – электроны будут сбивать с курса. А вот нейтрон через облачко электронов – да как нож сквозь масло, он их попросту не заметит. Вот, собственно, мы и добрались до школьной «классики» — если свободный нейтрон, ни с чем не связанный никаким там сильным взаимодействием, будет мчаться по направлению к ядру урана, он в это ядро вполне способен врезаться, вызвав его развал на неравные части. Развал ядра – это разбег протонов, входивших в его состав, из-за электрического отталкивания. Протоны стараются унести с собой нейтроны, но забрать все нейтроны не получается, несколько из них остаются одинокими и свободными и, будучи обиженными на такую горькую судьбу, мчатся на встречу с другим ядром. «Нейтрон, ударив в ядро урана, выбивает из него уже два нейтрона, те, в свою очередь, выбивают уже четыре свободных нейтрона» — простите нас за то, что мы напоминаем вам эту кондовую фразу.
А откуда энергия-то? Да из не менее привычной глазу формулы Эйнштейна Е = mc2, «е равно эм цэ квадрат». «Е» — это полная энергия любого тела, имеющего массу покоя «m», а буковка «с» — это, на секундочку так, скорость света в вакууме, да еще и умноженная сама на себя. Скорость эта невероятно велика – 300 тысяч километров в секунду, потому энергии в ядре атома, хоть масса покоя у него составляет миллиардные доли грамма, огромное количество. Но, если выловить и взвесить все осколки, на которые после удара нейтрона разлетается ядро урана, то мы обнаружим фокус-покус – общая масса этих осколков окажется меньше массы материнского ядра. Эта масса не исчезла – она просто превратилась в энергию, которой мы, собственно говоря, и пользуемся в свое удовольствие. Если все будет происходить, как в школьном учебнике написано: «один нейтрон выбил два нейтрона, два нейтрона выбили четыре нейтрона, четыре нейтрона выбили восемь нейтронов», то получим мы с вами … взрыв атомной бомбы.
Рис.1: Цепная ядерная реакция деленияНейтроны будут размножаться в таком темпе, что описанная цепная реакция высвободит столько энергии, что эту лавину никто и ничто уже не остановит. Именно с этого человек освоение энергии атомного ядра урана и начал – по присущей нам доброте и гуманности, само собой. Для разминки особо добрые и человеколюбивые мистеры разнесли два японских города, безжалостно отправив на тот свет сотни тысяч их обитателей. Но те же ученые, которые создавали это монстроидальной мощи оружие, сразу выхватили куда как более мирную мысль: если научиться снижать коэффициент размножения свободных нейтронов до единицы, то взрыв не состоится, а выделение энергии – будет, и вот в таком случае ее можно будет использовать на что-то действительно созидательное. Энергия в атомной цепной реакции деления выделяется в виде тепла, и, если это тепло увести подальше от урана, чтобы он не перегрелся до жидкого состояния, то энергию эту можно использовать для, например, нагрева воды, чтобы превратить ее в пар и отправить на турбину, которая, вращая ротор генератора, даст нам электрическую энергию.
Причудливый характер уранового ядра
Вот, собственно, и почти вся теория, если не считать некоторых причуд атомных явлений. Цепная реакция деления, которую мы только что рассмотрели, идет только в изотопе урана-235, который отличается от урана-238 тем, что у него три нейтрона куда-то «ушли». Впрочем, удивляться этому могут только те странные люди, которые не слышали и не знают, что такое «сообразить на троих», а жителям России тут вообще все понятно: посреди рабочего дня трое из бригады ушли «сообразить», а без них на объекте полный бардак начался – никакой устойчивости, сразу какая-то цепная реакция. В природном уране масса изотопа урана-238 – целых 99,3%, на уран-235 приходится только 0,7%. Исходя из этого, логика снова очевидна: если мы хотим, чтобы цепная реакция шла достаточно интенсивно, нужно добиться того, чтобы в ядерном топливе было побольше урана-235. Побольше, но не сильно много, иначе становится высоким риск утратить контроль над свободными нейтронами, их станет слишком много и реактор мгновенно превратится в атомную бомбу с весьма громкими последствиями. Как атомщики решили проблему обогащения урана по содержанию изотопа-235, Аналитический онлайн-журнал Геоэнергетика.ru писал уже неоднократно – это сложно, но вполне возможно.
Но это далеко не единственная «атомная причуда», их у урана много – «клуб» стран, владеющих собственными технологиями атомной энергетики, достаточно узок. Если представить себе, что ядро урана как оконное стекло, в которое некий хулиган швыряется камнями – свободными нейтронами, то можно представить, что происходит после того, как камень долетел до стекла. Стекло разлетается на множество осколков, размеры которых заранее предсказать невозможно, скорость разлета этих осколков тоже непредсказуема – это зависит от того, с какой скоростью летел камень, попал он в центр окна или в уголок. Приблизительно то же самое происходит и с ядром урана — нельзя со стопроцентной точностью вычислить, какими будут осколки деления, какой окажется скорость их полета и скорость полета тех самых свободных нейтронов. И вот тут выплывает еще одна особенность, присущая именно урану. Уран-235 будет делиться при ударе в его ядро нейтрона, летящего с любой скоростью, настолько неустойчива эта «капелька вещества», но, как выяснилось, крайне коварно ведет себя уран-238: он норовит захватить все быстрые нейтроны, из-за чего цепная реакция деления урана-235 достаточно быстро просто прекращается. Но есть и обратная сторона медали – уран-238 практически не взаимодействует с нейтронами медленными, он их презрительно не замечает. Вывод: хотим, чтобы цепная реакция продолжалась как можно дольше – обязаны найти способ заставить быстрые нейтроны лететь медленнее.
Тормоз для нейтронов
А как можно притормозить нейтрон? «Детский вопрос», но ответ не так уж непрост. Как заставить лететь медленнее стремительно летящий металлический шарик при условии, что его полная остановка для нас крайне нежелательна? Поставить на его пути некую преграду, которую шарик заведомо не расколотит вдребезги, которая не окажется настолько рыхлой, что шарик влепится в нее намертво. Ударился разок, потерял часть скорости, но отскочил – чтобы удариться второй раз, третий, двадцать пятый, пока его скорость не окажется в нужном нам диапазоне. Вернемся от камней, стекол и шариков в мир атомов: нам нужно рядом с урановым топливом разместить некое вещество, ядра атомов которых не будут принимать внутрь себя разлетающиеся свободные нейтроны, которые при столкновениях будут испытывать только упругое рассеяние. При соударении нейтрон сбрасывает на ядро, с которым столкнулся, часть своей энергии и постепенно теряет скорость до того уровня, когда ядра урана-238 перестают его замечать, позволяя врезаться исключительно в ядра урана-235. Веществ, ядра атомов которых обладают вот таким свойством, как выяснилось, совсем немного – это вода (из которой, само собой, необходимо удалить все посторонние примеси) и графит (тоже абсолютно чистый, без вкраплений любых других химических веществ).
Графит – это хорошо, но без воды, как известно, «и ни туды, и ни сюды», потому что и в этом упругом рассеивании тоже есть обратная сторона. Если нейтрон теряет часть энергии, то ядра-тормозы эту энергию получают от него в подарок, в результате чего вещество-замедлитель начинает нагреваться. Горячий графит никакой пользы обществу не приносит, а вот вода к этому приспособлена великолепно – она ведь жидкая, течет, если ее заставляет это делать насос. Если давление у воды выше атмосферного, то уран-235 способен нагреть ее до температуры выше 100 градусов Цельсия, а это как раз то, что и требуется. Пусть вода течет вдоль уранового топлива, пусть греется посильнее и уносится в теплообменник, где и будет передавать весь запас тепла воде под нормальным давлением. Вода этого второго контура вскипит, превратится в пар, который и станет рабочим телом для турбины. Собственно говоря, мы только что пришли к идее атомного реактора, который называют водо-водяным. Есть в нем активная зона, в которой расположено ядерное топливо, есть в этой активной зоне потоки воды под давлением в 15-16 мегапаскалей (150-160 атмосфер), которая нагревается до 300 с лишним градусом, после чего покидает активную зону, чтобы в теплообменнике вскипятить воду, которая подается туда под нормальным давлением. Разумеется, есть и другие типы атомных реакторов, но о них как-нибудь в следующий раз, поскольку именно ВВЭР, водно-водяные энергетические реакторы, в настоящее время и являются «рабочей лошадкой» атомной энергетики.
Рис.2: Схема работы АЭС с реактором ВВЭРГлядя на написанное, легко можно составить список требований к оборудованию активной зоны. Если вода несется вдоль топлива вот под таким давлением, стержни с топливом приходится основательно закреплять – иначе потоки воды унесут их вместе с собой, начнут колотить друг о друга и прочие безобразия нарушать. Для того, чтобы потоки воды забрали у ядерного топлива как можно больше энергии, топливо не должно представлять из себя некий здоровенный кусок обогащенного урана – ведь тогда вода не снимет температуру с центральных областей этого шматка ядерного топлива. Оптимальный вариант – именно тонкий стержень, чтобы вода успевала снять максимально возможное количество тепла, чтобы температура вдоль оси стержня не слишком сильно отличалась от температуры на его поверхности. При этом стержень должен быть достаточно длинным, чтобы вода при движении вдоль него успевала набрать те самые 300 с лишним градусов. Вот такое требуется конструкционное решение – длинный тонкий стержень, закрепленный в активной зоне так, чтобы потоки воды не могли сдвинуть его с места, при этом вода должна иметь возможность свободно перемещаться вдоль всего стержня. Продолжаем размышлять, но теперь учтем и еще одну часть «атомных причуд», которые не позволяют делать эти стержни из металлического урана, хотя руки-то чешутся именно так и поступить. Сочинить крепеж, изваять урановые стержни, запустить в активную зону воду под напором – казалось бы. Но, как выясняется, это не наш метод.
Металл хорош, но не всегда
Почему нельзя использовать в качестве ядерного топлива стержни из металлического урана, можно понять, если вспомнить про те самые осколки деления. Это же нам не камнями в стекла швыряться, это же – ого-го! – атомная физика. Это разбитое стекло остается стеклом, пусть и в виде невнятных осколков, а с ядрами атомов все несколько сложнее. Про носящиеся по активной зоне нейтроны мы уже порассуждали, но есть и вторая составляющая этого праздника жизни – ядра урана, в которые врезаются нейтроны, действительно разваливаются на части, которые физики так и называют «осколками деления». Что осколки деления могут из себя представлять, можно понять, если пересчитать поштучно нейтроны и протоны, входящие в состав урана-235.
235 – это общее количество нейтронов и протонов, при этом число протонов нам называет старик Менделеев, в чьей таблице у урана порядковый номер 92. Порядковый номер в таблице Менделеева – это число протонов в ядре того или иного химического элемента, то есть в ядре урана-235 мы имеем 92 протона и 143 нейтрона. Под ударом нейтрона этот коллектив единомышленников делится то на равные части, то на неравные, то на две части, то на множество – вы же не можете предсказать, сколько осколков будет у стекла, в который запустили камень. Любой такой «ядерный осколок» — это некое число протонов и нейтронов, некий набор других химических элементов, уже нисколько не похожих на исходный уран-235. С определенной вероятностью такими осколками оказываются даже ядра газов – неприятные такие газы, радиоактивные. И никакой радости металлическому урану эти газы не приносят – накапливаясь, они начинают деформировать стержень. Сгибать, скручивать, сжимать, растягивать, разве только что в бараний рог не свроачивать. Нужно кому-то вот такое? Нет. Значит, металлический уран в виде тонких и длинных стержней вычеркиваем и ищем такое его химическое соединение, которое сможет удерживать внутри себя газы максимально долго, не испытывая при этом деформации. Атомщики поискали и нашли – нужен оксид урана, химическое соединение урана и кислорода.
О дружбе физиков и химиков
Кислород в таблице Менделеева имеет порядковый номер 16, где 16 протонов за счет сильного взаимодействия в ядре сцеплены друг с другом основательно, шальные нейтроны эту связь не нарушают. Соответственно, при цепной реакции деления кислород присутствует, но не участвует, за что его атомщики любят и ценят. Но именно в получении оксида урана скрывается самая большая тайна атомной энергетики! Атомная физика без участия химиков обойтись не способна, химики вынуждены обслуживать атомщиков. Вот добыта урановая руда, вот химики помогли вычистить из этой руды всяческие посторонние примеси и аккуратно положили перед атомщиками плод своего труда – желтый кек. Но это всего лишь слэнговое название, для химиков это закись-окись урана, то есть соединения урана с кислородом. Атомщики смотрят на тот желтый кек и, почесывая бороду, заявляют:
«Не, братцы-химики, не ндравится нам эти ваши окисды. Нам уран по содержанию урана-235 обогащать в центрифугах надо, обеспечьте-ка нас фторидом урана».
Химики уходят в запой в работу, сотворяют из оксидов фторид. Атомщики жужжат чего-то там свое на центрифугах, а потом вызывают химиков и заявляют:
«Не, фторид урана нам не ндравится, подайте-ка нам оксид!»
И вот то, что они слышат в ответ на такую заявку от химиков – и есть самый большой секрет, большой настолько, что напечатать мы его не можем, даже не просите.
Что касается необходимости спекания таблеток оксида урана, да еще и с использованием пластифкатора, то тут мы соприкасаемся с самым серьезным вопросом для атомной энергетики — с необходимостью обеспечивать максимально полную защиту от радиации. Поверхность таблетки является первым барьером на пути радиоактивных элементов, ее создают для решения важнейшей задачи – она должна удержать внутри таблетки все образующиеся в результате цепной ядерной реакции радиоактивные вещества. Откуда они берутся?
Топливные таблеткиМожно обойтись без научных подробностей – осколки ядер урана, превратившись в новые химические вещества, очень сильно нервничают из-за такого драматического изменения своей судьбы. Эти осколки стараются нащупать стабильность, сбрасывая для этого лишнюю энергию в виде альфа, бета и гамма излучения. Часть осколков добирается до нового равновесного состояния быстро, но достигается это за счет мощного, хоть и недолгого периода радиоактивности, часть осколков добирается до стабильности очень долго, потому их излучение, хоть и менее интенсивное, продолжается годами, десятилетиями и даже тысячами лет. Но подробности того, что происходит внутри топливных таблеток заслуживают отдельного разговора, в этот раз остановимся на том, что создание топливных таблеток – сложнейший этап работы, при котором значение имеет даже размер гранул топлива: он должен быть максимально одинаковым, от микрометров зависит характер цепной реакции, от прочности поверхности – уровень радиационной безопасности.
Геометрия активной зоны ядерного реактора
Итак, после общения с химиками физики, зализывая раны, получили в свое распоряжение нужный продукт – оксид урана, причем такой, в котором урана-235 не 0,7%, а уже около 5%. Остается превратить этот порошок в таблетки, что тоже далеко не просто – приходится добавлять пластификаторы, причем подбирая их состав так, чтобы в их составе не оказалось химических веществ, способных нарушить полет свободных нейтронов. Оксид урана и пластификатор запекают, формируют топливные таблетки, при этом с точностью до сотых долей миллиметра выдерживая геометрические размеры. Таблетки должны быть одинаковы, чтобы характер реакции деления в каждой из них был одинаковым, чтобы потоки нейтронов в объеме активной зоны были понятны для атомщиков, контролирующих работу реактора. Геометрия в данном случае очень важна, что тоже понятно. Вот некий свободный нейтрон после деления покинул топливную таблетку и полетел сквозь поток воды, на ходу замедляясь от упругих рассеяний. Через строго определенное расстояние нейтрон должен иметь возможность встретиться с ядром урана-235, который находиться может только в следующем стержне с топливом. Да, эти стержни, внутри которых находится ядерное топливо, имеют собственное название – твэл, тепловыделяющий элемент.
Производтсво тепловыделяющих элементов (твэл)Название вполне логичное – для энергетиков этот стержень действительно является элементом активной зоны, этот стержень действительно выделяет тепло. Твэлы в активной зоне должны располагаться на строго определенных расстояниях друг от друга, для чего приходится использовать дистанцирующие решетки, причем не одну. Длина твэлов в водно-водяных реакторов – 3,7 метра, а диаметр всего 9,1 миллиметра. Давление воды, несущейся вдоль твэлов – 15 Мпа, 150 атмосфер, запросто может деформировать, особенно с учетом того, что на стенку твэла изнутри еще и какие-то газы давят. Спокойствия для пучок твэлов комплектуют в сборку, которая так и называется «тепловыделяющей сборкой», ТВС.
Тепловыделяющая сборка (ТВС)В ТВС для реакторов ВВЭР-440 собраны 126 твэлов, в ТВС для реактора ВВЭР-1000 собирают 312 твэлов, в ТВС для ВВЭР-1200 – 313 твэлов. ТВС фиксируется в крышке и в днище реактора, а твэлы пропускают через 13 дистанцирующих решеток, которые гарантированно не дадут твэлам шевелилиться друг относительно друга. Кажется, ситуация становится сложнее? Да, так и есть, но все усложнения совершенно логичны и, как мы и обещали, для понимания этой логики вполне достаточно здравого смысла и нескольких фактов из школьного курса физики, которые мы и напомнили.
Урана много не бывает
Почему в ТВС для ВВЭР-1000 больше твэлов, чем в ТВС для ВВЭР-440? Числа после аббревиатуры – это электрическая мощность энергетического атомного блока в мегаваттах, при этом тепловая мощность реакторов в три раза выше, чем электрическая. Как только инженеры разрабатывали и создавали оборудование, позволяющие справляться с большим количеством тепла – они создавали более мощный реактор, в активной зоне которого можно было размещать большее количество ядерного топлива. Чем больше выделяется тепла – тем выше требования ко всему оборудованию энергоблока, с ходом научно-технического развития и становились более мощными ядерные реакторы, в них использовалось все большее количество урана. Соответствующим образом росло и количество твэлов в составе ТВС, достигнув нынешних величин, при этом постоянно совершенствовалась и совершенствуется и конструкция ТВС.
Тепловыделяющая сборка (ТВС)Высочайшие требования условия в активной зоне реактора предъявляют к материалу трубок твэлов. Высокий уровень радиации, постоянный контакт с водой с ее давлением в 150-160 атмосфер, температура воды около 300 градусов, температура топливных таблеток около 800 градусов – бодрящая такая обстановочка. Материал оболочки твэла должен обладать высокой теплопроводностью – его задача как можно быстрее и полнее передать тепло цепной реакции потокам воды, не дать оксиду урана шансов перегреться. Материал оболочки твэла не должен препятствовать движению нейтронов, не должен «вбирать» в себя свободные нейтроны. Оболочка твэла – это второй барьер на пути радиации: если поверхности таблеток не смогут удержать радиоактивные газы, образующиеся в результате цепной реакции, это должна сделать оболочка твэла. Есть требования и к материалам, из которых изготавливают дистанционные решетки – они тоже должны не мешать потокам свободных нейтронов, они тоже должны быть коррозионностойкими, 300 градусов тепла не должны привести к деформации решеток.
Нетривиальная задача – крепление ТВС в крышке реактора и в его днище. Вода попадает в активную зону снизу и движется наверх, ее 160 атмосфер пытаются вытолкнуть ТВС наверх, поэтому между корпусом ТВС и крышкой реактора нужны пружины – амортизаторы. Чем больше геометрические размеры таких пружин – тем короче приходится делать твэлы, тем меньше ядерного топлива можно поместить в активную зону. Если реактору предстоит работать в сейсмически активных регионах, то ТВС обязана сдерживать, компенсировать вибрацию – ТВС для Армянской АЭС, для АЭС «Бушер», для АЭС «Куданкулам» снабжены еще и вибрационными решетками, такое же приспособление используется в реакторах АЭС «Ловииса» — такими были требования STUKA, государственной регулирующей компании Финляндии.
Теория приведет к практике
Остается чистосердечно признаться, что все изложенное – всего лишь теоретические размышления, но они необходимы для того, чтобы можно было разобраться в двух темах, имеющих куда как более «прикладное» значение. Прежде всего, мы с вами, уважаемые читатели, сможем лучше понимать, чем именно занимается компания ТВЭЛ – топливный дивизион Росатома, отвечающий за все, что связано с производством ядерного топлива. Как видите, ядерное топливо – это не только обогащение урана, центрифуги являются только частью, только одним из этапов огромной и сложной работы. Когда господа либералы извещают, что Россия экспортирует исключительно топливные ресурсы, вспоминайте о том, что в этом списке присутствует и ядерное топливо – продукция, уровень технологичности стоит в одном ряду с космической техникой. Кроме того, мы сможем значительно подробнее понять, что происходит в атомной энергетической отрасли Украины – серьезные люди не могут ведь ограничивать себя фразой «российское ядерное топливо лучше, чем топливо Westinghouse». Лучше, не спорим – но чем именно, можно понять, только вооружившись знаниями о том, что такое есть то самое ядерное топливо, в чем заключаются сложности его фабрикации.
Этот обзор стоит закончить еще одним соображением – достаточно очевидным, но о котором почему-то очень редко рассказывают. Если внимательно присмотреться к тексту этой статьи, то легко заметить, что мы аккуратненько обходим «детский» вопрос: «Сколько урана находится в активной зоне реакторов ВВЭР, сколько топлива нужно на одну загрузку?».
Ответить однозначно на этот вопрос просто невозможно. В настоящее время в России, в Восточной Европе и в Европе Западной, в Азии в эксплуатации находятся реакторы ВВЭР-440, ВВЭР-1000 и совсем скоро начнут работать ВВЭР-1200, а на Курской АЭС-2 идет строительство реактора ВВЭР-ТОИ. Модификаций реактора ВВЭР-440 – четыре штуки, модификаций ВВЭР-1000 – три штуки, и все годы их работы ТВЭЛ сложа руки не сидел. Для ВВЭР-440 сейчас разработано и уже используется ядерное топливо третьего поколения, для ВВЭР-1000 – четвертого. Поэтому вопрос «Сколько ж там урана?» не может иметь однозначного ответа – нужно точно знать, о каком конкретно реакторе идет речь. Больше того – корректно этот вопрос должен звучать несколько иначе: «Сколько в активной зоне какого топлива?». «Какого» — потому что в активной зоне оно … разное.
Игра в «пятнашки» для атомных физиков
Мы уже выяснили, что для стабильного течения цепной реакции число свободных нейтронов должно оставаться постоянным – сколько их перестало быть свободными, столько новых свободных должно появиться. Атомщики это условие формулируют иначе: коэффициент воспроизводства нейтронов должен быть равен единице. Корпус реактора, как и его активная зона имеет форму цилиндра, и, как и в любом цилиндре, тут имеется центр, периферия и середина. Очевидно, что твэлы, находящиеся в центральной части активной зоны, получают самый интенсивный поток свободных нейтронов, поэтому уран-235 в них участвует в цепной реакции значительно активнее, чем в твэлах, стоящих на периферии активной зоны. Чем ближе к корпусу реактора – тем менее плотным становится поток нейтронов, чем ближе к центру – тем активнее «выгорает» уран-235. «Выгорает» именно в кавычках – реакции горения тут и в помине нет, просто каждый раз писать «тем интенсивнее идет цепная реакция деления и превращение урана-235 в другие химические элементы» слишком долго и излишне громоздко. Если с этим не бороться, то результат очевиден – неравномерность потока свободных нейтронов будет нарастать. Поэтому то, что атомщики называют перегрузкой ядерного топлива – это всегда игра в комбинаторику.
Загрузка ядерного топлива в активную зону реактора ВВЭТВС, стоявшие в центре, в твэлах которых выгорание достигло максимума, удаляются из активной зоны и отправляются вылеживаться в бассейны выдержки. ТВС из средней части перемещали ближе к центру, а на периферию ставили ТВС со свежим топливом, которые так и называют: «ТВС подпитки». Но и такая схема теперь уже осталась в прошлом – ТВС подпитки на периферии активной зоны вызывали слишком серьезный поток свободных нейтронов в направлении корпуса реактора – от этого и корпусу становилось «не по себе, да еще и количество свободных нейтронов непродуктивно уменьшалось. В результате расстановка ТВС в активной зоне превратилась в настоящее научно-инженерное искусство, освоить его далеко не просто. Дело чести и доблести для каждой топливной компании – уменьшить количество ТВС подпитки, увеличить время нахождения ТВС в активной зоне – именно так выглядит борьба за повышение рентабельности атомных энергоблоков.
Каждая топливная таблетка является продуктом нескольких этапов переработки, каждый из которых стоит денег, вернуть которые можно только одним способом – выработать как можно больше электроэнергии, то есть использовать всю энергию, имеющуюся в ядрах атомов урана-235. На языке атомщиков это звучит как «добиться максимальной степени выгорания ядерного топлива», и к этой теме мы еще не раз вернемся. Пока остановимся на том, что в активной зоне реакторов ВВЭР одновременно находятся ТВС с совершенно свежим топливом, ТВС с частично выгоревшим топливом и ТВС, которое находится уже на последних стадиях выгорания. Каждая секунда нахождения топлива в активной зоне приводит к уменьшению количества урана-235 – ведь именно для этого его туда и помещают. Так что «детский» вопрос про количество топлива в реакторе имеет множество ответов, зависящих от того, о каком конкретно реакторе идет речь и от того, когда именно началась топливная компания.
Топливная компания – это полное время нахождения ТВС в активной зоне и ее продолжительность, как видите, совершенно не совпадает с временем между перегрузками топлива. Перегрузка вовсе не обязательно означает, что топливная компания завершилась для всех ТВС – часть из них будет просто переставлена поближе к центру активной зоны, чтобы уран-235 продолжал выгорать и дальше. Перегрузка ядерного топлива – это вариант игры в «пятнашки» для очень взрослой публики, а не переворачивание коробочки с фишками вверх дном, потому и времени требует не так уж мало. Ведь все манипуляции с топливом, которое уже побывало в активной зоне реактора выполняются при помощи перегрузочной машины, управляемой дистанционно – радиация пленных не берет. Атомные «пятнашки» имеют очень сложные правила, поскольку ТВС и твэлы – это как раз то место, где атомная и ядерная физика, имеющая дело с микроскопическими частицами вещества, дают возможность видеть результаты действия их законов невооруженным глазом. Мир субатомных частиц отличен от привычного нам тем, что имеет принципиально вероятностный характер: невозможно со стопроцентной точностью предсказать характер ядерных явлений и реакций, можно говорить только о событиях, которые могут произойти с той или иной вероятностью. Предсказать заранее, насколько полно пройдет выгорание урана-235 в той или иной ТВС невозможно, поэтому каждая из сборок снабжена соответствующими датчиками, которые и отчитываются перед атомщиками, как именно идут процессы деления ядер, как работают свободные электроны. Перестановка ТВС внутри активной зоны всякий раз немного индивидуальна, карта их расстановки не является неким стандартом, установленным раз и навсегда.
Вот такое получилось «путешествие» в мир ядерных реакций, протекающих в атомных реакторах. Хотя текст и получился достаточно объемным, на самом деле экскурсионный автобус в этот раз двигался с изрядной скоростью, многие детали-подробности разглядеть не удалось, но теперь мы хотя бы понимаем, куда именно всматриваться в следующий раз и заранее догадываться, что предстоит рассматривать.