В одной из прошлых статей мы уже рассказывали, как устроена атомная электростанция. В том числе говорили о ядерном топливе, которое в виде небольших таблеток из спрессованного урана хранится в металлических тепловыделяющих элементах (твэлах). Но твэлы, внешне напоминающие трубки, попадают на АЭС не поодиночке — пучок из нескольких десятков или сотен штук собирают в тепловыделяющую сборку (ТВС) и уже в таком виде загружают в реактор.
Какими бывают ТВС, почему их форма может различаться и что с ними происходит после реакции, расскажем в статье.
Тепловыделяющая сборка: что внутри и как это работает
Обычно ТВС — это пучок твэлов длиной 2,5–3,5 м; размер, как правило, совпадает с высотой активной зоны реактора. Диаметр одной сборки — 30–40 см. Твэлы зафиксированы в решётке и не касаются друг друга — так же, как пробирки в кабинете у врача или на уроках химии.
Оболочки ТВС делают из нержавеющей стали или сплава циркония. Эти материалы меньше поглощают нейтроны. А цепная реакция происходит именно благодаря столкновению нейтронов с тяжёлыми ядрами, например ядрами урана-238, которые делятся, испускают два более лёгких ядра и новые нейтроны, которые снова сталкиваются с ядрами. Благодаря циркониевым или стальным оболочкам твэлов атомная реакция протекает быстрее.
ТВС в отечественных реакторах имеют форму шестигранника или круга, а не квадрата, как в Европе. За объяснениями обратимся к событиям середины 20-го века.
Активная зона первого советского реактора ВВЭР-1 находилась в цилиндрическом корпусе, а его размеры были ограниченными из-за условий перевозки. Доставить оборудование от завода-изготовителя до АЭС можно было только железнодорожным транспортом.Чтобы разместить в реакторе больше топлива, учёные и взяли за основу шестигранную форму. Она сохранилась и в последующих поколениях реакторов типа ВВЭР.
Сейчас никаких проблем с логистикой у атомщиков уже нет. Кроме поездов, ТВС возят автомобилями, морским и даже воздушным транспортом, но форма осталась неизменной.
Кстати, транспортировать необлучённое ядерное топливо безопасно — радиационное излучение не выходит за пределы твэлов. Но даже при этом перевозят его, соблюдая ряд защитных мер: ТВС находятся под охраной, персонал, ответственный за транспортировку, проходит инструктаж о том, как обращаться с ядерным топливом. Кроме того, информация о маршруте и графике перевозки засекречена.
В одной тепловыделяющей сборке может быть от 18 до 350 твэлов, а всего в реактор в зависимости от его типа помещают от 200 до 1600 ТВС.
Во время реакции ТВС выделяют тепло и нагревают воду. Она испаряется и вращает турбину, генерирующую электричество, которое по линиям электропередачи попадает со станции к нам в дома.
ТВС после реакции
После того как топливо достигло проектного уровня выгорания, отработавшие ТВС отправляют в специальный бассейн в защищённом помещении на территории АЭС и выдерживают в воде, чтобы отвести из них избыточное тепло. Уровень воды над сборками составляет около двух метров — это надёжно защищает от возможного излучения.
Процесс остывания совсем не быстрый — даже спустя 3–5 лет ТВС продолжают выделять тепло, но для них уже не опасно временное отсутствие охлаждения, например при транспортировке. А полностью остыть сборки могут примерно за 10 лет.
Больше не выделяющие тепло ТВС можно безопасно отправлять на переработку и утилизацию. Получается, что за время, за которое человек оканчивает школу, металлические трубки с отработавшим урановым топливом просто успевают охладиться.
В ТВС после реакции сохраняются два полезных компонента — уран (выработать его на 100% невозможно — небольшая часть всегда остаётся в твэлах) и радионуклиды, которые можно использовать в промышленности и медицине. Кстати, о том, как атомные технологии помогают лечить болезни, мы уже рассказывали.
Кто выпускает ТВС
В России тепловыделяющие сборки делают несколько предприятий, среди них Московский завод полиметаллов, ОКБМ имени И. И. Африкантова в Нижнем Новгороде, Новосибирский завод химконцентратов. Каждую партию ТВС выпускают под реактор конкретного типа.
Часто встречающиеся варианты:
- ТВС реакторов ВВЭР-440. Твэлы в ней объединены дистанционирующими решётками «сотового» типа, закреплёнными на центральной трубе, и нижней опорной решёткой. Эта ТВС рассчитана на 126 твэлов.
- ТВС реакторов ВВЭР-1000. Это конструкция из 312 твэлов, закреплённых в каркасе из 18 направляющих каналов, 15 дистанционирующих и одной нижней решётки.
Будущее ТВС
Тепловыделяющие сборки — важный и интересный компонент атомной электростанции, который продолжает совершенствоваться. Сейчас в России тестируют новые типы ТВС — например, на Калининской АЭС идёт опытная эксплуатация ТВСА‑12PLUS, это сборки с увеличенной ураноёмкостью и улучшенными теплогидравлическими характеристиками.
А на Ростовской АЭС проверяют ТВС‑2М с антидебризным фильтром второго поколения. Раньше это устройство, препятствующее соприкосновению твэлов с посторонними предметами, выглядело как решётка с отверстиями, а теперь — как множество пластинчатых элементов.
Совершенствовать ТВС нужно, чтобы показатели безопасности, мощности, выработки и продолжительность топливного цикла росли и всё больше людей могло получать энергию от АЭС.
