Ядерные реакторные установки

Московский государственный технический университет
имени Н.Э. Баумана
В.И. Солонин
ЯДЕРНЫЕ РЕАКТОРНЫЕ
УСТАНОВКИ
Рекомендовано Научно-методическим советом
МГТУ им. Н.Э. Баумана
в качестве учебного пособия
Москва
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана
2010

УДК 621.039
ББК 31.4
C60
Рецензенты: В.П. Сметанников, И.Г. Суровцев
C60
Солонин В. И.
Ядерные реакторные установки : учеб. пособие / В. И. Солонин. – М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2010. – 87, [1] с. :
ил.
Изложены основы физических процессов, определяющих задачи
разработки и современный облик ядерных реакторов и реакторных
установок различного назначения, их ядерный топливный цикл, подходы к обеспечению безопасности, снижению риска использования
объектов ядерной техники.
Для студентов первого курса, обучающихся по специальности
«Ядерные реакторы и энергетические установки» и изучающих курс
«Введение в специальность».
УДК 621.039
ББК 31.4
Учебное издание
Солонин Владимир Иванович
ЯДЕРНЫЕ РЕАКТОРНЫЕ УСТАНОВКИ
Редактор Е.К. Кошелева
Корректор
Г.С. Беляева
Компьютерная верстка В.И. Товстоног
Подписано в печать 15.09.2010. Формат 60×84/16.
Усл. печ. л. 5,1. Тираж 200 экз. Изд. №158.
Заказ
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана.
Типография МГТУ им. Н.Э. Баумана.
105005, Москва, 2-я Бауманская ул., 5.
c
⃝МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010

СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНА
ЧЕНИЙ
α — альфа-частица; состоит из двух протонов и двух нейтронов,
идентична ядру атома гелия; вид ионизирующего излучения
αТ — температурный коэффициент реактивности
β — бета-излучение — вид ионизирующего излучения — поток электронов или позитронов; эффективная доля захватывающих
нейтронов
γ — гамма-излучение — вид ионизирующего излучения (электромагнитное излучение)
ρ = (Kэф−1)/K — реактивность, мера возникшего отклонения
от условий критичности; доля избыточной генерации нейтронов в
общей генерации
Kэф — коэффициент размножения нейтронов эффективный —
отношение числа нейтронов, образующихся при реакции деления,
к числу нейтронов, теряемых вследствие поглощения и утечки за
определенный промежуток времени
Ср — удельная теплоемкость
l — среднее время жизни нейтронов в реакторе
n — плотность нейтронов
Nт — тепловая мощность реактора
t — время
Т — температура
CПИСОК СОКРАЩЕНИЙ
АПЛ — атомная подводная лодка
АС — атомная станция
АСТ — атомная станция теплоснабжения
АЭС — атомная электрическая станция
3

АЭТС — атомная энерготехнологическая станция
БН — реактор на быстрых нейтронах (теплоноситель — расплавленный натрий); БН-600 — реактор БН с электрической мощностью 600 МВт
ВВЭР — водо-водяной энергетический реактор; вода выполняет
функцию замедлителя нейтронов и теплоносителя; ВВЭР-1000 —
реактор ВВЭР с электрической мощностью 1000 МВт
ОЯТ — облученное (отработавшее) ядерное топливо
ПС — поглощающие стержни
РБМК — реактор большой мощности канальный, реактор с кипящим теплоносителем и графитовым замедлителем
СУЗ — система управления и защиты
ТВС — тепловыделяющая сборка
ТУК — транспортно-упаковочный контейнер, создается для перевозки облученных (изготовленных на предприятиях ЯТЦ) ТВС
ЯРД — ядерный реактивный двигатель
ЯТЦ — ядерный топливный цикл
ЯЭУ — ядерная энергетическая установка

ВВЕДЕНИЕ
Открытие и использование ядерной энергии привело к радикальным изменениям в жизни человечества. Исторически сложилось так, что первым опытом применения ядерной энергии стали
ядерные взрывы, произведенные летом 1945 г. — в год окончания Великой Отечественной войны Советского Союза против фашистской Германии. Уничтожение городов Хиросима и Нагасаки
продемонстрировало миру ужасные возможности нового оружия
— атомного. Обладатель этого оружия — США не преминули использовать бомбу в политических целях.
Советский Союз, только что ценой огромных потерь отстоявший свою независимость, оказался перед выбором: либо создать
собственную атомную бомбу в кратчайшие сроки, либо уступить
диктату Запада. Чрезвычайно важно отметить, что начало работы
СССР по атомному проекту датировано 28 сентября 1942 г. В тот
день председатель Государственного комитета обороны И.В. Сталин подписал распоряжение 2352, которое теперь называется «Об
организации работ по урану».
Атомный проект в СССР был реализован в кратчайшие сроки.
Вот его основные этапы. В декабре 1946 г. был введен в действие
первый на Европейско-Азиатском континенте реактор Ф-1. В июне 1948 г. вышел на проектную мощность первый промышленный
уран-графитовый ядерный реактор А с производительностью 100 г
плутония в сутки. Началась производственная деятельность комбината 817 в Челябинске-40 («Маяк»). Заводы по радиохимической
переработке облученного урана, извлечению плутония и изготовлению из него зарядов были запущены в эксплуатацию в конце
1948 г. Уже 29 августа 1949 г. был произведен взрыв первой в
СССР атомной бомбы и ликвидирована атомная монополия США.
5

В ответ США решили форсировать создание всех видов атомного оружия, включая водородную бомбу, или «сверхбомбу». Шел
1950 г. США имели в ядерном арсенале более 300 атомных бомб,
СССР — 12. Советский Союз был вынужден принять участие в
гонке вооружений. Благодаря самоотверженному труду тысяч специалистов в 1970-х годах был достигнут паритет между США и
СССР по ядерному арсеналу: в 1977 г. число ядерных боезарядов
в США составило 25 800, в СССР — 28 400. Накопленные ядерные потенциалы были достаточны для многократного взаимного уничтожения. Достигнутое военное равновесие стало гарантом
сдерживания возможной агрессии. Начались переговоры об ограничении стратегических вооружений. Были запрещены ядерные
испытания, прекращена наработка материалов для оружия. 1 июня
2003 г. вступил в силу Договор между Российской Федерацией и
США о сокращении стратегических наступательных потенциалов
к 2012 г. до 1700—2200 боеприпасов!
Ценность атомного проекта для развития нашей страны состоит в том, что при его реализации был накоплен опыт быстрого
и эффективного решения крупных научно-технических проблем,
освоения ряда новых технологий, быстрого создания новых отраслей производства. Реализация атомного проекта дала России не
только атомное оружие, но и атомную энергетику — энергетику
будущего. В 1948—1949 гг. по предложению И.В. Курчатова были
начаты работы по мирному использованию атомной энергии.
Анализируя истоки успеха атомного проекта в СССР, академик РАН Н.П. Лаверов отмечает, что, во-первых, все занятые в
проекте специалисты демонстрировали моральное единство, обусловленное политической ситуацией в мире в тот период, кроме того, осуществлялось умелое руководство проектом как со стороны
власти, так и со стороны ученых, длительное время плодотворно
работавших над проблемой. Во-вторых, успех проекта обусловлен
научным и техническим заделом, созданным в довоенный и военный периоды, а также постоянным вниманием к фундаментальным
началам проблемы использования урана, что сыграло решающую
роль в успешной ее реализации. В-третьих, успех связан с удивительным сочетанием у руководителей проекта организаторского таланта и таланта ученого. Это относится в первую очередь
к И.В. Курчатову — научному руководителю атомного проекта, а
6

также к его многочисленным соратникам, среди которых отметим
А.П. Александрова, Д.И. Блохинцева, А.А. Бочвара, Н.А. Доллежаля, Е.И. Забабахина, Я.Б. Зельдовича, А.Ф. Иоффе, М.В. Келдыша, И.К. Кикоина, А.Н. Колмогорова, Л.Д. Ландау, А.И. Лейпунского, А.Д. Сахарова, И.Е. Тамма, Г.Н. Флерова, Д.А. ФранкКаменецкого, Ю.Б. Харитона, К.И. Щелкина и многих других.
В ходе реализации атомного проекта и дальнейшего развития
атомно-энергетического комплекса России была создана атомная
промышленность: совокупность научных институтов, конструкторских и проектных организаций, заводов, комбинатов, предприятий, способных реализовать проект от стадии фундаментальных
основ до готового отработанного изделия, обеспечить безопасность его функционирования, снятия с эксплуатации, организовать
все другие стадии жизненного цикла продукта.
Атомная энергетика в современном мире может внести важный вклад в устойчивое развитие экономики тех стран, которые
ее применяют. Все развитые страны обладают этой энергетикой.
США имеют 99 ГВт установленных мощностей, на которых производится около 20 % электроэнергии страны, Франция — 63 ГВт
и около 78 %, Япония — 45 ГВт и около 26 %, Германия — 21 ГВт
и около 28 %, Швейцария — 3 ГВт и 38 %, Украина — 13 ГВт и
48 %, Россия — 22 ГВт и около 16 %. По потенциальным ресурсам
уран-плутониевого и уран-ториевого топливных циклов атомная
энергетика практически неисчерпаема и позволяет обеспечить производство энергии в мире на сотни лет. При этом не используется
кислород атмосферы и оказывается малое по сравнению с другими
энергетическими технологиями воздействие на окружающую среду. Атомная энергетика требует для своего развития высочайшего научно-технического и технологического потенциала, строгой
дисциплины и ответственности специалистов. В то же время даже
через десятилетия после аварии на атомной электрической станции (АЭС) «Трехмильный остров» (США, 1979 г.) и катастрофы на
Чернобыльской АЭС (СССР, 1986 г.) атомная энергетика остается
критикуемой и зачастую гонимой, отвергаемой преимущественно
по политическим соображениям, несмотря на демонстрируемую
надежность и безопасность.
В прогнозе развития ядерной энергетики в мире до 2030 г.,
сделанном Министерством энергетики США, предполагается уве7

личение суммарной энергетической мощности АЭС с 390 ГВт
(2005 г.) до 440 ГВт в 2030 г. с учетом вывода из эксплуатации в этот период значительного числа энергоблоков, достигших
предельно допустимого проектного срока. В прогнозе отмечается
тенденция постепенного улучшения перспектив развития ядерной
энергетики как следствие влияния таких положительных факторов, как продление сроков эксплуатации энергоблоков, увеличение
их энерговыработки. Для перспектив развития реакторостроения
важным фактором являются возможность создания новых, более
дешевых проектов реакторов, обеспокоенность общественности
государств, имеющих ограниченные собственные энергоресурсы,
проблемой надежности энергоснабжения, возможность решения
проблемы изменения климата за счет снижения выбросов в атмосферу диоксида углерода.
Планы развития атомной энергетики России определены утвержденной Правительством России уже действующей Федеральной
целевой программой, предусматривающей значительное увеличение вводимых в эксплуатацию энергоблоков. Основными целями
Программы являются следующие:
• усиленное развитие атомного энергопромышленного комплекса страны для обеспечения ее геополитических интересов,
энергетической безопасности в результате ввода в эксплуатацию
новых типовых серийных энергоблоков общей установленной
электрической мощностью 2 ГВт в год;
• продвижение продукции предприятий России, производящих
ядерное топливо, на мировые рынки;
• переход к строительству и эксплуатации АЭС за пределами
РФ.
Одной из ключевых задач Федеральной целевой программы
является восстановление и объединение организаций отечественного энергетического машиностроения и повышение эффективности деятельности организаций ядерного топливного цикла на внутреннем рынке.
В соответствии с Федеральной целевой программой наряду со
строительством и вводом в эксплуатацию энергоблоков с серийной
реакторной установкой типа водо-водяного энергетического реактора (ВВЭР) предусматривается переход к инновационным технологиям развития атомной энергетики. В их числе строительство
8

реакторной установки на быстрых нейтронах БН-800, осуществление научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ в
области новых (в том числе высокотемпературных реакторных)
технологий, их ядерных топливных циклов, технологий переработки облученного ядерного топлива.
Для решения стоящих перед Госкорпорацией «Росатом» задач
требуется квалификационное кадровое обеспечение. К 2016 г. в
организациях атомного энергопромышленного комплекса дополнительно будут заняты около 15 тыс. человек (при увеличении
производительности труда на 5 % в год). Несомненно, выпускники
МГТУ им. Н.Э. Баумана, как и в предыдущие годы, будут востребованы в ведущих проектно-конструкторских организациях, научных
центрах, занимающихся разработкой ядерных технологий.
Отбор материалов, включенных в настоящее учебное пособие,
базируется на более чем десятилетнем опыте обсуждения автором со студентами первого курса специальности «Ядерные реакторы и установки» вопросов специального образования в МГТУ
им. Н.Э. Баумана, а также возможных направлений их будущей
инженерной деятельности. Практика изложения курса «Введение
в специальность» показывает достаточно широкую, увеличивающуюся год от года информированность слушателей, их интерес к
содержанию конкретных вопросов, относящихся к специальности,
который невозможно в полной мере удовлетворить в ограниченном по объему курсе. Автор надеется, что предлагаемое учебное
пособие будет способствовать лучшему пониманию содержания
подготовки студентов специальности «Ядерные реакторы и установки» в МГТУ им. Н.Э. Баумана как самими студентами, так и
потенциальными его читателями.
Автор выражает благодарность выпускникам кафедры А.Я. Михайловой, П.В. Маркову, инженеру Л.Ю. Тарасовой за помощь в
оформлении рукописи.
Автор признателен рецензентам В.П. Сметанникову и И.Г. Суровцеву за конструктивные замечания, способствовавшие улучшению содержания учебного пособия.