Reactor MARIA

 

1. Reactor core
2. Fuel
3. Cooling system
4. Shields
5. Security

 

    Rdzeń reaktora

    Reaktor badawczy MARIA jest reaktorem typu basenowego, tzn. jego rdzeń jest umieszczony w zbiorniku wypełnionym wodą o głębokości ok. 10 m, stanowiącą jednocześnie moderator, chłodziwo i osłonę przed promieniowaniem.
Pionowy przekrój przez basen reaktora MARIA jest przedstawiony na rysunku (aby zobaczyć opis rysunku, kliknij na niego).

click to enlarge

    Rdzeń reaktora umieszczony jest w aluminiowym koszu. Stanowi go matryca zbudowana z bloków berylowych o wysokości 110 cm, w których znajdują się kanały paliwowe zawierające zestawy z paliwem jądrowym.(fot.) Berylowa matryca rdzenia reaktora otoczona jest przez reflektor neutronów wykonany z bloków grafitowych zamkniętych w koszulce aluminiowej. W reflektorze znajdują się zakończenia kanałów służących do wyprowadzenia wiązek neutronów do kanałów poziomych.
Przekrój poziomy rdzenia reaktora MARIA jest przedstawiony na poniższym rysunku.

click to enlarge

 

click to enlarge
Makieta rdzenia

 

    W reaktorze MARIA jako elementy regulacyjne, kompensacyjne i bezpieczeństwa zastosowano pręty z węglikiem boru koszulkowanego w aluminium. Elementy te umiejscowione są w kanałach w matrycy berylowej. Są one przemieszczane w rdzeniu przy pomocy napędów umieszczonych na górnej płycie reaktora.

click to enlarge        click to enlarge
Rdzeń reaktora (widoczne bloki grafitowe tworzące reflektor neutronów, elementy układu chłodzenia i fragmenty napędów prętów regulacyjnych)

    Charakterystyczną cechą reaktora MARIA jest stożkowa konstrukcja rdzenia, co z kolei jest spowodowane stożkowym ustawieniem kanałów paliwowych. Wynika to z istnienia indywidualnego połączenia każdego kanału paliwowego z pierwotnym obiegiem chłodzenia oraz dużych rozmiarów napędów prętów regulacyjnych przestawianych na zdjęciu poniżej.

click to enlarge
Napędy prętów regulacyjnych

    Aby ekonomiczniej wykorzystać paliwo i zredukować nadmiar reaktywności na początku cyklu paliwowego, reaktor posiada kilka ruchomych kanałów paliwowych, które na początku kampanii paliwowej są opuszczone poniżej rdzenia. Mogą one w każdej chwili zostać podniesione, także podczas racy reaktora, aby zredukować jego moc. Umożliwia to kontrolę rozkładu strumienia neutronów w rdzeniu i polepsza ich wykorzystanie eliminując ich bezużyteczną absorpcję w prętach kontrolnych.

    Konfiguracja matrycy berylowej tworzącej rdzeń może być dowolnie zmieniana w zależności od potrzeb. Poniższy rysunek przedstawia konfigurację matrycy berylowej reaktora MARIA w styczniu 1999 r. (aby zobaczyć opis rysunku, kliknij na niego).

click to enlarge

    Spowolnienie neutronów w reaktorze MARIA odbywa się głównie w wodzie, która zajmując około 20% objętości rdzenia ma 70% udział w spowalnianiu neutronów. Pozostałe 30% procesów spowolnienia zachodzi w blokach berylowych. Zastosowanie berylu umożliwia uzyskanie dużych skoków siatki paliwowej w rdzeniu reaktora MARIA a w konsekwencji - znacznych objętości kanałów w których są prowadzone naświetlania materiałów tarczowych.

Całkowita moc reaktora wynosi 30 MW, przy czym w każdym kanale paliwowym wydzielana jest moc 1,8 MW.

    Najważniejszym parametrem charakteryzującym reaktor badawczy jest strumień neutronów.
Strumień neutronów termicznych w reaktorze MARIA wynosi w paliwie 2,5 ×1014 cm-2s-1, a w berylu stanowiącym moderator 4,0 ×1014 cm-2s-1. Są to jedne z najwyższych uzyskiwanych na świecie wartości.

 

    Paliwo jądrowe

    Paliwem reaktora MARIA jest uran wzbogacony do 80% w izotop 235U. Od 1999 roku reaktor wykorzystuje zestawy paliwowe zawierające uran wzbogacony do 36% w izotop 235U. 

    Element paliwowy składa się z sześciu lub pięciu (MR-6 lub MR-5) koncentrycznych rur, wypełnionych stopem wzbogaconego uranu i aluminium, zatopionego w aluminium i otoczonego aluminiową koszulką (ryc.1). Element paliwowy jest umieszczony w ciśnieniowym kanale paliwowym (ryc.2), z których każdy jest indywidualnie połączony z pierwotnym obiegiem chłodzenia. Aby ekonomiczniej wykorzystać paliwo i zredukować nadmiar reaktywności na początku cyklu paliwowego, reaktor posiada kilka ruchomych kanałów paliwowych (ryc.3), które na początku kampanii paliwowej są opuszczone poniżej rdzenia. Mogą one w każdej chwili zostać podniesione, także podczas racy reaktora, aby zredukować jego moc. Umożliwia to kontrolę rozkładu strumienia neutronów w rdzeniu i polepsza ich wykorzystanie eliminując ich bezużyteczną absorpcję w prętach kontrolnych.

     Zużyte pręty paliwowe zabezpieczane są poprzez umieszczenie ich w specjalnych kapsułach, chroniących je przed korozją oraz magazynowane w basenie przechowawczym znajdującym się obok basenu reaktora i oddzielonym od niego śluzą (ryc.4). Przechowywane jest w nim całe paliwo zużyte od początku eksploatacji reaktora.
Paliwo musi znajdować się pod wodą ze względu na konieczność ochrony otoczenia przed promieniowanie emitowanym przez promieniotwórcze produkty przemian jądrowych, a także ze względu na konieczność ciągłego odbierania ciepła generowanego w elementach.

 click to enlarge
Basen przechowawczy

 

    Układ chłodzenia

    Układ chłodzenia reaktora składa się z obiegu pierwotnego i wtórnego oraz układu pomocniczego. Pierwotny obieg chłodzenia złożony jest z dwóch systemów: obiegu chłodzenia kanałów paliwowych oraz obiegu chłodzenia basenu reaktora. Chłodziwem w reaktorze MARIA jest woda.

    Układ chłodzenia kanałów paliwowych odbiera ciepło wygenerowane w paliwie. Każdy element paliwowy jest indywidualnie połączony do zbiorczych rurociągów systemu chłodzenia elementów paliwowych. Każdy kanał chłodzenia elementu paliwowego jest wyposażony w przepływomierz i miernik temperatury chłodziwa na wyjściu z elementu paliwowego. Obieg chłodzenia elementów paliwowych jest ciśnieniowym obiegiem pracującym ze stabilizatorem ciśnienia. Ciśnienie w obiegu wynosi 0,8 ÷ 1,8 MPa. Przepływ chłodziwa w obiegu jest wymuszany przez pracę dwóch z czterech zainstalowanych pomp (z pozostałych dwóch pomp jedna musi być gotowa do natychmiastowego włączenia). Temperatura chłodziwa na wlocie wynosi 50°C, natomiast na wylocie 100°C, przy czym maksymalna temperatura paliwa wynosi 180°C. Przepływ chłodziwa przez kanał paliwowy wynosi 30 m3/h, całkowity przepływ przez obieg: 600 ÷ 700 m3/h. Energia cieplna z tego układu chłodzenia jest przekazywana przez wymienniki ciepła do wtórnego obiegu chłodzenia.

    Układ chłodzenia basenu reaktora obiera ciepło wygenerowane w matrycy berylowej, w reflektorze grafitowym oraz wytwarzane w innych elementach rdzenia poddanych napromienieniu neutronami i oddziaływaniu promieniowania gamma. Układ chłodzenia basenu reaktora odbiera także część ciepła wytwarzanego w obiegu chłodzenia elementów paliwowych przekazywanego do basenu reaktora przez gorące rurociągi (ok. 500 kW). Przepływ chłodziwa jest wymuszany przez pompy cyrkulacyjne. W układzie panuje ciśnienie atmosferyczne. Temperatura chłodziwa na wlocie wynosi 50°C, na wylocie 60°C, natomiast jego przepływ przez obieg 1400 m3/h.

    Wtórny obieg chłodzenia odbiera ciepło od obu układów obiegu pierwotnego i oddaje je do atmosfery przez chłodnicę kominową.

    System chłodzenia reaktora posiada także układ pomocniczy oczyszczający wodę obiegów pierwotnego i wtórnego oraz instalacje do wytwarzania destylowanej i dejonizowanej wody stosowanej w pierwotnych obiegach chłodzenia reaktora.

Schemat układu chłodzenia

 

    Osłony biologiczne

    Wydostaniu się materiałów promieniotwórczych zapobiegają koszulka elementu paliwowego i metaliczna struktura warstwy paliwowej, zamknięty obieg chłodzenia kanałów paliwowych, basen i osłony reaktora, budynek o kontrolowanej szczelności wraz z systemem wentylacji i filtrów oraz pompownia obiegów pierwotnych wraz z układem oczyszczania.

    Górną osłoną rdzenia reaktora jest warstwa 7 m wody, która zapewnia ochronę przed promieniowaniem g i wtórnymi źródłami promieniowania powstałymi w reakcjach jądrowych. Po bokach osłonę reaktora zapewnia grafitowy reflektor neutronów oraz woda z basenu, ale jej głównym elementem jest ściana betonowa o grubości 2,2 m. Osłony te zapewniają bezpieczną pracę personelu w hali reaktora.
System wentylacji zapewnia kontrolę nad składem powietrza w budynku reaktora. W czasie normalnej pracy system zasysa z hali reaktora 32.000 m3/h i uwalnia je poprzez 60 metrowej wysokości komin. System wyposażony jest w układ filtrów.
Reaktor otoczony jest szczelną obudową bezpieczeństwa (zdj. poniżej).

    click to enlarge
Budynek reaktora

 

    Bezpieczeństwo jądrowe

    Najważniejszą ze względów bezpieczeństwa cechą reaktora jest znak współczynnika reaktywności.
MARIA jest reaktorem o ujemnym temperaturowym współczynniku reaktywności.

    Reaktor oprócz aktywnych, posiada także pasywne systemy zabezpieczeń, min. układ awaryjnego zalewania rdzenia. Zasadniczą częścią tego układu są dwa zawory, które otwierają się na zasadzie bezwładności po znacznym spadku ciśnienia w obiegu chłodzenia kanałów paliwowych. Dzięki temu paliwo jądrowe będzie zawsze znajdowało się pod wodą, mimo nieszczelności w obiegu chłodzenia kanałów paliwowych.
Innym przykładem zastosowania pasywnych systemów zabezpieczeń są napędy prętów bezpieczeństwa i kompensacyjnych. Pręty pochłaniające połączone są z napędami za pomocą elektromagnesów; uszkodzenie polegające na zaniku zasilania elektromagnesów powoduje automatyczny zrzut prętów i wyłączenie reaktora.

    Pełną kontrolę uwolnień radionuklidów do otoczenia zapewnia system ochrony radiologicznej.
Jako limit uwolnień substancji promieniotwórczych dla reaktora MARIA przyjęto wartość 0,2 mSv/rok.

click to enlarge
Sterownia reaktora

 

 

Main Page