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