В корпусе реактора имеются два впускных патрубка, через которые поступает вода. Затем холодная вода попадает во впускной пленум, чтобы поступающая вода равномерно распределялась по дну реактора. Поступающая вода относительно «холодная» (после того, как паровые котлы забрали энергию из воды, она становится относительно холодной: её температура около 238 °C, что ниже 260 °C — температуры выходящей из реактора воды).
По мере того, как вода проходит вдоль внутренней стенки, она забирает тепло, выработанное в результате реакции.
Ограничивающий компонент
Внутреннее покрытие стенок реактора является ограничивающим компонентом, потому что оно поглощает настолько много радиации, что его прочность снижается со временем. В то же время, результатом взаимодействия воды с цирконием является выделение водорода (вот почему проблемы в системе охлаждения становятся не только результатом парового, но и водородного взрыва). Наличие водорода вызывает ломкость металла.
Каждый раз, когда реактор разогревается или охлаждается, металл расширяется или сжимается. При повышении давления стенки реактора будут расширяться, а при понижении — сжиматься, что может привести к трещинам в металле.
Вдобавок ко всему, нужно осознать, что внутренняя поверхность реактора испытывает наибольшее давление. (Представьте себе ствол орудия: металл с внутренней стороны ствола испытывает на себе гораздо большие нагрузки, чем металл снаружи ствола).
Поэтому внутреннее покрытие в данном случае является ограничивающим фактором, когда вы разогреваете или охлаждаете реактор. Вы же не хотите, чтобы в стенках образовались трещины в результате усталости металла и чтобы стенки реактора разлетелись на сотни мелких кусочков, когда вы попытаетесь разогреть его.
Холодная вода поступает в пленум, представляющий собой циркониевую тарелку с тысячами мелких просверленных отверстий. Вы можете промывать в ней макароны, как в дуршлаге, жаль, что он радиоактивный. Эти отверстия направляют поток воды к топливным модулям.
Это очень важно, потому что если один топливный элемент испытывает недостаток в притоке воды, то он может перегреться и расплавиться. Отказ топливного элемента является причиной утечки радиоактивных продуктов распада на судне.
Вода на выходе из топливных элементов поднимается под действием давления рециркуляционных насосов реактора через топливные модули, которые представляют собой циркониевые трубки с циркониевыми пластинами внутри. Вокруг пластин есть проход, через который течет вода. Внутри топливных пластин находятся небольшие керамические шарики с ураном и другие керамические сферы с горючим ядом.
Вода течёт по проходам в топливных модулях. Во время распада в топливных модулях уран отдает тепло. Охлаждающая жидкость поглощает тепло. Если она перестанет двигаться по трубопроводам, топливные модули продолжают отдавать тепло, и вода начинает кипеть. Пар плохо поглощает тепло, поэтому цирконий начинает плавиться и «выпускать» уран и высокорадиоактивные продукты распада в окружающую среду.
Но если всё идет по плану, то вода покидает топливные элементы, собирается в ёмкости вместе с водой, выходящей из других топливных элементов, и смешивается в выходном пленуме. Затем она покидает реактор при температуре на 4,5 °C выше, чем на входе. Хотя это может показаться ерундой, но помните, что менее чем за секунду через топливные элементы проходит огромный объем воды. Попробуйте поднять температуру воды в целом бассейне на 4,5 °C за секунду — вам потребуется обогреватель размером с четырёхэтажный дом.
Уровень реакции в активной зоне реактора, от которого зависит его мощность и который измеряется количеством нейтронов в реакторе, в свою очередь, зависит от плотности охладителя/модератора (первичной воды) и длины контрольной тяги за пределами реактора.
Ломкий материал обладает высокой прочностью, но малой упругостью. Это значит, что он вообще не способен изменять свою внутреннюю структуру, не может вытягиваться или деформироваться. Такие свойства обуславливают возможное появление трещин, а там, где появляются трещины, металл может внезапно ослабеть.
Вы теперь знакомы с законами распространения тепловой энергии: в следующий раз, когда вы не сможете открутить металлическую крышку банки, подержите её под струей горячей воды, но оставьте саму банку сухой. Крышка легко открутилась, не правда ли? Вы только что применили закон распространения тепловой энергии: крышка стала больше по размеру под воздействием высокой температуры.
Вы уже знакомы с усталостью материала. Помните, как вы ставите мамину кофейную чашку в морозильную камеру, а потом наливаете в нее горячий кофе? Чашка разлетается на куски, не правда ли? Керамический материал, из которого сделана чашка, пытался расшириться изнутри, но снаружи он был по-прежнему замороженным и нерасширившимся. Внутренние трещины заставили чашку разлететься на куски. Реактор тоже может поступить таким образом, вот почему его разогревают очень медленно. После длительного нахождения в приостановленном состоянии, например, в доках, старт реактора может занять несколько часов при очень малом темпе разогрева.
Вещество, отравляющее продукты распада, это ядра, образующиеся в результате распада атомов урана и поглощающие нейтроны. Ксенон является одним из них. Образование ксенона крайне нежелательно, потому что он создает вакуум вокруг нейтронов, дающих реактору мощность. Иногда разработчики специально вводят эти вещества в активную зону реактора. Они временно поглощают нейтроны, понижая температуру внутри активной зоны реактора. По мере «старения» реактора горючие «яды» разлагаются, допуская большее число реакций. Но это ничего, потому что атомы урана тоже не бесконечны.
Неполадки в топливных элементах являются серьёзной, но не очень сложной в устранении проблемой. В этом случае происходит утечка продуктов распада (атомы, которые легче, чем исходные атомы урана, и обладают высокой степенью радиоактивности) из топливных пластин в охлаждающую жидкость. Охладитель и система трубопроводов становятся более радиоактивными. В результате может потребоваться дорогостоящий ремонт. Каждый день берутся пробы охлаждающей жидкости на уровень радиоактивности и состав продуктов распада, чтобы убедиться в отсутствии неполадок в топливных элементах.
Контрольные тяги
Контрольная тяга — это брусок (в ВМС США контрольные тяги в разрезе имеют крестообразную форму), который вводят в активную зону реактора при определенном уровне радиоактивности. Тяга изготовлена из материала, который представляет собой «чёрную дыру» для нейтронов и который останавливает ядерную реакцию, забирая нейтроны, участвующие в реакциях. В ВМС других стран тяги сделаны из бария. В Америке они изготовлены из лучшего материала — гафния. Оказывается, адмирал Риковер предвидел большой потенциал этого материала и обратил на него внимание рынка.
Контрольные тяги должны быть вынуты из активной зоны реактора сверху (а введены туда снизу или сбоку). Реакторы обычно используют силы тяготения, чтобы помочь тягам «упасть» внутрь активной зоны во время безопасного путешествия или приостановки реактора. Реактор, приостанавливаемый путем введения контрольных тяг снизу при помощи мотора, не может «отказать» и при этом остаться безопасным, потому что тяга просто останется снаружи. Реакторы ВМС США обладают механизмами, которые отказывают и остаются безопасными: для приостановки реактора мотор нарочно теряет мощность и ослабляет электромагниты, которые находятся сверху механизма, держащего тяги. При этом пружины открывают затворы механизма, и тяги — под действием силы тяжести и при помощи пружин — попадают внутрь активной зоны реактора, приостанавливая его.
Эти пружины называются «пружинами приостановки работы реактора», Они обладают очень высокой прочностью и большой длиной (не забудьте, что раньше около реактора находился специальный человек, который приостанавливал реактор, обрубая веревки, на которых держались контрольные тяги).
В школе подготовки моряков-атомщиков, если студент засыпает во время занятий, то инструктор бросает пружину приостановки работы реактора на его парту. Она производит столько шума, что студент одновременно пугается и смущается. После этого он раз и навсегда запоминает, что спать во время занятий нельзя. Это сложнее, чем может показаться на первый взгляд, потому что студенты заступают на вахту длиной 12 часов и они всегда очень усталые.
