Реактор CANDU

CANDU (аббревиатура от CANada Deuterium Uranium) — это тип ядерного энергетического реактора, использующего в качестве замедлителя тяжёлую воду (оксид дейтерия D₂O) и природный (необогащённый) уран в качестве топлива. Разработан в Канаде в 1950–1960-х годах и является одним из наиболее распространённых в мире тяжеловодных реакторов, эксплуатируемых в коммерческих целях. Отличительными особенностями CANDU являются использование горизонтальных каналов для топливных сборок, непрерывная перегрузка топлива без остановки реактора и высокий коэффициент воспроизводства ядерного топлива.

История создания

Разработка реакторов CANDU началась в 1950-х годах в рамках канадской программы по созданию атомной энергетики, ориентированной на использование природного урана. В то время Канада не располагала мощностями для обогащения урана, что стимулировало поиск альтернатив лёгководным реакторам, требующим обогащённого топлива. Ключевую роль в проекте сыграла компания Atomic Energy of Canada Limited (AECL) в сотрудничестве с Ontario Hydro (ныне Ontario Power Generation) и частными подрядчиками.

Первый экспериментальный реактор — NRX (National Research Experimental) — был запущен в 1947 году, а затем на его основе создан NRU (National Research Universal) в 1957 году. Эти установки послужили прототипами для коммерческих CANDU. Первый промышленный энергоблок — CANDU-1 (также известный как Douglas Point) — был введён в эксплуатацию в 1968 году в провинции Онтарио, Канада. Он имел электрическую мощность около 200 МВт.

В 1970–1980-х годах технология CANDU получила значительное развитие. Были построены более мощные реакторы серий CANDU-6 (электрическая мощность 600–700 МВт) и CANDU-9 (до 900 МВт). Крупнейшим оператором CANDU является провинция Онтарио, где расположена АЭС Брюс (Bruce Nuclear Generating Station) — одна из крупнейших атомных станций в мире по установленной мощности (более 6 ГВт), использующая реакторы CANDU.

В 1990-е годы AECL предприняла попытки экспортировать технологию, что привело к строительству реакторов CANDU-6 в Румынии (АЭС Чернаводэ), Китае (АЭС Циньшань) и Аргентине (АЭС Эмбальсе). Однако в 2000-х годах коммерческий интерес к CANDU снизился из-за конкуренции с более дешёвыми лёгководными реакторами и проблем с утилизацией отработанного топлива. В 2011 году AECL была реструктурирована, а права на технологию CANDU переданы компании Candu Energy Inc. (дочернее предприятие SNC-Lavalin, ныне AtkinsRéalis).

Устройство и принцип работы

Конструкция активной зоны

В отличие от большинства легководных реакторов (PWR, BWR), где активная зона представляет собой единый корпус высокого давления, CANDU использует конструкцию с горизонтальными каналами. Активная зона состоит из множества (обычно 380–480) трубчатых каналов, проходящих через цилиндрический бак — каландрию (calandria). Каландрия заполнена тяжёлой водой, выполняющей роль замедлителя. Через каждый канал проходят топливные сборки, а также циркулирует теплоноситель — также тяжёлая вода, но под высоким давлением.

Тяжёлая вода как замедлитель

Тяжёлая вода (D₂O) обладает низким сечением захвата нейтронов по сравнению с обычной водой (H₂O). Это позволяет использовать в качестве топлива природный уран (содержание изотопа U-235 около 0,7%), без необходимости обогащения. Замедление нейтронов в тяжёлой воде происходит эффективно, что обеспечивает устойчивую цепную реакцию даже при низком обогащении топлива. Однако производство тяжёлой воды требует значительных энергетических затрат и специализированных заводов, что повышает стоимость строительства реактора.

Топливные сборки

Топливо CANDU представляет собой цилиндрические таблетки из диоксида урана (UO₂), помещённые в герметичные оболочки из циркониевого сплава. Сборки (пучки) состоят из 37 или 43 стержней, расположенных концентрически. Длина одной сборки — около 0,5 метра, масса — примерно 20 кг. В отличие от легководных реакторов, где топливо загружается на несколько лет, в CANDU перегрузка топлива производится непрерывно — без остановки реактора, с помощью специальных машин, которые заменяют отработавшие сборки на свежие.

Теплоотвод

Теплоноситель, циркулирующий через каналы, нагревается до температуры около 300 °C при давлении около 10 МПа. Затем он поступает в парогенераторы, где передаёт тепло воде второго контура, превращая её в пар. Пар вращает турбину, соединённую с электрогенератором. После конденсации пар возвращается в парогенератор. Таким образом, CANDU представляет собой двухконтурную схему, аналогичную реакторам PWR, но с использованием тяжёлой воды в первом контуре.

Классификация и модификации

CANDU-6

Наиболее распространённая коммерческая версия. Электрическая мощность — 600–700 МВт. Использует 380 каналов, 12 парогенераторов. Строились в Канаде, Румынии, Китае, Аргентине. Срок службы — 30–40 лет.

CANDU-9

Увеличенная версия мощностью до 900 МВт. Разработана в 1990-х годах, но не получила широкого распространения. Отличается увеличенным числом каналов (до 480) и более мощными парогенераторами.

CANDU-3

Проект реактора средней мощности (около 200 МВт), предназначенный для малых энергосистем. Не был реализован в полном масштабе.

ACR-1000

Усовершенствованная версия (Advanced CANDU Reactor), разработанная в 2000-х годах. Предполагала использование лёгкой воды в качестве теплоносителя и слегка обогащённого урана (до 2–3%), что снижало стоимость тяжёлой воды. Проект не был коммерциализирован.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Использование природного урана: не требует обогащения, что снижает зависимость от обогатительных мощностей.
• Непрерывная перегрузка топлива: позволяет работать без остановок на перезагрузку, повышая коэффициент использования установленной мощности (КИУМ).
• Высокий коэффициент воспроизводства: в активной зоне происходит наработка плутония-239, что позволяет использовать уран-238 более эффективно.
• Гибкость по топливу: CANDU может работать на смешанном оксидном топливе (MOX), включая плутоний, а также на ториевом цикле.
• Модульная конструкция: каналы можно заменять по отдельности, что упрощает ремонт и модернизацию.

Недостатки

• Высокая стоимость тяжёлой воды: производство D₂O требует больших энергозатрат и сложных химических процессов.
• Утечки трития: в процессе работы в тяжёлой воде образуется тритий (радиоактивный изотоп водорода), что требует герметизации и систем очистки.
• Сложность эксплуатации: непрерывная перегрузка топлива требует сложных автоматизированных машин и квалифицированного персонала.
• Проблемы с утилизацией отработанного топлива: как и в других реакторах, образуются радиоактивные отходы, требующие длительного хранения.
• Пожароопасность: в 1990-х годах на АЭС Брюс произошёл пожар, связанный с утечкой тяжёлой воды, что привело к остановке реактора.

Применение в мире

По состоянию на 2024 год, в мире эксплуатируется около 30 реакторов CANDU, большинство из которых находится в Канаде (провинция Онтарио). Крупнейшие станции:

• АЭС Брюс (Канада) — 8 реакторов CANDU (6 действующих, 2 остановлены на модернизацию).
• АЭС Дарлингтон (Канада) — 4 реактора CANDU-6.
• АЭС Пикеринг (Канада) — 6 реакторов CANDU (4 действующих).
• АЭС Чернаводэ (Румыния) — 2 реактора CANDU-6.
• АЭС Циньшань (Китай) — 2 реактора CANDU-6.
• АЭС Эмбальсе (Аргентина) — 1 реактор CANDU-6.

Кроме того, реакторы CANDU использовались в исследовательских целях в Индии, Пакистане, Южной Корее и других странах. В России технология CANDU не применяется; отечественная атомная энергетика ориентирована на легководные реакторы ВВЭР и быстрые реакторы натриевого типа.

Интересные факты

• Название «CANDU» было придумано в 1950-х годах канадским инженером Уильямом Льюисом.
• В 1970-х годах Канада поставляла тяжёлую воду для индийского исследовательского реактора CIRUS, который в 1974 году был использован для испытания ядерного устройства. Это привело к международным ограничениям на экспорт ядерных технологий.
• Реакторы CANDU могут работать на ториевом топливе, что рассматривается как перспектива для стран с большими запасами тория (например, Индия).
• В 2016 году на АЭС Дарлингтон началась программа модернизации, направленная на продление срока службы реакторов до 60 лет.

Источники

• Atomic Energy of Canada Limited. «CANDU Reactors: Design and Operation». — AECL Reports, 1980–2000.
• International Atomic Energy Agency. «Heavy Water Reactors: Status and Prospects». — IAEA Nuclear Energy Series, 2015.
• Ontario Power Generation. «Bruce Power: Technical Overview». — OPG Publications, 2020.
• Whitlock, J. «The CANDU Reactor: A Canadian Success Story». — Canadian Nuclear Society, 2012.
• Российское атомное сообщество. «Реакторы CANDU: особенности и сравнение с ВВЭР». — Атомная энергия, 2021.