Стартовая >> Архив >> Генерация >> Безопасность парогенераторов натрий-вода

Особенности конструкционных решений в парогенераторе натрий-вода - Безопасность парогенераторов натрий-вода

Оглавление
Безопасность парогенераторов натрий-вода
Парогенератор натрий-вода с реактором на быстрых нейтронах
Особенности конструкционных решений в парогенераторе натрий-вода
Конструкции парогенераторов натрий-вода
Кинетика и термодинамика химического взаимодействия натрия с водой
Основные параметры, определяющие характер реакции взаимодействия реагентов в свободных объемах
Течи и их классификация
Основные особенности малых течей воды в натрий
Некоторые особенности промежуточных течей
Малые течи в парогенераторе обратной конструкции
Процессы в парогенераторах при больших течах
Результаты экспериментального изучения эффектов в натриевом контуре при большой течи
Методы расчетной оценки параметров парогенератора при большой течи воды в натрий
Расчет равновесного давления в парогенераторе
Максимальная проектная течь в парогенераторе натрий-вода
Система аварийной защиты и ее связь с конструкцией парогенератора
Требования к системе аварийной защиты
Схемы систем аварийной защиты парогенераторов натрий-вода
Устройства обнаружения течей, концентрометрические устройства
Акустические устройства систем защиты
Алгоритмы формирования сигналов, связанных с истечением воды в натрий
Расчет количества примесей в натрии
Установки для испытания системы защиты
Список литературы

Одним из принципиальных вопросов при разработке конструкции парогенератора натрий—вода является выбор способа разделения теплоносителей, т.е. типа теплообменной поверхности. Активное химическое взаимодействие натрия и воды вызывает естественное стремление к исключению возможности их контакта, т.е. использованию многостенных теплообменных устройств. К настоящему времени реализованы различные конструкционные решения.
Одним из них является использование теплообменных конструкций, в которых каждый из теплоносителей заключается в индивидуальную трубку. Теплообмен между трубками осуществляется через металлическую (например, медную) матрицу, обладающую хорошей теплопроводностью (рис. 1.3, а). Другим вариантом трехстенной конструкции является трехслойная трубка.
конструкции теплообменных поверхностей в парогенераторе натрий-вода
Рис. 1. 3. Типы конструкций теплообменных поверхностей в парогенераторе натрий-вода:
а - теплообменный блок парогенератора DFR: 1 — медная матрица; 2 - стальная трубка; 3 — пар-вода; 4 — сплав натрий-калий; б - многослойная теплообменная трубка EBR-II: 1 - сталь; 2 — никель; в - двухслойная теплообменная трубка; 1 - сталь; 2 - индикаторная канавка

При этом материалом внутренней и наружной стенок трубки могут быть стали, наиболее подходящие для натриевой или пароводяной среды, а промежуточная прослойка выполняется из материала (например, никеля) с хорошей теплопроводностью и с удовлетворительными технологическими свойствами для создания необходимого теплового контакта между слоями (рис. 1.3, б).
Примером двухстенной конструкции может служить двухслойная трубка с плотно пригнанными друг к другу слоями, которые, как правило, выполняются из однородного материала. При этом различают двухстенные конструкции с индикаторными канавками и без них. Индикаторные канавки выполняются на поверхности одного из слоев, располагаются либо вдоль оси трубки, либо по спирали, заполняются инертным газом и используются для контроля разгерметизации конструкции (рис. 13, в).
Промежуточное положение по отношению к приведенным выше конструкциям занимают двухстенные теплопередающие поверхности с зазором между слоями. Этот зазор заполняется инертной по отношению к натрию и воде (но с хорошей теплопроводностью) жидкостью или газом. Давление в зазоре поддерживается средним между давлением воды и натрия; по характеру его изменения (падение или рост) определяют факт разгерметизации одной из трубок и какая из них (внутренняя или внешняя) имеет повреждение.
Преимуществом многостенных конструкций является возможность исключения контакта натрия с водой, что снимает с рассмотрения вопросы, связанные с обеспечением безопасности парогенератора при химическом взаимодействии теплоносителей. В то же время их использование приводит к усложнению и удорожанию теплообменных поверхностей. В связи с этим все же наибольшее распространение (особенно в парогенераторах большой мощности) получили одностенные конструкции, допускающие аварийный контакт натрия и воды, но обеспечивающие при этом безопасность установки с помощью специальных защитных устройств.
Существенным для парогенераторов натрий-вода является выбор гидравлической схемы движения теплоносителей. Здесь неоднозначным является традиционный для других типов парогенераторов факт экономии металла в конструкции за счет движения теплоносителя (воды—пара) с высоким давлением внутри трубок. В нашем случае при движении натрия в трубках и разгерметизации теплообменной поверхности происходит истекание воды внутрь трубки. При этом процесс взаимодействия натрия и воды протекает в условиях малого объема, что приводит к быстрому вытеснению натрия из зоны химической реакции. Не вдаваясь в подробности, связанные с особенностями взаимодействия теплоносителей в указанных условиях (будут рассмотрены ниже), необходимо отметить, что в рассматриваемом процессе существенно снижается интенсивность коррозионно-эрозионных разрушений конструкционного материала при воздействии продуктов реакции. Поэтому совместно с традиционной конструкцией с движением воды в трубках и натрия в межтрубном пространстве для парогенераторов натрий-вода, использующих одностенные поверхности теплообмена, рассматривается концепция так называемого ’’обратного” парогенератора (натрий в трубках). Однако, наряду с отмеченными достоинствами, ’’обратная” конструкция обладает и рядом недостатков. К ним можно отнести увеличенную металлоемкость, трудности поиска течи и последующего ремонта из-за необходимости вскрытия натриевой полости и предварительной ее очистки, возможность щелевой коррозии со стороны воды в месте заделки труб в трубную доску, возможную гидравлическую нестабильность двухфазной смеси в межтрубном пространстве из-за малых весовых скоростей и т.д. Кроме того, в реальных условиях эксплуатации следует учитывать возможность переноса реакции натрий—вода из малого объема (внутри трубки) в натриевый коллектор парогенератора, а, следовательно, и в другие трубки ’’обратного” парогенератора. Вытекающая из изложенного выше противоречивость ’’обратной” концепции парогенератора натрий—вода сдерживает широкое внедрение этой конструкции на АЭС с реакторами на быстрых нейтронах.
Специфические требования предъявляются и к конструкционным материалам. Для парогенераторов рассматриваемого типа важное значение приобретает коррозионно-эрозионная стойкость материалов в продуктах реакции натрия с водой (аварийные режимы). С этой точки зрения наилучшими характеристиками обладают высоконикелевые сплавы (30—40% Ni), несколько уступают им аустенитные хромоникелевые стали типа Х18Н9. Наиболее подвержены коррозионно-эрозионному разрушению в продуктах реакции стали перлитного класса типа 2 1/4 Сr 1 Мо и хромистые стали с содержанием 9—12% Сr.
Вместе с тем следует учитывать, что перлитные стали дешевы, сравнительно технологичны, но обладают низкой стойкостью к общей коррозии и склонны к язвенной коррозии со стороны пароводяного тракта. Хромистые стали, обладая достоинствами перлитных сталей, имеют перед ними преимущество в более высокой коррозионной стойкости, но в ряде случаев могут оказаться структурно нестабильными. Аустенитные стали высокотехнологичны, имеют весьма Высокую стойкость против общей коррозии, однако склонны к коррозионному растрескиванию под напряжением и в определенных условиях к межкристаллитной коррозии.
Высоконикелевые сплавы обладают высокой коррозионной стойкостью, но имеют низкую теплопроводность, технологически сложны и имеют высокую стоимость. Кроме того, некоторые стали имеют определенные ограничения по температурным условиям (например, для стали типа 2,5 Сr 1 Мо гарантируется стабильность механических свойств при температуре не более 520 °C).
Следует также отметить, что практически все из рассмотренных выше сталей обладают достаточной коррозионной стойкостью в чистом натрии и все коррозионные проблемы имеют место со стороны пароводяного тракта.

Таким образом, видно, что выбор материала для теплообменных поверхностей парогенератора натрий—вода представляет собой довольно сложную проблему. С учетом различных свойств сталей и противоречивых требований к ним немаловажную, а иногда и решающую роль -при подборе материалов имеют конструкционные особенности парогенератора — такие, как единичная тепловая мощность, геометрические характеристики трубного пучка, ремонтопригодность и т.д. К настоящему времени в практике создания парогенераторов цатрий—вода имеются примеры реализации всех рассмотренных выше типов сталей.
Если говорить о конструкционных особенностях парогенератора натрий—вода, то необходимо отметить по крайней мере два специфических момента. Первый вызван минимальным расстоянием между теплообменными трубками в трубном пучке. При возникновении микродефектов происходит истечение малых доз воды в натрий с образованием факела химической реакции взаимодействия реагентов. Интенсивность коррозионно-эрозионного разрушения материала соседней трубки образующимися в факеле продуктами реакции существенным образом зависит от расстояния между трубками (подробное обсуждение этого вопроса приведено в гл. 3). При выборе межтрубного расстояния конструктору приходится, с одной стороны, руководствоваться ограничениями по габаритным размерам теплообменного пучка парогенератора, а с другой стороны, учитывать последствия аварийного контакта теплоносителей при малых течах воды в натрий. Практика показывает, что для конструкций, состоящих из отдельных модулей небольшой тепловой мощности и в которых вопросы ремонта могут быть решены простой заменой одного модуля другим, оптимальное расстояние между теплообменными трубками находится в пределах 12—15 мм. Для парогенераторов большой единичной мощности, в которых проблема сохранения теплообменной поверхности в аварийных режимах течи воды в натрий становится весьма актуальной в связи с трудностями ремонта и возможной значительной недовыработкой электроэнергии на станции из-за простоя оборудования, наряду с применением коррозионно- стойких сталей (например, инкаллой 800) стараются увеличивать расстояние между трубками до 30—40 мм.
Вторая конструкционная особенность следует из стремления обеспечить целостность корпуса парогенератора и циркуляционного натриевого контура в режимах больших течей воды в натрий (значительные разрушения теплообменных трубок). Как показали экспериментальные исследования (см. гл. 4), действенным средством снижения интенсивности гидродинамических эффектов при контакте больших количеств натрия и воды является использование компенсационных газовых объемов. Для конструкций большой единичной тепловой мощности демпфирующий газовый объем, как правило, расположен непосредственно в корпусе парогенератора. В конструкциях, состоящих из нескольких корпусов, технологически трудно поддерживать и контролировать уровень натрия в каждом из них. В связи с этим дня парогенераторов указанного типа организуют единый уровень теплоносителя в отдельном баке (буферной емкости).
Следует отметить, что для парогенератора натрий—вода с учетом особенностей аварийных процессов весьма актуален вопрос о гидравлическом сопротивлении натриевого тракта.
Аварийное давление в натриевой полости в районе большой течи воды в натрий зависит не только от размера течи, но и от гидравлической ’’податливости” натриевого контура. Опыт проектирования показывает, что с учетом отмеченных обстоятельств гидравлическое сопротивление натриевого тракта в пределах участка вход теплоносителя в парогенератор — демпфирующая газовая полость не должно превышать 0,3 МПа.
Стремление обеспечить максимальную работоспособность конструкции с учетом возможных аварийных процессов при контакте теплоносителей обусловило специфические особенности в схемах парогенераторов натрий-вода.
В настоящее время рассматриваются два типа схем - интегральная и секционная. Однако прежде чем касаться особенностей этих схем, необходимо договориться о некоторых понятиях, конструкционно и функционально характеризующих парогенератор.
В зависимости от выполняемой функции в парогенераторе натрий- вода (как и в парогенераторах других типов) можно выделить отдельные элементы: экономайзер, испаритель, пароперегреватель, промежуточный перегреватель (промперегреватель).
С точки зрения конструкционного оформления характерным элементом является модуль.
Модуль — это отдельный, технологически завершенный в заводских условиях элемент конструкции, обладающий признаками теплообменного аппарата (наличием корпуса, теплообменных поверхностей, входных и выходных камер теплоносителя и т.д.). Модуль может включать в себя только один функциональный элемент (например, экономайзер) или объединять в себе несколько различных функциональных элементов. В условиях, характерных для парогенераторов натрий-вода, модули можно классифицировать по тепловой мощности следующим образом: до 1 Мвт — микромодули, 1 — 10 МВт — модули малой мощности, 10—100 МВт — модули средней мощности, более 100 МВт — модули большой мощности.
Секция — это элемент схемы, включающий в себя один или несколько модулей и обладающий функциональными элементами, необходимыми для выработки пара кондиционных параметров.
Используя приведенные выше понятия, сформулируем определения интегральной и секционной схем.


Рис. 1.4. Виды интегральной схемы парогенераторов натрий-вода (а) и секционная схема (б):
1 — экономайзер; 2 — испаритель; 3 - пароперегреватель; 4 - отсекающая арматура

Интегральная схема парогенератора — это схема, включающая в себя в качестве элементов один или несколько модулей, причем отключение хотя бы одного модуля в этой схеме невозможно как по технологическим причинам (отсутствие отсекающей арматуры), так и пэ причине нарушения условия выработки пара кондиционных параметров. Возможные варианты интегральной схемы представлены на pиc. 1.4, а. Интегральная схема всегда односекционна.
Секционная схема парогенератора — это схема, состоящая из нескольких параллельно включенных секций, отключение каждой из которых возможно как технологически (наличие арматуры), так и из-за возможности обеспечения выработки пара кондиционных параметров на оставшихся в работе элементах (рис. 1.4, б) . К преимуществам интегральной схемы можно отнести компактность (при ограниченном числе модулей), меньшие затраты металла и удельную стоимость, минимальное  число приборов и арматуры.
Недостатки секционной схемы — усложнение технологии изготовления и экспериментальной отработки (при больших размерах модулей), сложность поиска дефектных элементов в условиях эксплуатации, необходимость отключения всего парогенератора при возникновении дефекта хотя бы в одном из модулей.
Преимущества секционной схемы вытекают из недостатков интегральной. Однако следует особо подчеркнуть тот факт, что в парогенераторе, выполненном по секционной схеме (секционный парогенератор) и состоящем, как правило, из модулей малой или средней мощности, аварийные эффекты (а следовательно, и повреждения) локализуются в пределах одного модуля. Тем самым значительно упрощаются ремонтные работы. Кроме того, возможность отключения аварийной секции ”на ходу” или с кратковременной остановкой парогенератора значительно увеличивает работоспособность конструкции парогенератора и АЭС в целом в условиях возможных течей воды в натрий.
Выше были отмечены особенности, которые необходимо учитывать при выборе конструкционных решений парогенератора натрий—вода и которые связаны со спецификой применяемых теплоносителей.
Безусловно, для этой конструкции остаются в силе требования, предъявляемые к любому теплообменному аппарату (геплогидравлическая эффективность, прочность и долговечность в нормальных, переходных и аварийных режимах, ремонтопригодность и т.д.).



 
« АЭС с ВВЭР   Бетон в защите ядерных установок »
электрические сети