Теплогидравлические системы петлевых установок
Как уже отмечалось, чтобы создать петлевые установки для испытаний ЭГС в нашей стране использовались водографитовый реактор АМ и водоводяные реакторы типа ВВР и ИВВ-2М (см. табл. 4.1). Во всех этих реакторах теплоносителем является вода, причем в реакторе АМ используется вода при высоких давлении (примерно 15 МПа) и температуре (до 320 °C), в остальных реакторах — при низких параметрах (примерно при давлении 0,3 МПа и температуре 30—40°C). Поэтому у создателей петлевых установок естественным было стремление использовать водяной теплоноситель реактора в качестве хладагента ПК 121]. Значительный перепад температуры между водой реактора и наружным корпусом ЭГС легко создается и регулируется небольшим газовым зазором между чехлом и системой теплосброса ПК.
По функциональному назначению системы (или контуры) охлаждения можно разделить на две части: контур охлаждения ПК; контур охлаждения вспомогательного оборудования петлевой установки.
Контур охлаждения петлевого канала. При обеспечении безопасности петлевого эксперимента и реактора в целом наибольшей ответственности требует изготовление контура охлаждения ПК, с наружной поверхности которого должно быть отведено непреобразованное тепло термодинамического цикла ЭГС и тепло, выделяющееся в конструкционных материалах ПК при захвате γ-квантов и нейтронов, причем тепловая мощность радиационного тепловыделения в конструкции ПК может быть больше тепловой мощности ЭГС. Следует отметить, что применительно к реактору АМ в контур охлаждения ЭГС перетекает значительная часть тепла от графитовой кладки реактора, имеющей высокую температуру (в режиме петлевых испытаний 250-300 °C). Снижение расхода или прекращение циркуляции воды может привести к резкому перегреву конструкции ПК, превращению в пар остатков воды в теплообменной части ПК.
На реакторе АМ Первой АЭС использование воды первого контура внесло бы определенные трудности в конструкцию ПК из-за высокого давления и зависимости тепловыделения в ЭГС от температуры теплоносителя. Наиболее целесообразным решением оказалось создание самостоятельного водяного контура охлаждения ПК на базе наиболее надежной системы — системы охлаждения регулирующих органов (СУЗ) реактора. В качестве теплоносителя здесь используется дистиллированная вода при температуре 10—70 °C, давлении примерно 6 атм (4 · 105 Па) с расходом на один ПК 1,0—1,2 м3/ч При таких параметрах системы охлаждения температура наружной стенки ПК примерно на 20 °C выше температуры воды, т. е. не превышает 90 °C. Контур запитывается от коллектора системы СУЗ и сбрасывает нагретую воду в сборный коллектор. Теплообменная аппаратура системы СУЗ включает в себя циркуляционные центробежные насосы бессальникового типа, расширительный бак, систему подпитки и холодильник. На трубопроводах контура установлена соответствующая запорно-регулировочная аппаратура и контрольно-измерительные приборы (ротационные расходомеры (грубые, класса 5, и точные со специальной тарировкой класса 1), дифференциальные термопары и малоинерционные термометры сопротивления для измерения подогрева воды, манометры для измерения давления в контуре, датчики активности теплоносителя (счетчики ионизации СИ-13Г). Тепло от контура охлаждения ПК сбрасывается в контур технической воды, температура которой равна 10—40 °C. Предусмотрено срабатывание предупредительной сигнализации при повышении температуры охлаждающей воды до 95—100 °C и при неисправностях в работе насосов, влекущих за собой снижения давления и расхода воды в контуре охлаждения.
Индивидуальный контур и возможности замеров расхода и подогрева воды обеспечили возможность измерения тепловой мощности простым теплотехническим способом. Имитация условий теплосъема проектируемых ТРП может быть осуществлена созданием застойных зон жидкометаллических (NaK или Li) теплоносителей вокруг корпуса ЭГС.
На петлевых установках реакторов ВВР (ВВР-М и ВВР-К) ПК охлаждается общим потоком воды активной зоны, которая протекает сверху вниз. Это наиболее простой способ охлаждения. В этом случае не представляется возможным измерить расход теплоносителя, а следовательно, нельзя провести измерения тепловой мощности стандартным теплотехническим способом. При испытаниях энергонапряженных ЭГС с высокими тепловыми потоками при такой системе охлаждения без принятия специальных мер в конструкции ПК или вытеснителя возможно появление кризисов теплообмена с перегревом корпуса ПК из-за малого избыточного давления (5—6 м вод. ст.) и как следствие — из-за недостаточного расхода воды.
Контур охлаждения вспомогательного оборудования. В отличие от контура охлаждения ПК контур охлаждения вспомогательного оборудования менее температурно напряжен, но часто с большим расходом теплоносителя, так как он может обслуживать большое число вспомогательного оборудования, часть из которого, например, высоковакуумные насосы откачки МЭЗ ЭГС, следует отнести к особо ответственным элементам системы. Основным оборудованием контура охлаждения вспомогательного оборудования являются диффузионные и форвакуумные насосы. Эта система охлаждения состоит из двух частей, работающих в независимых или смешанных режимах, и включает в себя циркуляционные насосы, расширительный бак, холодильник и запорную арматуру и приборы. Отметим, что на реакторе АМ при необходимости в контур может быть включена холодильная машина, содержащая компрессор, конденсатор, фильтр-осушитель хладагента, реле и датчики.
Газовакумные системы петлевых установок
Рассмотрим газовакуумные системы таких действующих петлевых установок как реактор АМ, где выполнены испытания ЭГС по программе «Топаз» [21, 43] и проводятся испытания энергонапряженных ЭГС, в том числе по литий-ниобиевой технологии [30, 37, 180], и реактор ИВВ-2М, где проведены испытания ЭГС по программе «Топаз-2» [101, 149] и проводятся петлевые испытания перспективных ЭГС по различным программам [38].
На рис. 4.9 представлена схема технологической газовакуумной системы петлевой установки на реакторе АМ. Центральной частью системы является высоковакуумный контур, задача которого — обеспечение глубокого и чистого безмасляного вакуума в МЭЗ ЭГС. Для обеспечения безмасляного вакуума используются турбомолекулярные насосы типа ТМН, обладающие достаточно высокой скоростью откачки инертных газов (Хе, Кг) и способные работать при высоких исходных давлениях (около 1 мм рт.ст.). На начальной стадии эксплуатации петлевых установок использовались и масляные насосы с улавливателями масла. Основные требования к вакууму на входе в ПК: вакуум не менее 10-6 мм рт.ст. и быстрота действия насоса не менее 0,2 м3/с. На диффузионной стороне схемы использовались форвакуумные насосы герметичного исполнения. В зависимости от уровня активности откачиваемые газы направляются либо в вентиляционную систему реактора, либо в ресивер выдержки достаточно большого объема (около 2 м3), который предварительно вакуумируется до остаточного давления примерно 10-1 мм рт. ст. Предварительное вакуумирование ресиверов позволяет держать под разрежением все участки вакуумного тракта и тем самым исключить случайное попадание радиоактивных газов в помещения. Сброс газа проводится через специальные системы фильтров с периодичностью 1—2 раза в год. Система допускает периодически (для ремонта или длительной остановки контура) консервацию контура (в том числе совместно с ПК) путем заполнения тяжелым газом (аргоном). Отметим, что такая консервация ПК возможна лишь на нулевой мощности реактора, так как у аргона высокое сечение захвата нейтронов и высокая наведенная активность. При работающем реакторе возможно заполнение системы и, следовательно, рабочей полости ЭГС гелием, активационная составляющая активности которого по сравнению с аргоном пренебрежимо мала и использованный газ можно сбрасывать непосредственно в спецвентиляцию.
Система содержит также другие вакуумные и газовые системы, а именно:
- охранный контур для создания блокирующего вакуумного объема (страховочной полости) вокруг вакуумно-плотных деталей (например, герметичных вводов). Требуемый вакуум составляет около 10-4 мм рт.ст. при быстроте действия откачки примерно 0,1 м3/с;
- газовый контур для обеспечения заданного температурного режима коллекторов ЭГС за счет создания перепада температуры между корпусом ЭГС и охлаждающей водой путем изменения давления газа (гелия) или состава смеси гелий—азот. Заполнение газовой системы проводится из баллонов при диапазоне рабочих давлений от 760 до 10-3 мм рт. ст. На коллекторах подачи газа установлены предохранительные клапаны, предотвращающие повышение давления газа свыше 3х105 Па. На линиях подачи газа последовательно с электромагнитными клапанами устанавливаются ручные прецизионные натекатели при необходимости обеспечения тонкой регулировки температур;
- контур газовой защиты конструкционных материалов ПК, изготовленных, например, из ниобиевых сплавов. Этот контур представляет собой тупиковую высоковакуумную систему, заполненную гелием (при избыточном давлении 80—250 мм рт. ст ), прошедшем предварительную очистку и сушку в специальной газовой станции, спроектированной как дополнение к петлевой установке реактора АМ;
- пневматический контур для приведения в действие пневматических приводов, расположенных в ПК, а именно: для первого вскрытия ампулы с цезием и для управления цезиевым клапаном (при его наличии) для оперативного дистанционного открытия—закрытия клапана. В качестве рабочего газа используется азот, давление в системе может быть поднято плавно или скачком примерно до 16 атм. Система содержит предохранительный клапан, средства контроля и сигнализации.
В технологической системе предусмотрена возможность заполнения полостей контуров, ЭГС и ПК инертным газом для проведения проверок на герметичность или для· консервации при длительных остановках. Узлы и системы вакуумирования МЭЗ монтируются в необслуживаемых помещениях, а вакуумные задвижки и клапаны оборудуются электроприводами и управляются дистанционно. Основные выходные характеристики газовакуумной системы петлевой установки реактора АМ приведены в табл. 4.3.
Оперативное измерение вакуума проводится термопарными (типа ПМТ-4М, ПМТ-6-3) и ионизационными датчиками (типа ПММ-32 и ПМН-10-2). На рис. 4.9 указаны места установки этих датчиков.
Газовакуумный стенд петлевой установки реактора ИВВ-2М состоит из:
высоковакуумного блока, предназначенного для вакуумирования полостей МЭЗ и топливно-эмиттерных узлов;
газовакуумного блока для вакуумирования газовых полостей канала и напуска в них очищенного гелия;
низковакуумной части, обеспечивающей предварительное вакуумирование стенда, разбавление, отстаивание, выброс активных продуктов деления.
Рис 4.9. Схема технологической газовакуумной системы петлевой установки реактора АМ:
1 — петлевой канал с ЭГС; 2 — газовые баллоны; 3 — азотный ресивер; 4 — смеситель газов; 5 — форвакумные насосы; 6 — фильтр активности, 7 — вентиляционная система; 8 — ресиверы осколков деления, 9 — диффузионные насосы; 10 — сорбционный насос; 11 — воронки сбора технической воды; 12 — технологические вентили; 13 — пробоотборники ГПД; 14 — емкость, охлаждаемая жидким азотом
Наличие двух высоковакуумных трасс с приблизительно одинаковыми характеристиками позволяет проводить испытания ЭГС как с объединенными, так и с разделенными полостями МЭЗ — топливно-эмиттерные узлы. Стенд обеспечивает безмасляный вакуум во всех вакуумируемых полостях и позволяет получить следующие предельные давления в трассах: МЭЗ и ТЭУ — 1,3 · 10“5 Па, газовые зазоры — 1,3 · 10-4 Па, чехол канала — 6,6х10-4 Па. Давление, равное 1,3 · 10“5 Па в линиях откачки МЭЗ и ТЭУ, обеспечивается за счет применения в качестве откачных средств магниторазрядных насосов НОРД-100, а также вследствие того, что эти линии собраны на металлических уплотнениях. Трассы откачки зазоров и чехла собраны на резиновых уплотнениях, поэтому предельный вакуум, получаемый в этих линиях, хуже. Форвакуумная часть стенда собрана на базе двух насосов НВР-5д и служит для предварительного вакуумирования систем в начале испытаний и для вакуумирования несущей трубки во время термовакуумной подготовки ЭГС. Наличие в форвакуумной части трех емкостей и цеолитовых насосов объясняется необходимостью удалять продукты деления. Следует, однако, отметить из опыта эксплуатации стенда, что магниторазрядные насосы успешно справляются с откачкой продуктов деления, локализуя их в своем объеме.
Для изучения газовыделения из ТЭУ, МЭЗ и газовых полостей в высоковакуумной части стенда организован измерительный участок, предназначенный для анализа состава и количества откачиваемых газов. Участок укомплектован масс-спектрометром типа МХ-7301 и двумя ионизационными датчиками типа ЛМ-3-2. Для количественного определения потока газов проводится предварительная калибровка стенда потоками газов.
Газовакуумный блок откачки газовых полостей ПК и напуска в них очищенного гелия обеспечивает необходимый температурный режим несущей трубки и, соответственно, коллекторов ЭГС, путем плавного изменения давления в регулировочном зазоре системы теплосброса петлевого канала. Контроль за давлением гелия осуществляется с помощью дистанционного (МС-4) и оптического (ОМ-6) микроманометров.
Газовая станция петлевого стенда состоит из двух частей: блока очистки гелия и системы подачи газа высокого давления на управление пневмоклапаном и вскрытие ампулы с предварительно очищенным цезием.
Система очистки гелия предназначена для обеспечения необходимой чистоты газа перед заполнением тупиковых объемов ПК и для периодической очистки гелия в проточных объемах ПК Система очистки должна удалять из гелия газообразные примеси кислорода, водорода, воды, оксида и диоксида углерода, метана, азота, а также ГПД. На реакторе ИВВ-2М блок очистки гелия имеет свою систему вакуумирования, состоящую из паромасляного насоса Н-05 с азотной ловушкой и механического насоса ВН-1МГ.
Рис. 4.10. Схема системы очистки гелия петлевой установки:
1 — медно-окислительный блок; 2 — холодильник; 3 — цеолитовый фильтр; 4 — низкотемпературный угольный фильтр; 5 — циркуляционный насос; 6 — ресивер
Очистка гелия заключается в пропускании его через цеолитовый насос и титановый геттер при определенных температурных режимах. Отметим, что современная система очистки гелия реализована на реакторе ВВР-3. Предусмотрена работа системы с двумя циркуляционными контурами: внутренним, состоящим из системы очистки и ресивера, и внешним, состоящим из системы очистки и проточных объемов ПК. Принципиальная схема системы очистки гелия представлена на рис 4.10. В состав системы очистки входят:
медно-окислительный блок, представляющий собой емкость,
заполненную гранулами оксида меди, предназначен для окисления водорода и оксида углерода и связывания кислорода;
холодильник для охлаждения (проточной водой) гелия после медно-окислительного блока;
цеолитовый фильтр, предназначенный для задержки воды и углекислого газа;
низкотемпературный угольный фильтр, предназначенный для задержки продуктов деления и уменьшения их активности на выходе вследствие распада (при работе системы очистки в режиме циркуляции через проточные полости ПК);
циркуляционный насос, обеспечивающий циркуляцию гелия.
Контур охлаждения предназначен для отвода тепла от чехла ЭГС через регулируемый гелиевый зазор, а также для охлаждения элементов петлевого канала, например, отделителя пара цезия и термостата, и включает в себя центробежный насос, подпиточный бак и холодильник.
Рис. 4 11. Схема системы анализа ГПД петлевой установки:
1 — фильтр из активированного угля; 2 — аналитический фильтр для задержки мелкодисперсных аэрозолей; 3 — пробоотборник; 4 — емкость выдержки; 5 — емкость масс-спектрометра; 6 — накопительная емкость
Весь стенд собирается, как правило, на дистанционно управляющей арматуре и располагается под свинцовой защитой, допускающей наличие активных продуктов в любой трассе стенда. Высокая надежность петлевой установки обеспечивается дублированием трасс, надежной защитой вакуумных полостей от попадания атмосферного воздуха, использованием в стенде только металлических датчиков. Кроме того, в процессе ресурсных испытаний стенд работает на магниторазрядных насосах, а насосы ТМН-200 включаются только в режиме термовакуумной подготовки петлевых каналов.
Современные требования к петлевым установкам предполагают создание и специальной системы для анализа ГПД. Такая система должна обеспечивать отбор проб газа из полостей твэлов ЭГС для последующего измерения и анализа утечки ГПД из топливного сердечника. Такие системы созданы на петлевых установках реакторов АМ и ВВР-3. ГПД, выходящие из топливного сердечника, через систему фильтров доставляются к детектору излучения, с помощью которого осуществляется измерение активности и анализ ГПД. Принципиальная схема одной из возможных систем анализа ГПД представлена на рис. 4.11.
ГПД поступают из полостей ПК в одну из линий анализа. Проходя через угольный фильтр, предназначенный для задержки продуктов деления и аэрозолей, и аналитический фильтр, задерживающий мелкодисперсные аэрозоли, в которых происходит распад короткоживущих продуктов деления и аэрозолей, газ поступает в предварительно отвакуумированные пробоотборники. При помощи гамма-спектрометрической аппаратуры осуществляется измерение радиоактивности и анализ ГПД. Для анализа короткоживущих продуктов деления газ поступает в пробоотборники по обводным линиям, минуя угольный и аналитический фильтры. При проведении масс-спектрометрического анализа газ из полостей ПК поступает в емкость 5, к которой подсоединен масс-спектрометр, например, типа МХ-7304.
