В РБН с жидкометаллическим охлаждением ПГ — один из важнейших и ответственнейших элементов оборудования. Его создание требует развития специальной технологии и решения проблем безопасности собственно парогенератора и АЭС в целом. Наиболее важные требования к ПΓ:
надежность и безопасность;
низкая стоимость изготовления; низкая стоимость эксплуатации;
достаточно легкая транспортировка.
Вероятность повреждений и простоев парогенератора с натриевым охлаждением должна быть минимальной и, если авария с взаимодействием натрий — вода произойдет, локализирующие системы должны гарантировать отсутствие вредного воздействия на людей и окружающее оборудование.
Низкая стоимость изготовления может быть достигнута простотой и технологичностью конструкции, максимальным использованием стандартных решений.
Транспортировка составляет значительную часть стоимости парогенератора, и в случае затруднений с транспортировкой необходима сборка на месте, что приводит к увеличению стоимости за счет создания специального оборудования.
При разработке оборудования АЭС, в том числе натриевых парогенераторов, требования, которым они должны удовлетворять, можно условно разделить на проектные, технологические и эксплуатационные.
Проектные требования
Анализ различных вариантов парогенератора для РБН, охлаждаемых жидким металлом (действующих и проектируемых), показывает большое разнообразие типов этих агрегатов: с естественной и многократной принудительной циркуляцией, прямоточные, а также с различными конфигурациями теплообменных труб (с прямыми, U-, L-образными, змеевиковыми, трубками Фильда), выполненных из различных материалов.
Это разнообразие возникает из-за различия в подходах, которые проектировщики задают для эксплуатационных параметров в соотношении с собственной практикой проектирования и опытом эксплуатации АЭС и электростанций на ископаемом топливе. В целом режим работы парогенератора, обогреваемого жидким металлом, незначительно отличается от режима работы парогенератора для обычной ТЭС. Однако серьезные проблемы, связанные с утечками воды, взаимодействующей с натрием, заставляют особенно тщательно относиться к проектированию парогенератора для РБН.
Утечки в парогенераторе могут привести к простоям оборудования, которые бывают более продолжительными и более дорогостоящими, чем в современных реакторах на тепловых нейтронах. Поэтому нормы по герметичности, которые устанавливаются для натриевых парогенераторов, должны быть более жесткими. Накопленный мировой опыт по реакциям натрий — вода показывает, что предупреждение реакции значительно предпочтительнее разработки любых методов ее ослаблений.
Требование по надежности и тем самым длительной работоспособности конструкции парогенератора в первую очередь относится к теплообменной поверхности, т. е. к поверхности раздела натрий — пароводяная смесь. Для прямоточных парогенераторов требуются сравнительно длинные трубки, в то же время число сварных или других соединений, которые могут пропустить воду или пар в натрий, должно быть минимальным. Отсюда вытекает требование, чтобы конфигурация трубок и сварных швов позволяла подвергнуть все трубки и швы после сборки трубного пучка полному контролю неразрушающими методами.
Коррозионные процессы, которые могут привести к возникновению течи, должны сводиться до предельно малой интенсивности конструктивными мерами и выбором материала. Для уменьшения коррозии в периоды ревизии и остановки необходимо обеспечить полное дренирование и осушку трубного пучка.
Одним из важных факторов обеспечения долговечности парогенератора является обеспечение благоприятного температурного режима теплообменной поверхности. Преждевременное разрушение трубок может быть вызвано коррозией, термоциклированием стенки трубы при возникновении кризиса теплообмена и другими причинами.
Экономичность конструкции парогенератора зависит, например, от способа включения парогенераторов в тепловую схему блока. Способ включения в первую очередь зависит от достигнутого уровня техники создания натриевого парогенератора. Секционированные парогенераторы, которые состоят из большого количества парогенерирующих агрегатов сравнительно малой мощности, позволяют производить независимое отключение любой секции парогенератора при обнаружении течи в отдельном модуле и тем самым сохранить в эксплуатации большую долю мощности установки, а также проводить замену дефектных модулей на работающем блоке практически без снижения его мощности.
Эксплуатация первых промышленных РБН подтвердила оправданность и экономическую целесообразность такого подхода. Однако при большом числе параллельно работающих секций парогенератора усложняется тепловая схема блока, возрастают металлоемкость и стоимость, объем соответствующих помещений станции. Использование крупных парогенераторов большой единичной мощности обеспечивает максимальную простоту тепловой схемы блока, минимум коммуникаций, арматуры и приборов контроля, уменьшение капитальной стоимости строительной части блока [2].
Требование обеспечения вибропрочности конструкции парогенератора обычно решается теоретическими исследованиями вибрации и модельными или натурными испытаниями на воде с последующей установкой антивибрационных опорных устройств в парогенераторе.
Компенсация температурных напряжений, связанных с неблагоприятными режимными факторами и тепловыми расширениями, наиболее просто решается выбором теплообменной поверхности в виде трубок Фильда или змеевика.
Требование безопасности при разрушении теплопередающих трубок сводится к быстрейшему обнаружению малых утечек воды и использованию специальных систем парогенератора в случае реакции.
Для быстрого обнаружения реакции натрия с водой в газовой полости устанавливается детектор водорода, а под уровнем натрия — устройства для регистрации диффузии водорода из натрия через тонкую никелевую мембрану.
Утечки, равные примерно 50 г/с воды в натрий, могут привести к повышению давления натрия в поврежденном контуре, которое происходит достаточно быстро, после чего срабатывают автоматические устройства для снижения давления (предохранительные разрывные мембраны). Применение таких мембран, например, в пространстве защитного газа буферной емкости обеспечивает снижение давления через сбросной трубопровод к баку для слива натрия при утечке примерно 1 кг/с.
В случае больших утечек, когда повышение давления не будет задержано ни оператором, ни системой снижения давления в буферной емкости, должен произойти разрыв мембран, установленных на главном натриевом трубопроводе рядом с парогенератором. Натрий и продукты реакции между натрием и водой будут удаляться по трубопроводам больших диаметров в баки для продуктов реакции. Разрыв мембран должен привести в действие датчик, который автоматически закрывает клапаны, изолирующие парогенератор от трубопроводов воды — пара, и быстро включить систему слива воды из поврежденного парогенератора, чтобы как можно быстрее прекратить поступление потока пароводяной смеси в натрий. Когда давление снизится до заранее определенного уровня, автоматически вводится инертный газ со стороны пароводяной смеси под давлением, превышающим давление в натриевой полости для сведения к минимуму попадания натрия в трубки [3].
Технологические требования
Основные факторы, определяющие надежность парогенератора — качество изготовления и контроль качества, зависят от целого ряда технологических требований, предъявляемых к конструкции парогенератора.
Требования, определяющие рациональность принятых конструкционных решений с точки зрения технологичности:
рациональный выбор материалов. Он оказывает существенное влияние на все расчетные параметры — тепловые, гидравлические и конструкционные, а также на проектирование систем регистрации утечек и взаимодействия между натрием и водой. Особую важность представляет такое свойство материала труб, как сопротивление коррозии на стороне вода — пар, стойкость к продуктам взаимодействия воды с натрием, сопротивляемость развитию этого взаимодействия;
выбор простейших геометрических форм. Их большое разнообразие в действующих и разрабатываемых парогенераторов, обогреваемых жидкометаллическим теплоносителем, говорит о трудностях, которые приходится преодолевать при выборе оптимальной конфигурации;
оптимальный выбор баз, системы простановки размеров, их предельных отклонений, допусков, формы и расположения поверхностей и шероховатости поверхностей деталей;
унификация элементов конструкции узлов; простота сборочно-компоновочной схемы;
определение надежного способа сварки трубок между собой и с трубной доской, а также разработка неразрушающих методов контроля сварных соединений;
обеспечение постоянного качества поставляемой на сборку трубчатки. Обеспечение качества изготовления и однородности материала теплообменных трубок — одно из важнейших требований при создании парогенератора, но все предыдущие меры будут бесполезны, если в процессе сборки, при транспортировке на рабочую площадку, при монтаже и хранении, во время приемосдаточных работ качество трубок ухудшится. Помимо самых тщательных предосторожностей при транспортировке и перевозке наиболее эффективный путь сохранить качество трубок — это постоянно держать их в защитной среде сухого инертного газа как изнутри, так и снаружи;
обеспечение контроля чистоты всех поверхностей парогенератора при изготовлении и монтаже. Монтаж должен вестись по заранее разработанной технологии, увязанной с технологией монтажа реакторной установки в целом. Немаловажное значение имеет достаточная подготовленность помещений к монтажу (чистота, освещенность и т. п.). За качеством монтажа должен осуществляться непрерывный контроль представителями авторского надзора и инженерно-техническими специалистами строящейся АЭС. Такой комплекс мероприятий гарантирует не только высокое качество монтажа и чистоту контура, но и обеспечивает успешное завершение последующих мероприятий по вводу парогенератора в эксплуатацию.
Следующую группу составляют требования, относящиеся к основным показателям технологичности:
трудоемкость изготовления изделия, и в первую очередь в сравнении с имеющимися прототипами;
приемственность конструкционно-технологических решений; технологическая себестоимость изделия.
Анализ технологических требований не может быть абстрактным.
Разрабатываемый проект парогенератора обычно ориентируется на вполне определенный завод-изготовитель, на его производственные возможности, которые оказывают существенное влияние на решение вопроса о технологичности конструкции.
Эксплуатационные требования
Для обеспечения нормальной эксплуатации парогенератора его конструкция, схема включения, оснащение КИПиА должны удовлетворять ряду требований как обычных, так и специфичных для парогенератора с жидкометаллическим обогревом.
Для нормального пуска и отключения парогенераторов необходимо обеспечить возможность его разогрева в пустом и заполненном металлом состоянии, включая разогрев трубопроводов обвязки, до температуры 250—450° С без возникновения недопустимых температурных напряжений. Должны быть исключены тупиковые участки и застойные зоны, обеспечено полное заполнение теплоносителем без образования газовых полостей. Наличие недренируемых участков не допускается.
При секционно-модульном исполнении парогенератора компоновка оборудования и схема обвязки должны обеспечивать гидравлическую равнозначность параллельных ветвей с тем, чтобы различия в температуре греющего теплоносителя не превышали нескольких градусов.
Конструкция парогенератора должна предусматривать контрольно-измерительную аппаратуру в объеме, достаточном для однозначной интерпретации состояния парогенераторов на текущий момент. В первую очередь необходимо обеспечить измерение интегральных параметров (расходы теплоносителей, температуру на входе и выходе, перепады по трактам) и их автоматическое поддержание, а также качества питательной воды и чистоты натрия. В зависимости от конкретного конструктивного исполнения парогенераторов могут понадобиться дополнительные измерения. Например, для парогенератора с гибом на корпусе или с горизонтальными участками необходим контроль равномерности температуры по периметру корпуса, для секционно-модульных парогенераторов — контроль за параметрами между модулями.
Конструкция парогенератора, компоновка его элементов должны предусматривать возможность периодического контроля и осмотра (удобный подход, съемная теплоизоляция, возможность использования грузоподъемных и режущих механизмов, средств неразрушающего контроля). Должна быть обеспечена возможность замены неисправного оборудования на резервное (эвакуация оборудования за пределы парогенераторного бокса).
Особое значение придается оснащению ПГ средствами оперативной диагностики протечек воды в натрий, определению места течи, снижению последствий аварийных ситуаций. Должны быть предусмотрены дублирующие системы контроля герметичности, желательно разными методами, быстродействующая отсечная арматура, дренирование теплоносителя, активные и пассивные средства снижения давления в натриевом контуре при течи воды в натрий.
Опыт показывает, что полностью исключить возможность протечек воды в натрий не удается. Разработанные к настоящему времени средства контроля позволяют своевременно зарегистрировать течь воды в натрий и предотвратить дальнейшее развитие аварии, не допустить значительных повреждений парогенератора. В этих условиях важным эксплуатационным требованием является ремонтоспособность парогенератора. При разработке конструкции должна быть предусмотрена возможность замены или глушения дефектных труб без демонтажа парогенератора, разработана технология ремонта.
В заключение следует отметить, что ПГ, обогреваемые жидким металлом, являются уникальными изделиями, создание которых в каждом случае требует разработки своих всеобъемлющих технических условий, а их конструкция в обязательном порядке должна соответствовать общим требованиям, предъявляемым к оборудованию АЭС.
