Глава 12
ОСНОВНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ТЕПЛООТВОДЯЩИХ КОНТУРОВ РЕАКТОРОВ БН
12.1. ВВОДНЫЕ ЗАМЕЧАНИЯ
Основным назначением быстрого реактора-размножителя является выработка электрической энергии. Осуществляется это за счет тепла, которое образуется в ядерной реакции деления и передается в пароводяной контур для приведения во вращение турбогенератора. В данной главе рассматривается оборудование теплоотводящих контуров реакторов БН. Глава начинается с описания систем теплоотвода, которые включают в себя первый и второй натриевые контуры и пароводяной контур. Затем более подробно рассматриваются характеристики основного оборудования: бака реактора, циркуляционных натриевых насосов, промежуточных теплообменников и парогенераторов1. Последние четыре параграфа посвящены защите реакторов БН, транспортировке топлива, приборам контроля технологических параметров, а также вспомогательным системам.
Хотя вопросам разработки оборудования быстрых реакторов в данной книге посвящена лишь одна глава, значение их чрезвычайно велико. Создание надежного, безопасного и достаточно дешевого оборудования в значительной степени определяет возможность промышленного освоения реакторов БН.
ТЕПЛООТВОДЯЩИЕ КОНТУРЫ
А. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА АЭС С РЕАКТОРОМ БН
Система теплоотвода реактора с жидкометаллическим теплоносителем включает первый и второй (промежуточный) натриевые контуры, а также пароводяной контур. Наличие промежуточного контура обусловлено спецификой быстрых реакторов с жидкометаллическим теплоносителем.
Его назначение — исключить возможность взаимодействия радиоактивного натрия первого контура (активность которого определяется в основном изотопом 24Na, имеющим период полураспада 15 ч) с водой третьего контура. Основное оборудование натриевых контуров: реактор, главные циркуляционные насосы, промежуточные теплообменники и парогенераторы.
Петлевая и баковая конструкции реакторов БН
Как показано в гл. 2, используются два варианта компоновки оборудования первого контура реакторов БН: баковый (или интегральный) и петлевой. В баковом варианте весь первый контур, т. е. реактор, главные циркуляционные насосы и промежуточные теплообменники, размещается в общем баке, заполненном натрием. Во втором, петлевом, варианте циркуляционные насосы и промежуточные теплообменники расположены в отдельных боксах вне бака реактора и соединяются с ним системой трубопроводов.
На рис. 12.1 приведены принципиальные технологические схемы для обоих типов реакторов, а в табл. 12.1 —характеристики систем теплоотвода АЭС с реакторами БН.
Почти во всех экспериментальных быстрых реакторах (FFTF, БОР-60, «Рапсодия», JOYO, KNK-2, «Энрико Ферми», DFR, FBTR, РЕС) использована петлевая компоновка первого контура. Исключение составляет реактор EBR-2, который был разработан как баковый.
Риг. 12 1. Принципиальная технологическая схема АЭС с реактором БН петлевого (а) и бакового (б) типов:
1— бак реактора; 2 — насос первого контура; 3 — промежуточный теплообменник; 4 — насос второю контура; 5 — парогенератор; 6 — пароводяной контур; 7 —турбина; 8 —бак первого контура; 9—активная зона; ■—натрий первого контура;
□—натрий второго контура
Таблица 12.1. Основные характеристики АЭС с быстрыми реакторами большой мощности
* Часть тепловой мощности подается на опреснительную установку
Термин «петлевой» означает, что система теплоотвода состоит из независимых параллельных петель, каждая из которых передает определенную долю тепловой мощности от реактора к турбогенератору.
Во втором контуре используется петлевое расположение оборудования, причем число петель второго контура обычно соответствует количеству циркуляционных насосов первого контура. Число параллельных петель в зависимости от мощности реактора бывает различным (чаще всего три или четыре). На рис. 12.1 в обоих вариантах условно показана одна петля. Так, реактор бакового типа «Супер-Феникс» имеет четыре насоса и восемь теплообменников в первом контуре и соответственно четыре теплоотводящих петли второго контура (рис. 12.2).
Каждый из двух типов реакторов имеет свои преимущества. Так, в реакторе бакового типа разгерметизация оборудования или трубопроводов первого контура менее опасна, поскольку не приводит к утечке натрия из системы. Масса натрия в нем значительно больше, чем в реакторе петлевого типа, что обеспечивает большую тепловую инерционность первого контура.
Рис. 12.2. Горизонтальный разрез реактора «Супер-Феникс», имеющего четыре теплоотводящие петли, четыре циркуляционных насоса первого контура и восемь промежуточных теплообменников·
1 — помещение парогенераторов; 2 — парогенератор; 3 — установка по переработке жидких отходов; 4 — барабан хранилище ТВС, 5 — насос первого контура; 6 — промежуточный теплообменник; 7 — помещение вспомогательных систем реактора, 8 — трубопроводы второго контура; 9 — насос второго контура; 10 — система удаления водорода
Благодаря этому сглаживаются резкие колебания температур теплоносителя и элементов оборудования в переходных аварийных режимах. Как правило, газовая система в реакторах бакового типа менее сложная, поскольку свободная поверхность натрия в них меньше.
Назовем также наиболее важные преимущества реакторов БН петлевого типа. Благодаря размещению основного оборудования в отдельных боксах упрощается его обслуживание и ремонт, легче решаются вопросы модернизации оборудования, а также защиты натрия второго контура от излучения. Конструкция реакторного бака и особенно верхней крышки в реакторе петлевого типа проще благодаря меньшим габаритам бака. Поскольку в реакторе петлевого типа промежуточный теплообменник можно расположить гораздо выше активной зоны, то это создает условия для надежной естественной циркуляции теплоносителя в первом контуре. Кроме того, из-за меньшего объема натрия в первом контуре в какой-то мере упрощается регулирование параметров АЭС в переходных режимах с изменением мощности.
Конструкции теплообменного оборудования
Важным фактором, характеризующим технологическую схему АЭС с реактором БН (см. рис. 12.1), является относительное расположение оборудования по высоте. Основное оборудование натриевых контуров располагается таким образом, что промежуточный теплообменник находится выше активной зоны, а парогенератор — выше промежуточного теплообменника. Это создает условия для естественной циркуляция натрия, за счет которой осуществляется отвод тепла от активной зоны в случае аварийной остановки циркуляционных насосов.
Обычно температура натрия на входе в реактор БН равна 400 °С, а на выходе — 550 °С, Такие же температуры, если пренебречь незначительными тепловыми потерями, будет иметь натрий первого контура в промежуточном теплообменнике.
Промежуточные теплообменники, как правило, проектируются по противоточной схеме, при этом средний температурный напор между натрием первого и второго контура составляет 30—40 °С. Практически на всех реакторах БН (за исключением PFR) натрий второго контура течет в трубках теплообменника, что облегчает задачу удаления продуктов взаимодействия натрия с водой в случае течи в парогенераторе. В целях предотвращения попадания радиоактивного натрия во второй контур при аварийном разрыве трубок теплообменника давление со стороны второго контура должно быть больше, чем давление натрия первого контура. Это условие реализуется проще в том случае, если теплоноситель второго контура течет внутри трубок.
Парогенераторы, используемые на реакторах БН, можно разделить на интегральные и секционные1. В интегральном парогенераторе влажный пар из испарителя попадает непосредственно в перегреватель, сепарация влаги не производится. В большинстве случаев испаритель и перегреватель интегрального парогенератора размещаются в общем корпусе, как, например, на реакторе «Супер-Феникс».
1 Если парогенератор состоит из нескольких параллельно включенных одинаковых модулей испарителя или перегревателя, он называется модульным (например, парогенератор реактора «Феникс»). Следует заметить, что разделение парогенераторов на интегральные и секционные является достаточно условным. Вероятно, по мере разработок новых конструкций теплообменного оборудования используемая терминология будет изменяться.
Однако в некоторых парогенераторах, например на АЭС с реактором БН-350, пароперегреватель и испаритель расположены в отдельных корпусах. Секционные парогенераторы включают в себя отдельные секции испарителя и перегревателя, причем пар перед поступлением в перегреватель проходит через сепарационное устройство (паровой барабан-сепаратор пара или сепаратор влаги). Иногда сепарационное устройство может быть размешено внутри секции испарителя. В некоторых случаях пар от нескольких секций испарителя подается к одному перегревателю.
Обычно парогенераторы проектируются так, что вода и пар движутся в трубках, а натрий — в межтрубном пространстве. Поскольку давление в пароводяном контуре выше, чем в натриевом, в случае появления межконтурной неплотности в парогенераторе натрий не попадает в пароводяной объем. Благодаря этому уменьшается опасность загрязнения турбины окислами натрия.
Б. ПАРОВОДЯНОЙ ЦИКЛ
Высокая температура натриевого теплоносителя в реакторах БН позволяет использовать цикл с перегревом пара, имеющий КПД 40 % и выше, т. е. на уровне показателей современных тепловых электростанций на органическом топливе. Для сравнения следует отметить, что КПД станций с ЛВР составляет примерно 32 %. Изучаются возможности использования для реакторов БН цикла на насыщенном паре (как в ЛВР), что при некотором снижении КПД позволило бы повысить надежность оборудования АЭС. Однако в настоящее время на всех строящихся и работающих АЭС с реакторами БН используется цикл на перегретом паре.
Рис. 12.3. Тепловые схемы парогенераторов, применяемые на АЭС с реакторами БН:
а— прямоточный парогенератор с перегревом пара, выполненный по схеме Бенсона, б —то же, схема Зульцера, в — парогенератор с рециркуляцией и перегревом пара; г — парогенератор насыщенного пара, 1 - испаритель и перегреватель в общем корпусе; 2 — подогреватель питательной воды, 3 — испаритель; 4 — перегреватель; 5 — сепаратор влаги, 6 — паровой барабан
На рис. 12.3 представлены четыре варианта тепловых схем парогенераторов. Во всех вариантах используется классический цикл Ренкина. Показаны два типа парогенераторов — прямоточные и с многократной циркуляцией воды. В свою очередь прямоточные парогенераторы можно разделить на два вида в зависимости от наличия сепаратора влаги, включенного на входе в перегреватель. Парогенератор без сепаратора (выполненный по так называемой схеме Бенсона) состоит из испарителя и перегревателя, заключенных в один корпус. В парогенераторе, сконструированном по схеме Зульцера, между испарителем и перегревателем, расположенными в отдельных корпусах, включен сепаратор влаги.
На реакторе SNR-300 установлены парогенераторы с сепараторами, благодаря чему паросодержание пароводяной смеси на входе в перегреватель достигает 95 %, в то время как в парогенераторе реактора CRBRP с рециркуляцией воды и перегревом пара паросодержание смеси на выходе из испарителя значительно меньше (50 %). На рис. 12.3 сепаратор влаги и паровой барабан показаны как отдельные элементы тепловой схемы, однако они могут быть встроенными в испаритель.
