CC BY
30Энергетическое машиностроение
УДК 621.039
ОБОСНОВАНИЕ РАБОТЫ РЕАКТОРНОЙ УСТАНОВКИ «СВЕТ-М» НА ЕСТЕСТВЕННОЙ ЦИРКУЛЯЦИИ СВИНЦОВО-ВИСМУТОВОГО ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ
JUSTIFICATION OF THE OPERATION OF THE REACTOR INSTALLATION "SVET-M" ON NATURAL-CIRCULATION OF LEAD-BISMUTH COOLANT
DOI: 10.24412/CL-35807-2023-1-88-94
Тарасов Н. В., инженер-конструктор 3 категории АО ОКБ «ГИДРОПРЕСС», г. Подольск, e-mail: kolyatarasov777@gmail.com Лякишев С. Л., заместитель начальника отделения — начальник отдела АО ОКБ «ГИДРОПРЕСС», г. Подольск, e-mail: Lyakishev@grpress.podolsk.ru
Tarasov N. V., design engineer of 3 categories
JSC OKB "Gidropress", Podolsk,
e-mail: kolyatarasov777@gmail.com
Lyakishev S. L., deputy head of department — head
of department JSC OKB "Gidropress", Podolsk,
e-mail: Lyakishev@grpress.podolsk.ru
Аннотация. В статье приведен обзор реакторной установки (РУ) с естественной циркуляцией (ЕЦ) теплоносителя, а также анализ четырех теплоносителей на предмет применимости в качестве теплоносителя первого контура для атомной станции малой мощности с ЕЦ теплоносителя в первом контуре, что раннее не было описано в рамках одной статьи. В результате сравнения теплоносителей сделаны выводы о том, что для атомной станции малой мощности с ЕЦ теплоносителя наиболее эффективными являются водяной и свинцово-висмутовый теплоносители.
Annotation. The article provides a review of RP with natural circulation of coolant and contains an analysis of four coolants for applicability as a primary coolant for a low-power nuclear power plant with natural circulation of coolant in the primary circuit, which was not previously described in one article. The As a result of comparison of coolants, conclusions were made that water and lead-bismuth coolants are the most effective for a low-power nuclear power plant with natural circulation of coolant.
Ключевые слова: теплоноситель, атомная станция малой мощности, свинец, эвтектический сплав, висмут, свинец-висмут, натрий, вода, напор, естественная циркуляция, безопасность.
Keywords: coolant, low-power nuclear power plant, lead, eutectic alloy, bismuth, lead-bismuth, sodium, water, pressure head, natural circulation, safety.
Введение
Атомная энергетика, как и любые другие отрасли, развивается и дает инновационные решения в области снабжения человечества тепловой и электрической энергией. В поисках технических решений для повышения безопасности на атомной электрической станции (АЭС) инженеры и ученые улучшают и модернизирует существующие технологии и предлагают новые. Одно из решений повышения безопасности АЭС и снижения энергозатрат на ее содержание — это реакторы малой мощности на ЕЦ теплоносителя. Такие реакторы позволяют снизить затраты электроэнергии на собственные нужды, а также повысить надежность АЭС в целом за счет снижения количества активных систем. Активная зона реакторов на ЕЦ охлаждается пассивным образом, что позволяет обеспечить надежное расхолаживание РУ даже в авариях с потерей электроснабжения.
Модульный реактор малой мощности с естественной циркуляцией свинцово-висмутового теплоносителя «СВЕТ-М» соответствует актуальному в настоящее время направлению в физике реакторов, связанному с развитием малой атомной энергетики. Развитие этого направления атомной энергетики объясняется гибкостью модульных реакторов в составе атомной станции малой мощности (АСММ) при производстве тепловой и электрической энергии и их возможностью подстраиваться под самых различных пользователей. Рынок малых ядерных энергетических реакторов считается перспективным, и та страна, которая первой создаст экономически
т, °е
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000
г, кДж/кг
Рис. 1. Параметры рабочего тела второго контура реактора с различными теплоносителями первого контура
регретого пара высоких параметров. В таблице 1 приведены диапазоны температур теплоносителей первого контура, для оценки напора естественной циркуляции РУ.
Параметры генерируемого пара у реакторов с водным теплоносителем и теплоносителем на жидких металлах были приняты согласно [1] и приведены на рисунке 1. Из графика видно, что параметры перегретого пара в реакторах с ЖМТ существенно выше, чем у реактора с водным теплоносителем. Перегретый пар с более высокими параметрами увеличивает КПД РУ, что является преимуществом реакторов с ЖМТ.
Расчет напора естественной циркуляции
Расчет напора естественной циркуляции проводился для схемы, показанной на рисунке 2. Физические свойства теплоносителей приняты по [2, 3]. При отсутствии справочных данных физических свойств при конкретных температурах использовался метод интерполяции для их определения. Параметры второго контура приняты в соответствии с рисунком 1. Также были определены коэффициенты конвективной теплоотдачи в парогенераторе для каждого из теплоносителей, которые были использованы для расчета эффективности теплообмена в парогенераторе.
Результаты расчета параметров теплоносителей приведены в таблице 2.
эффективный и безопасный проект АСММ, получит преимущество на данном рынке.
Теплоносители в атомной энергетике
Температурный диапазон работы теплоносителей является важным параметром при расчете напора естественной циркуляции. Большим достоинством жидкометаллических теплоносителей (ЖМТ) является высокая температура кипения, что позволяет отказаться от избыточного давления в первом контуре и обеспечить получение пе-
Таблица 1 Температурные диапазоны работы теплоносителей первого контура
Теплоноситель Минимальная температура, °С Максимальная температура, °С
Вода 250 325
Натрий 210 550
Свинец 420 550
Свинец—висмут 210* 550
250* 550
310 550
* Существует проблема охрупчивания оболочки твэлов при низких температурах в активной зоне реактора. Данный температурный режим в 210 и 250 °С возможен после решения проблемы низкотемпературного охрупчивания (НТРО).
Парогенератор \
Парогенератор
Напорная камера
Переливные окна
Активная зона
Рис. 2. Принципиальная схема циркуляции теплоносителя
С учетом того, что все рассматриваемые теплоносители имеют различную теплоемкость и расход по первому контуру, для наглядности была проведена оценка расхода в м3/час для отвода 1 МВт мощности, по которой есть возможность
определить, насколько тот или иной теплоноситель способен отводить тепло. Теплоемкость жид-кометаллических теплоносителей была определена по [3]. Теплоемкость водного теплоносителя определялась при помощи [1]. По величинам теплоемкости был определен объемный расход через зону охлаждения. Полученные значения приведены в таблице 3.
Помимо параметров теплоносителей в РУ, на ЕЦ необходимо сравнить габаритные параметры возможных РУ. Для этого была проведена оценка возможных высот контуров ЕЦ на разных теплоносителях в реакторах одинаковой мощности 1 МВт и одинаковых проходных сечениях зоны активности (а.з).
Из рассмотренных теплоносителей наиболее предпочтительными являются вода и свинец-висмут, поскольку свинец из-за опасности замерзания имеет узкий температурный интервал работы, что уменьшает напор ЕЦ и увеличивает расход теплоносителя через активную зону (а.з.) парогенератора (ПГ), а натрий является слишком активным теплоносителем и требует применения специальных мер обращения и эксплуатации, что приводит к увеличению стоимости АЭС с натрием.
Рассмотрим реакторы с водяным теплоносителем и свинцово-висмутовым теплоносителем (СВТ) с одинаковой мощностью 1 МВт и высотой контура ЕЦ, равной 1 м, при этом изначально внутренний диаметр составлял 2 м. Сравнительный анализ приведен в таблице 5.
В таблице 6 приведен сравнительный анализ массогабаритных характеристик реакторов с водяным теплоносителем и СВТ.
Масса корпуса реактора с СВТ оказалась более чем в 2,3 раза легче корпуса реактора с водяным теплоносителем, несмотря на больший диаметр. Это является следствием низкого давления в первом контуре у реактора с СВТ.
В ходе сравнения двух предпочтительных теплоносителей был проведен расчет параметров па-
Таблица 2
Параметры теплоносителей в РУ на ЕЦ
Теплоноситель Температура входа теплоносителя, °С Температура выхода теплоносителя, °С Напор, Па Средняя скорость в ПГ, м/с Средний коэффициент теплоотдачи, Вт/м2К Средняя плотность теплоносителя, кг/м3 Массовый расход, кг/с Мощность, МВт
Вода 250 325 13 930 0,69 681 742 5,1 2,1
Натрий 210 550 7877 0,48 8612 861 4,1 1,8
Свинец 420 550 15 232 0,19 1628 10 461 19,9 0,4
Свинец—висмут 210 550 44 132 0,33 1287 10 231 33,6 1,7
250 550 38 940 0,31 1309 10 205 31,5 1,4
310 550 31 152 0,28 1341 10 165 28,1 1,0
Таблица 3 Теплоемкость теплоносителей
Тепло- Объемный Разница ра-
Теплоноситель емкость, расход, бочих тем-
Дж/кг • К м3/час ператур, X
Вода 5493 2,43 75
Натрий 1296 2,27 340
Свинец 146 5,01 130
Свинец—висмут 150 2,04 340*
Свинец—висмут 149 2,89 240
Свинец—висмут 149 2,39 300*
* Существует проблема охрупчивания оболочки твэлов при низких температурах в активной зоне реактора. Температурный режим в 210 и 250 °С возможен после решения проблемы НТРО.
Таблица 4 Высотные характеристики контура ЕЦ
* Существует проблема охрупчивания оболочки твэлов при низких температурах в активной зоне реактора. Температурный режим в 210 и 250 °С возможен после решения проблемы НТРО.
Таблица 5
Зависимость высоты ЕЦ реактора на СВТ от площади проходного сечения
рогенератора второго контура РУ с СВТ и РУ с водяным теплоносителем на естественной циркуляции. Наиболее показательным параметром в расчете парогенератора является его площадь теп-лообменной поверхности.
Принимаем параметры второго контура, одинаковые для всех рассматриваемых вариантов, а именно:
Р = 4 МПа — давление второго контура;
апп = 6000 Вт/м2 • К — коэффициент теплоотдачи пара второго контура на участке пароперегревателя;
аип = 30 000 Вт/м2 • К — коэффициент теплоотдачи пароводяной смеси второго контура на участке испарителя;
аэк = 6000 Вт/м2 • К — коэффициент теплоотдачи воды второго контура на участке экономайзера.
Расчет парогенератора осуществлялся по расчетной схеме, приведенной на рисунке 3. Рассматривалась конструкция в которой теплоноситель первого контура, опускаясь в межтрубном пространстве парогенератора, нагревает воду второго контура, которая, поднимаясь вверх по трубам, превращается в пар и перегревается.
Параметры теплоносителя первого контура, поступающего в парогенератор, были приняты согласно таблице 2.
Параметры парогенератора приведены в таблице 7.
По итогам расчета характеристик парогенератора было проведено их сравнение по габаритным характеристикам (рис. 4).
Из полученных результатов можно сделать выводы о положительных свойствах теплоносителя свинец—висмут:
1) Сплав свинца с висмутом обладает наибольшим напором естественной ц иркуляции среди жидкометаллических теплоносителей.
2) Свинец—висмут, как и все жидкие металлы, выигрывают по эффективности парогенератора у воды за счет более высокого температурного напора на стенках теплообменных труб. Снижение необходимой поверхности теплообмена в 1,5 раза меньше, чем при теплоносителе
Теплоноситель Разница рабочих температур, X Диаметр а.з., м Внутренний диаметр корпуса, м
Вода 75 0,25 2,38
Свинец—висмут 340* 0,28 2,66
Свинец—висмут 300* 0,31 2,96
Свинец—висмут 240 0,37 3,52
* Существует проблема охрупчивания оболочки твэлов при низких температурах в активной зоне реактора. Температурный режим в 210 и 250 °С возможен после решения проблемы НТРО.
Таблица 6
Сравнительные массогабаритные характеристики корпусов реакторов
Теплоноситель Температурный перепад, °С Материал корпуса Расчетное давление первого контура, МПа Толщина стенки корпуса, мм Внутренний диаметр корпуса, м Масса корпуса реактора, т
Вода 75 15Х2НМФА 17 90 2,38 7,9
Свинец—висмут 340 08Х18Н10Т 0,5 17 2,66 1,7
Свинец—висмут 300 08Х18Н10Т 0,5 19 2,96 2,2
Свинец—висмут 240 08Х18Н10Т 0,5 23 3,52 3,4
Теплоноситель Разница рабочих температур, X Высота контура, м
Вода 75 2,23
Натрий 340 3,04
Свинец 130 70,32
Свинец—висмут 340* 3,41
Свинец—висмут 240 9,92
Свинец—висмут 300* 5,00
вода, дает огромную экономию в габаритах и стоимости ПГ.
3) Высокая температура кипения свинца— висмута в сравнении с водой дает возможность отказаться от высокого давления первого контура, что делает конструкцию корпуса значительно легче и дешевле при производстве.
Корпус реактора с СВТ более чем в 2,3 раза легче корпуса реактора с водяным теплоносителем.
4) Высокая теплопроводность свинца—висмута позволяет эффективно отводить тепло от горячих элементов корпуса реактора, тем самым обеспечивая достаточное охлаждение при меньших скоростях теплоносителя.
5) Парогенератор РУ с СВТ может быть гораздо компактнее и экономичнее за счет его небольшой длины в сравнении с РУ на водяном тепло -носителе (длина прямых теплообменных труб парогенератора РУ с СВТ в 1,5 раза меньше, чем у РУ на водяном теплоносителе).
6) Несмотря на то что свинец—висмут имеет низкую теплоемкость, при имеющемся температурном перепаде на а.з. и с учетом высокой плотности СВТ объемный расход теплоносителя для поддержания необходимого охлаждения активной зоны будет м еньше, чем у водяного теплоносителя.
Несмотря на очевидные преимущества теплоносителя свинец—висмут, он имеет недостаток по сравнению с водяным теплоносителем, заключающийся в его высокой плотности, что приводит к большому гидравлическому сопротивлению и потере давления.
Таблица 7
Параметры парогенератора
Теплоноситель Участок Температура теплоносителя первого контура, °С Температура среды второго контура, °С Средний температурный напор, °С Длина участка парогенератора, м Коэффициент теплопередачи, Вт/м2 • град
ПП 550—528,7 300—250 264,3 0,03 28,58
СВТ ИП 528,7—302,4 250 165,6 0,23 66,51
ЭК 302,4—250,0 250—150 76,2 0,23 32,00
ПП 550—525,8 300—250 264,4 0,03 28,58
СВТ ИП 525,8—269,4 250 147,6 0,26 66,45
ЭК 269,4—210,0 250—150 39,7 0,52 31,75
ПП 550—536,8 300—250 268,4 0,03 28,58
СВТ ИП 536,8—351,8 250 194,3 0,2 66,58
ЭК 351,8—310,0 250—150 130,9 0,13 32,4
ПП 325—321,5 300—250 48,25 0,15 26,35
Вода ИП 321,5—265,3 250 43,4 0,74 53,55
ЭК 265,3—250,0 250—150 57,8 0,30 30,64
Реакторная установка «СВЕТ-М»
Проект РУ «СВЕТ-М» представляет собой ядерный реактор интегрального типа с активной зоной на быстрых нейтронах. Главной его особенностью является то, что движение теплоносителя первого контура осуществляется за счет естественной циркуляции.
Реактор предназначен для осуществления процесса преобразования энергии деления ядерного топлива в тепловую энергию и передачи ее рабочему телу второго контура (вода — перегретый пар) через теплоноситель первого контура (эвтектический сплав свинец—висмут) для последующего преобразования в электрическую энергию.
Концепция реактора «СВЕТ-М» основывается на отработанных ранее технических решениях (технология теплоносителя, новая радиационно-стойкая сталь для теплоносителя свинец—висмут; привод системы управления и защиты; твэл) и обладает следующими конкурентными преимуществами:
— нет необходимости в выполнении дорогостоящих НИОКР (все основные технические решения отработаны);
— высокий перепад температур между горячей и холодной веткой контура циркуляции, что позволяет в два раза увеличить напор естественной циркуляции и соразмерно снизить высотные габариты РУ;
— химическая инертность теплоносителя свинец-висмут по отношению к воде и воздуху, в отличие от небезопасного натриевого теплоносителя;
Отношение длин парогенераторов
Ш[ ИИ К Общая длина
Рис. 4. Отношение длин парогенераторов
Таблица 8
Основные технические характеристики РУ
Наименование Значение
Тепловая мощность (номи- 150
нальная), МВт
Паропроизводительность, ~ 167
т/ч
Температура получаемого 445
пара на выходе с МПП, °С
Номинальный полезный 4222
расход СВТ, кг/с
Номинальная температура
теплоносителя первого кон-
тура, °С:
— на входе в активную зону 273
— на выходе из активной 515
зоны
Кампания активной зоны, 50 000
эффективные часы
Топливная композиция: ио2, им, и + гя (10 %),
(Ри-и)-02 (или
МОКС-топливо),
(Ри-и)-м,
(Ри-и) + гя (10 %)
Количество петель циркуля- 4
ции, шт.
Количество теплоносителя ~ 50
в первом контуре, м3
— предельно д остижимая безопасность за счет внутренней самозащищенности РУ по сравнению с установками с водой под давлением за счет использования свинцово-висмутового теплоносителя при атмосферном давлении — установка относится к четвертому поколению безопасности;
— использование турбины с промежуточной сепарацией и перегревом пара позволяет увеличить КПД до 41 %, что существенно превысит КПД в проектах ВВЭР;
— за счет высокого температурного напора в парогенераторе площадь поверхности теплообмена на 40 % меньше, чем в аналогичных проектах с водным теплоносителем.
Основные параметры и характеристики РУ приведены в таблице 8.
Моноблок реакторный (МБР) РУ «СВЕТ-М» (рис. 5) разработан в едином прочном корпусе с отсутствием трубопроводов и арматуры по первому контуру.
Все оборудование, формирующее циркуляционные тракты по первому контуру, размещено внутри корпуса МБР. Гидравлические связи по СВТ между оборудованием первого контура, образующие основной и вспомогательные тракты циркуляции СВТ, сформированы корпусом моноблока реакторного и элементами внутрикор-
.....iO^i
Рис. 5. Моноблок реакторный: 1 — корпус МБР; 2 — ВЧ МБР; 3 — приводы СУЗ; 4 ■ МИС; 5 — МПП
пусных устройств (ВКУ) и внутрикопусной радиационной защиты (ВКРЗ).
МБР включает в себя: корпус МБР с установленными ВКУ и ВКРЗ, выемную часть (ВЧ) МБР состоящую из а.з. и ВЧ, МИС и МПП, приводы СУЗ, контрольно-измерительные приборы, оборудование технологии теплоносителя, элементы главного разъема.
Заключение
Сравнив параметры четырех теплоносителей, можно сделать вывод о том, что для РУ на ЕЦ больше всего подходят водяной и свинцово-вис-мутовый теплоносители.
По показателям безопасности РУ со свинцо-во-висмутовым теплоносителем относится к четвертому поколению и имеет преимущество перед РУ с водяным теплоносителем [4]. Окончательное решение о выборе теплоносителя для АСММ должно быть сделано на основе технико-экономического обоснования.
Корпус реактора и парогенератор для РУ с теплоносителем свинец—висмут будет л егче и дешевле в изготовлении по сравнению с РУ с водяным теплоносителем. РУ с теплоносителем свинец—висмут способна вырабатывать перегретый пар высоких параметров, что позволит использовать стандартные турбины от тепловых электрических станций с высоким КПД.
Учитывая теплофизические свойства жидко-металлического свинцово-висмутового теплоносителя и уже отработанные технологии данного теплоносителя в реакторах малой мощности на наземных стендах прототипах и в транспортных установках, в качестве теплоносителя для РУ, на ЕЦ наиболее перспективным теплоносителем является эвтектический сплав свинца с висмутом.
Конкурентные преимущества РУ «СВЕТ-М» с естественной циркуляцией свинцово-висмутового теплоносителя в первом контуре позволят использовать данную реакторную установку в составе АСММ с повышенными требованиями к безопасности.
Список литературы
1. Сертифицированный набор программ для вычислений свойств воды/водяного пара, газов и смесей газов «WaterSteamPro»TM. Московский энергетический институт (технический университет), 1999—2010.
2. Кириллов П. Л., Юрьев Ю. С., Бобков В. П. Справочник по теплогидравлическим расчетам (ядерные реакторы, теплообменники, парогенераторы) / Под общ. ред. П. Л. Кириллова. — М.: Энергоатомиздат, 1984.
3. OECD/NEA. Nuclear Science Committee Working Party on Scientific Issues of the Fuel Cycle Working Group on Lead-bismuth Eutectic Handbook on Lead-bismuth Eutectic Alloy and Lead Properties, Materials Compatibility, Ther-mal-hydraulics and Technologies. Nuclear Energy Agency Organisation for Economic Co-Operation and Development, 2007.
4. https://www.world-nuclear.org/information-library/nuclear-fuel-cycle/nuclear-power-reactors/generation-iv-nuclear-reactors. aspx.
