РАЗРАБОТКА УСОВЕРШЕНСТВОВАННОЙ КОНСТРУКЦИИ МАССООБМЕННОГО АППАРАТА ДЛЯ РЕАКТОРНЫХ УСТАНОВОК С ЖИДКОМЕТАЛЛИЧЕСКИМ ТЕПЛОНОСИТЕЛЕМ

Тарасов Николай Владимирович; Новикова Галина Сергеевна; Самкотрясов Сергей Владимирович

DOI: 10.24937/2542-2324-2021-2-S-I-76-79 УДК: 621.039.534+66.021.3

Н.В. Тарасов, Г.С. Новикова, С.В. Самкотрясов

АО ОКБ «Гидропресс», Подольск, Россия

РАЗРАБОТКА УСОВЕРШЕНСТВОВАННОЙ КОНСТРУКЦИИ МАССООБМЕННОГО АППАРАТА ДЛЯ РЕАКТОРНЫХ УСТАНОВОК С ЖИДКОМЕТАЛЛИЧЕСКИМ ТЕПЛОНОСИТЕЛЕМ

Целью работы являлась разработка усовершенствованной конструкции массообменного аппарата для реакторных установок (РУ) с жидкометаллическим теплоносителем. В качестве прототипов рассматривались имеющиеся конструкции массообменных аппаратов (МА), разработанные в АО «ГНЦ РФ-ФЭИ». В ходе работы была выполнена усовершенствованная конструкция массообменного аппарата с возможностью регулирования тока теплоносителя. Результаты интеллектуальной деятельности по разработке усовершенствованной конструкции массообменного аппарата позволили решить проблему контроля тока теплоносителя в основной тракт первого контура РУ со свинцово-висмутовым теплоносителем (СВТ).

Ключевые слова: быстрый реактор, свинцово-висмутовый теплоноситель, оксидирование, массообменный аппарат. Авторы заявляют об отсутствии возможных конфликтов интересов.

DOI: 10.24937/2542-2324-2021-2-S-I-76-79 UDC: 621.039.534+66.021.3

N. Tarasov, G. Novikova, S. Samkotryasov

JSC OKB Gidropress, Podolsk, Russia

DEVELOPMENT OF IMPROVED MASS TRANSFER APPARATUS FOR REACTORS WITH LIQUID-METAL COOLANT

This work was intended to develop an improved mass transfer apparatus for reactors with liquid-metal coolant. The prototypes were existing designs of mass transfer apparatuses developed by the Institute of Physics and Power Engineering (IPPE) JSC. The study yielded an improved design for mass transfer apparatus with adjustable coolant flow. The findings of this work made it possible to resolve the challenge of coolant flow control in the main duct of primary reactor circuits with Pb-Bi coolant.

Keywords: fast reactor, Pb-Bi coolant, oxidation, mass transfer apparatus. Authors declare lack of the possible conflicts of interests.

Введение

Introduction

В последнее время ведется активная разработка РУ с СВТ. Среди различных предлагаемых технологий реакторов на быстрых нейтронах с тяжелым жидко-металлическим теплоносителем (ТЖМТ) реакторы

с теплоносителем свинец - висмут по степени освоенности занимают место между натриевыми БР традиционного типа, освоенными в условиях эксплуатации реакторов АЭС, и БР со свинцовым теплоносителем, осваиваемым на лабораторных стендах. Эта технология, опирающаяся на критически осмысленный опыт эксплуатации реакторов с СВТ на атомных подвод-

Для цитирования: Тарасов Н.В., Новикова Г.С., Самкотрясов С.В. Разработка усовершенствованной конструкции массообменного аппарата для реакторных установок с жидкометаллическим теплоносителем. Труды Крыловского государственного научного центра. 2021; Специальный выпуск 2: 76-79.

For citations: Tarasov N., Novikova G., Samkotryasov S. Development of improved mass transfer apparatus for reactors with liquid-metal coolant. Transactions of the Krylov State Research Centre. 2021; Special Issue 2: 76-79 (in Russian).

ных лодках (АПЛ), наиболее подготовлена (в сравнении с другими инновационными технологиями) к реализации на опытно-промышленном блоке.

К основным причинам, определившим выбор СВТ в качестве теплоносителя первого контура РУ, относятся:

1. Высокая (~1670 °С) температура кипения СВТ, что дает возможность отказаться от компенсатора давления и иметь низкое избыточное давление (на уровне 0,01 МПа) защитного газа в компенсаторе объема СВТ (буферной емкости), при этом:

■ значительно упрощается конструкция РУ (нет компенсатора давления и сложной системы компенсации давления);

■ значительно повышается безопасность РУ (нет проблемы кризиса теплоотдачи, практически исключается вероятность потери герметичности газовой системы, исключаются аварии типа LOCA с течью СВТ во второй контур, а при интегральной компоновке первого контура в едином прочном корпусе с наружным защитным кожухом исключаются и аварии с течью СВТ в помещение РУ);

■ уменьшается толщина стенок оборудования первого контура и газовой системы (в интегральной компоновке первого контура - толщина стенки корпуса реакторного моноблока) и отсутствует ограничение на маневренность РУ по условиям термоциклической прочности.

2. Химическая инертность теплоносителя, исключающая выделение водорода и экзотермические реакции при контакте СВТ с водой и воздухом, возможном в условиях аварийных ситуаций, что обеспечивает взрыво- и пожаробезопасность как при межконтурных течах парогенератора (ПГ), так и при гипотетических течах СВТ за пределы реакторного моноблока. Это исключает необходимость быстрого вывода РУ из действия при возникновении межконтурной неплотности в ПГ. Поступающий при этом в первый контур пар сепарируется на свободном уровне СВТ и конденсируется в конденсаторе газовой системы.

3. Невысокая температура плавления СВТ (~125 °С), обеспечивающая возможность ремонта оборудования первого контура и перегрузку топлива без дренирования СВТ при поддержании его в жидком состоянии при температуре 140-160 °С за счет работы системы обогрева.

4. Большой практический опыт применения СВТ в РУ АПЛ, в реакторных стендах-прототипах и многочисленных экспериментальных установках и стендах.

Помимо основных узлов в реакторах на СВТ (активная зона (а.з.), внутрикорпусные устройства (ВКУ), привода системы управления и защиты (СУЗ) и т.д.) используются вспомогательные системы, например оборудование технологии теплоносителя (ТТ). В данной работе речь пойдет как раз об оборудовании ТТ, в частности о массообменном аппарате. Целью является разработка усовершенствованной конструкции МА.

Описание конструкции существующих массообменных аппаратов

Description of existing mass transfer apparatus designs

Впервые применение свинцово-висмутового теплоносителя в быстром реакторе рассмотрел А.И. Лей-пунский в 1950 г. в работе при оценке возможности создания реактора-бридера. Однако низкие в сравнении с натрием теплопередающие свойства этого теплоносителя не позволяли получить достаточно высокую энергонапряженность активной зоны и короткое время удвоения плутония даже при коэффициенте воспроизводства (КВ), заметно превышающем единицу. Поэтому при дальнейшей разработке быстрых реакторов-бридеров в качестве теплоносителя повсеместно был принят натрий, а эвтектический сплав свинец - висмут был предложен А.И. Лейпунским в качестве теплоносителя реакторных установок АПЛ.

Особенностью СВТ является активное взаимодействие с металлом контура его циркуляции, поэтому одним из основных вопросов надежности РУ с СВТ является поддержание коррозионной стойкости в первом контуре. Коррозионная стойкость первого контура в РУ с СВТ достигается поддержанием определенного уровня кислорода в сплаве, который обеспечивается работой оборудования ТТ, состоящего из датчика активности кислорода (ДАК) и мас-сообменного аппарата.

При помощи ДАК контролируется термодинамическая активность кислорода в теплоносителе. Контроль активности кислорода необходим по той причине, что при эксплуатации РУ с СВТ его активность падает из-за формирования на стенках металла оксидных пленок. По данным с ДАК, при достижении определенного уровня кислорода в сплаве осуществляются включение и выключение МА.

Принцип действия МА основан на формировании на стенках первого контура оксидных пленок, которые предотвращают зашлаковывание контура

Н.В. Тарасов, Г.С. Новикова, С.В. Самкотрясов. Разработка усовершенствованной конструкции массообменного аппарата для реакторных установок с жидкометаллическим теплоносителем

It?

6

1 - нагреватель;

2 - реакционная емкость;

3 - корпус;

4 - эжектор;

5 - байпасная линия;

6 - труба основного контура;

7 - вентиль

Л

а)

Рис. 1. Массообменный аппарат (МА) петлевого типа: а) МА с внешним нагревателем; б) МА с внутренним нагревателем

Fig. 2. Loop-type mass transfer apparatus with external (a) and internal (b) heater

б)

Si

Нагревател]

Двигатель насоса

Встроенный насос

Рис. 2. Массообменный аппарат (МА) погружного типа: а) МА с внутренним нагревателем; б) МА пневмодозаторного типа; в) МА со встроенным насосом

Fig. 2. Immersed mass transfer apparatus with a) internal heater; b) pneumatic dispenser; c) built-in pump

и образование коррозии металла. Кислород поступает в основной тракт циркуляции посредством расплавления в горячем теплоносителе шариковой засыпки оксида свинца.

При этом остается важный вопрос надежного функционирования МА в условиях первого контура РУ с СВТ. АО «ГНЦ РФ - ФЭИ» были предложены МА с различным конструктивным исполнением:

1.

2.

МА петлевого типа (рис. 1):

■ МА с внешним нагревателем (а);

■ МА с внутренним нагревателем (б). МА погружного типа (рис. 2):

■ МА с внутренним нагревателем (а);

■ МА пневмодозаторного типа (б);

■ МА со встроенным насосом (е).

Результаты разработки усовершенствованной конструкции массообменного аппарата

Development results for improved mass transfer apparatus

В ходе разработки усовершенствованного массообменного аппарата была получена конструкция, позволяющая контролировать ток теплоносителя максимально надежным способом, ограничивая его попадание в основной тракт первого контура РУ с СВТ, что не являлось возможным на имеющихся прототипах. Работоспособность имеющейся конструкции была обоснована теплогидравлическим расчетом, проведенным в АО ОКБ «Гидропресс».

3

2

5

1

Список использованной литературы

1. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям / Под ред. М.О. Штейнберга. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1992.

2. АсхадулинР.Ш., ЛегкихАЮ, СимаковАА., ГавриковЕ.В. Результаты измерения гидравлического сопротивления зернистого слоя оксида свинца в потоке свинцово-висму-тового теплоносителя // Вопросы атомной науки и техники. Сер. Ядерно-реакторные константы. 2014. № 1.

3. Асхадулин Р.Ш., Легких АЮ. Расчетная оценка изменения производительности массообменного аппарата за счет расходования запаса кислорода // Вопросы атомной науки и техники. Сер. Ядерно-реакторные константы. 2019. № 1.

References

1. Idelchik I. Hydraulic resistances. Reference Book. Under ed. of M. Shteinberg. 3rd ed., enl. and rev. Moscow: Mashinostroyeniye, 1992 (in Russian).

2. Askhadulin R., Legkikh A., Simakov A., Gavrikov Ye. The measurement results of the hydraulic resistance of the lead oxide granular layer in the lead-bismuth coolant // Problems of Atomic Science and Technology. Series: Nuclear and Reactor Constants. 2014. No. 1 (in Russian).

3. Askhadulin R., Legkikh A. Estimating the change of a mass exchanger productivity on account of oxygen resource decreasing // Problems of Atomic Science and Technology. Series: Nuclear and Reactor Constants. 2019. No. 1 (in Russian).

Сведения об авторах

Тарасов Николай Владимирович, инженер-конструктор 3-й категории АО ОКБ «Гидропресс». Адре^ 142103, Россия, Московская область, Подольск, ул. Орджоникидзе, д. 21. Тел. +7 (495) 500-57-32 (доб. 1521). E-mail: grpress@grpress.podolsk.ru.

Новикова Галина Сергеевна, инженер-конструктор 2-й категории АО ОКБ «Гидропресс». Адре^ 142103, Россия, Московская область, Подольск, ул. Орджоникидзе, д. 21. Тел. +7 (495) 500-57-32 (доб. 1629). E-mail: grpress@ grpress.podolsk.ru.

Самкотрясов Сергей Владимирович, начальник группы АО ОКБ «Гидропресс». Адре^ 142103, Россия, Московская область, Подольск, ул. Орджоникидзе, д. 21. Тел. +7 (495) 50057-32 (доб. 3133). E-mail: grpress@grpress.podolsk.ru.

About the authors

Nikolay V. Tarasov, 3nd Category Design Engineer, JSC OKB Gidropress. Address: 21, Ordzhonikidze st., Podolsk, Moscow Region, Russia, post code 142103. Tel.: +7 (495) 500-57-32, ext. 1521. E-mail: grpress@grpress.podolsk.ru. Galina S. Novikova, 2nd Category Design Engineer, JSC OKB Gidropress. Address: 21, Ordzhonikidze st., Podolsk, Moscow Region, Russia, post code 142103. Tel.: +7 (495) 500-57-32, ext. 1629. E-mail: grpress@grpress.podolsk.ru. Sergey V. Samkotryasov, Head of Group, JSC OKB Gidropress. Address: 21, Ordzhonikidze st., Podolsk, Moscow Region, Russia, post code 142103. Tel.: +7 (495) 500-57-32, ext. 3133. E-mail: grpress@grpress.podolsk.ru.