Трибология контуров инновационных реакторов на быстрых нейтронах с ТЖМТ Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГЕТИКА И ТЕХНИЧЕСКАЯ ФИЗИКА

УДК 621.039.534

11 2 1 А.В. Безносов , Т.А. Бокова , Ю.Н. Дроздов , К.А. Махов

ТРИБОЛОГИЯ КОНТУРОВ ИННОВАЦИОННЫХ РЕАКТОРОВ НА БЫСТРЫХ

НЕЙТРОНАХ С ТЖМТ

Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева1, Институт машиноведения им А. А. Благонравова РАН

Для обеспечения ресурсной работоспособности проектируемых в настоящее время контуров с инновационными реакторами на быстрых нейтронах необходимо подтверждение работоспособности новых технических решений проектируемых реакторных установок типа БРЕСТ и СВБР. При проведении проектных работ вопросам триботехники в элементах реакторных контуров в среде тяжелых жидкометаллических теплоносителей внимания практически не уделяется. Свинцовый и свинец-висмутовый теплоносители указанных установок обладают рядом особенностей, не позволяющих применять традиционные смазочные среды для узлов и механизмов реакторных контуров типа БРЕСТ и СВБР. В НГТУ проводятся экспериментальные и теоретические исследования трибологических характеристик элементов реакторных контуров в среде тяжелых жидкометаллических теплоносителей.

Ключевые слова: трибология, тяжелый жидкометаллический теплоноситель, реактор на быстрых нейтронах, зона контакта, контактная пара, возвратно-поступательное движение, пристенный слой.

Согласно решениям Правительства Российской Федерации энергоблоки с инновационными реакторами на быстрых нейтронах, охлаждаемыми свинец-висмутовыми и свинцовым теплоносителями, должны быть построены и введены в работу на площадках НИИАР (в Димитровграде) и на Белоярской АЭС в период 2017-2020 гг.

Наша страна располагает значительным опытом создания и эксплуатации транспортных реакторных установок со свинец-висмутовым теплоносителем атомных подводных лодок проектов 645,705 и 705К, а также исследований и отработки технологий и оборудования со свинцовым теплоносителем. При проведении этих работ вопросам триботехники в элементах реакторных контуров в среде тяжелых жидкометаллических теплоносителей внимания практически не уделялось. Однако имевшие место аварийные ситуации и необходимость обеспечить ресурсную работоспособность установок при работе энергоблока не с моделью эксплуатации АПЛ, а с работой в течение нескольких десятилетий на номинальной мощности, инициировали проведение исследований и созданию новой области трибологии - трибологии в среде высокотемпературных свинцового и свинец-висмутового теплоносителей. Особенностью этой области является следующее: невозможность применения традиционных смазочных сред в контакте с расплавами жидких металлов; высокая (400-5500С) температура контактных поверхностей; малая вязкость жидкометаллических теплоносителей; несмачиваемость рабочих поверхностей (сталей, чугунов), покрытых оксидными покрытиями теплоносителями; возможность интенсивного отвода тепла из зон контакта трущихся пар жидкоме-таллическими теплоносителями; концентрация в зоне контакта пар трения мелкодисперсных частиц и примесей (оксидов теплоносителей, соединений элементов конструкционных материалов - продуктов коррозионно-эрозионного износа, случайных загрязнений), образующих

© Безносов А.В., Бокова Т.А., Дроздов Ю.Н., Махов К.А., 2012.

дисперсную систему с ярко выраженными поверхностными свойствами, отличающимися от свойств основного объема теплоносителя; на порядок большая плотность по сравнению с традиционными реакторными теплоносителями (натрий, вода); большая величина поверхностного натяжения, по сравнению с традиционными теплоносителями.

Наличие пристенного смазочного слоя, в состав которого входят оксидированная поверхность конструкционного материала контактных поверхностей и расположенная между ними (постоянно или периодически) дисперсная система из жидкометаллического теплоносителя с мелкодисперсными частицами примесей, является специфической особенностью свинцового и свинец-висмутового теплоносителей в отличие от традиционных воды и натрия [1] (рис. 1). Пристенный смазочный слой обладает антифрикционными свойствами.

1

Рис. 1. Модель пристенной области циркуляционного контура:

1 - конструкционный материал; 2 - защитное оксидное покрытие; 3 - дисперсная система: жидкометаллический теплоноситель-дисперсные частицы примесей

Основными элементами рассматриваемых реакторных контуров, содержащих контактные пары трения в среде расплавов свинца и эвтектики свинец-висмут и являющимися объектами трибологии, являются следующие: главные циркуляционные насосы, наиболее ответственными элементами которых являются подшипники скольжения, работающие в среде высокотемпературных жидких металлов при высоких скоростях и нагрузках; элементы системы управления и защиты реактора; стержни с нейтронопоглощающим веществом, помещенные в стальную оболочку, которая является поверхностью трения о внутреннюю поверхность чехла стержня-поглотителя в среде теплоносителя; элементы системы перезагрузки ядерного топлива в виде шестерни или других деталей, содержащих поверхности трения в среде теплоносителя; трубная система парогенераторов в виде трубок, контактирующих с дистанционирующими решетками, рейками и другими элементами; концевики тепловыделяющих элементов, контактирующие с дистанционирующими решетками и др. Поверхности конструкционных материалов контура, контактирующие с поверхностью движущегося потока высокотемпературного жидкого металла, также можно рассматривать как объект, трибологии.

Приведем связанные с трибологией примеры тяжелых аварий с радиационно-опасными последствиями в отечественных реакторных контурах со свинец-висмутовым теплоносителем. В парогенераторе МП-7 реакторного контура АПЛ пр.705 под действием динамического напора жидкого металла ру2/2 произошло разрушение дистанционирующих решеток трубной системы парогенератора. Под воздействием нестационарного потока высокотемпературного свинец-висмутового теплоносителя возник процесс периодического кон-

такта поверхностей парогенерирующих трубок из перлитной стали. В результате истирания поверхностей контакта, внешние стенки трубок на локальном участке парогенератора из цилиндрических стали шестигранными вплоть до сквозного истирания стенки трубки и аварийного поступления рабочего тела в реакторный контур, что привело к аварийному замораживанию теплоносителя в одном из трёх парогенераторов реакторной установки. При этой аварии теплоноситель с полониевой радиоактивностью заполнил трубки и полости рабочего тела аварийного парогенератора, удаление которого потребовало проведение радиационно-опасных работ.

В главном циркуляционном насосе реакторного контура со свинец-висмутовым теплоносителем вследствие самопроизвольного откручивания болта крепления рабочего колеса произошел частичный «сход» последнего с вала насоса. В результате этого произошел контакт и истирание материала вращающегося рабочего колеса и корпуса насоса, что привело к поступлению в контур более 1 дм3 продуктов истирания сталей. Это, в свою очередь, привело к существенному раскислению теплоносителя в контуре и к неконтролируемому и непрогнозируемому образованию отложений частиц примесей в контуре. В случае локализации объема этих примесей на входе в тепловыделяющие сборки активной зоны реактора могло произойти ухудшение теплосъема с участка активной зоны реактора, разрушение оболочек тепловыделяющих элементов и поступление топливосодержащих масс матрицы ядерного топлива в теплоноситель реакторного контура с потенциальными радиационноопасными последствиями.

Для обеспечения ресурсной работоспособности проектируемых в настоящее время контуров с инновационными реакторами на быстрых нейтронах, наряду с исследованиями и разрешением уже известных вопросов и проблем трибологии необходимо подтверждение работоспособности новых технических решений проектируемых реакторных установок. В качестве примера такого вопроса можно привести следующее. Традиционно в реакторных контурах применяют оборудование и трубопроводы, поверхность контакта которых с теплоносителем имеет такую малую шероховатость, что и закладывается в гидравлический расчет контура. Экспериментально доказано, что в процессе длительной эксплуатации реакторного контура на поверхностях конструкционных материалов, контактирующих со свинцовым теплоносителем, откладываются частицы примесей [2], увеличивающие шероховатость. Увеличение шероховатости приводит к увеличению расчетного гидравлического сопротивления контура. Такая ситуация не представляет потенциально опасности для контуров установок типа СВБР/100. В контурах реакторных установок типа БРЕСТ, в которых циркуляция теплоносителя через активную зону и парогенератор осуществляется за счет статического перепада высот, увеличение шероховатости поверхностей и вызванное этим увеличение гидравлического сопротивления могут привести к уменьшению расхода теплоносителя через активную зону и потребовать либо ограничения мощности энергоблока, либо необходимости повышения температуры теплоносителя на выходе из активной зоны.

В качестве примера исследований по рассматриваемой теме, проводимых в Нижегородском государственном техническом университете им. Р.Е. Алексеева, можно привести следующее. На экспериментальной установке (рис. 2), подключенной к циркуляционному стенду с высокотемпературным свинцовым теплоносителем, исследуются процессы, возникающие в зоне контактного взаимодействия оболочки стержня-поглотителя нейтронов и его чехла в среде свинцового и свинец-висмутового теплоносителя. В состав установки входят следующие основные элементы: электропривод с узлами преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное перемещение макета стержня-поглотителя нейтронов; концевые выключатели, обеспечивающие сигналы на изменение направления движения стержня-поглотителя; система автоматического управления движением стержня-поглотителя; тяга с устройством измерения усилия перемещающего стержня-поглотителя; стержень-поглотитель (модель) с чехлом и зазором между ними, через который осуществляется поток свинцового теплоносителя; штуцер подвода и отвода высокотемпературного теп-

лоносителя к экспериментальном установке; система защитного газа экспериментальном установки с уплотнением газового объема в районе перемещения тяги стержня-поглотителя.

Рис. 2. Схема экспериментального стенда для исследования процессов, возникающих в зоне контактного взаимодействия оболочки стержня-поглотителя нейтронов и его чехла в среде свинцового и свинец-висмутового теплоносителя:

1 - электродвигатель; 2 - магнит; 3 - концевые индуктивные выключатели;

4 - шариковая гайка; 5 - вал; 6 - датчик измерения напряжений растяжения и сжатия;

7 - экспериментальный образец; 8 - чехол; 9 - штуцер подвода ТЖМТ к экспериментальному участку; 10 - штуцер отвода ТЖМТ

Сущность эксперимента заключается в построении графических зависимостей в координатах «усилие - перемещение стержня-поглотителя» при варьируемых скоростях перемещения стержня-поглотителя; различных управляемо изменяемых состояниях пристенного смазочного слоя; различных расходах теплоносителя в зазоре; вызываемых этим гидравлических характеристик потока и триботехнических характеристик системы; изменения шероховатости контактных поверхностей; истирание и изменение микро- и макрогеометрии поверхностей оболочки стержня и чехла; изменение триботехнических характеристик при изменении радиального зазора между поверхностями контактной пары.

Анализ полученных результатов позволит рекомендовать экспериментально обоснованные оптимальные проектные и эксплуатационные решения этого узла СУЗ.

Заключение

Исследования проблем трибологии и анализ их результатов в контурах инновационных реакторов на быстрых нейтронах, охлаждаемых свинцовым и свинец-висмутовым теплоносителями, позволит разрабатывать обоснованные рекомендации к конструктивным решениям механизмов и оборудования контуров, содержащих контактные пары в среде высо-котемературных жидкометаллических теплоносителей.

Библиографический список

1. Безносов, А.В. Тяжелые жидкометаллические теплоносители в атомной энергетике / А.В. Безно-сов, Ю Г. Драгунов, В.И. Рачков. - М.: ИздАт, 2007. - 434 с.

2. Безносов, А.В. Оборудование энергетических контуров с тяжелыми жидкометаллическими теплоносителями в атомной энергетике / А.В. Безносов, Т.А. Бокова. - Н. Новгород: Литера, 2012. - 535 с.

Дата поступления в редакцию 24.04.2012

A. V. Beznosov1, T.A. Bokova1, Yu.N. Drozdov2, K.A. Makhov1

TRIBOLOGY CIRCUITS INNOVATIVE REACTORS ON FAST NEUTRONS WITH HLMC

Nizhny Novgorod State Technical University n.a. R.Y. Alekseev1, Mechanical Engineering Institute n.a. A.A. Blagonravov

Purpose: Development of sound recommendations to the constructive solutions of machinery and equipment circuits, containing the contact pairs in the environment high-temperature liquid metal heat carriers.

Design/methodology/approach: Lead and lead-висмутовый heat-carriers of these installations have a number of features, which do not allow to apply traditional lubricants environment for nodes and mechanisms of the reactor circuits type of BREST and SVBR. In the NSTU are conducted experimental and theoretical studies of the tribological characteristics of the elements of the reactor circuits in an environment of heavy liquid metal heat carriers. Findings: The analysis of the received results allow to recommend experimentally substantiated optimal design and operational decisions of the node of the system of management of the protection of the reactor

Research limitations/implications: Research of problems in tribology and analysis of their results in the contours of innovative fast neutron reactors, cooled lead and lead-bismuth coolant, will allow to develop sound recommendations to the constructive solutions of machinery and equipment circuits, containing contact pairs in the environment high-temperature liquid metal heat carriers.

Originality/value: The need for further research requires, first of all, the requirements for safe operation of power units cooled by heavy liquid metal coolants. Refinement of the hydrodynamic, thermal and performance characteristics may lead to an increase inthe safe operation of the circuit. Hence, the need for further theoretical and experimental work aimed at understanding the tribological characteristics of the circuit with a lead and lead-bismuth coolant.

Кеу word: tribology, heavy liquid metal cooled, fast reactors, the zone of contact, the contact pair reciprocating motion, boundary layer.