КОНЦЕПТУАЛЬНЫЙ ПРОЕКТ КОНСТРУКЦИИ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО РЕАКТОРА С ТВЕРДЫМ ТЕПЛОНОСИТЕЛЕМ

Русская мебель XIX века
История мебели
ДИЗАЙН-ПРОЕКТИРОВАНИЕ КОСТЮМА
Моделирование
Стиль
Ассортимент
ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
ДЕТСКОЙ ОДЕЖДЫ
ОБРАЗНО-АССОЦИАТИВНЫЙ ПОДХОД
К ПРЕКТИРОВАНИЮ КОСТЮМА
Ансамбль
КЛАССИФИКАЦИЯ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ
И КОЛЛЕКЦИЙ
ОСНОВНЫЕ ТЕНДЕНЦИИ В СОВРЕМЕННОМ
ДИЗАЙНЕ ОДЕЖДЫ
Художественное восприятие произведений
дизайна
Работа с деревом Советы мастера
Курс
лекций по ТОЭ и типовые задания
Источники электрической энергии
Расчет цепей постоянного тока по законам
Кирхгофа
Выполним расчет цепи по методу контурных токов
Реактивные сопротивления элементов цепи
Найдем комплексные амплитуды токов
Параметры элементов схем реактивных
двухполюсников
Амплитудный и фазовый спектры напряжения
Расчет переходных процессов в электрических
цепях
Найти токи во всех ветвях
Расчет переходных процессов при импупьсных
воздействиях

Атомная энергетика

Энергетический реактор на быстрых нейтронах
Принцип работы атомных электрических станций
Примеры курсового расчета по дисциплине
"Теоретическая механика"
Проекция силы на ось
Уравнения равновесия плоской системы
сходящихся сил
Момент сил относительно точки и оси
Сумма статических моментов
Ускорение точки
Кинематические пары и цепи
Работа и мощность при вращательном движении
Сила трения качения
Построение эпюр продольных сил
Расчеты на срез и смятие
Расчеты на прочность и жесткость
Понятие о сложном деформированном
состоянии
Понятие о теориях прочности
Основные требования к машинам и деталям
Классификация машин
Храповые механизмы
Ременные передачи
Шпоночные и зубчатые (шлицевые) соединения
Назначение и классификация муфт
Сварные соединения

 

Одним из направлений создания ядерного реактора повышенной безопасности является концепция высокотемпературного реактора с твердым теплоносителем (ВРТТ). Основной принцип работы реактора ВРТТ основывается на охлаждении активной зоны шарообразными теплонесущими частицами из графита с пироуглеродным покрытием диаметром приблизительно один миллиметр. Перенос тепла твердым теплоносителем осуществляется в среде инертного газа при давлении в первом контуре, близком к атмосферному.

Исследования по изучению возможности использования твердого теплоносителя на основе мелкодисперсных частиц графита для охлаждения активной зоны ядерного реактора на тепловых нейтронах позволили выявить конкретные условия, необходимые для выполнения основных требований к твердому теплоносителю. Результаты проведенных исследований кратко изложены в работе [2]. Для доказательства способности предложенного теплоносителя двигаться под действием силы тяжести плотным слоем с достаточно высокой скоростью и для изучения износостойкости частиц в НИИ «НПО «Луч» был проведен комплекс экспериментальных работ. Результаты исследований подтвердили возможность равномерного неразрывного движения под действием сил тяжести твердого теплоносителя на основе сферических частиц графита с пироуглеродным покрытием со средним диаметром 1 мм. При использовании такого теплоносителя в активной зоне ядерного реактора могут быть достигнуты скорости теплоносителя и коэффициенты теплопередачи, позволяющие реализовать плотности энерговыделения, характерные для высокотемпературных газоохлаждаемых реакторов. Таким образом, было показано, что идея использования твердого теплоносителя принципиально может быть реализована для высокотемпературного ядерного реактора на тепловых нейтронах.

В интегральном корпусе ВРТТ, заполненном инертным газом, расположены: активная зона, отражатель нейтронов, боковая и верхняя биологическая защита, верхний (раздающий) бункер с запасом твердого теплоносителя, устройства подъема охлажденного теплоносителя из нижних приямков в верхний бункер, теплообменники первый-второй контур (пар при сверхкритических параметрах), а также теплообменники пассивного отвода тепла к атмосферному воздуху. Активная зона реактора составляется из сравнительно коротких вертикально расположенных ТВЭЛов цилиндрической формы, снабженных в верхней и нижней части обтекателями. Тепловыделяющие элементы собираются в сборку таким образом, что каждый нижний слой ТВЭЛов расположен по отношению к верхнему слою со сдвигом, так что нижний слой ТВЭЛов располагается в середине пространства под теплоноситель верхнего слоя (рисунок 1). Дистанционирующие и стягивающие элементы, с помощью которых ТВЭЛы собираются в сборку, расположены так, чтобы оказывать минимальное сопротивление потоку теплоносителя и в то же время способствовать его турбулизации. Подобная конфигурация элементов активной зоны позволяет при сравнительно высоких скоростях теплоносителя иметь безразрывный равномерный по плотности поток и обеспечивает его эффективную турбулизацию с минимальными потерями на трение.

горизонтальный

1 – горизонтальный дистанционирующий элемент;

2 – элемент вертикального дистанционирования; 3 – тепловыделяющий элемент

Рисунок 1 – Фрагмент тепловыделяющей сборки

Потеря твердого теплоносителя активной зоной автоматически приводит к остановке реактора даже без срабатывания аварийной защиты, т.к. теплоноситель одновременно является основным замедлителем. При остановке подъемников теплонесущие частицы из верхнего бункера перетекают через активную зону и теплообменники в нижние резервные бункеры. Охлаждение активной зоны после потери основного теплоносителя выполняется инертным газом, постоянно находящимся в корпусе реактора и начинающим проходить через освободившуюся от твердого теплоносителя активную зону.

На рисунке 2 схематически изображен разрез реакторной установки ВРТТ.

Отвод тепла от инертного газа осуществляется системой пассивного отвода тепла, смонтированной на верхней части корпуса реактора. Охлажденный инертный газ опускается по периферии стенок интегрального корпуса до уровня верха теплообменников, где сквозь специальные проходы поступает под нижний срез активной зоны. Реактор ВРТТ в рассматриваемом концептуальном проекте имеет тепловую мощность 3560 МВт. Предполагается использовать реактор для работы с двумя промышленно выпускаемыми турбоагрегатами К-800-240 на перегретом паре при сверхкритических параметрах по 800 МВт электрической мощности каждый. В качестве топлива выбраны микроТВЭЛы и изготовленные на их основе топливные компакты. Размеры топливных компактов приняты по аналогии с проектом реактора ГТ-МГР. Компоновка реакторной установки такова, что активная зона конструктивно находится в верхней части интегрального корпуса реактора, а теплообменники и твердый теплоноситель – вода и пар на сверхкритических параметрах – в нижней части установки.

Реакторная

1 – корпус; 2 – опора; 3 – подъемники теплоносителя; 4 – многодырчатый шибер;

5 – нижний бункер для теплоносителя; 6 – верхний бункер для теплоносителя;

7 – активная зона; 8 – отражатель; 9 – биологическая защита; 10 – теплообменники,

11– теплообменники пассивного отвода тепла к атмосферному воздуху

Рисунок 2 – Реакторная установка

При тепловой мощности 3560 МВт и электрической 1600 МВт (брутто) параметры активной зоны и основных элементов корпуса выглядят следующим образом.

Тепловыделяющие элементы (на основе микроТВЭЛов) цилиндрической формы внешним диаметром 20 мм (под топливный компакт диаметром 1,25 см, разработанный для реактора GT-MHR) собираются в решетку с шагом 32 мм. Высота активной части ТВЭЛа 35 см, с учетом двух обтекателей конической формы габаритная высота составляет 43 см. Геометрические параметры топливного компакта были приняты такими же, как и для реактора GT‑MHR с учетом практической проработанности технологии. Тепловыделяющие элементы собираются в ТВС в квадратную решетку 16´16 в 2 слоя по высоте. Шаг решетки СУЗ – 512 мм. Активная зона содержит 2360 ТВС, расположенных вертикально по 8 штук в 295 столбах ТВС. Активная зона имеет диаметр 10 м и габаритную высоту 5,68 м, при этом высота по топливу составляет 5,6 м.

Верхний бункер содержит запас теплоносителя объемом около 550 м3. Объем теплоносителя в активной зоне, вплоть до дырчатого шибера (с учетом пространства от низа ТВЭЛов до шибера ~ 15 см), составляет ~ 310 м3. Ниже шибера предусмотрено наличие свободного пространства (~ 3,5 м между низом активной зоны и верхним уровнем теплообменников) для организации циркуляции газа через активную зону после ухода основного теплоносителя, что дает дополнительный объем, занимаемый теплоносителем ~ 190 м3. Таким образом, дополнительные сборники теплоносителя (нижние бункеры) должны иметь объем ~ 1050 м3.

Вторичные теплообменники в количестве 4 штук располагаются симметрично относительно вертикальной оси активной зоны с удалением от центра реактора на ~ 4 м. Нижние сборники теплоносителя находятся прямо под теплообменниками и имеют приблизительные размеры 10´5´8 м. В режиме стационарной работы реактора количество теплоносителя в верхнем бункере поддерживается на уровне 6…7 м регулировкой скорости забора теплоносителя из приямков подъемников. Нижние бункеры при этом практически пусты и играют роль транзитных каналов, по которым теплоноситель после прохождения теплообменников попадает в приямки подъемников.

Корпус реактора, заполненный гелием, имеет форму цилиндра высотой ~ 58 м и диаметром ~ 36 м. Реальное влияние гелия на теплоотдачу к твердому теплоносителю достаточно велико, однако практически не зависит от давления выше 0,03 МПа. При остановке и расхолаживании реактора давление гелия снижается по мере охлаждения до 0,07 МПа. При этом отсутствует необходимость в системе регулирования массы гелия в корпусе в зависимости от уровня мощности реактора.

Безопасность реактора обуславливается отсутствием давления в первом контуре, естественным самозаглушением в случае аварий и пассивным расхолаживанием без каких-либо движущихся или требующих подвода энергии систем, наличием контейнмента. Экономия в потреблении урана, оцениваемая для данного проекта в ~ 40 % по сравнению в реакторами типа PWR, обусловлена высоким термическим КПД (~ 45 %). По завершению работ по использованию плутония в микроТВЭЛах HTGR, которые сейчас ведутся в мире, ВРТТ может использоваться как сжигатель плутония и минорных актинидов.

В таблице приведены предварительные экономические оценки для ВРТТ в сравнении с другими достаточно мощными и освоенными промышленностью энергоустановками по среднемировым удельным затратам на сооружение*.

Таблица – Среднемировые удельные затраты сооружения разных типов электростанций, $/кВт мощности

ТЭС на паровых турбинах, на газе*

ТЭС на паровых турбинах, на угле*

ТЭС на ПГУ, на газе*

АЭС*

ВРТТ

Территория и здания

300

400

250

600

300

Тепловое оборудование (турбины, котлы)

250

300

300

250

250

Реактор, защита

1000

400

Электрооборудование (генераторы, трансформаторы, регулирование)

150

150

150

200

150

Водо- и воздухоподготовка и очистка выхлопа

200

300

50

100

50

Проектные работы и расходы

55

60

50

100

100

Итого

~950

~1200

~800

~2300

~1250

Примечание – * – журнал Эксперт № 25 (567) от 2 июля 2007 со ссылкой на академика РАН О.Н. Фаворского

Удельные затраты для реактора ВРТТ приведены с учетом следующих соображений. Затраты по разделу «Территория и здания» аналогичны затратам для ТЭС на паровых турбинах на газе. Затраты по разделу «Тепловое оборудование» (турбины, котлы) для ВРТТ приняты с учетом установки стандартных турбин с их обвязкой равными затратам на тепловое оборудование для ТЭС на газе. В этой строке учтена стоимость парогенераторов ВРТТ ввиду их близости по размерам и массе огневым котлам. Отсутствие топочного оборудования, защитных экранов, систем впрыска воды в огневые котлы идет в запас оценки.

Затраты по разделу «Реактор, защита» оценены с учетом отсутствия корпуса реактора, элементов первого контура, несущих давление 16 МПа, компенсатора давления, трубопроводов, насосов, гидроемкостей, парогенераторов (стоимость парогенераторов учтена в графе «Тепловое оборудование»). Кроме того, в ВРТТ отсутствуют системы водоподготовки и водоочистки первого контура, утилизации активных химреагентов. Газоплотная оболочка ВРТТ рассчитана на переменное по знаку давление до 0,05 МПа и изготавливается на месте. Используются тихоходные (1,5…2,0 м/с) подъемники теплоносителя.

Система отбраковки изношенных теплонесущих частиц основана на гравитационном просеивании байпасного потока. Контейнмент ВРТТ несет защитную функцию только от внешних воздействий.

Затраты по разделу «Водо- и воздухоподготовка и очистка выхлопа» учитывают для ВРТТ установки очистки и охлаждения гелия.

Итог сравнения таков. При среднемировой цене установленного киловатта на АЭС ~$2300 против ~$950 на ТЭС на газе, ~$1200 на ТЭС на угле, ~$800 для ТЭС на ПГУ на газе, для предлагаемого ВРТТ «среднемировая» стоимость установленного киловатта равна ~$1250. Эта цифра незначительно выше капитальных затрат на ТЭС на органическом топливе, но на ~ 45 % ниже стоимости затрат на АЭС.

Простота конструкции ВРТТ позволяет предположить высокие темпы сооружения. Несмотря на то, что на изготовление турбин требуется 18…20 месяцев, при серийном изготовлении турбин это время не входит в график сооружения. То же самое можно сказать и о теплообменном оборудовании. Таким образом, учитывая отсутствие на строительной площадке работ по монтажу и стыковке узлов и агрегатов, работающих при высоком давлении (~16 МПа для PWR), многочисленных систем безопасности, водоочистки первого контура, сложного контейнмента, можно оценить срок сооружения АЭС с ВРТТ в 28…30 месяцев.

Для реализации идеи энергетического реактора с твердым теплоносителем необходимо экспериментальное уточнение коэффициентов теплоотдачи и скорости износа теплонесущих частиц, что можно выполнить на экспериментальной установке с электрическим обогревом. В свое время для этой цели в НИИ НПО ЛУЧ были освобождены подходящие помещения. Принципиально технология использования твердого теплоносителя имеет высокие запасы надежности по элементам, влияющим на работоспособность и безопасность. Прочность графита, в отличие от всех известных материалов, растет до температуры 2700 °С. Температура микроТВЭЛов не превышает 1500 °С при всех изученных аварийных режимах. Износ теплонесущих частиц или оболочек ТВЭЛов в пределах 10 % не влияет на показатели надежности и реактивность.

Особенностью предложенной концепции является возможность строить реакторы малой и средней мощности для региональных нужд. Отсутствие необходимости изготавливать оборудование первого контура, рассчитанного на высокое давление, как и отсутствие давления в рабочем режиме, играет решающую роль.

На главную