ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА

Решение относится к ядерной технике и может быть использовано в реакторных установках на быстрых нейтронах с охлаждением свинцовым или свинцово-висмутовым теплоносителем.
Известна ядерная энергетическая установка, содержащая реакторный блок с жидкометаллическим свинцовым теплоносителем с расположенной под свободным уровнем теплоносителя активной зоной, парогенератором, главными циркуляционными насосами, а также системой защитного газа («Белая книга ядерной энергетики» /под общей ред. проф. Е.О.Адамова/ М.: Из-во ГУП НИКИЭТ, 2001, стр.180, стр.191).
Известна ядерная энергетическая установка, содержащая реактор с жидкометаллическим свинцово-висмутовым теплоносителем с размещенной под свободным уровнем теплоносителя активной зоной, парогенераторами, главными циркуляционными насосами с числом оборотов вала насоса около 600 об/мин. Принимаем ее за прототип (А.В.Безносов, Ю.Г.Драгунов, В.И.Рачков «Тяжелые жидкометаллические теплоносителя в атомной энергетике» / М.: ИздАт, 2007, стр.12-15)
Недостатком данного прототипа является относительно небольшое число оборотов главных циркуляционных насосов реакторного контура. Также число оборотов обусловлено использованной методикой расчета насоса, разработанной применительно к традиционным теплоносителям (воде, натрию). Согласно этим методикам проектирование проточной части насоса выполняется исходя из условия, что минимальное абсолютное давление, возникающее в проточной части насоса (в области входа в рабочее колесо) превышает давление насыщенного пара при максимальной рабочей температуре перекачиваемой жидкости (теплоносителя).
Свинцово-висмутовый и свинцовый теплоносители существенно отличаются по своим физическим свойствам от традиционных теплоносителей. Температура кипения тяжелых жидкометаллических теплоносителей при рабочем давлении в реакторном контуре составляет около 1600°С, что более, чем на 1000°С превышает рабочую температуру в ядерной энергетической установке. Это обстоятельство, а также высокая теплопроводность жидкого металла исключает традиционную кавитацию в проточной части насоса, в процессе которой в зонах пониженного давления происходит вскипание теплоносителя и нарушение сплошности потока рабочей жидкости с образованием, дальнейшим развитием и схлопыванием парогазовых пузырей при движении потока в проточной части насоса в области с пониженным давлением. Этот процесс может разрушать элементы конструкций вследствие кавитационной эрозии. В устройствах с традиционными теплоносителями (натрий, вода) число оборотов насоса определяется недопущением кавитации в локальных зонах на периферии рабочего колеса насоса. Необоснованное занижение числа оборотов вала главных циркуляционных насосов реакторного контура приводит к увеличению диаметра рабочего колеса и массогабаритных характеристик насоса в целом, к уменьшению выбега насоса, что негативно сказывается на условиях теплоотвода от активной зоны реактора в аварийных ситуациях, увеличивает стоимость насоса.
В рабочих условиях реакторных контуров со свинцовым и свинцово-висмутовым теплоносителями на поверхностях конструкционных материалов контура, включая насос, формируются и поддерживаются защитные покрытия, обеспечивающие несмачиваемость поверхностей контура жидкометаллическим теплоносителем. Как показали исследования, проведенные в НГТУ (Специфика циркуляционных насосов реакторных контуров со свинцовым и свинец-висмутовым теплоносителями, Безносов А.В., Антоненков М.А., Боков П.А., Баранова B.C., Кустов М.С., - известия вузов. Ядерная энергетика, №4, 2009, стр.155-161. Отчет научно-исследовательской работе «Проектирование макетного образца осевого насоса». Результаты экспериментальных исследований по теме «Определение кавитационных характеристик макетного образца осевого насоса для циркуляции высокотемпературного свинцового теплоносителя». Научно-техническая проработка темы, разработка документации и монтаж циркуляционных трубопроводов исследовательского стенда», инв. №09/1952НТ0.02 от 01.11.2009), а также опыт эксплуатации в НГТУ циркуляционных насосов, перекачивающих свинцовый и свинец-висмутовый теплоноситель, работоспособность насосов обеспечивается при температуре перекачиваемой среды до 500°С.
Решаемая задача - совершенствование конструкции главных циркуляционных насосов и реакторного блока ядерной энергетической установки в целом в части соотношения числа оборотов насосов и диаметра их рабочих колес. При осуществлении предлагаемого решения могут быть получены следующие технические результаты:
- во первых - увеличение числа оборотов насосов и уменьшение диаметра их рабочих колес;
- во вторых - уменьшение массогабаритных характеристик главных циркуляционных насосов реакторного контура;
- в третьих - уменьшение диаметра валов главных циркуляционных насосов;
- в четвертых - увеличение выбега главных циркуляционных насосов и, соответственно, улучшение теплоотвода от активной зоны реактора в аварийных ситуациях.
Технический результат достигается тем, что в ядерной энергетической установке, содержащей реактор с жидкометаллическим теплоносителем с размещенной под свободным уровнем активной зоной, парогенераторами, главными циркуляционными насосами, а также системой защитного газа, рабочие колеса главных циркуляционных насосов спроектированы таким образом, что произведение диаметра рабочих колес (в м) на их число оборотов (в об/мин) D*n имеет значение от 500 до 700.
При увеличении значения этого произведения возможно возникновение газовой кавитации, обусловленное укрупнением и агломерированием мелких (порядка микрометров) газовых пузырей, содержащихся в жидкометаллическом теплоносителе и, вследствие этого, нарушением сплошности потока перекачиваемой жидкости. Уменьшение значения этого произведения, нецелесообразно, т.к. увеличивает массогабаритные характеристики и ухудшает экономические характеристики насоса.
Оптимальная величина произведения числа оборотов насосов на диаметр рабочего колеса определяется исходя из особенностей физических свойств свинцового и свинцово-висмутового теплоносителей на основе расчетно-теоретических исследований и экспериментальных испытаний.
На чертеже представлена схема ядерной энергетической установки.
В реакторном блоке 1 со свинцово-висмутовым теплоносителем под свободным уровнем теплоносителя 2 размещены активная зона 3, парогенераторы 4, главные циркуляционные насосы 5 с рабочими колесами осевого типа 6, диаметр которых выбран таким образом, что его произведение на число оборотов в минуту D*n имеет значение от 500 до 700. Вал 7 и рабочее колесо 6 находятся в кессоне 8 насоса. В состав реакторного блока входит система защитного газа над свободным уровнем теплоносителя с газовым объемом 9 в реакторном блоке.
Работа ядерной энергетической установки осуществляется следующим образом. Синхронно с увеличением мощности энерговыделения в активной зоне реактора увеличивается число оборотов вала 7 главных циркуляционных насосов 5 и увеличивается подача жидкометаллического теплоносителя рабочими колесами 6. Теплоноситель с напора насоса поступает в активную зону 3, где нагревается за счет тепла деления тяжелых ядер и поступает в парогенераторы 4. В последних жидкий металл отдает тепло рабочему телу (воде, пару) и возвращается в кессоны 8 насосов 5, откуда поступает на всас рабочих колес 6 насосов 5. При уменьшении мощности энерговыделения в активной зоне 3 подача главных циркуляционных насосов синхронно уменьшается.