Ядерная установка с реактором с жидкометаллическим теплоносителем
NUCLEAR INSTALLATION WITH REACTOR WITH LIQUID-METAL COOLANT

Область техники
Изобретение относится к ядерной технике и предназначено для использования в ядерных установках с реакторами с жидкометаллическим теплоносителем (преимущественно со свинецсодержащим теплоносителем).
Предшествующий уровень техники
Ядерные установки с реакторами с жидкометаллическим теплоносителем (далее - ЖМТ) позволяют значительно расширить топливную базу атомной энергетики, достичь наряду с этим высокого уровня безопасности. Одной из важнейших задач при создании, вводе в эксплуатацию, эксплуатации и нарушениях нормальной эксплуатации таких установок является обеспечение работоспособности, в том числе коррозионной стойкости, контактирующих с ЖМТ элементов или изделий ядерной установки (особенно элементов активной зоны включая тепловыделяющий элемент (твэл) и такой его компонент как оболочка, рабочее колесо главного циркуляционного насоса, а также всего первого контура теплоносителя и его элементов. Именно к этим элементам предъявляются высокие требования по коррозионной стойкости, механической прочности в сочетании с хорошей пластичностью), такого количества отложений на поверхностях этих элементов или изделий ядерной установки и такого количества шлаков в объеме ЖМТ реактора, которые допускают теплоотвод от активной зоны, теплообменных аппаратов и других элементов реактора без нарушения проектных пределов, пределов нормальной эксплуатации ядерной установки, эксплуатационного предела повреждения твэлов, предела безопасной эксплуатации повреждения твэлов, максимального проектного предела повреждения твэлов при поддержании высоких эксплуатационных качеств (включая управление временем до останова реактора для перегрузки топлива, ремонта элементов ядерной установки за счет обеспечения примесного состава ЖМТ). Для решения этих задач поддержание примесного состава ЖМТ является важным. Также для решения этих задач важно использовать особо механически обработанные контактирующие с ЖМТ детали, или изделия, или элементы ядерной установки, которые позволяют повысить их коррозионную стойкость и уменьшить количество отложений на их поверхностях.
В контуре с ЖМТ в результате коррозионно-эрозионных процессов образуются взвешенные примеси на основе соединений конструкционных материалов (основными компонентами которых, кроме основного материала теплоносителя, как правило являются железо, хром, никель), значительная часть которых концентрируется на частицах твердых продуктов коррозии в самом ЖМТ, а также на поверхностях элементов реактора ядерной установки, контактирующих с ЖМТ. Соответственно, в объеме ЖМТ появляются шлаки, а на контактирующих с ним поверхностях - отложения.
Отложения могут ухудшать теплообмен теплопередающих поверхностей в элементах реактора (например, может ухудшиться теплообмен между твэлами и ЖМТ, теплообменными поверхностями теплообменного аппарата и ЖМТ, что может привести к нарушению проектных пределов, нарушению нормальной эксплуатации, в том числе аварии или неплановому останову ядерной установки) и увеличить гидравлическое сопротивление трактов контура ЖМТ (что может привести к непредусмотренной проектом работе элементов реактора или потребует повышенной мощности на прокачку ЖМТ).
Известно изобретение «Реакторная установка с реактором на быстрых нейтронах и свинцовым теплоносителем», представленное в патенте RU 545098, в котором описывается конструкция реактора на быстрых нейтронах со свинцовым теплоносителем или его сплавом. Задача представленного в патенте RU 545098 изобретении состоит в снижении удельного объема свинцового теплоносителя на единицу мощности реактора и повышении безопасности реактора, которая решается описанными в патенте RU 545098 конструктивными (в том числе компоновочными) решениями элементов реакторной установки.
Для сохранения эффекта снижения коррозии может применяться «Способ поддержания коррозионной стойкости стального циркуляционного контура со свинецсодержащим теплоносителем», описанный в патенте RU 2100480. Он включает создание на внутренней поверхности контура антикоррозионного покрытия из оксидов компонентов конструкционных сталей в процессе эксплуатации контура за счет поддержания концентрации растворенного в теплоносителе кислорода не ниже значения. При этом кислород вводят в контур свинецсодержащего теплоносителя и поддерживают термодинамическую активность (далее - ТДА) растворенного в теплоносителе кислорода описываемыми в патенте несколькими способами. Растворенный в свинецсодержащем теплоносителе кислород (при поддержании его ТДА на приведенном в патенте уровне) образует на поверхности сталей защитные оксидные пленки.
В патентах RU 545098 и RU 2100480 не ограничены количества содержащихся в свинцовом теплоносителе примесей, в частности одних из тех, которые в зависимости от их количества в ЖМТ могут как неинтенсивно, так и интенсивно приводить к образованию шлаков, отложений и ускорению коррозии. Этими примесями являются примеси железа, хрома, никеля (в растворенном виде или в виде нерастворимых соединений). В патенте RU 2100480 ограничивается только содержание кислорода, который с этими примесями вступает в химическую реакцию.
-3
Из литературного источника («Современные вопросы и задачи технологии тяжелых жидкометаллических теплоносителей ЯЭУ (свинец, свинец-висмут)». Мартынов П.Н., Асхадуллин P.Ш., Орлов Ю.И., Стороженко А.Н., Вопросы атомной науки и техники, серия: Ядерно-реакторные константы, №2, 2015 г., с. 60-78, Обнинск) известно, что в реакторах со свинецсодержащим теплоносителем интенсивность образования шлаков и отложений возрастает, когда С (С - суммарная (по всем примесям свинесодержащего теплоносителя) средняя по объему ЖМТ концентрация взвесей на основе свинца, висмута, железа, хрома, марганца и пр. примесей в ЖМТ) возрастает до значений: С≥10% масс. Там же рассматривается ядерная энергетическая установка с реактором со свинцовым или свинцово-висмутным теплоносителем с фильтром, ограничивающим рост С, эта ядерная установка принята за прототип.
Отсутствие информации о допустимых количествах содержащихся в свинцовом или свинцово-висмутном теплоносителе реактора ядерной установки именно примесей железа, хрома, никеля, которые могут приводить к образованию шлаков и отложений (в растворенной, коллоидной форме и в виде соединений), является недостатком прототипа. Этот недостаток не позволяет контролировать предельный уровень примесей железа, хрома, никеля в ЖМТ ядерной установки, учитывать динамику медленных физических процессов шлакообразования в ЖМТ за счет примесей железа, хрома, никеля и образования отложений за счет примесей железа, хрома, никеля на элементах ядерной установки, контактирующих с ЖМТ, для оптимизации режимов ядерной установки при ее создании, нормальной эксплуатации, выводе ее из эксплуатации и нарушениях нормальной эксплуатации. Например, повышенное содержание примесей железа, хрома, никеля можно допустить довольно длительное время, поскольку процесс роста количества отложений медленный, за счет низкой скорости его протекания времени хватает, чтобы ядерной установки доработать до планового останова, перегрузки.
-3
Свинец марки С1 (по ГОСТ 3778-98) и висмут марки ВИ00 (по ГОСТ 10928-90), наиболее полно подходят по своим примесным составам (составу генетических примесей, то есть примесей, связанных с получением таких марок свинца и висмута до помещения в реактор) для их использования в качестве материала для свинцово-висмутного теплоносителя (далее - СВТ); свинец марки С1 (по ГОСТ 3778-98) наиболее полно подходит по своему примесному составу для его использования в качестве материала для свинцового теплоносителя. Концентрация железа в свинце марки С1 и висмуте марки ВИ00 равна 10% масс. Следовательно, уже непосредственно после залива свинца марки С1 и висмута марки ВИ00 как материала для СВТ и непосредственно после залива свинца марки С1 как материала для СТ и при поддержании при этом в СВТ и СТ необходимой ТДА кислорода (например, приведенной в патенте RU 2100480) концентрация взвесей в СВТ и СТ будет такой, что начинается образование шлаков в объеме этих ЖМТ и отложений на поверхностях элементов ядерных установок, контактирующих с этими ЖМТ. В прототипе отсутствует информация именно о допустимых количествах содержащихся в свинцовом или свинцово-висмутном теплоносителе реактора ядерной установки примесей железа, хрома, никеля, при которых шлаки в ЖМТ и отложения на контактирующих с ЖМТ поверхностях ядерной установки, например на внешних поверхностях твэлов, имеются, но не приводят, например, к нарушению эксплуатационного предела повреждения твэлов или нарушению предела безопасной эксплуатации повреждения твэлов или нарушению максимального проектного предела повреждения твэлов. Количественные значения пределов повреждения твэлов для атомной станции с реакторной установкой типа БН (содержат реактор с натриевым теплоносителем) приведены в Правилах ядерной безопасности реакторных установок атомных станций (НП-082-07). В предлагаемом техническом решении принимается, что пределы повреждения твэлов для ядерной установки с реактором со свинецсодержащим теплоносителем идентичны пределам повреждения твэлов для атомной станции с реакторной установкой типа БН.
Исходя из сказанного необходимо отметить, что:
несмотря на известность того, что образование шлаков и отложений может происходить в реакторе с ЖМТ, требования к поддержанию диапазона примесного состава в ЖМТ при создании ядерной установки, ее нормальной эксплуатации, выводе ее из эксплуатации и нарушениях нормальной эксплуатации недостаточны: поддержание необоснованно высоких концентраций железа, хрома и никеля в ЖМТ ухудшит надежность и безопасность ядерной установки, приведет к нарушению пределов повреждения ее твэлов из-за образования на них избыточного количества отложений, в том числе интенсивной коррозии, ускоренной этими отложениями, что приведет к неплановому ремонту, простоям ядерной установки;
несмотря на известность ядерных установок, в которых используется перспективный способ обеспечения коррозионной стойкости, прочность и эффективность такой защиты оказываются недостаточными, уровень отложений на контактирующих с ЖМТ поверхностях ядерной установки оказывается высоким, поскольку требуется применение различных способов поддержания коррозионной стойкости конструкционных материалов, восстановления оксидных пленок на них (достигается пассивацией поверхности) и обеспечения количества отложений на контактирующих с ЖМТ поверхностях, не приводящих к нарушению пределов повреждения твэлов.
Раскрытие изобретения
Задача заявляемого технического решения состоит в совершенствовании конструкции ядерной установки с реактором с ЖМТ, в составе которого имеется хотя бы одно контактирующее с ЖМТ металлическое изделие или элемент, а также в увеличении надежности, безопасности и работоспособности этой ядерной установки путем повышения коррозионной стойкости, износостойкости в сочетании с хорошей твердостью, механической прочностью, пластичностью и ударной вязкостью контактирующих с ЖМТ изделий или элементов этой ядерной установки.
Fe
Cr
Ni
Задача заявляемого технического решения реализуется за счет создания ядерной установки с реактором с ЖМТ, в составе которого имеется хотя бы одно контактирующее с ЖМТ металлическое изделие или элемент, в ЖМТ реактора которой поддерживаются в определенных диапазонах: средняя по объему ЖМТ концентрация железа (C), средняя по объему ЖМТ концентрация хрома (С) и средняя по объему ЖМТ концентрация никеля (C), при которых количество связанных с наличием этих примесей шлаков в ЖМТ и отложений на поверхностях изделий или элементов реактора ядерной установки, контактирующих с ЖМТ, не приведет к нарушению пределов повреждения ее твэлов, обтекаемых ЖМТ, из-за образования на них избыточного количества отложений и/или шлака в объеме ЖМТ в реакторе.
Fe
Cr
Ni
Fe
Cr
Ni
Fe
Cr
Ni
При определении C, С и С, соответственно, учитывается общая масса железа, хрома и никеля в ЖМТ, которые могут находиться в ЖМТ как в растворенном виде, так и в виде нерастворимых соединений, при этом при определении C, С и С не учитывается их наличие непосредственно в устройстве реактора, которое предназначено для концентрации в себе имеющихся в ЖМТ примесей (например, это может быть фильтр ЖМТ, расположенный в реакторе или аналогичные устройства по своему назначению). Диапазоны поддержания C, С и С в ЖМТ реактора ядерной установки следующие:
-5
-3
Fe
2,0 10% масс. ≤C≤7,3 10% масс.;
Cr
-3
0% масс. (точно) <С≤2,8⋅10% масс.;
Ni
-3
0% масс. (точно) <С≤2,8⋅10% масс.
Fe
Cr
Ni
Также задача заявляемого технического решения реализуется за счет создания ядерной установки с реактором с ЖМТ, в составе которого имеется хотя бы одно контактирующее с ЖМТ металлическое изделие или элемент, обработанное для увеличения коррозионной стойкости и уменьшения количества отложений на нем. Это дает дополнительный эффект к эффекту от поддержания C, С и С в ЖМТ реактора ядерной установки в приведенных диапазонах (скорость коррозии контактирующих с ЖМТ металлических элементов такой ядерной установки, количество отложений на них такие, что не приводят к нарушению пределов повреждения ее твэлов из-за образования на них избыточного количества отложений, в том числе интенсивной коррозии, ускоренной этими отложениями). Контактирующее с ЖМТ металлическое изделие или элемент ядерной установки для увеличения коррозионной стойкости и уменьшения количества отложений на нем должно быть обработано способом, включающим механическую обработку его поверхности, обеспечивающую поверхностный наклеп, и включающим пассивацию ее поверхности, отличающимся тем, что механическую обработку контактирующей с ЖМТ поверхности металлического изделия ядерной установки проводят до достижения шероховатости поверхности среднего отклонения профиля (Ra) не более 1,6 мкм, степени поверхностного наклепа не ниже 5%, глубины наклепа не менее 8 мкм, а пассивацию поверхности изделия проводят до получения слоя оксидной пленки толщиной не менее Ra + 1 мкм.
н
max
исх
исх
max
исх
Под степенью поверхностного наклепа понимается: u=(Н-Н)⋅100%/Н, где H, H - максимальная и исходная микротвердость поверхностного слоя материала, соответственно, исходная микротвердость - микротвердость до использования поверхностных обработок детали, то есть равная микротвердости основного материала (без поверхностного наклепа).
Поверхность изделия до или после пассивации может быть подвергнута легированию, термообработке для еще большего улучшения ее антикоррозионных свойств.
Fe
Cr
Ni
Fe
Cr
Ni
Fe
Cr
Ni
Fe
Cr
Ni
Технический результат, получаемый от реализации описываемого технического решения, заключается в увеличении возможностей оптимизации режимов ядерной установки (за счет поддержания в приведенных диапазонах C, С и C), возможности контролировать предельный уровень примесей железа, хрома, никеля в ЖМТ ядерной установки при создании, эксплуатации и выводе из эксплуатации ядерной установки с реактором с ЖМТ при обеспечении ненарушения пределов повреждения ее твэлов за счет поддержания в ЖМТ ядерной установки в приведенных диапазонах C, С и C. Верхние границы предложенных диапазонов C, С и C таковы, что при их превышении интенсивность процессов шлакообразования в ЖМТ и роста отложений на контактирующих с ЖМТ поверхностях ядерной установки интенсивно возрастают, при этом носят выраженный случайный характер (при превышении приведенных диапазонов C, С и C в ЖМТ ядерной установки среднее квадратичное отклонение измеренных толщин отложений на поверхностях контактирующих с ЖМТ изделий или элементов ядерной установки возрастает на 30-40% и более) так, что управлять этими процессами в реакторе ядерной установки становится технически сложно. Увеличение возможностей оптимизации режимов ядерной установки приводит к улучшению топливоиспользования, работе оборудования ядерной установки в щадящих режимах, увеличению энерговыработки ядерной установки, редким неплановым остановам ядерной установки на ремонт, техническое обслуживание.
Реализация изобретения
Известно, что реакторные установки с реактором со свинецсодержащим теплоносителем реализовывались на атомных подводных лодках. В настоящее время эксплуатируются ядерные установки типа БН-600 и БН-800 с натриевым теплоносителем.
Fe
Cr
Ni
Fe
Cr
Ni
Для поддержания C, С и C в приведенных диапазонах существует много известных способов, например для очистки свинецсодержащего теплоносителя используются фильтры и специальными мерами поддерживают в свинецсодержащем теплоносителе ТДА кислорода, зависимость для которой приведена, например, в литературном источнике прототипа (для уменьшения выхода приведенных примесей в теплоноситель). Для поддержания C, С и C возможно дополнительно к очистке механическими фильтрами и к поддержанию в ЖМТ приведенной ТДА кислорода использование в качестве материала для теплоносителя свинца или свинца и висмута высокой степени очистки, например использование свинца марки С0 для СТ и свинца марки С0 и висмута марки ВИ00 для СВТ, возможно также для очистки ЖМТ провести замену части загрязненного ЖМТ на более чистый.
Fe
Cr
Ni
Для поддержания в ЖМТ в виде щелочного металла C, С и C в приведенных диапазонах возможно использовать очистку механическими фильтрами, очистку холодными ловушками, геттерную очистку, замену части загрязненного ЖМТ на более чистый.
Fe
Cr
Ni
Fe
Cr
Ni
Fe
Cr
Ni
Fe
Cr
Ni
Fe
Cr
Ni
Fe
Cr
Ni
Увеличение возможностей оптимизации режимов ядерной установки, например, связано с тем, что для поддержания в приведенных выше диапазонах C, С и C в ЖМТ реактора ядерной установки известны простые способы, например использование механических фильтров. Однако при отказе, например, механического фильтра(-ов) ЖМТ в реакторе при работе ядерной установке на номинальной мощности концентрации C, С и C начинают расти. Допущение эксплуатации ядерной установки при концентрациях C, С и C в ЖМТ, равных верхним границам приведенных выше диапазонов, позволит работать ядерной установке на мощности, близкой к номинальной, около не менее 4-5 недель, что не приведет нарушению пределов повреждения ее твэлов за счет поддержания такого уровня концентраций C, С и C в ЖМТ. Если до плановой перегрузки топлива или окончания топливной кампании или планового останова ядерной установки на ремонт или планового обслуживания осталось менее 4-5 недель, то эксплуатация ядерной установки даже при концентрациях C, С и C в ЖМТ, равных верхним границам приведенных выше диапазонов, позволит ядерной установке доработать до них, что позволит после, при необходимости, провести снижение концентрации C, С и C существенно менее затратными способами, чем внеплановый останов ядерной установки на ремонт или ее ремонт при работе на мощности.
Реализовать ядерную установку, в составе которой имеется контактирующее с ЖМТ металлическое изделие, или деталь, или элемент, поверхность которого обработана до достижения описанных выше свойств (до достижения шероховатости поверхности среднего отклонения профиля, Ra, не более 1,6 мкм, степени поверхностного наклепа не ниже 5%, глубины наклепа не менее 8 мкм) возможно, например, использовав изделие, или деталь, или элемент, поверхность которого механически отполирована до приведенных характеристик, достижимость чего широко известна, и пассирована, например, в самом свинецсодержащем теплоносителе при поддержании в нем значений ТДА кислорода такими, что слой защитной оксидной пленки станет толщиной не менее Ra+1 мкм. При обработке поверхности изделия или детали следует выбирать режимы, не приводящие к поверхностным трещинам и перенаклепу.
4
3
2
Также изделие или деталь могут выдерживаться в камере с паром воды в течение нескольких десятков минут или часов при температуре более 400°С до образования сплошной защитной оксидной пленки толщиной не менее 1,5 мкм на их контактирующих со свинецсодержащим теплоносителем поверхностях. После выдерживания в камере с парами воды изделие или деталь могут дополнительно пассивироваться в свинецсодержащем теплоносителе. Изделие или деталь могут быть установлены в теплоноситель на основе щелочных металлов. В этом случае после механической полировки проводится внутриконтурная пассивация поверхности изделия или детали путем поддержания в теплоносителе на основе щелочных металлов необходимой ТДА при температуре выше 300°С до образования сплошной защитной оксидной пленки на основе NaFeO и NaCrO (в случае хромоникелевой нержавеющей стали и натриевого теплоносителя) толщиной не менее 1,5 мкм на контактирующей с теплоносителем поверхности.