РЕАКТОРНАЯ УСТАНОВКА С РЕАКТОРОМ НА БЫСТРЫХ НЕЙТРОНАХ И СВИНЦОВЫМ ТЕПЛОНОСИТЕЛЕМ
REACTOR PLANT WITH FAST NEUTRON REACTOR AND LEAD COOLANT

Изобретение относится к ядерной технике и предназначено для использования в энергетических установках с реактором на быстрых нейтронах и жидкометаллическим теплоносителем, преимущественно в виде расплавленного свинца или его сплава.
Перспективное развитие атомной энергетики связано с созданием энергетических реакторов на быстрых нейтронах, применение которых позволит решить принципиальные проблемы эффективного и безопасного использования ядерного топлива при замыкании ядерного топливного цикла и обеспечения экологической безопасности. В настоящее время ведется разработка проектов реакторов на быстрых нейтронах нового поколения с нитридным уран-плутониевым топливом и свинцовым теплоносителем. Такие реакторы имеют принципиальные преимущества по сравнению с реакторами на тепловых нейтронах, а также с реакторами на быстрых нейтронах с натриевым теплоносителем и могут быть положены в основу создания энергетических установок с высокой степенью надежности, безопасности и практически неограниченным топливообеспечением (The next generation of fast reactors. / E.O. Adamov, V.V. Orlov, A.I. Filin, V.N. Leonov, A.G. Sila-Novitsky, V.S. Smirnov, V.S. Tsikunov // Nuclear Engineering and Design. - 1997. - Vol.173, №1-3. - P.143-150).
Известны проектно-конструкторские проработки по реакторной установке бассейнового типа с интегрально-петлевой компоновкой основного оборудования на основе реактора на быстрых нейтронах с жидкометаллическим свинцовым теплоносителем, описанная в проекте опытно-демонстрационного реактора БРЕСТ-ОД-300 (Конструктивные и компоновочные решения основных узлов и оборудования реактора БРЕСТ-ОД-300. В.Н. Леонов, А.А. Пикапов, А.Г. Сила-Новицкий и др. ВАНТ, серия: Обеспечение безопасности АЭС, выпуск 4, Москва, ГУП НИКИЭТ, 2004 г., стр.65-72.
Установка включает железобетонную шахту с внутренней стальной облицовкой, блок корпусов реактора с верхним перекрытием, активную зону, систему исполнительных механизмов воздействия на реактивность активной зоны, блоки парогенераторов и главных циркуляционных насосов, систему массообменников и фильтров для очистки теплоносителя, систему перегрузки элементов активной зоны, систему контроля технологических параметров и другие вспомогательные системы. Блок корпусов реактора БРЕСТ-ОД-300 выполнен в виде центральной и четырех периферийных цилиндрических шахт с плоскими днищами, которые совместно с верхним перекрытием образуют границу первого контура реакторной установки, в котором циркулирует теплоноситель, обеспечивая теплоотвод от активной зоны, и формируется объем защитного газа, а также размещены внутриреакторные устройства и оборудование. Активная зона размещена в центральной шахте блока корпусов, а блоки парогенераторов размещаются в четырех периферийных шахтах, соединенных с центральной шахтой верхними и нижними патрубками. Каждый парогенератор выполнен в виде трубчатого теплообменника для нагрева воды (пара) закритических параметров, который погружен в поток свинцового теплоносителя, движущегося в межтрубном пространстве корпуса парогенератора сверху вниз. В случае разгерметизации труб и выхода пара в контур циркуляции свинцового теплоносителя предусматривается отключение парогенератора путем перекрытия трубопроводов питательной воды и острого пара по второму контуру. Циркуляция свинцового теплоносителя в реакторе БРЕСТ-ОД-300 осуществляется путем его перекачки циркуляционными насосами из шахты парогенератора на уровень напорной камеры реактора, из которой теплоноситель опускается до входной камеры активной зоны, поднимается и нагревается в активной зоне при контакте с твэлами тепловыделяющих сборок и затем поступает в общую камеру «горячего» теплоносителя. Далее теплоноситель перетекает во входные камеры и межтрубное пространство парогенераторов, охлаждается и поступает на вход циркуляционных насосов, а затем снова подается в напорную камеру реактора.
3
Описанная конструкция установки предназначена для создания опытного реактора БРЕСТ-ОД-300 и проверки технических решений, которые могут быть положены в основу создания энергетических реакторов нового поколения на быстрых нейтронах со свинцовым теплоносителем. В таких реакторах предусматривается использование интегрально-петлевой компоновки основного оборудования, которая характеризуется большими габаритами и значительной удельной массой используемого свинцового теплоносителя на единицу вырабатываемой мощности. Так, этот показатель для реактора БРЕСТ-1200 составляет от 1,4 м/МВт и более, в зависимости от единичной мощности основного оборудования и компоновочных решений.
Известна ядерная энергетическая установка бассейнового типа с интегрально-петлевой компоновкой основного оборудования на основе реактора на быстрых нейтронах со свинцовым теплоносителем (Ru 2247435), которая принята за прототип. Установка включает реактор, размещенный в центральном баке, парогенераторы и циркуляционные насосы, размещенные в периферийных баках, а также систему обработки теплоносителя газовыми смесями для восстановления окислов свинца. Реактор, парогенераторы, циркуляционные насосы размещены под свободным уровнем жидкометаллического теплоносителя. Парогенераторы установки выполнены в виде трубчатого теплообменника, в котором в трубах подается вода (пар), а в межтрубном пространстве сверху вниз циркулирует свинцовый теплоноситель. В реакторной установке между свободным уровнем жидкометаллического теплоносителя и верхним перекрытием выполнена общая газовая полость, сообщенная с системой циркуляции и очистки газа.
Недостатком указанного технического решения является размещение оборудования с высоким внутренним давлением (парогенераторов) в периферийных баках, заполненных расплавленным свинцом. Это повышает вероятность возникновения аварий при разгерметизации труб парогенераторов и попадания воды (пара) в теплоноситель. Кроме того, интегрально-петлевая компоновка основного оборудования характеризуется высоким удельным объемом свинцового теплоносителя на единицу мощности реактора, что приводит к увеличению размеров реактора и капитальных затрат при создании реактора.
Задача изобретения состоит в совершенствовании конструкции реакторной установки на быстрых нейтронах со свинцовым теплоносителем, использовании новых компоновочных решений, снижении затрат на создание и эксплуатацию установки при обеспечении высокой степени ее безопасности при нормальной эксплуатации, а также при возникновении аварийных режимов.
Поставленная задача решается за счет технического результата изобретения - снижения удельного объема свинцового теплоносителя на единицу мощности реактора, размещения оборудования с высоким внутренним давлением (парогенератор) вне активной среды (свинцового теплоносителя).
Технический результат достигается тем, что в реакторной установке (включающей шахту реактора с верхним перекрытием, размещенный в шахте реактор с активной зоной, парогенераторы, циркуляционных насосы, циркуляционные трубопроводы, системы исполнительных механизмов и устройств для обеспечения пуска, эксплуатации и остановки реакторной установки) парогенераторы (так называемые обратные) выполнены в виде трубчатых теплообменников, в которых теплоноситель течет внутри труб, а вода-пар - в межтрубном пространстве, размещены в отдельных боксах и сообщены с шахтой реактора циркуляционными трубопроводами подъема и слива свинцового теплоносителя, парогенераторы и большая часть циркуляционных трубопроводов размещены выше уровня свинцового теплоносителя в шахте реактора, циркуляционные насосы размещены в шахте реактора на циркуляционных трубопроводах подъема "горячего" свинцового теплоносителя и предусмотрено техническое средство для обеспечения естественной циркуляции свинцового теплоносителя через активную зону реактора при отключении циркуляционных насосов.
В частном варианте выполнения техническое средство для обеспечения естественной циркуляции свинцового теплоносителя через активную зону реактора при отключении циркуляционных насосов выполнено в виде отверстий в обечайке, разделяющей опускной и подъемный участки контура циркуляции теплоносителя в шахте реактора.
В другом частном варианте выполнения средство для обеспечения естественной циркуляции свинцового теплоносителя снабжено устройством для минимизации перетекания теплоносителя через сквозные отверстия в обечайке при работе реактора в нормальном режиме. Это устройство выполнено в виде байпаса на подъемном участке циркуляционного трубопровода, который сообщен со сквозными отверстиями в обечайке и с опускным участком контура циркуляции теплоносителя в шахте реактора.
В другом частном варианте технического решения устройство для минимизации перетекания теплоносителя выполнено в виде вспомогательного насоса для перекачивания теплоносителя из подъемного участка в опускной участок контура циркуляции теплоносителя в шахте реактора.
В другом частном варианте выполнения установки на каждом парогенераторе установлено устройство сброса пара при повышении температуры теплоносителя выше допустимой.
В другом частном варианте выполнения реакторной установки газовые полости каждого бокса парогенератора снабжены устройствами для аварийного сброса пара.
Сущность изобретения состоит в создании реакторной установки с тяжелым теплоносителем с полуинтегральной компоновкой, при которой основное оборудование, включая циркуляционные насосы, размещено в шахте реактора, выбраны парогенераторы обратного типа и размещены в отдельных боксах выше свободного уровня свинца в шахте реактора. Такое выполнение установки позволяет повысить надежность и безопасность реакторной установки при нормальной эксплуатации и при возникновении аварийных режимов, а также уменьшить объем свинцового теплоносителя, что снизит капитальные затраты при сооружении энергоблока.
На фиг.1 представлена схема реакторной установки в соответствии с предлагаемым техническим решением.
На фиг.2 представлена схема выполнения первого варианта устройства для минимизации перетекания теплоносителя при работе установки в нормальном режиме через отверстия, предназначенные для обеспечения естественной циркуляции теплоносителя при отключенных циркуляционных насосах.
На фиг.3 представлена схема второго варианта выполнения устройства для минимизации перетекания теплоносителя при работе установки в нормальном режиме через отверстия, предназначенные для обеспечения естественной циркуляции теплоносителя при отключенных циркуляционных насосах.
Реакторная установка включает шахту реактора 1 с верхним перекрытием 2, размещенный в шахте 1 реактор 3 с активной зоной 4, парогенераторы 5, размещенные в отдельных боксах 6, циркуляционные насосы 7, циркуляционные трубопроводы 8 и 9, а также системы исполнительных механизмов и устройств для обеспечения пуска, эксплуатации и аварийной остановки реактора (не показаны). Парогенераторы 5, выполненные в виде трубчатых теплообменников, сообщены с шахтой реактора 1 циркуляционными трубопроводами подъема 8 и слива 9 свинцового теплоносителя 10 и размещены выше «холодного» уровня 11 теплоносителя. Рабочие колеса циркуляционных насосов 7 размещены в шахте 1 реактора ниже «горячего» уровня 12 свинцового теплоносителя 10.
Парогенераторы 5 выполнены таким образом, что свинцовый теплоноситель движется в трубках парогенератора сверху вниз. Вода второго контура поступает в парогенератор через нижний патрубок 27, и пар отводится через верхний патрубок 28.
В частном варианте выполнения установка снабжена техническим средством для обеспечения естественной циркуляции свинцового теплоносителя через активную зону реактора 4 при отключении циркуляционных насосов 7. Это средство может быть выполнено, например, в виде сквозных отверстий 13 в обечайке 14, разделяющей подъемный 15 и опускной 16 участки контура циркуляции свинцового теплоносителя в шахте 1 реактора.
В другом частном варианте исполнения техническое средство выполнено в виде устройства для минимизации перетекания теплоносителя через сквозные отверстия 13 в обечайке 14 при работе реактора в нормальном режиме. Это устройство может быть выполнено (фиг.2) в виде байпаса 17, соединяющего подъемный участок циркуляционного трубопровода 8 с подъемным участком 15 контура циркуляции через отверстия 24 и с опускным участком 16 контура циркуляции через отверстия 13.
Устройство для минимизации перетекания свинцового теплоносителя может быть также выполнено (фиг.3) в виде вспомогательного насоса 18 для перекачивания теплоносителя из подъемного участка 15 в опускной участок 16 контура циркуляции теплоносителя в шахте 1 реактора.
На каждом парогенераторе 5 установлено устройство 19 для сброса пара при повышении температуры теплоносителя выше допустимой, а также устройство 20 для сброса пара из бокса 6 в атмосферу. Газовая полость 21 шахты 1 реактора и газовые полости 22 боксов 6 парогенераторов 5 разделены между собой герметичным устройством 23.
Циркуляция свинцового теплоносителя в первом контуре реакторной установки осуществляется следующим образом. Теплоноситель из подъемного участка 15 реактора с помощью циркуляционных насосов 7 перекачивается по подъемным циркуляционным трубопроводам 8 в верхнюю часть парогенератора 5, а затем по сливным циркуляционным трубам 9 поступает в опускной участок 16 контура циркуляции свинцового теплоносителя в шахте 1 реактора. Из опускного участка циркуляции 16 теплоноситель поступает в активную зону 4, где нагревается при контакте с поверхностью твэлов. Далее теплоноситель поступает в циркуляционные насосы 7, замыкая контур циркуляции в нормальном режиме работы установки.
Количество свинцового теплоносителя в шахте 1 реактора и парогенераторах 5 рассчитывается таким образом, чтобы в случае разгерметизации циркуляционных трубопроводов 8 и 9 или нарушении герметичности парогенераторов уровень свинцового теплоносителя в шахте 1 реактора оставался бы достаточным для охлаждения активной зоны 4 реактора в режиме естественной циркуляции.
При отключении циркуляционных насосов 7 теплоноситель полностью сливается из парогенераторов 5 в опускной участок 16 контура циркуляции теплоносителя в шахте 1 реактора и поступает в активную зону 4, а затем в подъемный участок 15 контура циркуляции. При этом перепад между «горячим» 11 и «холодным» 12 уровнями теплоносителя уменьшается, и теплоноситель через сквозные отверстия 13 в обечайке 14 поступает из подъемного участка 15 контура циркуляции в опускной участок 16, замыкая контур естественной циркуляции свинцового теплоносителя в аварийном режиме.
Для компенсации перетекания теплоносителя через отверстия 13 при работе установки в нормальном режиме используется устройство (фиг.2) в виде байпаса 17, который сообщает подъемный участок циркуляционного трубопровода 8 с участком 15 контура циркуляции через отверстия 24 и с опускным участком 16 контура циркуляции через отверстия 13. При работе циркуляционного насоса 7 большая часть расхода теплоносителя через отверстия 24 в трубопроводе байпаса 17 поступает на участок 15, а небольшая часть расхода перетекает в опускной участок 16 контура циркуляции через отверстия 13. При отключении циркуляционных насосов 7 и выравнивании «холодного» 11 и «горячего» 12 уровней формируется естественная циркуляция теплоносителя.
Устройство для компенсации перетекания теплоносителя, представленное на фиг.3, может быть также выполнено в виде вспомогательного насоса 18 и трубопровода 25, который сообщает подъемный 15 и опускной 16 участки контура циркуляции теплоносителя через отверстие 13. При работе насоса 18 в трубопроводе 25 создается напор, препятствующий перетеканию теплоносителя из опускного участка 16 в подъемный участок 15 контура циркуляции. Насосы 18 могут быть выполнены с маховыми массами, что способствует формированию естественной циркуляции теплоносителя при отключении циркуляционных насосов 7.
Полуинтегральная компоновка установки и размещение обратных парогенераторов 5 выше уровня свинцового теплоносителя в шахте 1 позволяет полностью слить свинцовый теплоноситель в реактор, что защищает установку от замораживания теплоносителя при авариях с разрывом паропроводов второго контура, а также существенно облегчает отмывку от отложений на трубках парогенераторов.
Использование парогенераторов обратного типа 5 в реакторной установке существенно повышает их надежность, так как трубки 26 парогенераторов в этом случае нагружены внешним давлением теплоносителя второго контура (воды-пара). При этом, в случае аварийного повышения температуры свинцового теплоносителя на входе в парогенераторы 5, происходит потеря устойчивости трубок, но не их разрушение (как в прямом теплообменнике), а их смятие, что обеспечивает практическую невозможность выхода активного теплоносителя за пределы 1 контура, а также поступление воды-пара в контур циркуляции свинцового теплоносителя. Парогенераторы 5 снабжены активными и пассивными устройствами сброса пара, что ограничивает последствия аварий и исключает возможность выброса в окружающую среду радиоактивных веществ.
Таким образом, практическое использование предложенной конструкции реакторной установки позволит существенно уменьшить объем свинцового теплоносителя и повысить надежность и безопасность реакторной установки при нормальной эксплуатации, а также при возникновении аварийных режимов.