Способ организации естественной циркуляции жидкометаллического теплоносителя ядерного реактора на быстрых нейтронах
METHOD OF NATURAL CIRCULATION OF A LIQUID METAL COOLANT OF A FAST NEUTRON REACTOR

Изобретение относится к области ядерной техники и может быть использовано при организации естественной циркуляции жидкометаллического теплоносителя в контуре теплоотвода ядерного реактора на быстрых нейтронах.
Наиболее близким к настоящему изобретению является способ организации естественной циркуляции жидкометаллического теплоносителя в контуре теплоотвода ядерного реактора на быстрых нейтронах, включающий предварительный электронагрев подъемных и опускных трубопроводов и оборудования контура теплоотвода с последующим их заполнением нагретым теплоносителем, запуск циркуляции теплоносителя в контуре и переход в режим естественной циркуляции (Усынин Г.Б., Кусмарцев Е.В. Реакторы на быстрых нейтронах: Учебное пособие для вузов / Под редакцией Ф.М. Митенкова. – М.: Энергоатомиздат, 1985. с. 197).
Известный способ осуществляют следующим образом.
Трубопроводы и оборудование подъемного и опускного участков контура теплоотвода перед первоначальным заполнением жидкометаллическим теплоносителем (или после ревизии и ремонта) имеют температуру, приблизительно равную температуре окружающего воздуха. Жидкометаллический теплоноситель, находящийся в баке системы заполнения и дренажа, разогрет до температуры порядка 200-250°C. Поэтому перед подачей разогретого жидкометаллического теплоносителя в контур теплоотвода трубопроводы и оборудование нужно разогреть до такой же температуры, чтобы не допустить переохлаждения («затвердевания») жидкометаллического теплоносителя. Для разогрева используют электронагреватели, которые устанавливают на трубопроводы и оборудование подъемного и опускного участков контура теплоотвода. Затем в контур теплоотвода подают нагретый теплоноситель до достижения требуемого уровня в баке компенсации температурных расширений. После заполнения теплоносителем подъемного и опускного участков контура осуществляют запуск принудительной циркуляции в контуре с помощью насосов. Переход в режим естественной циркуляции осуществляют после выхода ядерного реактора на номинальные рабочие параметры.
Недостатком известного способа является наличие дополнительного гидравлического сопротивления в контуре из-за насосного оборудования, которое используется при запуске циркуляции и в режиме принудительной циркуляции до выхода реактора на расчетную мощность, а также невозможность перехода от режима принудительной циркуляции к режиму естественной циркуляции без передачи тепла от ядерного реактора.
Задачей настоящего изобретения является создание способа организации естественной циркуляции жидкометаллического теплоносителя в контуре теплоотвода ядерного реактора на быстрых нейтронах, в котором отсутствует режим принудительной циркуляции, а контур теплоотвода работает, включая запуск, только в режиме естественной циркуляции и при отсутствии передачи тепла от ядерного реактора, т.е. до его выхода на мощность что обеспечивает пассивную безопасность ядерного реактора и реакторной установки в целом.
Техническим результатом настоящего изобретения является запуск естественной циркуляции за счет создания движущего напора циркуляции и обеспечение требуемого направления естественной циркуляции жидкометаллического теплоносителя в контуре теплоотвода без передачи тепла от ядерного реактора. Кроме этого, техническим результатом является значительное уменьшение гидравлического сопротивления из-за отсутствия насосного оборудования в контуре теплоотвода.
1
2
Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе организации естественной циркуляции жидкометаллического теплоносителя в контуре теплоотвода ядерного реактора на быстрых нейтронах, включающем предварительный электронагрев трубопроводов и оборудования подъемного и опускного участков контура теплоотвода с последующим их заполнением нагретым теплоносителем, запуск циркуляции теплоносителя в контуре и переход в режим естественной циркуляции, согласно заявленному изобретению предварительный электронагрев трубопроводов и оборудования подъемного и опускного участков контура теплоотвода проводят соответственно до температур T и Т, которые выбирают из условия выполнения неравенства:
1
1
1
2
2
2
ρ(T)⋅g⋅ΔН>ρ(Т)⋅g⋅ΔH+ΔР,
где:
1
1
1
ρ(T) - плотность жидкометаллического теплоносителя при температуре T трубопроводов и оборудования на подъемном участке;
2
2
2
ρ(Т) - плотность жидкометаллического теплоносителя при температуре Т трубопроводов и оборудования на опускном участке;
1
ΔН - разница высот между входом и выходом подъемного участка;
2
ΔH - разница высот между входом и выходом опускного участка;
ΔР - гидравлическое сопротивление контура;
g - ускорение силы тяжести,
1
1
2
2
а запуск циркуляции теплоносителя в контуре осуществляют одновременно с переходом в режим естественной циркуляции и до выхода ядерного реактора на номинальные параметры работы за счет разницы плотностей ρ(T) и ρ(Т) жидкометаллического теплоносителя соответственно на подъемном и опускном участках контура.
Заявленная совокупность существенных признаков позволяет осуществить запуск естественной циркуляции в контуре теплоотвода ядерного реактора без подключения основного источника тепла, а только за счет электронагрева до расчетной температуры трубопроводов и оборудования подъемного и опускного участков и, следовательно, за счет перепада температур (разницы плотностей) заполнившего их теплоносителя. Таким образом, на момент пуска ядерного реактора контур теплоотвода уже будет функционировать в режиме естественной циркуляции и обеспечивать тем самым пассивную безопасность реакторной установки в целом. По сравнению с прототипом в заявленном способе отсутствует режим принудительной циркуляции, что также способствует повышению ядерной безопасности.
Сущность настоящего изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена схема контура теплоотвода ядерного реактора на быстрых нейтронах, а на фиг. 2 показан график развития естественной циркуляции без использования насоса.
Контур теплоотвода содержит источник тепла 1, в качестве которого может быть использован теплообменник, который подключен к первому контуру реактора (на чертеже не показано) или ядерный реактор (на чертеже не показано). Выход источника тепла 1 соединен посредством подъемного трубопровода 2 с входом в устройство для отвода тепла 3, в качестве которого использован воздушный теплообменник. На подъемном трубопроводе 2 по всей длине установлены секционированные электронагреватели 4. Выход из устройства для отвода тепла 3 соединен опускным трубопроводом 5 с входом в источник тепла 1 через бак для компенсации температурных расширений теплоносителя 6. На опускном трубопроводе 5 по всей длине установлены секционированные электронагреватели 7, аналогичные электронагревателям 4. Контур теплоотвода соединен с баком системы заполнения и дренажа 8 посредством дренажного трубопровода 9 с задвижкой 10. Источник тепла 1, устройство для отвода тепла 3 и бак для компенсации температурных расширений теплоносителя 6 снабжены секционированными электронагревателями (на чертеже не показано). Для минимизации тепловых потерь контур теплоотвода (трубопроводы 2, 5, 9, источник тепла 1, устройство для отвода тепла 3 и бак для компенсации температурных расширений теплоносителя 6) снабжен теплоизоляцией (на чертеже не показано).
Способ осуществляют следующим образом.
1
2
1
2
1
2
1
1
2
2
1
2
3
3
3
Для организации естественной циркуляции жидкометаллического теплоносителя, в качестве которого использован натрий, в контуре теплоотвода исследовательского ядерного реактора на быстрых нейтронах выполняют следующую последовательность действий. Включают секционированные электронагреватели 4, 7 для нагрева трубопроводов и оборудования подъемного и опускного участков контура теплоотвода до расчетной величины температур соответственно Т=230°C и Т=210°C. При этом уставки регуляторов тока обеспечивают нагрев и поддержание температуры для источника тепла 1 - 230°C, для подъемного трубопровода 2 - 230°C, для устройства для отвода тепла 3 - 210°C, для опускного трубопровода 5 и бака для компенсации температурных расширений теплоносителя 6 - 210°C. Затем последовательно выполняют вакуумирование и заполнение аргоном контура теплоотвода и после достижения необходимого состава газовой среды контура теплоотвода из бака 8 системы заполнения и дренажа, открыв задвижку 10, в контур теплоотвода по дренажному трубопроводу 9 подают натрий расходом 2 м/ч с температурой 225°C. В режиме запуска источник тепла 1 не работает как теплообменник, а служит только для прохода теплоносителя через него. При достижении натрием требуемого уровня в баке компенсации температурных расширений 6 задвижку 10 закрывают. Давление в газовой полости бака компенсации температурных расширений 6 поднимается до 0,14 МПа. В процессе заполнения контура теплоотвода натриевый теплоноситель принимает температуру стенок трубопроводов и оборудования контура, вследствие чего создается движущий напор естественной циркуляции в требуемом направлении. Как показано на фиг.  2 под действием напора естественной циркуляции, создаваемого начальной разностью температур T и Т стенок подъемного трубопровода 2 и опускного трубопровода 5, расход натрия в течение 150 с возрастает от нулевого до стабилизированного значения 3,76 кг/с, а затем остается постоянным. В установившемся режиме естественной циркуляции устройство для отвода тепла 3 обеспечивает необходимое снижение температуры теплоносителя на входе в опускной участок. Температура натрия на входе и выходе элементов контура составляет на входе в источник тепла 1 - 210°C, на выходе из источника тепла 1 - 225°C, на входе в устройство для отвода тепла 3 - 230°C, на выходе из устройства для отвода тепла 3 - 210°C. Для расчета температур T и Т использованы следующие значения: высота выхода из источника тепла 1 - 6,2 м, высота входа в устройство для отвода тепла 3 - 11,1 м, высота выхода из устройства для отвода тепла 3 - 8,4 м, высота входа в источник тепла 1 - 6,9 м, плотность теплоносителя на подъемном участке ρ(T) - 896 кг/м, плотность теплоносителя на опускном участке ρ(Т) - 901 кг/м, разница высот между входом и выходом подъемного участка ΔH - 4,9 м, разница высот между входом и выходом опускного участка ΔН - 1,5 м, гидравлическое сопротивление контура - 1600 Па.