ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2004 года по МПК G21C9/00 

Решение относится к ядерной технике и может быть использовано в реакторных установках с жидкометаллическим охлаждением.

Известна ядерная энергетическая установка, содержащая реактор с жидкометаллическим свинцовым теплоносителем или его сплавами, с размещенными под свободным уровнем активной зоной, парогенераторами, средствами циркуляции и систему защитного газа, включающую фильтр очистки газа, газовый компрессор (см. Маргулова Т.Х. Атомные электрические станции. - М.: Высшая школа, 1984, с. 251).

Недостатком данного технического решения применительно к ядерным энергетическим установкам с жидкометаллическим теплоносителем (ЖМТ) является необходимость в использовании гидродинамических и механических фильтров, а также применение “холодных” ловушек для очистки ЖМТ от оксидов теплоносителя. Эти фильтры не позволяют улавливать примеси, находящиеся на свободных поверхностях реакторной установки, теплопередающих поверхностях активной зоны и парогенераторов. Недопустимое увеличение содержания оксидов теплоносителя в контуре - их отложения на поверхностях реакторного блока, на теплопередающих поверхностях активной зоны, на теплопередающих поверхностях парогенераторов может привести к нештатным или аварийным ситуациям в работе контура и всей ядерной энергетической установки в целом.

Решаемая задача - совершенствование конструкции ядерной энергетической установки, обеспечение безопасности и повышение экономичности реакторного блока ядерной энергетической установки с ЖМТ на основе свинца или его сплавов.

Технический результат - повышение эффективности очистки от отложений примесей - оксидов теплоносителя поверхностей реакторного блока, теплопередающих поверхностей активной зоны, теплопередающих поверхностей парогенераторов и исключение применения “холодных” ловушек, гидродинамических и механических фильтров.

Технический результат достигается тем, что ядерная энергетическая установка, содержащая реактор с жидкометаллическим свинцовым теплоносителем или его сплавами, с размещенными под свободным уровнем теплоносителя активной зоной, парогенераторами, средствами циркуляции и системой защитного газа, включающей фильтр очистки газа, газовый компрессор, снабжена устройством ввода газовой смеси, расположенным под свободным уровнем в тракте теплоносителя, на глубине 1/5-1/20 от полного столба теплоносителя в районе опускного участка на входе в активную зону и в парогенераторы, на выходе устройства установлена направляющая несъемная труба, в которой расположена съемная труба с перфорированным насадком на нижнем участке, подключенная к линии напора газового компрессора, линия всаса которого соединена с газовой полостью реактора, и к газовым баллонам с восстановительной смесью. Под полным столбом теплоносителя понимается расстояние между свободной поверхностью теплоносителя в районе расположения устройства ввода газовой смеси и нижней точкой участка контура (активная зона, парогенераторы).

Этот технический результат достигается также тем, что перфорация насадка выполнена с возрастающим диаметром от основания насадка.

На фиг.1 представлена схема ядерной энергетической установки, реализующей предлагаемое техническое решение, на фиг.2 - увеличенный узел устройства ввода газовых смесей в участки контура. В ядерном реакторе 1 с ЖМТ на основе свинца или его сплавов с размещенными под свободным уровнем теплоносителя 2 активной зоной 3, парогенераторами 4, средствами циркуляции, например, насосами 5. Система защитного газа включает фильтр очистки газа 6, охладитель-конденсатор 7, газовый компрессор 8. В газовой полости 9 реактора 1 размещены конденсаторы водяного пара 10, соединенные с линией отвода 11 конденсата в цистерну “грязных” вод. Ядерная энергетическая установка снабжена устройством 12 ввода газовой смеси, расположенным под свободным уровнем теплоносителя 2 в районе опускного участка тракта ЖМТ на входе в активную зону 3 и в парогенераторы 4, на глубине 1/5-1/20 от полного столба теплоносителя, на выходе устройства ввода газовой смеси 12 установлена направляющая несъемная труба 13, в которой расположена съемная труба 14 с перфорированным насадком 15 на нижнем участке, подключенная к линии напора 16 газового компрессора 8, линия всаса 17 которого соединена с газовой полостью 9 реактора 1 и к газовым баллонам 18 с восстановительной смесью, баллонами 19 с водородом и баллонами 20 с аргоном.

К нижнему концу съемной трубы 14 подсоединен перфорированный насадок 15, причем перфорация выполнена с возрастающим диаметром от основания насадка 15, например 1,0-3,0 мм.

Работа ядерной энергетической установки в технологическом режиме очистки от оксидов теплоносителя поверхностей ядерного реактора осуществляется следующим образом.

Основанием для проведения очистки является либо недопустимое увеличение содержания оксидов, либо регламентная очистка (по установленным срокам очистки), либо очистка после разуплотнения контура на период ремонта или вследствие аварии.

В том случае, если съемная труба 14 с перфорированным насадком 15 не была установлена в направляющей несъемной трубе 13, то производят ее монтаж и подключение верхней части съемной трубы 14 к линии напора 16 газового компрессора 8. Нижний участок съемной трубы 14 заглубляют под уровень свинца на глубину 1/5-1/20 от полного столба теплоносителя. В баллоне 18 приготавливают восстановительную газовую смесь подачей газа из баллонов 19 и 20. Производят замену инертного защитного газа в газовой полости 9 реактора 1 на восстановительную аргоно-водородную смесь. Нижнюю часть съемной трубы 14 с перфорированным насадком 15 заглубляют под уровень свинцового теплоносителя 2 на глубину 1/5-1/20 от полного столба теплоносителя. Вводят в работу газовый компрессор 8. Восстановительную газовую смесь подают через съемную трубу 14 и перфорированный насадок 15 в объем теплоносителя на опускном участке трассы на входе в активную зону 3 и в объем теплоносителя на опускном участке трассы на входе в парогенераторы 4 (последовательно или одновременно). Заглубление на глубину 1/5-1/20 от полного столба теплоносителя необходимо для того, чтобы сформировать двухкомпонентный поток ЖМТ-газ в двух направлениях. Данное положение дает оптимальный эффект распределения газа по каналам активной зоны и секциям парогенераторов. Крупные пузыри газа диаметром 3,0 мм и более формируются в отверстиях большого диаметра и образуются в результате агломерации - всплывают вверх и, проходя свободный уровень теплоносителя 2, интенсивно восстанавливают оксиды теплоносителя, находящиеся на свободном уровне теплоносителя 2 и вблизи его, а также очищают поверхность трубной системы и секций парогенераторов 4 и другие поверхности, находящиеся в зонах переменного уровня теплоносителя, на которых возможны отложения примесей значительной толщины. Мелкие пузыри диаметром 1 мм и менее захватываются потоком теплоносителя и двигаются вниз с потоком, производя эффективную очистку поверхностей от отложений примесей оксидов свинца. Опускаясь вниз, пузыри за счет поперечной составляющей скорости турбулентных пульсаций выравниваются в поперечном сечении и в объеме теплоносителя.

Диаметр 1-3 мм выбран, исходя из следующих теоретических положений, проверенных экспериментально. Отверстия диаметром менее 1,0 мм могут забиваться отложениями примесей. Отверстия диаметром 1,0-3,0 мм при нормальных условиях эксплуатации (при периодической очистке) примесями не забиваются. Отверстия размером более 3,0 мм формируют крупные пузыри, быстро всплывающие и сепарирующиеся на свободной поверхности 2, не участвуя в процессе эффективной очистки. Уменьшение размеров пузырей резко увеличивает площадь (поверхность) реакции взаимодействия. Таким образом, примеси - оксиды свинца, находящиеся в объеме теплоносителя, образовавшие отложения на теплопередающих поверхностях (в активной зоне 3, в парогенераторах 4) и на свободных поверхностях, восстанавливаются водородом с образованием “чистого” свинца и водяного пара. Водяной пар и, частично, восстановительная газовая смесь сепарируются на свободных поверхностях свинцового теплоносителя 2 и поступают в газовую полость 9. Водяной пар конденсируется в конденсаторах 10, конденсат отводят в цистерну “грязных” вод по линии отвода 11. Газовая смесь, содержащая частично не прореагировавший водород, поступает из газовой полости 9 реактора 1 в линию всаса 17 газового компрессора 8 через фильтр 6 и охладитель-конденсатор газа 7 и далее компрессором 8 подается вновь в линию напора 16, затем через съемные трубы 14 - в перфорированные насадки 15. По мере уменьшения содержания (“срабатывания”) водорода в составе циркулирующей восстановительной газовой смеси производят его подачу в систему газа с поддержанием концентрации водорода в смеси около 30% объемных. После завершения процесса очистки, контролируемого по уменьшению темпа убыли водорода в газовой смеси, прекращению накопления конденсата воды в конденсаторах водяного пара 10 и по показаниям датчиков содержания кислорода в свинце, компрессор 8 останавливают. При необходимости производят демонтаж съемных труб 14 с перфорированным насадком 15 из направляющих несъемных труб 13.

Таким образом, обеспечение эффективной очистки свинцового теплоносителя и поверхностей в реакторном блоке достигается не применением громоздких (до 20% объема контура, который, например, в реакторе БРЕСТ-ОД-300 составляет 8×10³ м³) и малоэффективных фильтров, требующих периодической вырезки и захоронения, а заглубленными на глубину 1/5-1/20 от полного столба теплоносителя съемными трубами 14 (внутренним диаметром 40-60 мм) с перфорированным насадком 15, подключенными трубопроводами с арматурой к линии напора 16 газового компрессора 8, линия всаса 17 которого соединена с газовой полостью 9 реактора 1, и переработкой незначительного количества “грязного” (слабо радиоактивного) конденсата водяного контура, отводимого из конденсаторов газовой системы.

Применение предлагаемого технического решения позволит:

- повысить эффективность очистки поверхностей реакторного блока от отложений примесей - оксидов теплоносителя, исключить образование отложений значительной толщины на теплопередающих поверхностях активной зоны с последующим ее разрушением, как это произошло на отечественной ЯЭУ АПЛ пр.645, тем самым обеспечить безопасную эксплуатацию реакторной установки;

- исключить образование отложений примесей - оксидов теплоносителя на теплопередающих поверхностях секций парогенераторов, что позволит обеспечить номинальные параметры и паропроизводительность секции в течение срока службы, обеспечить эффективность работы теплопередающих поверхностей;

- исключить применение малоэффективных для очистки свинцового и свинцово-висмутового теплоносителей “холодных” ловушек, гидродинамических и механических фильтров, имеющих значительную массу и требующих после выработки их емкости вырезки, захоронения и замены на новые;

- упростить и повысить эффективность средств и мероприятий очистки поверхностей реакторного блока от отложений примесей - оксидов теплоносителя.

Решение относится к ядерной технике и может быть использовано в реакторных установках с жидкометаллическим охлаждением. Предложена ядерная энергетическая установка, которая снабжена устройством ввода восстановительной газовой смеси, расположенным под свободным уровнем в тракте теплоносителя, на глубине 1/5-1/20 от полного столба теплоносителя в районе опускного участка на входе в активную зону и в парогенераторы. На конце устройства ввода газовой смеси установлена направляющая несъемная труба, в которой расположена съемная труба с перфорированным насадком на нижнем участке, подключенная к линии напора газового компрессора, линия всаса которого соединена с газовой полостью реактора, и к газовым баллонам с восстановительной смесью. Технический результат: повышение эффективности очистки от отложений примесей-оксидов теплоносителя поверхностей реакторного блока, активной зоны, парогенераторов и исключение применения “холодных” ловушек, гидродинамических и механических фильтров. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Ядерная энергетическая установка, содержащая реактор с жидкометаллическим свинцовым теплоносителем или его сплавами, с размещенными под свободным уровнем теплоносителя активной зоной, парогенераторами, средствами циркуляции и систему защитного газа, включающую фильтр очистки газа, газовый компрессор, отличающаяся тем, что установка снабжена устройством ввода газовой смеси, расположенным под свободным уровнем в тракте теплоносителя, на глубине 1/5-1/20 от полного столба теплоносителя в районе опускного участка на входе в активную зону и в парогенераторы, на конце устройства ввода газовой смеси установлена направляющая несъемная труба, в которой расположена съемная труба с перфорированным насадком на нижнем участке, подключенная к линии напора газового компрессора, линия всаса которого соединена с газовой полостью реактора, и к газовым баллонам с восстановительной смесью.2. Ядерная энергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что перфорация насадка выполнена с возрастающим диаметром от основания насадка.