Безносов А.В., Волков Н.С., Бокова Т.А., Маров А.Р., Лукичев Н.С., Львов А.В. (НГТУ им. Р.Е. Алексеева, Нижний Новгород, Россия)
В контурах со свинцовым и свинцово-висмутовым теплоносителем одними из важнейших показателей чистоты теплоносителя является содержание кислорода в теплоносителе и его термодинамическая активность. В связи с этим необходимо предусматривать установку устройств регулирования окислительного потенциала теплоносителя. Уменьшение содержания кислорода ниже границы определенного диапазона может привести к восстановлению оксидных защитных покрытий на сталях, контактирующих с ТЖМТ с последующим разрушением их поверхностей. Увеличение содержания кислорода выше верхней границы диапазона может привести к забиванию каналов контура дисперсными частицами оксидов, ухудшению теплообмена в оборудовании контура, возникновению других неисправностей, препятствующих нормальной эксплуатации контура.
Различные режимы эксплуатации обуславливают наличие принципиальной разницы между управлением содержания кислорода в реакторных контурах и в исследовательских, испытательных и других стендах. В реакторном контуре при безаварийной работе в теплоносителе наблюдается снижение термодинамической активности кислорода и без ввода дополнительного кислорода в контур защитные оксидные покрытия конструкционных материалов формируются в недостаточной степени, что может привести к их преждевременному разрушению. Работа испытательных и других стендов предусматривает, как правило, частое вскрытие и разгерметизацию контура при «горячем» контуре при недренированном или частично дренированном ТЖМТ.
При вскрытиях контур ТЖМТ активно насыщается кислородом воздуха, который взаимодействует с ТЖМТ или адсорбируется «горячими» стенками контура. Для обеспечения эффективной эксплуатации контура требуется относительно «мощное» устройство управления процессами восстановления оксидов ТЖМТ. В реакторных контурах такие устройства могут понадобиться только для очистки после соответствующих аварийных ситуаций.
Устройства управления содержанием кислорода в контурах с ТЖМТ
Основные типы устройств регулирования содержания кислородосодержащих примесей в ТЖМТ показаны на рис. 1–4.
Как видно из рисунков 1–4, исследованные, в большей или меньшей степени, отработанные и рекомендованные к внедрению устройства управления окислительным потенциалом ТЖМТ в контурах с точки зрения получения конечного результата подразделяются на следующие:
- управляющие только увеличением содержания термодинамически активного кислорода;
- управляющие как увеличением, так и уменьшением содержания термодинамически активного кислорода в теплоносителе.
Рис. 1. Пример конструкции эжекционного устройства
Устройства, управляющие только увеличением содержания термодинамически активного кислорода – это, например, предложенные специалистами ФЭИ так называемые твердотельные массообменники. В них используется физико-химический процесс растворения элементов твердой фазы кислородосодержащих соединений, устанавливаемых в районе входа в активную зону, выхода из нее или в других точках контура. Управление скоростью процесса растворения может осуществляться изменением температуры сред, скоростью обтекания элементов потоком или др. Безусловным преимуществом таких устройств является отсутствие, генерируемых устройством, дисперсных частиц, циркулирующих с потоком в контуре.
В устройствах, управляющих как увеличением, так и уменьшением содержания термодинамически активного кислорода в теплоносителе используется химическое взаимодействие восстановительной или окислительной газовой (газопаровой) смеси с ТЖМТ, омывающим поверхность конструкционных материалов (сталей) контура. При увеличении окислительного потенциала теплоносителя на сталях формируются и доформируются оксидные, защитные покрытия. При вводе в ТЖМТ восстанавливающих газовых смесей происходит восстановление частиц твердой фазы оксидов теплоносителя с образованием водяного пара и ТЖМТ.
При высоком уровне содержании оксидов в теплоносителе и в контуре, включая образование их отложений на свободных поверхностях ТЖМТ и в пристенных областях, в местах гидродинамической сепарации частиц такой процесс управления принято называть очисткой контура и теплоносителя. Управление кинетическими характеристиками процесса восстановления оксидов обеспечивается за счет изменения температуры контура, режимов циркуляции потоков ТЖМТ и пр. В качестве газовых (газопаровых) смесей используются: смеси инертного газа (аргона) с водородом, с кислородом, с водяным паром. В результате реакции восстановления оксидов водородом образуется водяной пар, который в виде конденсата выводится из реакторного контура или контура исследовательского стенда.
Разница в управлении содержанием кислорода в реакторных контурах и в исследовательских и других стендах определяет наличие существенных различий в исполнении устройств. Какие-то устройства могут оказаться наиболее эффективными в конкретных условиях какого-либо контура с ТЖМТ, тогда как, в других условиях они могут быть менее эффективными. В некоторых условиях различные устройства могут быть альтернативными, тогда как в других условиях они могут эффективно дополнять друг друга. Поэтому целесообразно наряду с рекомендованными и внедренными устройствами исследовать и отрабатывать новые, не рассматриваемые ранее устройства управления содержанием кислорода в контурах с ТЖМТ.
В настоящее время научным коллективом лаборатории «Реакторная гидродинамика» ведется научно исследовательская работа по научно-техническому обоснованию оптимальных устройств регулирования окислительного потенциала теплоносителя в контурах реакторов на быстрых нейтронах, охлаждаемых свинцовым и свинцово-висмутовым теплоносителем. Применимо к условиям быстрого реактора свинцового с горизонтальным парогенератором (БРС ГПГ) исследовались варианты конструкций, соответствующих элементам конструкции РУ БРС ГПГ (рис. 5).
Сущность работы испытываемого устройства заключается во внедрении в поток теплоносителя, в местах, где появляется свободная поверхность, возмутителя (пластины определенной конфигурации) для создания падающих капель и струй. Обтекая пластину, теплоноситель поступает на верхнюю часть пластины, находящуюся выше свободной поверхности теплоносителя, откуда в виде струй, капель, брызг попадает на свободную поверхность ТЖМТ. Падая, теплоноситель захватывает газ из газовой полости в виде мелкодисперсионных пузырей под свободный уровень теплоносителя и продолжает движение по контуру в виде двухкомпонентного потока с окислительной или восстановительной газовой смесью. Исследования варианта конструкции устройства проводятся на водяном теплоносителе (рис. 6).
Проведенные исследования работоспособности вариантов конструкций устройств управления кислородосодержащими примесями в ТЖМТ на установках с водяным теплоносителем и с ТЖМТ показали эффективность ввода газовой фазы в теплоноситель с помощью энергии падающих на свободную поверхность теплоносителя капель и струй, применительно к определенным исполнениям контуров с ТЖМТ. Такие устройства использовались в РУ проекта 705 в виде «фонарей» слива ТЖМТ из «голов» ПГ на свободную поверхность свинца-висмута в буферных емкостях контура. Такие устройства в контурах экспериментальных стендов использовались в виде емкостей с изливом ТЖМТ на свободную поверхность. Эти технические решения, совмещаясь с имеющимся оборудованием контура, являются достаточно простыми с точки зрения исполнения и эксплуатации, при этом обладают удовлетворительной надежностью и эффективностью.
Список литературы
- БезносовА.В., БоковаТ.А. Оборудование энергетических контуров с тяжелыми жидкометаллическими теплоносителями в атомной энергетике: Нижегородский государственный технический университет. – Нижний Новгород, 2012 г.
- Тошинский Г.И., Лейпунский А.И. Ядерные энергетические установки с жидкометаллическим теплоносителем свинец-висмут для атомных подводных лодок//Известия вузов. Ядерная энергетика. – 2003 – № 4.
