Реализация системы контроля и поддержания качества теплоносителя в реакторной установке БРЕСТ-ОД-300


Лемехов В.В., Чеков М.Е., Крылов С.Г., Плисеина Т.В. (АО «НИКИЭТ»,  Москва, Россия), Асхадуллин Р.Ш. (АО «ГНЦ РФ-ФЭИ», Москва, Россия)

 

Перспективное развитие атомной энергетики связано с созданием реакторных установок на быстрых нейтронах с замкнутым топливном циклом, способных существенно (около 100 раз) повысить топливный потенциал ядерной и снизить потребление органического топлива. К реакторам данного типа относится  БРЕСТ-ОД-300, теплоносителем которого является тяжелый жидкий металл – свинец. Использование в РУ БРЕСТ-ОД-300 высококипящего, радиационно стойкого, мало активируемого свинцового теплоносителя, инертного при контакте с водой и воздухом, не требует высокого давления в контуре, исключает аварии с пожарами, паровыми и водородными взрывами и способствует:

  • воспроизводству делящегося материала в активной зоне за счет низкого замедления нейтронов;
  • исключению реализации пустотного эффекта реактивности по причине высокой температуры кипения и плотности свинца;
  • исключению потери теплоносителя из контура при повреждении корпуса вследствие высокой температуры затвердевания (и применения интегральной компоновки);
  • большой инерционности переходных процессов в контуре, что позволяет снизить требования к быстродействию систем безопасности.

На основании научных исследований, опыта эксплуатации стендов и РУ (на АПЛ) показано, что единственным нормируемым показателем в свинцовом теплоносителе является растворенный в нем кислород. Его регламентированное содержание в теплоносителе обеспечивает коррозионную стойкость конструкционных материалов, контактирующих с ним, путем формирования защитных пленок на поверхностях.

На основании базы материаловедческих исследований был определен диапазон содержания кислорода в свинцовом теплоносителе для РУ БРЕСТ-ОД-300  (1–4) ·10-6 % масс. для нормальной эксплуатации, допускающий отклонения на тысячу часов без значимых последствий. С целью его обеспечения разработана система контроля и поддержания качества теплоносителя (СКПКТ).

В состав СКПКТ входит следующее основное оборудование:

  • датчики активности кислорода (ДАК), необходимые для непрерывного контроля содержания кислорода в теплоносителе;
  • массообменный аппарат (МА) – для увеличения содержания кислорода;
  • устройство ввода газовой фазы – для снижения концентрации кислорода;
  • фильтр – для удаления невосстанавливаемых примесей.

ДАКи (рис. 1) размещаются в двух наиболее значимых с точки зрения физикохимических процессов, протекающих в свинцовом теплоносителе, температурных зонах. Зона контроля с минимальной температурой теплоносителя (~ 420 °С) выбрана для индикации и недопущения условий образования твердофазных оксидов свинца в теплоносителе. Местом размещения «холодного» ДАК является участок на выходе с ГЦНА (на напорном уровне).

Наиболее уязвимым участком контура циркуляции с точки зрения целостности конструкционных материалов является активная зона с максимальной температурой. В связи с этим данный участок контура нуждается в повышенном контроле, который осуществляется посредством «горячего» ДАК, расположенного внутри парогенераторов в межтрубном пространстве подъемного участка.

Реализация системы контроля и поддержания качества теплоносителя в реакторной установке БРЕСТ-ОД-300

Рис. 1. Датчик активности кислорода

 

МА – устройство для введения растворенного кислорода в свинцовый теплоноситель с целью поддержания нормированного кислородного режима. Работа МА основана на принципе растворения гранулированного оксида свинца, расположенного в корпусе МА. Гранулы оксида свинца (рис.2), контактируя со свинцовым теплоносителем, растворяются, и кислород с потоком теплоносителя транспортируется по первому контуру. На выходе из МА теплоноситель насыщен кислородом до предельной растворимости при данных условиях. Растворимость кислорода при 535 °С более чем на порядок больше растворимости кислорода при температуре 420 °С. Соответственно, при избыточном вводе растворенного кислорода в «горячей» зоне циркуляционного контура возможно образование твердой фазы оксидов свинца в «холодной». Ввиду вышесказанного МА установлен на байпасе главного циркуляционного насоса.

Реализация системы контроля и поддержания качества теплоносителя в реакторной установке БРЕСТ-ОД-300

Рис. 2. Гранулы оксида свинца, используемые в массообменном аппарате


 

При взаимодействии свинцового теплоносителя с газофазным кислородом возможно образование твердой фазы оксидов свинца. При эксплуатации РУ на мощности исключена возможность попадания воздуха в первый контур, по время ППР перегрузка реакторного оборудования проводится в контейнерах с целью недопущения контакта свинцового теплоносителя с кислородом воздуха. Таким образом, во время штатной эксплуатации РУ невозможно образование твердой фазы оксидов свинца, однако для случаев нештатных ситуаций с попаданием газофазного кислорода в первый контур предусмотрены устройства ввода газовой смеси – диспергаторы. Диспергатор предназначен для уменьшения содержания кислорода в свинцовом теплоносителе. Рабочая часть диспергатора газа представлена на рис. 3. Опыт эксплуатации контуров с тяжелыми жидкометаллическими теплоносителями показывает, что любые возможные устройства ввода водородосодержащих газовых смесей в поток теплоносителя должны обеспечивать доставку этих смесей на вход в активную зону.

Диспергатор устанавливается на низкоскоростном опускном участке течения теплоносителя, по окончании которого теплоноситель меняет направление на подъемное и попадает в активную зону. Результаты расчетно-экспериментального обоснования подтвердили возможность доставки газовых смесей на вход активной зоны.

Реализация системы контроля и поддержания качества теплоносителя в реакторной установке БРЕСТ-ОД-300


 

 

Фильтр теплоносителя (рис. 4.) предназначен для непрерывного удаления взвешенных (преимущественно невосстанавливаемых) примесей из свинцового теплоносителя. Фильтры устанавливаются на байпасе главного циркуляционного насоса. Установка фильтров в указанном месте позволяет:

  • обеспечить габариты фильтра, требуемые для размещения необходимого объема фильтроматериала и гидродинамического режима очистки с целью удержания бόльшей части (80–90) % взвешенных примесей, образующихся в процессе эксплуатации;
  • обеспечить оптимальные температурные условия процесса фильтрации с точки зрения достижения максимальной концентрации взвесей на входе в фильтр и требуемой стойкости фильтроматериала.

В настоящее время разработан технический проект ДАК, проведены приемочные испытания опытного образца ДАК, экспериментально обоснован проектный ресурс. С целью утверждения типа ДАК разработана и аттестована как средство измерения эталонная поверочная установка для воспроизведения заданной термодинамической активности в расплаве свинца (рис. 5). Документация на утверждения типа ДАК рассматривается Росстандартом.

Реализация системы контроля и поддержания качества теплоносителя в реакторной установке БРЕСТ-ОД-300

Рис. 4. Макет фильтра теплоносителя

 

Реализация системы контроля и поддержания качества теплоносителя в реакторной установке БРЕСТ-ОД-300

 

Разработан технический проект массообменного аппарата, проведен комплекс стендовых испытаний, демонстрирующий эффективность регулирования содержания кислорода в свинцовом теплоносителе посредством растворения гранул оксида свинца.

Разработан проект технических условий на гранулированный оксид свинца, проведены ресурсные испытания регулировочного клапана массообменого аппарата, подтвердившие равномерность и плавность гидравлической характеристики в рабочем диапазоне расходов (1–50 м3/ч). Подтверждена заданная герметичность клапана в закрытом состоянии. Опыт применения гранул оксида свинца в стендах насчитывает тысячи часов, но в условиях существенно более жестких, чем реакторные (замораживание-размораживание, термоциклирование). Поэтому в контролируемых условиях проведены ресурсные испытания гранул с выдержкой в расплаве свинца в течение 3000 ч, показавшие сохранение прочностных характеристик гранул. Внешний вид гранул оксида свинца после испытаний приведен на рис. 6. В настоящее время ресурсные испытания в обоснование прочностных характеристик гранул продолжаются.

Реализация системы контроля и поддержания качества теплоносителя в реакторной установке БРЕСТ-ОД-300

Рис. 6. Внешний вид гранул оксида свинца после испытаний

 


Разработан технический проект диспергатора газа, экспериментально подтверждена его работоспособность, способность формировать мелкодисперсную газовую фазу, транспортируемую теплоносителем на большие расстояния. Успешно проведены ресурсные испытания полномасштабного макета диспергатора.

Разработан технический проект фильтра теплоносителя, проведены испытания макета фильтра, расчетным путем обоснована емкость фильтроматериала. С целью подтверждения прочностных характеристик фильтроматериала проводятся его коррозионные испытания в свинцовом теплоносителе.

Научно-исследовательские работы в части обоснования технологии свинцового теплоносителя позволили выделить наиболее важные физико-химические процессы, протекающие в теплоносителе. Ввиду значимости этих процессов с точки зрения безопасной эксплуатации РУ разрабатываются описывающие их математические модели. С использованием расчетных CFD-кодов моделируются следующие процессы:

  • массоперенос растворенных примесей и продуктов коррозии в свинцовом теплоносителе;
  • выход металлических примесей из конструкционных материалов;
  • рост оксидной пленки на поверхностях конструкционных материалов, контактирующих со свинцовым теплоносителем.

В настоящий момент продолжаются экспериментальные исследования для верификации расчетных моделей для CFD кодов. Проведенные работы легли в основу технического проекта СКПКТ РУ БРЕСТ-ОД-300.

 


Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Все об энергетике, электротехнике и электронике
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: