Использование в судовых ЯЭУ жидкометаллических теплоносителей диктуется следующими соображениями:
- низким давлением теплоносителя первого контура благодаря высоким температурам кипения ЖМТ (жидкометаллический теплоноситель) (для сплава Na – K ts = 830 °C, для лития ts = 1320 °C, для сплава Pb – Bi ts = 1670 °C) ;
- малыми массогабаритными характеристиками реакторного оборудования, обусловленными более интенсивной теплопередачей между ЖМТ и рабочим телом второго контура;
- высокими параметрами генерируемого пара, обусловленными высокими температурами теплоносителя первого контура;
- высоким КПД установки, зависящим от начальных параметров пара и высоких рабочих температур термодинамического цикла.
По своим теплофизическим и другим свойствам различные ЖМТ сильно отличаются друг от друга. Тяжелые теплоносители (свинец, олово, ртуть, висмут) имеют более высокую коррозионную активность и худшие коэффициенты теплопередачи по сравнению со щелочными металлами, требуют больших затрат энергии на прокачку по контуру, но щелочные металлы более бурно реагируют с водой и при контакте с ней могут образовывать взрывоопасные смеси. В отличие от водяных теплоносителей ЖМТ практически не обладают замедляющими свойствами, что приводит к
необходимости применения в реакторах твердых замедлителей – графитовых или бериллиевых. Наиболее приемлемыми спектрами нейтронов для реакторов с ЖМТ являются промежуточные или быстрые нейтроны, что в свою очередь определяет высокие степени обогащения ядерного горючего. Большинство ЖМТ сильно активируются под воздействием нейтронных потоков. Например, при облучении висмута образуется радиоактивный изотоп –
обладающий очень сильной α –активностью. Период полураспада радиоактивного полония составляет 103 года, поэтому в таких установках предъявляются повышенные требования к биологической защите и герметичности первого контура.
Для предотвращения застывания теплоносителя в трубопроводах первого контура и в активной зоне реактора, практически все установки с ЖМТ включают в свой состав специальную систему обогрева, поддерживающую теплоноситель в расплавленном состоянии при выведенном из действия реакторе.
Двухконтурная ЯППУ с жидкометаллическим теплоносителем
В рассматриваемой ЯППУ (ядерная паропроизводящая установка) с жидкометаллическим теплоносителем (эвтектический сплав Pb − Bi ) используется реактор на промежуточных нейтронах с гомогенной активной зоной (однородная смесь высокообогащенного урана и бериллия). Вокруг активной зоны размещается кольцевой бериллиевый отражатель нейтронов.
Систему первого контура установки, представленной на рис. 40, можно разделить на главную циркуляционную систему, в которой теплоноситель циркулирует от реактора к парогенераторам и обратно, и вспомогательную. Циркуляционный насос первого контура подает сплав в активную зону реактора с температурой около 270 °C. При прохождении через активную зону температура сплава повышается до ~ 450 °C, после чего теплоноситель поступает в парогенератор. В установке используется парогенератор с МПЦ, состоящий из сепаратора, двух теплообменных секций – испарительной и пароперегревательной, и насоса многократной принудительной циркуляции. Теплоноситель последовательно проходит через секции ПГ (парогенератор), передавая тепло сначала пару в пароперегревательной секции, а затем воде и пароводяной смеси – в испарительной. После парогенератора теплоноситель поступает в сепарирующую емкость, и далее – на всасывание ЦНПК (циркуляционный насос первого контура).
Назначением вспомогательной циркуляционной системы является обеспечение сепарации теплоносителя первого контура, компенсация его тепловых расширений, сбор протечек теплоносителя и возврат этих протечек в главную циркуляционную систему.
Так как ЖМТ не обладает замедляющими свойствами, любое попадание даже небольшой массы воды (пара) в активную зону реактора способно вызвать мощный неконтролируемый всплеск реактивности. Вода или пар могут попасть в теплоноситель при неплотности (течи) трубной системы парогенератора из-за того, что давление рабочего тела во втором контуре выше давления теплоносителя в первом контуре. Для предотвращения попадания воды (пара) в активную зону организуется дренаж части теплоносителя в буферную емкость из верхних частей реактора, секций парогенераторов и сепарирующей емкости. При таком условии все возможные протечки воды или пара в первый контур установки попадают в газовый объем буферной емкости, минуя активную зону реактора. Сдренированный в буферную емкость сплав возвращается обратно в главный циркуляционный контур насосом возврата протечек.
Система инертного газа (гелия) предназначена: для создания инертной атмосферы над свободной поверхностью сплава в буферной емкости с целью предотвращения образования оксидной пленки; удаления паров воды при течах парогенератора; уплотнения вала ЦНПК; подачи газа в чехлы стержней системы регулирования; осуществления технологических операций. В случае попадания воды второго контура в первый контур ее пары скапливаются в газовой полости буферной емкости. Микронагнетатель системы инертного газа постоянно прокачивает газ, находящийся в буферной емкости, через аварийный конденсатор, фильтр и гамма-датчик. При этом пары воды (если таковые попали в буферную емкость), конденсируются в аварийном конденсаторе и удаляются за борт судна. Инертный газ из газовой системы направляется также на уплотнения ЦНПК и в чехлы стержней системы управления и защиты реактора.
Питательная вода второго контура подается питательным насосом через ионообменный фильтр в сепаратор парогенератора, где смешивается с котловой водой. Котловая вода забирается насосом многократной принудительной циркуляции, подается в испарительную секцию ПГ, образовавшаяся пароводяная смесь поступает обратно в сепаратор. В сепараторе пар отделяется от воды и направляется в пароперегревательную секцию ПГ. Перегретый пар поступает в главную турбину, приводящую в действие движитель судна, а также на вспомогательные механизмы – турбогенератор, вырабатывающий электроэнергию, и турбопривод ЦНПК.
Расхолаживание установки непосредственно после остановки реактора осуществляется через парогенераторы со сбросом образующегося в них пара на главный конденсатор, а при снижении остаточных тепловыделений в активной зоне – через конденсатор расхолаживания, включенный в паровое и водяное пространства сепаратора и охлаждаемый забортной водой четвертого контура. В аварийных случаях расхолаживание реактора осуществляется через систему каналов расхолаживания, расположенных в корпусе реактора вокруг активной зоны и охлаждаемых водой третьего контура.
Специфической для рассматриваемой установки является система обогрева первого контура, которая обеспечивает поддержание теплоносителя в расплавленном состоянии (tпл = 125 °C ) при выведенном из действия реакторе. Для этого все трубопроводы первого контура обогреваются змеевиками системы обогрева, в которые подается греющий пар или горячая вода с температурой большей, чем температура застывания сплава.
Магнитогидродинамические ядерные энергетические установки с ЖМТ
Перспективность использования жидкометаллических МГДГ на судах обусловлена их малыми массогабаритными показателями и малошумностью работы. Для разгона жидкого металла в МГД-канале применяется энергия паровой фазы. В этом случае возможны варианты жидкометаллической МГД-установки с сепарацией пара и с конденсацией пара в инжекторе.
В схеме установки с сепарацией пара (рис. 41.а) жидкий металл (калий или натрий) нагревается и частично испаряется в ядерном реакторе тепловой мощности Q1. Образовавшаяся двухфазная смесь ускоряется в сопле, где тепловая энергия смеси преобразуется в кинетическую. В сепараторе пар отделяется от жидкой фазы и поступает в конденсатор, в котором отдает часть теплоты – Q2 морской воде. Отсепарированный жидкий металл с большой скоростью поступает в МГД-канал, в котором кинетическая энергия металла преобразуется в электрическую: Pэ = Q1-Q2. При торможении в диффузоре и с помощью насоса восстанавливается первоначальное давление металла, необходимое для возвращения его в реактор.
В схеме МГД-установки с конденсацией пара в инжекторе (рис. 41.б) жидкий металл нагревается и частично испаряется в ядерном реакторе. Влажный пар поступает в паровое сопло инжектора – конденсатора. Для конденсации паровой фазы из охладителя поступает жидкий металл. Конденсация происходит на всей длине камеры смешения инжектора и заканчивается скачком уплотнения. Образующаяся смесь несколько повышает свое давление в диффузоре и поступает в МГД-канал, где кинетическая энергия жидкого металла преобразуется в электрическую. После прохождения канала металл разделяется на два потока: один поступает в охладитель, второй – в активную зону реактора.
Конструкция ТВЭЛ (тепловыделяющий элемент) установок с ЖМТ практически не отличается от конструкции ТВЭЛ водо-водяных реакторов. В основном в реакторах с ЖМТ используются стержневые ТВЭЛ с гладкой или оребренной стенкой, скомпонованные в тепловыделяющие сборки квадратной или шестиугольной формы. Транспортировку ЖМТ в контуре установки можно организовать как с помощью обычных циркуляционных насосов, так и с помощью электромагнитных насосов, работающих по принципу МГД-канала. В электромагнитных насосах электрический ток, протекающий через канал с жидким металлом, взаимодействует с магнитным полем, в которое помещен канал. В результате взаимодействия возникает электромагнитная сила, перемещающая жидкометаллический теплоноситель вдоль канала.
Благодаря незначительным массогабаритным показателям, присущим установкам с ЖМТ, наиболее перспективным направлением является их применение в качестве главной энергетической установки глубоководных обитаемых аппаратов.
Литература
Судовые энергетические установки. Комбинированные и ядерные установки. Болдырев О.Н. [2007]
