Конструкция основных элементов ЯЭУ (ядерная энергетическая установка) и их взаимное размещение оказывают значительное влияние на параметры и характеристики всей энергетической установки. Развитие судовых ЯЭУ шло по пути совершенствования как отдельных элементов энергетической установки, так и конструктивно-компоновочных схем.
Полиблочные (петлевые) компоновочные схемы
В первых судовых ЯЭУ все оборудование – реактор, парогенераторы или теплообменники, компенсаторы давления, другое оборудование первого и второго контура, изготавливались в виде отдельных агрегатов и соединялись между собой трубопроводами практически так, как это было изображено на принципиальной схеме. Такой способ компоновки оборудования ЯЭУ называют полиблочным или петлевым и он до сих пор применяется в стационарной атомной энергетике. В петлевых компоновочных схемах с раздельной установкой оборудования можно использовать парогенераторы как с горизонтальным, так и с вертикальным расположением корпусов. На каждой петле после парогенератора устанавливают один или два ЦНПК (циркуляционный насос первого контура), работающих параллельно.
Недостатками полиблочных схем ЯЭУ являются: усложнение конструкции ЯЭУ и ее массогабаритных показателей; снижение надежности из-за большого количества сварных швов, работающих в условиях высокого давления, и наличия запорной арматуры большого диаметра; увеличение суммарной площади радиационно-опасного оборудования; усложнение и увеличение трудоемкости монтажных работ непосредственно в отсеке судна.
Дальнейшее совершенствование судовых ЯЭУ шло по пути постепенного отказа от применения петлевых компоновочных схем с раздельным размещением оборудования и перехода к более совершенным блочным и моноблочным схемам.
Блочные компоновочные схемы яэу
Применение более совершенной блочной компоновки ЯЭУ позволяет значительно сократить длину трубопроводов первого контура, по которым осуществляется движение теплоносителя между реактором, парогенераторами (теплообменниками), насосами первого контура и другим оборудованием первого контура. В этом случае реактор соединяется с парогенераторами короткими силовыми патрубками, выполненными по типу «труба в трубе». Парогенераторы и другое оборудование первого контура размещаются симметрично вокруг реактора на незначительном расстоянии. Корпуса реактора, парогенераторов, гидрокамеры ЦНПК, соединенные короткими силовыми патрубками, образуют блок корпусов (рис. 43, 44), а конструкция силовых патрубков типа «труба в трубе» позволяет вдвое сократить число трубопроводов, работающих под высоким давлением, и отверстий в обечайках реактора и парогенераторов.
Парогенераторы могут располагаться ниже (рис. 43.а) или выше соединительных патрубков (рис. 43.б). При нижнем размещении парогенераторы могут размещаться вместе с корпусом реактора в баке биологической защиты, выполняя роль дополнительной теневой защиты от излучений активной зоны. В блочной компоновочной схеме насосы первого контура могут исполняться в своем отдельном корпусе (рис. 43.а), соединенном силовым патрубком с корпусом реактора, или входить в состав парогенератора, размещаясь в верхней его части (рис. 43.б) и образуя единый блок ПГ (парогенератор) – ЦНПК. При размещении насосов первого контура в отдельном корпусе их количество может не совпадать с количеством ПГ, а отключение или выход из строя одного из насосов первого контура не приводит к выводу из действия парогенератора, так как любой из насосов может работать на любой парогенератор или на несколько парогенераторов одновременно. При совмещении ПГ с ЦНПК в единый блок выход из строя насоса первого контура приводит к необходимости отключения парогенератора, в состав которого входит аварийный насос. Компенсаторы давления в блочных установках обычно выполняются выносными.
Моноблочные яэу
Моноблочный принцип компоновки предусматривает размещение активной зоны, парогенераторов (газовых теплообменников), ЦНПК, а иногда и остального оборудования ЯЭУ в едином прочном корпусе (рис. 45). Роль трубопроводов в моноблочных ЯЭУ выполняют внутренние части и элементы корпуса моноблока, разделяющие потоки теплоносителя. Трубопроводы в таких установках могут использоваться только в тех случаях, когда насосы первого контура (газодувки) размещаются отдельно, за пределами моноблока. Поверхность теплообмена парогенератора (газового теплообменника) размещается по окружности вокруг центральной части и выше активной зоны. Иногда поверхность теплообмена делится на несколько частей, располагающихся по окружности вокруг центральной части моноблока и образующих отдельные парогенераторы (теплообменники). В моноблочных ЯППУ (ядерная паропроизводящая установка), использующих парогенераторы с естественной циркуляцией, в верхней части моноблока могут располагаться сепарационные объемы с сепарационными устройствами, улучшающими качество генерируемого пара. Насосы первого контура могут располагаться: на крышке корпуса моноблока в верхней его части; на боковой поверхности корпуса моноблока перпендикулярно его оси; снаружи и вокруг корпуса моноблока с соединением с ним короткими силовыми патрубками. Моноблочный принцип компоновки ЯППУ позволяет более широко использовать принцип естественной циркуляции теплоносителя, при котором отпадает необходимость применения насосов первого контура для движения теплоносителя через активную зону реактора и трубные системы парогенератора.
Кроме того, моноблочный принцип компоновки ЯЭУ обеспечивает меньшие массогабаритные характеристики установки; более высокую надежность установки, так как значительно снижается вероятность разгерметизации первого контура за счет обрыва циркуляционных трубопроводов; уменьшение потока излучений, воздействующих на корпус моноблока, из-за увеличенного расстояния между корпусом и активной зоной.
К недостаткам блочных компоновочных схем ЯЭУ можно отнести: активацию отложений на внутренних полостях трубной системы парогенераторов, расположенных в непосредственной близости от активной зоны, и соответственно, повышенную активность генерируемого пара; значительные трудности, связанные с ремонтом трубных систем теплообменников и парогенераторов, расположенных внутри корпуса моноблока; технологические трудности, связанные с созданием корпусов моноблоков достаточно большого (около 4 ÷ 5 м) диаметра, работающих в условиях воздействия высоких давлений, и сложных конструкций крышек моноблоков.
Размещение яэу на судне
Размещение ЯЭУ на судне имеет свои особенности, связанные со спецификой этого типа установок. При расположении ЯЭУ должны учитываться такие факторы, как: наличие проникающих радиоактивных излучений и необходимость радиационной защиты обслуживающего персонала; возможность радиоактивного загрязнения окружающей среды; вероятность возникновения аварий ЯЭУ и аварийной утечки теплоносителя; значительные (включая биологическую защиту) массогабаритные показатели ЯЭУ; практически полное отсутствие запасов топлива на судне (за исключением запасов топлива для вспомогательной энергетической установки); наличие и постепенное накопление радиоактивных отходов; необходимость периодической перезарядки активных зон реакторов.
Наиболее рациональным представляется размещение ЯЭУ в средней части судна. Это связано с обеспечением оптимальной продольной остойчивости и меньшей уязвимости при аварийных ситуациях. Однако в проектах танкеров и крупных рудовозах, в силу особенностей архитектуры данного класса судов, применяется кормовое размещение ЯЭУ.
Для предотвращения распространения радиоактивных веществ в случае возникновения аварии (газовая и аэрозольная активность, утечки теплоносителя 1 контура и т.д.) за пределы реакторного помещения, оно выполняется в виде герметичного защитного контейнера либо в виде защитной герметичной реакторной выгородки (рис. 46). Внутри выгородки располагают реактор, парогенераторы (газовые теплообменники), ЦНПК (газодувки или компрессоры), компенсаторы объема, насосы расхолаживания и другое основное оборудование ЯЭУ, включая все трубопроводы и арматуру 1 контура.
Основное оборудование систем 2, 3 и 4 контуров, а также паротурбинная часть двухконтурных установок располагается за пределами герметичных выгородок. Герметичные реакторные выгородки оснащаются системами вакууммирования, с помощью которых в них поддерживается пониженное давление воздуха по сравнению с атмосферным для предотвращения протечек радиоактивных аэрозолей наружу, за пределы реакторного помещения. Для очистки воздуха от аэрозольной активности герметичные реакторные выгородки и отсеки оснащаются автономной системой вентиляции со сложными многоступенчатыми системами фильтрации.
Защитные оболочки ЯЭУ рассчитывают на условия, возникающие при максимально возможной аварии. Под такой аварией обычно понимается авария с внезапной потерей герметичности (разрывом) первого контура, расплавлением активной зоны и испарением всей воды (для паропроизводящих установок). При этом возможны варианты защитных оболочек, рассчитанных на полное давление, которое может возникнуть при максимальной проектной аварии, и оболочки, рассчитанные с учетом снижения давления с помощью специальных средств и систем снижения давления. Защитное ограждение может выполняться в виде самостоятельной конструкции (рис. 46.а) или составлять единое целое с корпусными конструкциями (рис. 46.б, в). В последнем случае отпадает необходимость в отдельной защитной оболочке, поскольку защитное ограждение выполняет одновременно и ее функцию, но для ограничения максимального давления, возникающего в аварийных ситуациях, возникает необходимость применения различных систем снижения давления.
Помещения судна с ЯЭУ по степени радиационной безопасности разделяют на различные категории. Обычно выделяются зоны строгого, ограниченного и свободного режимов.
К зоне строгого режима относятся помещения, в которых при работающей ЯЭУ имеются источники повышенного радиоактивного излучения и где возможны радиационные загрязнения. Обычно это отсеки с оборудованием ЯЭУ, помещения радиохимической лаборатории, вспомогательных систем ЯЭУ, временного хранения жидких и твердых радиоактивных отходов и т.д. К зоне ограниченного режима относятся помещения и часть палуб, радиоактивное загрязнение которых возможно при авариях ЯЭУ и несоблюдении правил радиационной безопасности. К зоне свободного режима относят все остальные помещения судна, не вошедшие в первые две категории.
К корпусам судов с ЯЭУ предъявляются дополнительные требования. В районе расположения реакторного отсека должны быть предусмотрены усиленный набор корпуса судна и противоударная защита, выполняющаяся обычно в виде горизонтальных платформ, деформация которых при столкновениях гасит энергию удара.
С целью обеспечения движения судна при возникновении аварийных ситуаций с ЯЭУ, на нем может размещаться вспомогательная котельная установка. В этом случае ВКУ вырабатывает пар тех же параметров, что и основная ЯЭУ, а вырабатываемый вспомогательным котлом пар может подаваться на главную паровую турбину.
Литература
Судовые энергетические установки. Комбинированные и ядерные установки. Болдырев О.Н. [2007]
