uva62 (uva62) wrote,
uva62
uva62

Categories:

Универсальная система пассивного отвода тепла от активной зоны исследовательского реактора

В настоящей работе представлены результаты анализа универсальной системы охлаждения активной зоны исследовательских реакторов, построенной на пассивном принципе естественной конвекции теплоносителя. Приведены трехмерная модель, технологическая и расчетная схемы реакторной установки и показаны примеры численной оценки переходных процессов при работе контура охлаждения в нормальном и аварийных режимах для обоснования возможности использования такой системы охлаждения в исследовательских реакторах малой и средней мощности. Принципиальной особенностью представляемой пассивной системы является отсутствие в контуре охлаждения не только активных элементов, таких как циркуляционные насосы и запорно-регулирующая арматура, но и пассивных элементов с движущимися частями, таких как обратный клапан. Контур охлаждения включает в себя лишь сосуды, трубопроводы и теплообменник. Отсутствие элементов с механическими движущимися частями позволяет существенно уменьшить вероятность отказов оборудования и повысить надежность функционирования системы охлаждения при снижении ее стоимости. Универсальность предлагаемой системы позволяет использовать ее для широкого спектра разрабатываемых типовых реакторных установок различной мощности, предназначенных для широкого круга исследований по разным направлениям научно-исследовательских и прикладных работ, связанных с ядерными технологиями.


1. Соответствие предложенной концепции принципам проектирования перспективных исследовательских реакторов



В соответствии с международными нормами при разработке новых исследовательских реакторов необходимо ориентироваться на требования безопасности исследовательских реакторов и перечисленные ниже концептуальные положения и принципы проектирования перспективного ИР для научно-исследовательских центров [1].


1.1 Надежность


1.1.1 Использование технических решений и оборудования, проверенных в ходе эксплуатации реакторов


Естественная циркуляция теплоносителя используется в реакторных установках как в качестве систем нормальной эксплуатации, например, в энергетическом реакторе ВК-50, так и в исследовательских реакторах, например, в ИР-100, но обычно ее применяют для расхолаживания активных зон после остановки реактора.


Физические основы механизма естественной циркуляции воды и воздуха просты и надежны. Современные расчетные коды позволяют с достаточной точностью оценивать динамические процессы развития естественной циркуляции в динамике даже в сложных контурах. Кроме того, накоплен большой опыт создания систем, использующих естественную циркуляцию как с кипением, так и без кипения теплоносителя.


Использование в контуре охлаждения только пассивного оборудования без механических движущихся частей (трубопроводы, сосуды, теплообменник) обеспечивает высокую надежность всей системы [2].


1.1.2 Выбор расхода и перепада давления теплоносителя на активной зоне, обеспечивающий запас до температуры начала кипения и допустимое значение показателя теплотехнической надежности


Заданная регламентом динамика подъема тепловой мощности в активной зоне с учетом гидравлического сопротивления контура циркуляции позволяет надежно обеспечить требуемый запас до температуры начала кипения.


Устойчивость процесса циркуляции при подъемном движение теплоносителя в активной зоне обеспечивает высокую теплотехническую надежность даже при отклонениях от регламента выхода на мощность, приводящего к кипению на оболочках твэлов. При этом происходит интенсификация циркуляции теплоносителя в контуре за счет уменьшения средней плотности теплоносителя на подъемном участке, увеличение расхода теплоносителя через активную зону и возвращение к нормальным теплогидравлическим параметрам реактора, если его мощность не превышает предел нормальной эксплуатации. Следует отметить, что при выполнении требования к активной зоне по обеспечению естественной самозащищенности (отрицательность «пустотного» эффекта реактивности), кипение теплоносителя в активной зоне приводит к внесению отрицательной реактивности и снижению тепловой мощности.


Таким образом, естественные процессы, заложенные в принципы функционирования исследовательской реакторной установки, позволяют обеспечить высокие показатели теплотехнической надежности и безопасность эксплуатации.


1.2  Безопасность


1.2.1 Размещение активной зоны под большим уровнем воды


Высокий уровень воды над активной зоной в корпусе реактора обеспечивают радиационную защиту персонала при транспортно-перегрузочных операциях.


1.2.2 Обеспечивает сохранение залива активной зоны водой при возникновении течи в трубопроводах


Размещение трубопровода реактора в условно герметичном вертикальном канале позволяет обеспечить повышенный уровень воды над активной зоной при аварийных ситуациях с разрывом циркуляционных трубопроводов. Этот канал дает возможность для контроля, сбор, а также частичного возврата протечек воды в контур охлаждения. Ниже будет показано, что повышение температуры насыщения в активной зоне за счет давления столба жидкости создает условия для безопасного расхолаживания топливных сборок при разгерметизации контура циркуляции.


1.2.3 Отсутствие поверхностного кипения на твэлах и элементах активной зоны


Отсутствие пристеночного кипения на поверхностях твэлов и элементах активной зоны при нормальном режиме работы достигается обеспечением высокой эффективности естественной циркуляции за счет малого гидравлического сопротивления контура в целом и большой разности в гидростатическом напоре на подомном и опускном участке, создающий движущий напор ЕЦ. Эта разность пропорциональна высоте контура естественной циркуляции и разности средних плотностей теплоносителя на подъёмном и опускном участках. Увеличение подогрева теплоносителя в активной зоне приводит к увеличению этой разности средних плотностей и интенсификации ЕЦ. При подъемном движении теплоносителя в активной зоне начало процесса кипения на твэлах не влияет на устойчивость естественной циркуляции в ТВС, однако при опускном движении поверхностное кипение может привести к перевороту циркуляции и опасному ухудшению теплоотвода в ТВС.


Соблюдение регламента по скорости вывода реактора на номинальный уровень мощности и ограничение по мощности позволяют выполнить требование по отсутствию пристеночного кипения на поверхностях твэлов и элементов активной зоны, если это требование имеется. Но это требование не обязательно, если материалы оболочек твэлов и нормативные параметры водно-химического режима теплоносителя допускают наличие поверхностного кипения на максимально теплонапряженных твэлах, как это происходит, например, в ИР СМ-3 [2].


1.2.4 Пассивные системы безопасности


Важным фактором безопасности реактора с естественной циркуляцией является то, что все системы, обеспечивающие теплоотвод как в режиме нормальной эксплуатации, так и в аварийных режимах, являются полностью пассивными и не зависят от электроснабжения. Это является главной отличительной чертой предложенной концепции исследовательского ядерного реактора. Наряду с наличием отрицательных обратных связей по реактивности и достаточной эффективностью рабочих органов системы управления и защиты это обеспечивает максимальный уровень безопасности и надежности рассматриваемых реакторов.


1.2.5 Гибкость


Универсальность системы охлаждения обеспечивает возможность реализации различных компоновок активной зоны реактора при выбранном диаметре корпуса. Возможности варьирования количества и расположения вертикальных экспериментальных каналов определяется расположением отверстий на крышке реактора и в случае перехода на принципиально новую компоновку активной зоны можно будет заменить крышку реактора в соответствии с новыми требованиями.


Количество и расположение горизонтальных каналов определяется заранее, так как в соответствии с их назначением и геометрией изготавливается корпус реактора и формируется пространство вокруг корпуса реактора, включающее биологическую защиту, горизонтальные каналы и технологические помещения для работы с ними.


1.2.6 Эффективность


В работе [1] в качестве показателей эффективности ИР предлагается использовать следующие критерии:


- высокий уровень плотности потока нейтронов в экспериментальных устройствах реактора;


- глубокое выгорание топлива в выгружаемых сборках;


- высокое «качество реактора» по тепловым нейтронам (Ф/N);


- многообразие экспериментальных объемов;


1.3 Простота


Предельная простота контура циркуляции обеспечивают удобство обслуживания реактора и отсутствие необходимости в проведении планово-предупредительного ремонта сложного оборудования системы охлаждения реактора (насосы, запорно-регулирующая арматура, обратные клапаны) из-за их отсутствия. В [2] показаны преимущества технологической схемы пассивного радиатора при организации нисходящего движения хладагента в активной зоне исследовательского реактора с использованием естественной циркуляции.


2. Пример применения предложенной концепции пассивного охлаждения для корпусного исследовательского реактора с активной зоной ловушечного типа


Для демонстрации потенциальных возможностей исследовательского реактора с системой пассивного отвода тепла рассматривается корпусная реакторная установка, трехмерная модель которой приведена на Figure 1.


В качестве примера рассматривается активная зона, аналогичная активной зоне ловушечного типа корпусного реактора СМ-3 [3], расположенного в Димитровграде (Россия) – Figure 2.


Технические характеристики реактора приведены в таблице 1.. Отличие рассматриваемой активной зоны от прототипа состоит в том, что мощность снижена со 100 до 10 МВт и отсутствует гидропрофилирование ячеек с рабочими ТВС.








Figure 1 Трехмерная модель ИР мощностью 10 МВт с отводом тепла естественной конвекцией








Figure 2 Активная зона реактора СМ-3










Как показывают приведенные расчетные оценки, для корпусного реактора, использующего естественную циркуляцию в первом контуре, в активной зоне может быть достигнут уровень плотности потока нейтронов до 5×1014 1/(см2с) без применения циркуляционных насосов и запорно-регулирующей арматуры. При разгерметизации циркуляционных трубопроводов или теплообменника функцию аварийного охлаждения реактора берут на себя компенсаторы давления, выполняющие одновременно функцию баков САОР с холодной водой. Схема пассивного контура охлаждения без пассивной системы водоочистки и с пассивной системой водоочистки приведена на Рисунке 3








Figure 3 Схема пассивного контура охлаждения без пассивной системы водоочистки (слева) и с пассивной системой водоочистки(справа)


Расчетный анализ по SolidWorks/FlowSimulation показал, что для обеспечения отвода тепла воздушной конвекцией от реактора мощностью 10 МВт достаточно ВТА с приведенными выше параметрами и вытяжной трубы высотой 40 м и диаметром проходного сечения в нижней части 7 м, а в верхей части 5 м.








Рисунок 4 Система воздушного охлаждения теплоносителя реактора естественной конвекцией воздуха


Заключение


Настоящая работа направлена на обоснование преимуществ создания простых и надежных систем охлаждения активных зон корпусных исследовательских реакторов, построенных на принципе естественной конвекции. На примере известных параметров активной зоны СМ-3 и выбранных параметров контуров естественной циркуляции теплоносителя и охлаждающего атмосферного воздуха, расчетами показана достижимость высокого уровня тепловой мощности реактора (10 МВт).


Показано, что возможно создание безопасно функционирующей и полностью пассивной системы отвода тепла от активных зон исследовательских реакторов, которая может использоваться в качестве универсальной системы охлаждения для широкого спектра реакторных установок различного назначения.



Subscribe
  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

  • 0 comments