Лескин С.Т., Слободчук В.И., Шелегов А.С., Кашин Д.Ю. Теплотехнические основы производства электроэнергии и тепла на АЭС

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ЯДЕРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИФИ»

Теплотехнические основы производства электроэнергии и тепла на АЭС

Учебное пособие

Допущено Федеральным учебно-методическим объединением в системе высшего образования по УГСН 14.00.00 Ядерная энергетика и технологии в качестве учебного пособия для студентов высших

учебных заведений, обучающихся по специальности 14.05.02 «Атомные станции: проектирование, эксплуатация

и инжиниринг» и по направлению подготовки 14.03.01, 14.04.01 «Ядерная энергетика и теплофизика»

Москва 2021

УДК 621.311.25 (075.8) ББК 31.47 Т 34

Теплотехнические основы производства электроэнергии и тепла на АЭС: Учебное пособие / С.Т. Лескин, В.И. Слободчук, А.С. Шелегов, Д.Ю. Кашин [Электронный ресурс]. – M: НИЯУ МИФИ, 2021. – 52 с.

В пособии изложены теплотехнические основы производства электрической и тепловой энергии на атомных станциях (АС). Представлено обоснование выбора параметров теплоносителя и рабочего тела на АС с разными типами реакторных установок. Проанализированы основные факторы, влияющие на коэффициент полезного действия рабочего цикла и блока в целом, рассмотрены вопросы выбора оптимальных параметров регенеративной схемы.

Учебное пособие рассчитано, в первую очередь, на студентов 4–5 курсов, обучающихся по специальности 14.05.02 – «Атомные станции: проектирование, эксплуатация и инжиниринг», а также по направлению подготовки 14.03.01; 14.04.01 – Ядерная энергетика и теплофизика. Оно также может быть полезным для студентов смежных специальностей, изучающих курс «Ядерные энергетические установки». Данное пособие можно рассматривать и как учебный материал для иностранных студентов, обучающихся по указанным выше специальностям.

Рецензент А.В. Морозов, д-р техн. наук, ведущий научный сотрудник АО «ГНЦ РФ – ФЭИ»

Редактор Е.Е. Шумакова

Оригинал-макет изготовлен С.В. Тялиной

Подписано в печать 24.09.2021. Формат 60×84 1/16. Печ. л. 3,25. Уч.-изд. л. 3,25. Изд. № 024-1.

Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ». 115409, Москва, Каширское ш., д. 31.

2

3.Выбор начальных и конечных параметров термодинамического цикла,

3.1.Термодинамические циклы ЯЭУ. Основные параметры термодинамического цикла. Определение термического

3

1. Основное оборудование ЯЭУ. Теплоносители и рабочие тела

1.1. Типы ЯЭУ, назначение, перспективы

Известно, что энергия деления ядерного топлива выводится из реактора в виде тепловой энергии (теплоты) и преобразуется в другие виды энергии, нужные потребителю.

Комплекс оборудования, обеспечивающий работу ядерного реактора, вывод из реактора тепловой энергии и преобразования ее в энергию другого вида, составляет ядерную энергетическую установку (ЯЭУ).

Всех потребителей по виду используемой энергии можно разделить на три группы:

1)потребители тепловой энергии;

2)потребители электрической энергии;

3)потребители механической энергии.

На подобные же группы можно разделить и ЯЭУ. В установках первой группы потребителям отдается тепло (это АСТ, опреснительные установки, энерготехнологические). В установках второй группы потребителю отпускается электроэнергия (это АЭС и судовые установки с электродвигателем). Наконец, в установках третьей группы используется механическая энергия (транспортные ЯЭУ).

ЯЭУ указанных типов можно, в свою очередь, разделить на несколько групп по другим признакам (по числу контуров, по виду теплоносителя, по энергии нейтронов и т.д.). Условия работы установок и требования к ним существенно различаются в зависимости от назначения. Для стационарных ЯЭУ главные требования – это надежность и высокая экономичность при длительной эксплуатации (ресурс – не менее 30–40 лет). Для судовых установок важны в первую очередь массогабаритные характеристики, а также безопасная работа оборудования в автономном режиме в условиях ограниченного объема судна. Срок службы судовой ЯЭУ может быть уменьшен, но возрастают требования к маневренности установки. К космическим ЯЭУ предъявляют еще более жесткие требования по массогабаритным характеристикам при относительно не-

4

большом ресурсе работы, а также устойчивость работы при больших механических нагрузках.

Перспективы развития ядерной энергетики определяются состоянием экономики и потребностями различных отраслей индустрии. В любом случае необходимость развивать ядерную энергетику продиктована ограниченностью ресурсов органического топлива и ограниченностью мощностей других альтернативных источников энергии. Основное направление развития – разработка ядерных реакторов повышенной безопасности. Другое направление развития – разработка установок по трансмутации (переработке) отходов, накапливающихся при работе ныне действующих ЯЭУ.

1.2. Основное технологическое оборудование ЯЭУ. Назначение, требования к нему

Поскольку типов ЯЭУ довольно много, то и основное технологическое оборудование будет различаться. Остановимся на характеристике основного оборудования ЯЭУ, предназначенных для производства электроэнергии и тепла. Что касается транспортных и космических ЯЭУ, то по мере необходимости будем возвращаться и к ним, отмечая характерные особенности этих типов ЯЭУ.

Итак, основное технологическое оборудование ЯЭУ с реакторами типа ВВЭР.

В настоящее время эксплуатируются три типа отечественных реакторных установок с реакторами типа ВВЭР-440, ВВЭР-1000 и ВВЭР-1200. Основное технологическое оборудование: реакторная установка (РУ), турбинная установка (ТУ).

Реакторная установка включает: реактор, главные циркуляционные насосы (ГЦН), главные запорные задвижки (если они предусмотрены проектом), главные циркуляционные трубопроводы (ГЦТ), парогенераторную установку (ПГ), вспомогательные системы (компенсации объема, подпитки и продувки, систему аварийного охлаждения активной зоны (САОЗ), организованных протечек и т.д.).

Назначение РУ – обеспечение нормальной работы реактора, отвод выделяющегося тепла и передача его во второй контур.

5

ПГ осуществляет связь между первым и вторым контурами, являясь принадлежностью одновременно обоих контуров. В парогенераторе осуществляется передача тепла от теплоносителя к рабочему телу. Поэтому к ПГ предъявляются очень высокие требования с точки зрения надежности и безопасности.

Турбоустановка вместе с электрогенератором служит для превращения энергии рабочего тела в электрическую энергию.

Для одноконтурных станций с канальными водографитовыми реакторами характерна одноконтурная схема получения рабочего пара. Поэтому технологическое оборудование и требование к нему отличаются.

Основным технологическим оборудованием являются: реактор с системой нижних водяных и верхних пароводяных коммуникаций, барабаны-сепараторы, ГЦН, трубопроводы контура многократной принудительной циркуляции (КМПЦ), турбоустановка. Как видно,

всоставе ЯЭУ с реакторами типа РБМК нет отдельного агрегата – парогенератора, так как рабочий пар получается непосредственно в активной зоне реактора. В реакторе происходит съем тепла и одновременно генерируется пар, т.е. теплоноситель и рабочее тело совпадают. Однако вырабатываемый пар является радиоактивным, поэтому практически все основное оборудование работает в условиях радиоактивного излучения и требует биологической защиты.

Всхемах ЯЭУ с жидкометаллическим теплоносителем необходимо исключить контакт радиоактивного жидкого металла с рабочим телом. В промышленных энергетических установках в качестве теплоносителя используется жидкий натрий, который довольно сильно активируется в активной зоне реактора. Поэтому такие ЯЭУ выполняются трехконтурными. Соответственно, добавляется

итехнологическое оборудование промежуточного контура: промежуточный теплообменник, циркуляционный насос промежуточного контура, трубопроводы и вспомогательные системы. Все технологическое оборудование промежуточного контура служит для передачи тепла, снимаемого с активной зоны реактора, рабочему телу

вПГ. Теплоноситель промежуточного контура – натрий. Назначение другого технологического оборудование такое же, как и на АЭС с другими типами реакторов.

6

1.3. Основные требования к оборудованию ЯЭУ

Для оборудования ЯЭУ важнейшим требованием является обеспечение высокой надежности и безопасной работы ЯЭУ. Наиболее жесткие требования предъявляются к первому контуру. Поскольку первый контур является радиоактивным – утечки теплоносителя должны быть исключены, а если это невозможно, то протечки должны быть сведены к минимуму и находиться под контролем. Как правило, контур теплоносителя должен размещаться в герметичных помещениях, чтобы при возможной аварии с выходом радиоактивных веществ обеспечить их локализацию в пределах необслуживаемых герметичных помещений.

Особенностью работы ЯЭУ с точки зрения безопасности и ремонтопригодности оборудования является отсутствие резерва основных элементов (реактора, турбины, генератора, ПГ) в составе энергоблока. В этой связи повышенные требования предъявляются к надежному питанию энергией наиболее ответственных потребителей, в частности ГЦН.

Большое значение имеет правильный выбор материалов для изготовления корпусов реакторов, как как они находятся в поле интенсивного излучения в течение всего срока эксплуатации. Поэтому должны обладать высокой прочностью при достаточной пластичности и коррозионной стойкости. Парогенератор является элементом, в котором одновременно находятся теплоноситель и рабочее тело. Поскольку их контакт должен быть исключен, то отсюда вытекают высокие требования к герметичности всех соединений в ПГ, к качеству изготовления ПГ.

Наряду с ЯЭУ для производства электроэнергии, а также электроэнергии и тепла, возможно использование ЯЭУ для производства тепла для коммунально-бытового и промышленного потребления. Для таких целей предполагается использование реакторов типа ВВЭР. Основное технологическое оборудование таких ЯЭУ такое же, как и на АЭС. Однако есть и свои специфические требования, связанные с особенностями атомных станций теплоснабжения (АСТ). На АСТ отсутствует ТУ, и они выполняются трехили даже четырехконтурными. Расположение АСТ близко к потребителю тепла предъявляет повышенные требования к надежности и безопасности работы всего оборудования. В первом контуре таких

7

ЯЭУ, как правило, используется естественная циркуляция теплоносителя.

На судовых установках принципиально могут быть использованы ЯЭУ с реакторами любого освоенного типа с использованием как паротурбинного, так и газотурбинного циклов. На практике наибольшее распространение получили двухконтурные ЯЭУ с реакторами типа ВВЭР, поскольку они являются наиболее отработанными, достаточно компактны и надежны.

Что касается основного технологического оборудования, то для первого контура оно аналогично таковому для стационарных ЯЭУ с аналогичным типом реакторов. Во втором контуре появляется дополнительный турбогенератор, предназначенный для выработки электроэнергии для собственных нужд. Поскольку суда очень часто работают в переменных режимах, то предъявляются дополнительные требования к маневренности оборудования. Для таких установок целесообразно использовать не механическую, а электрическую связь турбины с гребной установкой.

Специальные ЯЭУ. Под этими установками будем подразумевать такие ЯЭУ, которые предназначены не только для выработки электроэнергии, но и для ряда технологических целей, например таких, как опреснение воды, газификация угля и крекинг нефти, производство водорода.

Если для опреснения воды можно использовать ядерные реакторы любых типов, то для других технологических целей необходимы высокотемпературные реакторы. Таким требованиям удовлетворяют высокотемпературные газоохлаждаемые реакторы (ВТГР). Реакторы такого типа с шариковыми твэлами могут быть использованы и в радиационно-химических технологиях. Отработавшие шариковые твэлы после активной зоны направляются в облучатель, где используется их гамма-излучение. Использование таких ЯЭУ для производства электроэнергии и для технологических целей значительно увеличивает общую эффективность таких установок.

1.4. Теплоносители и рабочие тела

Теплоноситель – это среда (вещество), используемое для отвода тепла от активной зоны реактора.

8

Рабочее тело – среда (вещество), служащее для преобразования тепловой энергии в другой вид энергии (чаще всего для преобразования тепловой энергии в механическую).

Сначала рассмотрим теплоносители. Поскольку теплоносители работают в условиях интенсивного облучения, а также при повышенных температурах и давлениях, то они должны удовлетворять целому ряду требований. Все эти требования можно свести в четыре основных группы:

1.Ядерно-физические;

2.Теплогидравлические;

3.Физико-химические;

4.Эксплуатационные.

Ядерно-физические требования: малое сечение поглощения нейтронов;

малое сечение рассеяния нейтронов (для реакторов на быстрых нейтронах);

большое сечение рассеяния нейтронов (для реакторов на тепловых нейтронах);

высокая радиационная стойкость; малая способность к активации. Теплогидравлические требования: высокий коэффициент теплообмена; малые затраты на прокачку. Физико-химические требования:

коррозионная инертность по отношению к конструкционным материалам;

химическая инертность по отношению к рабочему телу и окружающей среде;

термическая стойкость. Эксплуатационные требования:

высокий температурный уровень отвода тепла из реактора; низкое давление; пожаробезопасность; нетоксичность;

отсутствие дополнительных усложняющих устройств в контуре; распространенность, доступность, дешевизна.

9

Теперь кратко охарактеризуем различные классы теплоносителей с точки зрения перечисленных выше требований. В качестве теплоносителей могут быть использованы: вода, органические жидкости, газы, жидкие металлы.

Вода (обычная и тяжелая)

Относится к низкотемпературным водородсодержащим теплоносителям. Обычная вода – наиболее распространенный и дешевый теплоноситель. Имеет большое сечение рассеяния, относительно небольшое сечение поглощения (тяжелая вода имеет малое сечение поглощения, так что можно использовать слабо обогащенный уран или даже природный уран, но тяжелая вода очень дорогая). В поле интенсивного облучения имеет место радиолиз воды, т.е. распад воды на водород и кислород, а также ее активация.

Поглощение нейтронов обычной водой приводит к необходимости использовать обогащенный уран.

Так как вода обладает высокой теплоемкостью, относительно низкой вязкостью, а коэффициент теплообмена возрастает с ростом скорости весьма значительно, то приемлемые коэффициенты теплоотдачи достигаются при умеренных скоростях (5–8 м/с). А это значит, что затраты на прокачку воды не очень велики, меньше чем для многих других теплоносителей.

Вода коррозионноактивна по отношению к конструкционным материалам, а при температурах свыше 300 °С и повышенных давлениях наблюдается интенсификация коррозионных процессов. В этом заключается один из недостатков воды как теплоносителя. Поэтому в первом контуре приходится использовать дорогостоящие коррозионностойкие материалы. К рабочему телу и окружающей среде вода химически инертна.

Одним из недостатков воды является высокое давление ее насыщенных паров. Причем с ростом температуры давление насыщенного пара резко возрастает. Все это определяет очень высокое давление воды в первом контуре и низкий температурный уровень отвода тепла из реактора. Вода нетоксична, пожаробезопасна; является практически несжимаемой жидкостью, и при этом у нее довольно заметно изменяется плотность (удельный объем) при изменении температуры. Это в свою очередь требует установки в кон-

10