Технология, оборудование и безопасность объектов ядерной энергетики. Учебное пособие

Будущее атомной энергетики принадлежит реакторам на быстрых нейтронах (БН). В качестве теплоносителя в реакторах на быстрых нейтронах используются газы или жидкие металлы, в основном натрий или свинец.

Для энергетического реактора БН-600 (рис. 6) Белоярской АС принята интегральная (баковая) компоновка радиоактивного технологического оборудования : активная зона, насосы и промежуточные теплообменники расположены в одном герметичном баке. Натриевый теплоноситель на выходе из активной зоны имеет высокую температуру, что увеличивает КПД АС и позволяет использовать пар с параметрами, принятыми на современных тепловых электростанциях (табл. 2).

Т а б л и ц а 2

Основные параметры реакторов на быстрых нейтронах

В настоящее время разрабатываются новые типы реакторов на быстрых нейтронах для атомной энергетики России на основе использования свинца в качестве теплоносителя. Это реакторы типа «БРЕСТ» мощностью 300 МВт с петлевой компоновкой технологического оборудования, 1200 МВт и 2400 МВт с интегральной компоновкой технологического оборудования.

21

2. ТИПЫ АС. ГЛАВНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ

Технологические схемы АС. Графики потребления электроэнергии, вырабатываемой электрическими станциями всех видов, неравномерны и зависят от времени суток (резкое уменьшение потребления электроэнергии в ночное время и увеличение его в дневное с провалом в обеденный перерыв), дня недели (уменьшение потребления электроэнергии в субботние, воскресные и праздничные дни) и времени года (уменьшение потребления электроэнергии летом).

Для повышения маневренности АС и надежности обеспечения потребителей электроэнергией, а также повышения качества электроснабжения электростанции объединяют в общую энергетическую систему. Это дает возможность уменьшить резерв мощности на каждой электростанции за счет несовпадения во времени максимумов нагрузок в различных районах и облегчает прохождения ночного провала нагрузок.

Атомные электростанции, так же как и другие электростанции, могут работать в общей энергосистеме, объединенной электрическими сетями, и изолированно, для покрытия нужд определенного района, например в труднодоступных районах или районах, где поблизости нет месторождений органического топлива.

Для покрытия максимумов нагрузок эффективно создание пиковых энергетических установок, работающих относительно короткое время (1-2 ч в сутки и менее). Основным требованием, предъявляемым к этим установкам, является максимальное снижение стоимости их оборудования. Себестоимость электроэнергии (КПД установки) в этом случае не имеет решающего значения.

Большинство тепловых электростанций сооружается как базовые, т.е. для длительной работы в номинальном режиме. Учитывая значительную капиталоемкость, АС в основном также сооружаются как базовые.

Как и тепловые, атомные электростанции подразделяются на

конденсационные и теплофикационные. На конденсационных АС пар от турбины (ее также называют конденсационной) поступает в теплообменник-конденсатор, в котором остаточная теплота от-

22

дается холодной воде, забираемой из моря, реки, пруда – охладителя или градирни.

На теплофикационных электростанциях теплота, отводимая от теплофикационных турбин, может быть направлена с горячей водой или паром для последующего использования потребителями: на промышленных предприятиях, для обогрева зданий и т.д.

Основными потребителями органического топлива являются промышленные, районные, квартальные и местные котельные. Поэтому взамен таких котельных решено создать атомные станции теплоснабжения, имеющие более высокий КПД по сравнению с котельными благодаря отсутствию теплопотерь с уходящими газами. Кроме того, использование АСТ приведет к снижению загрязнения воздушной среды в городской черте.

Внастоящее время существуют несколько технологических схем АС (рис. 7). На всех АС необходимо создание биологической защиты вокруг оборудования, являющегося источником ионизирующих излучений. Биологическую защиту можно условно разделить на первичную – защиту собственно реактора и вторичную – защиту трубопроводов и другого оборудования, доступ к которому возможен после остановки реактора.

Всовременных АС рабочим телом (веществом, совершающим работу, преобразующую тепловую энергию в механическую) является водяной пар.

При одноконтурной схеме АС (рис. 7,а) вода (пар) выполняет функции теплоносителя и рабочего тела. Пар, образующийся в активной зоне, сепарируется и подается на турбину. Отработанный пар конденсируется, и конденсат возвращается в реактор. Эта схема характерна для кипящих реакторов, у которых все обо-

рудование, включая турбину, работает в радиационных условиях1, что является одним из недостатков схемы. Однако значительное преимущество таких АС – меньшее количество теплотехнического оборудования и, следовательно, уменьшение потерь теплоты, увеличение КПД. По одноконтурной схеме работают АС с реакторами РБМК.

1 Здесь и далее под термином радиационные условия подразумевается наличие ионизирующих излучений и радиационных изотопов в рабочих помещениях, превышающих нормативное.

23

Наибольшее распространение получили двухконтурные схемы АС, в которых контуры теплоносителя и рабочего тела разделены (рис. 7,б). Радиоактивный контур теплоносителя называют первым, а радиоактивный контур рабочего тела – вторым. Теплоноситель, нагреваясь в активной зоне, подается в парогенератор, отдает теплоту воде второго контура, превращая ее в пар, и с помощью циркуляционного насоса возвращается в реактор. Пар, образовавшийся в парогенераторе, подается на турбину, затем конденсируется, и конденсат возвращается в парогенератор. Отсутствие радиоактивности во втором контуре упрощает эксплуатацию электростанции.

По двухконтурной схеме работают атомные электростанции

скорпусными водо-водяными реакторами – ВВЭР.

Вкачестве теплоносителя в первом контуре двухконтурной схемы могут использоваться вода, газ или органические теплоносители. Здесь должно поддерживаться достаточно большое давление во избежание закипания теплоносителя и в связи с необходимостью иметь достаточный перепад температуры в парогенераторе между теплоносителем и водой второго контура.

Для увеличения КПД АС желательно подавать на турбины перегретый пар. В связи с этим появилась не полностью двухконтурная схема отбора тепла (рис. 7,в). Нагретая в реакторе вода подается в парогенератор и возвращается в реактор. Образовавшийся в парогенераторе насыщенный пар подается для перегрева в реактор и поэтому является одновременно теплоносителем и рабочим телом. Далее перегретый пар подается на турбину. Эта схема получила название схемы АС с ядерным перегревом.

Используемый в качестве теплоносителя в реакторах на быстрых нейтронах натрий бурно реагирует с водой и водяным паром. В связи с этим появилась необходимость создать дополнительный промежуточный контур, исключающий даже в аварийной ситуации возможность выхода их строя первого радиоактивного контура. Технологические схемы таких атомных электростанций относятся к трехконтурным (рис. 7,г). В первом контуре циркулирует натрий, который через промежуточный теплообменник отдает теплоту натрию второго контура. Натрий второго контура, проходя через парогенератор, отдает теплоту воде третьего контура, далее схема ничем не отличается от двухкон-

25

турной. Наличие второго промежуточного контура ведет к увеличению капитальных затрат, но обеспечивает безопасность работы реактора. По трехконтурной схеме работают реакторы БН350 на Шевченковской АС и БН-600 на Белоярской АС.

При использовании свинца в качестве теплоносителя может быть использована двухконтурная схема АС (свинцовые реакторы).

Для сокращения теплопотерь и затрат на сооружение коммуникаций атомные станции теплоснабжения должны располагаться как можно ближе к потребителю, т.е. к крупному населенному пункту. В связи с этим, как уже отмечалось, к безопасности АСТ предъявляют очень жесткие требования, которые могут быть выполнены при обязательном использовании трехконтурной схемы отбора тепла (рис. 7,д). Первый контур – контур естественной циркуляции теплоносителя в корпусе реактора, второй – промежуточный нерадиоактивный. В него входят встроенные в корпус реактора промежуточные теплообменники, с помощью которых теплота из первого контура реактора передается на сетевые теплообменники.

Все теплотехническое оборудование АС по стадиям технологического процесса подразделяется на реакторную, парогенерирующую, конденсационную установки и конденсационнопитательный тракт. Взаимосвязь между этими элементами образует тепловую схему электростанции.

Назначение основного технологического оборудования можно продемонстрировать на примере упрощенной тепловой схемы двухконтурной АС с водо-водяным реактором (рис. 8).

В реакторе 3 происходит разогрев теплоносителя (воды), которая по трубопроводам первого контура, снабженного задвижкой 5, направляется в парогенератор 7. В парогенераторе происходит теплопередача от теплоносителя рабочему телу второго контура. В нем производится пар, который подается на цилиндр высокого давления турбоагрегата. Теплоноситель из парогенератора с помощью главного циркуляционного насоса 6 по трубопроводам подается в реактор. Таким образом, назначением первого контура является передача теплоты, выделяемой в реакторе, рабочему телу (пару). Компенсатор объема 4 предназначен для компенсации теплового расширения теплоносителя при разогреве и расхолаживании реактора.

26

ка. Вода первого контура (или протечки, дренажные воды и т.д.) собирается в бак активного конденсата 23 и с помощью насоса направляется на выпарные установки 25, где за счет отбора греющего пара от турбины происходит выпаривание конденсата, который далее направляется на фильтры 18 и собирается в баке чистого конденсата 26. Выпар конденсата по спецканализации направляется в хранилище жидких отходов 24. Очищенный конденсат с помощью насоса направляется для дегазации в деаэратор подпитки 1 и подпиточным насосом 2 возвращается в реактор 3.

Пар, образовавшийся в парогенераторе 7, совершает работу в цилиндре высокого давления (ЦВД) турбоагрегата и увлажняется. Для уменьшения коррозии лопаток цилиндра низкого давления (ЦНД) турбины пар после ЦВД пропускается через сепаратор 12, где происходит отделение влаги, перегреватель 13 и направляется в ЦНД. Конденсат сепаратора поступает на дегазацию в деаэратор 10. Перегрев пара в парогенераторе 13 осуществляется с помощью отбора острого пара от парогенератора 7.

Отработанный пар конденсируется в конденсаторе 11 и с помощью конденсатного насоса 15 через конденсатоочистку 14 и регенеративные подогреватели низкого давления (ПНД) направляются на дегазацию в деаэратор 10. Конденсация отработанного пара в конденсаторе 11 осуществляется технической водой из моря, реки, пруда-охладителя или градирни.

Назначение регенеративного подогрева питательной воды – увеличить КПД АС за счет отвода теплоты от пара в турбине и передачи его питательной воде для ее нагрева. Образовавшийся при этом конденсат возвращается в питательный тракт. В принципе, чем больше отборов пара от турбины и больше подогревателей питательной воды, тем выше КПД цикла. Однако повышение температуры питательной воды допускается до определенного предела, пока увеличение КПД не перестает компенсировать дополнительные затраты на оборудование (регенеративные подогреватели, парогенератор).

Назначение деаэратора 10 – очистка всего образующегося конденсата от растворенных в нем газов за счет вскипания при подогреве паром от ЦВД турбины. Дегазированный конденсат собирается в баке деаэратора и с помощью питательного насоса 9 через регенеративные подогреватели высокого давления (ПВД)

28

направляется в парогенератор 7. Подогрев питательной воды в ПВД осуществляется паром от ЦВД турбины. Образовавшийся конденсат направляется на дегазацию в деаэратор 10.

Очистка (продувка) второго контура от примесей производится отбором ее из парогенератора с последующей подачей в расширитель 22, охладитель 21 и фильтры 18. Очищенная питательная вода собирается в баке 16 и с помощью насоса направляется в конденсатор турбины. Подпитка питательной воды второго контура осуществляется подачей насосом 17 в осветлитель 19, сбором осветленной воды в баке 16, из которого она через фильтры 18 направляется в бак чистого конденсата 27.

На ряде отечественных и зарубежных АС первого поколения установлен реактор ВВЭР-440, имеющий шесть циркуляционных петель (на рис. 1.8 приведена одна петля). Каждая петля имеет парогенератор и циркуляционный насос. Трубопроводы и задвижки изготовлены из аустенитной стали. Давление воды в контуре 12,3 МПа, температура на выходе из реактора 300°С. для каждого реактора предусмотрены две турбины типа К-220-44 (с одним ЦВД

идвумя ЦНД), работающие на насыщенном паре (см. табл. 1).

Ввосьмидесятые годы серийное строительство АС было основано на использовании реакторов ВВЭР-1000 второго поколения. Принципиальная тепловая схема этих АС аналогична описанной. Отличие заключается в укрупнении технологического оборудования и сокращении числа петель, охлаждающих активную зону реактора, с шести на АС с ВВЭР-440 до четырех на АС с ВВЭР-1000. Кроме того, на серийных АС в блоке с реактором ВВЭР-1000 устанавливалась одна турбина электрической мощностью до 1000 МВт.

Внастоящее время разработаны и сооружаются реакторы ВВЭР-1000 для АС третьего поколения с учетом современных требований безопасности. Это реакторы с ловушкой, расположенной под реактором, для обеспечения локализации аварии с расплавлением активной зоны (см. рис. 2).

Тепловая схема атомной теплоэлектроцентрали (АТЭЦ)

практически не отличается от схемы, приведенной на рис. 8. Для обеспечения отпуска теплоты во втором контуре применяются теплофикационные турбины, т.е. турбины, в которых предусмотрена возможность отпуска пара на подогрев сетевой воды. Пар из

29

отборов ЦВД и ЦСД турбоагрегатов (рис. 9) направляется на сетевые подогреватели и возвращается в контур рабочего тела.

Рис. 9. Тепловая схема турбоагрегата для АТЭЦ:

1 – цилиндр высокого давления; 2 – цилиндр среднего давления; 3 – цилиндр низкого давления; 4 – электрогенератор;

5 - конденсатор турбины; 6 – насос; 7 – сетевой подогреватель

Тепловая схема атомной станции теплоснабжения (АСТ),

как уже отмечалось, трехконтурная (рис. 10). Реактор 2 для АСТ мощностью 500 МВт принят интегрального типа с встроенными теплообменниками 3. С помощью насоса вода, нагреваемая в теплообменниках 3, по трубопроводам второго (промежуточного) контура 12 направляется в сетевой теплообменник 4. Число петель второго контура – три (на рисунке показана одна петля). Предусмотрена система очистки воды промежуточного контура 5. Давление теплоносителя в корпусе реактора 1,5 МПа, в промежуточном контуре 1,2 МПа и на выходе из сетевого подогревателя 1,5 МПа. Для исключения попадания радиоактивного теплоносителя в сетевой контур давление в третьем (сетевом) контуре 11 поддерживается сетевыми насосами выше, чем давление в промежуточном контуре 12.

30