Добавил:
okley
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Курсовой проект 5 кафедра (спецы 4 курс) / 177_Атомные электростанции с реакторами типа ВВЭР_PWR
.pdf
Приложение 2. Перспективные реакторы поколения IV. Направления развития
450
из строя корпуса реактора. Корпус реактора высотой 10 м и внутренним диа-
метром 8,3 м представляет собой вертикальный цилиндр с полусферическим
дном. Толщина стенки составляет 50 мм. В настоящее время рассматрива-
ются вопросы изготовления и транспортировки корпуса реактора и защит-
ного корпуса, которые являются наиболее крупными компонентами.
Каждый из восьми ПГ, входящих в состав ALFRED, состоит из 542 пуч-
ков, погруженных на шесть метров в свинец, байонетных вертикальных тру-
бок с наружной предохранительной трубкой и внутренним изоляционным
слоем (ограниченным вставной трубой), который служит для обеспечения
производства перегретого сухого пара, так как без изоляционной системы
высокий перепад температур (~115 °C) между поднимающимся паром и нис-
ходящей питательной водой способствовал бы конденсации пара в верхней
части парогенератора. Зазор между внутренней и внешней байонетной труб-
кой заполнен материалом с газовой инертной средой, зазор между вутрен-
ними трубками обеспечивается дистанцирующей спиралью.
Теплоноситель движется вверх от рабочего колеса насоса к вертикально-
му каналу, затем поступает в ПГ через входные отверстия, стекает вниз вдоль
кожуха и выходит из парогенератора.
ГЦН расположен в горячей части ПГ, потому что это значительно упро-
щает внутренние компоненты (рис. П2.15). Однако разница температур
между холодной и горячей стороной незначительна (80 °C). Насос полуокру-
Вода
Пар
Горячий
свинец
Холодный
свинец
.2.15. Конструкция интегральной сборки ГЦН–ПГ реактора ALFRED
П2.3. Реакторы набыстрых нейтронах сосвинцовым теплоносителемLFR
451
жен пучком труб ПГ, а его корпусом является корпус парогенератора. Насос
крепится к верхней части корпуса ПГ с помощью болтового соединения.
Это позволяет легко снять агрегат для технического обслуживания
Следует отметить, что программа FALCON не ограничивается кон-
цептуальными исследованиями конструкции ALFRED. Так, например,
имеется информация о построенных или строящихся экспериментальных
установках для испытаний и обоснования решений по данной конструк-
ции. В Румынии будут построены два масштабных испытательных стен-
да: ATHENA (Advanced Thermo-Hydraulics for Nuclear Application Facility)
и ELF (Electrical Long-running Facility). Программа FALCON предполагает
пуск опытного демонстрационного прототипа реактора ALFRED к 2035–
2040 годам.
2.3.3. CLEAR
Особого внимания заслуживает статус разработки китайского семейства
реакторов CLEAR (China LEAd-based Reactor). Эти работы начались в 1980-е
годы. В настоящее время ведутся обширные разработки по производству
электроэнергии и трансмутации РАО и ОЯТ. Был проведен очень большой
объем исследований и разработок, в том числе и крупномасштабных нея-
дерных.
Китайский институт технологии безопасности ядерной энергетики
(INEST, входит в состав академии наук КНР) в составе консорциума FDS
ведет разработку серии реакторов с тяжелометаллическим теплоносителем
семейства CLEAR. Проекты CLEAR представляют собой целое семейство
реакторных проектов различного назначения с теплоносителями, осно-
ванными на свинце. В них используются в качестве теплоносителя свинец
и свинец-висмут, на будущее рассматривается также свинец-литий.
Китайские специалисты рассматривают проекты как критических ре-
акторов, так и подкритичных ADS (Accelerator Driven System — система
с внешним источником нейтронов — ускорителем). Кроме того, вершиной
своей деятельности консорциум видит гибридные системы, комбинирую-
щие возможности деления и синтеза. Три основных реакторных проекта, над
которыми сейчас ведется работа — это CLEAR-M, CLEAR-A и CLEAR-400
(рис. П2.16).
Реактор CLEAR-A — подкритический реактор, управляемый ускорителем
(ADS-система). Теплоноситель — свинец. Мощность — 400 МВт(т). Топливо
металлическое, с уран-циркониевой матрицей. Управление реактором ведет-
ся с использованием протонного ускорителя-циклотрона (900 МэВ/10 мА)
со свинцовой мишенью. Топливный цикл до перегрузки — 10 лет.
Реактор CLEAR-M — компактный реактор малой тепловой мощ-
ности 35 МВт(т). Вся установка может работать в режиме производства
Приложение 2. Перспективные реакторы поколения IV. Направления развития
452
электроэнергии, тогда ее электрическая мощность составит 14 МВт(э).
Альтернативный вариант использования — электрическая мощность
10 МВт(э) и производство тепла от мощности 17 МВт(э). Теплоноситель
основан на свинце. Это может быть как свинец, так и свинец-висмут.
В 2018 году упоминалось, что для проекта CLEAR-M и его производных бу-
дет выбран свинец, чтобы отложить решение проблемы полония. Топливо —
UO
2
со средним обогащением 18,5%. Кампания топлива — 10–20 лет.
Температура теплоносителя на входе/выходе из активной зоны — 375/495 °C.
Естественная циркуляция теплоносителя.
Реактор CLEAR-400 — малый модульный реактор с свинцовым теплоно-
сителем и пассивным отводом остаточного тепловыделения. Предназначен
для замещения мощностей отслуживших свой срок угольных электро-
станций. Мощность реактора — 400 МВт(т) с электрической мощностью
150 МВт(э). Топливо — UO
2
со средним обогащением 19,75%. Кампания то-
плива — 5–10 лет. Температура теплоносителя на входе/выходе из активной
зоны — 380/480 °C.
По данным на конец 2023 года функционируют три комплексные испы-
тательные установки серии CLEAR:
• установка цифрового моделирования — виртуальная свинцовая уста-
новка CLEAR-V;
• испытательная установка нейтронной физики — критическая/под-
критическая свинцовая установка нулевой мощности CLEAR-0;
• установка для комплексных неядерных испытаний — свинцовая уста-
новка для комплексных испытаний CLEAR-S тепловой мощностью
~2,5 МВт.
.2.16. Проекты реакторов серии CLEAR.
Слева ‒ CLEAR-A, вцентре ‒ CLEAR-M, справа ‒ CLEAR-400
П2.3. Реакторы набыстрых нейтронах сосвинцовым теплоносителемLFR
453
Построены и используются платформы инженерных опытных устано-
вок NIRVANA:
• петля для комплексных высокотемпературных испытаний (t ≥873 K,
w ≥2 м/с);
• разработка прототипов оборудования для CLEAR. Изготовлены и ис-
пытаны все ключевые компоненты: насос теплоносителя первого кон-
тура, теплообменник, привод СУЗ и система перегрузки. Разработаны
технологии плавления и проточной очистки теплоносителя, монито-
ринга и контроля концентрации растворенного кислорода, а также
очистки от
210
Po. Холодная ловушка и магнитная ловушка были разра-
ботаны для очистки потока теплоносителя от загрязнений. Детекторы
кислорода и система контроля концентрации растворенного кислоро-
да (газофазная и твердофазная) обеспечивают стабильное состояние
теплоносителя в течение более 6000 часов;
• CLEAR-M0 — комплексная верификационная платформа с полно-
масштабными интегральными установками бассейнового типа мощ-
ностью 10 МВт.
2.3.4.
MYRRHA
В 2008 году правительство Бельгии приняло решение о финансирова-
нии строительства первого реактора с ADS (Accelerator Driven System ‒ си-
стема с внешним источником нейтронов ‒ ускорителем) и его эксплуатации
с 2038 года. Строительство инфраструктуры планируется начать в 2026 году,
а ввод в полномасштабную эксплуатацию MYRRHA ADS ожидается в 2036 году.
Бельгия реализует многоцелевую гибридную исследовательскую про-
грамму MYRRHA ADS по разработке реактора на быстрых нейтронах
со свинцово-висмутовым эвтектическим теплоносителем. С момента раз-
работки программы в 1998 году Бельгийский центр ядерных исследований
(SCK-GEN) инициировал большой объем исследований и разработок для
поддержки программы с целью обоснования ряда решений, в том числе свя-
занных с использованием свинцово-висмутовой эвтектики.
Проект реактора MYRRHA (Multi-purpose hYbrid Research Reactor
for Hightech Applications) изначально представляет собой ускорительную
систему мощностью 57 МВт с мишенью в виде жидкого свинца-висмута
(Pb-Bi), которая служит источником для охлаждаемой LBE (Pb-Bi) под-
критической активной зоны реактора (рис. П2.17). Номинальная тепловая
мощность реактора MYRRHA составляет 100 МВт(т). Он выводится из под-
критического состояния пучком протонов линейного ускорителя с энергией
протонов 600 МэВ и силой тока 2,5 мА (рис. П2.18). Реактор способен рабо-
тать как в подкритическом, так и в критическом состоянии.
Приложение 2. Перспективные реакторы поколения IV. Направления развития
454
Внутрикорпусная
машина перегрузки
Теплообменник
первого контура
Крышка реактора
Циркуляционный насос
Корзина активной зоны
Активная зона реактора
Контур охлаждения
Корпус реактора
Диафрагма
Теплоноситель
Канал ускорителя
.2.17. Конструкция гибридного исследовательского реактора
проекта MYRRHA ADS
УСКОРИТЕЛЬ РЕАКТОР
Мишень
протонного
пучка
Энергетическое
производство
Источник
быстрых
нейтронов
.2.18. Схема принципа действия реакторной установки MYRRHA ADS
П2.3. Реакторы набыстрых нейтронах сосвинцовым теплоносителемLFR
455
В 2005 году Бельгия и компания SCK-GEN открыли программу MYRRHA
ADS для стран-членов ЕС, а также для ведущих стран мирового ядерного
сообщества с целью их вовлечения в разработку программы и последующее
строительство и эксплуатацию MYRRHA ADS, который планируется соору-
дить на площадке SCK-CEN в Моле (Бельгия).
Цели разработки проекта MYRRHA ADS:
• испытание и реализация процессов трансмутации радионуклидов
долгоживущего и наиболее токсичного ОЯТ с целью уменьшения
их количества (в 100 раз) и уменьшения периода полураспада (с сотен
тысяч лет до нескольких сотен лет);
• производство медицинских радиоизотопов;
• изучение и испытание материалов для существующих и перспектив-
ных ядерных реакторов и термоядерных установок;
• сооружение многофункционального ускорителя протонов для фунда-
ментальных и прикладных исследований.
В результате анализа различных вариантов реализации программы
MYRRHA ADS был принят следующий поэтапный подход к разработке:
• 1 этап — ускоритель с энергией протонов от 0 до 100 МэВ;
• 2 этап — ускоритель с энергией протонов от 100 до 600 МэВ;
• 3 этап — реактор (может быть реализован параллельно с этапом 2 или
после него).
За время, прошедшее с момента начала реализации программы, компа-
нией SCK-GEN был построен и введен в эксплуатацию ряд эксперимен-
тальных установок для исследования проблем, связанных с LBE:
• GUINEVERE — масштабная модель-прототип реактора MYRRHA
с уменьшенной мощностью, запущена на базе модернизированной
установки VENUS на площадке Мол в марте 2010 года;
• HELIOS3 — в эксплуатации с 2013 года; предназначена для подготов-
ки расплава LBE для других объектов, исследования методов произ-
водства LBE и изучения последствий попадания пара или воды в LBE;
• MEXICO — в эксплуатации с 2014 года; специально спроектирован-
ный циркуляционный контур с 7 тоннами расплава LBE, предназна-
ченный для исследования контроля концентрации растворенного
кислорода и фильтрации LBE;
• CRAFT — в эксплуатации с 2014 года; среднетоннажная установка с 6
тоннами расплава, предназначенная для экспериментальных исследо-
ваний коррозии в LBE с контролируемыми параметрами потока (рас-
ход, температура и химический состав) при температуре от 270 до 500 °С;
• LIMETS — установка для проведения различных исследований кон-
струкционных материалов в расплаве LBE (усталостность, прочность
Приложение 2. Перспективные реакторы поколения IV. Направления развития
456
на разрыв, трещиностойкость), в том числе с использованием облу-
ченных образцов;
• RHAPTER — в эксплуатации с 2011 года; предназначена для изучения
поведения механических (движущихся) компонентов (подшипников,
зубчатых колес и силовых кабелей);
• COMPLOT — в эксплуатации с 2014 года; предназначена для исследо-
вания гидравлики и гидродинамики компонентов реактора MYRRHA
и относится к прототипам, поскольку его компоненты (ТВС, мишень
протонного пучка, регулирующие реактивность стержни СУЗ и стерж-
ни аварийной защиты) выполнены в масштабе 1:1 (рис. П2.19).
.2.19. Конструкция испытательной установки COMPLOT проекта MYRRHA ADS
На испытательной установке COMPLOT уже изучены:
• гидродинамика регулирующих стержней;
• гидродинамически возбуждаемые вибрации ТВС;
• теплогидравлика в непосредственной близости от ТВС.
Следует отметить, что реактор MYRRHA и исследовательские установ-
ки, участвующие в его разработке, особенно COMPLOT, могут представлять
интерес и для технологии реакторов на быстрых нейтронах со свинцовым
теплоносителем. В частности, это относится к малому модульному быстро-
му реактору, так как его компоненты по размерам схожи с компонентами
реактора MYRRHA.
П2.3. Реакторы набыстрых нейтронах сосвинцовым теплоносителемLFR
457
2.3.5.
WLFR
Целью проекта WLFR (Westinghouse Lead Fast Reactor), инициирован-
ного компанией Westinghouse Electric в рамках Международного форума
«Поколение IV», является создание конкурентоспособного масштабируе-
мого модульного пассивного среднего реактора со свинцовым теплоносите-
лем, отвечающего высоким стандартам безопасности.
Компания Westinghouse придерживается поэтапного подхода, в соот-
ветствии с которым в ближайшее время будет построен прототип свин-
цового реактора на быстрых нейтронах PLFR (Prototype Lead Cooled Fast
Reactor) электрической мощностью 300 МВт, который будет использо-
ваться в течение нескольких лет для демонстрации и совершенствования
энергетических технологий на базе быстрых реакторов с тяжелометалли-
ческим теплоносителем HLMC (Нeavy Metal Liquid Coolant). В дальней-
шем на базе демонстрационной стадии ожидается строительство первого
коммерческого блока электрической мощностью 465 МВт, который будет
включать в себя ключевые решения для реактора PLFR, но будет отличать-
ся от него с точки зрения использования более совершенных конструкци-
онных материалов и топлива.
В настоящее время проект PLFR находится на стадии концептуальной
разработки (рис. П2.20). Westinghouse сотрудничает с ведущими амери-
канскими и зарубежными организациями в области разработки атомных
электростанций: ENEA и Ansaldo Nucleare в Италии, Исследовательским
центром перспективного ядерного производства, Национальной ядер-
ной лабораторией, Манчестерским университетом и Кембриджским уни-
верситетом в Великобритании, а также Fauske & Associates, Аргоннской
национальной лабораторией, Национальной лабораторией Ок-Ридж, Лос-
Аламосской национальной лабораторией, Университетом Нью-Мексико
и Университетом Бригама Янга в США.
Основное отличие подхода Westinghouse заключается в том, что он наце-
лен на следующие инновации:
• материалы, способные работать в жидком свинце при температурах
до 650 °C. Эти материалы тестируются параллельно с разработкой
PLFR. Westinghouse стремится достичь значений КПД силового агре-
гата близких к 50%;
• компактные гибридные микроканальные первичные теплообменни-
ки (PHX) позволят уменьшить габариты и массу корпуса реактора;
• усовершенствованная система преобразования энергии (energy
conversion system — ECS) со сверхкритическим углекислым газом
(sCO
2
). Выбор такой системы позволяет уменьшить габариты тур-
бомашинного оборудования, обеспечить компактную компоновку,
Приложение 2. Перспективные реакторы поколения IV. Направления развития
458
повысить КПД силового агрегата, а также оптимизировать использо-
вание воздуха в качестве конечного поглотителя тепла;
• система накопления тепловой энергии. Эта система позволяет обе-
спечить переменную нагрузку при практически постоянной тепловой
мощности реактора;
• инновационное топливо (нитрид урана) для коммерческих энергобло-
ков. Такое топливо повышает безопасность реакторных установок
и делает их более экономичными.
В прототипе PLFR температура свинца в циркуляционном контуре —
420 °C на входе в активную зону и до 530 °C на выходе (655 °C в промыш-
ленной АЭС), а давление близко к атмосферному. Корпус реактора служит
для удержания свинца и используется для отвода (рассеивания) тепла от
активной зоны в случае выхода из строя системы расхолаживания, в кото-
Вход/выход
второго контура
Т/О первого
контура
Корзина
активной зоны
Активная зона
Корпус реактора
Корпус
защитный
ГЦН (6)
Стержни СУЗ
Газовая полость
.2.20. Конструкция реактора исхема потоков теплоносителя концептуальной
установки Westinghouse PLFR
П2.3. Реакторы набыстрых нейтронах сосвинцовым теплоносителемLFR
459
рой используется РНХ. Следует отметить, что корпус реактора контактирует
со свинцом только в низкотемпературной области, благодаря чему процес-
сы коррозии и эрозии замедляются, что позволяет рассчитывать на повы-
шенный срок службы.
Инновационным отличием конструкции Westinghouse от других реак-
торов на быстрых нейтронах со свинцовым теплоносителем заключается
в использовании гибридных микроканальных теплообменников (compact,
hybrid microchannel-type primary heat exchangers — CHM PHX), которые пе-
редают тепло от первичного контура ко второму. Схематическое изображе-
ние таких теплообменников, использовавшихся ранее в неядерных отраслях
промышленности, показано на рис. П2.21.
К турбине
Подпитка
Теплоно-
ситель Pb
Уровень Pb
.2.21. Схематический вид компактного гибридного микроканального
теплообменникаCHM PHX
Топливо High-Assay Low-Enriched Uranium [HAELU (низкообогащен-
ный уран с высокой степенью очистки ‒ оксид урана с обогащением
235
U
от 5 до 20%)] первоначально будет загружено в опытный реактор PLFR,
но использование МОКС-топлива не исключено в последующих проектах
более мощных установок. Ожидается, что такой подход, благодаря исполь-
зованию хорошо изученных материалов и технологий, ускорит процесс ли-
цензирования.
PLFR имеет 4 независимые системы остановки реактора. Две из них ос-
нованы на вводе регулирующих стержней в активную зону и могут исполь-
Соседние файлы в папке Курсовой проект 5 кафедра (спецы 4 курс)