СЭУ, Модуль 4.2., Чистяков А.Ю., 22.11.10

Судовые энергетические установки

Модуль 4.2.

4.2.1. Классификация судовых ядерных энергетических установок

Все уже созданные, строящиеся и известные проектируемые судовые ядерные энергетические установки имеют в качестве источника тепловой энергии реакторы гетерогенного типа. В дальнейшем нами будут рассматриваться только эти установки.

Судовые ядерные энергетические установки можно класси­фицировать:

а) в зависимости от применяемого в них теплоносителя — на установки с реакторами на водяном теплоносителе; с реакто­рами на жидкометаллическом теплоносителе; с реакторами на органическом теплоносителе; с газоохлаждаемыми реакторами;

б) в зависимости от числа рабочих контуров тепловой схемы — на одно-, двух- и трехконтурные;

в) по типу главных двигателей — на паротурбинные и газо­турбинные.

Ниже рассмотрены некоторые схемы судовых ядерных энер­гетических установок.

4.2.2. Установки с реакторами на водяном теплоносителе

Основным преимуществом судовых установок с водяным теплоносителем является возможность применения обыкновен­ной воды (высокой чистоты) в качестве теплоносителя и замедлителя. Физические и эксплуатационные свойства такой воды хорошо известны. В качестве главных двигателей исполь­зуются паротурбинные агрегаты.

Установки на водяном теплоносителе могут быть созданы с реакторами двух типов: водо-водяными и кипящего типа.

Установки с водо-водяными реакторами могут быть только двухконтурными, а установки с реакторами кипящего типа — как одноконтурными (в основном), так и двухконтурными.

К настоящему времени наиболее освоены установки с водо-водяными реакторами, однако, по мнению многих специали­стов, установки с реактором кипящего типа более перспективны, поскольку они дают возможность повышать параметры рабо­чего пара при значительно меньшем давлении теплоносителя в первом контуре. Кроме того, в таких одноконтурных установ­ках отсутствуют дорогие и сложные теплообменники-парогене­раторы, что позволяет уменьшить габариты и вес установки.

Установки с водо-водяными реакторами. Энергетическая установка этого типа (рис. 4.2.1.) состоит из паропроизводительной и машинной частей и обычно работает на насыщенном или слабо перегретом паре.

Источником тепловой энергии такой установки является водо-водяной реактор, работающий на медленных (тепловых) нейтронах. Дистиллированная вода высокой чистоты служит здесь одновременно охладителем-теплоносителем и замедлите­лем нейтронов.

Активная зона реактора состоит из сборок тепловыделяю­щих элементов, содержащих обогащенный U²³⁵ или его дву­окись. Так как уран разрушается под воздействием воды высо­кой температуры, то для обеспечения прочности тепловыделяю­щие элементы заключают в очень тонкие оболочки из металла, относительно слабо поглощающего нейтроны, например, из алю­миния, нержавеющей стали или циркония. В пространственной решетке активной зоны реактора, помимо каналов для сборок тепловыделяющих элементов, предусматривают гнезда для раз­мещения регулирующих и аварийных стержней, изготовляемых из кадмиевой или бористой стали. Активная зона реактора окру­жается экраном тепловой защиты из нержавеющей стали.

Реактор, трубопроводы теплоносителя, теплообменники-паро­генераторы, циркуляционные насосы, системы, обеспечивающие поддержание необходимого давления теплоносителя, фильтры очистки теплоносителя от посторонних примесей и вспомога­тельные системы образуют первый контур установки. Так как в этом контуре циркулирует радиоактивная вода, все его эле­менты размещают внутри конструктивной биологической защиты.

Для обеспечения интенсивного теплообмена в активной зоне реактора циркуляционные насосы первого контура прокачивают через нее горячую воду со значительной скоростью. В тепло­обменнике вода отдает свое тепло воде второго контура (омы­вающей греющие трубки), которая нагревается и закипает, превращаясь в пар. По паропроводу пар поступает в паровую турбину, где производит работу, а затем конденсируется в конден­саторе, после чего конденсат питательным насосом подается в теплообменник-парогенератор, завершая таким образом зам­кнутый цикл.

Для того, чтобы такая установка работала на перегретом паре, ее теплообменник-парогенератор должен быть разделен на три, последовательно расположенные ступени: экономайзерную, испарительную и пароперегревательную. Движение воды и пара обоих контуров обычно совершается по противотоку, что интенсифицирует теплопередачу.

Рис. 4.2.1. Двухконтурная ядерная энергетическая установка с водо-водяным реактором.

1 — активная зона реактора; 2 — трубопровод первого контура; 3 — теплообменник-парогенератор;

4 — тепловыделяющие элементы;

5 — циркуляционный насос; 6, 11 — экраны биологической защиты; 7 — паропровод второго контура; 8 — паровая турбина; 9 — конденса­тор;

10 — питательный насос.

Горячая вода совершает путь из активной зоны реактора в пароперегреватель, испаритель и водоподогреватель, а затем снова циркуляционными насосами подается в реактор. Во вто­ром контуре питательный насос подает воду в экономайзер, откуда она поступает в испарительную часть, где превращается в пар (влажный). Из испарительной части влажный пар посту­пает в пароперегреватель, где подсушивается и перегревается.

Для осуществления теплопередачи температура воды пер­вого контура в теплообменнике-парогенераторе должна быть выше температуры производимого насыщенного или перегретого пара. Вместе с тем температура воды в реакторе и в первом контуре должна быть ниже температуры парообразования при установленном в них давлении. В судовых реакторных установ­ках такого типа давление в первом контуре поддерживают на уровне около . Такое высокое давление усложняет конструкцию и условия эксплуатации реактора, но оно необходимо для получения требуемых параметров пара во вто­ром контуре, обеспечивающих приемлемый КПД установки.

Необходимость применения высоких давлений в первом контуре установок с водо-водяными реакторами является их недо­статком еще и потому, что значительно увеличивает вес обору­дования. Снижение же давления теплоносителя в первом кон­туре понижает термический КПД установки.

Одноконтурная установка с реактором кипящего типа. Источником тепловой энергии в этой установке (рис. 4.2.2.) является реактор кипящего типа, работающий на медленных (теп­ловых) нейтронах.

Внутри нижней части .корпуса реактора, заполненной обык­новенной водой высокой чистоты, находится активная зона, внутри которой размещены сборки тепловыделяющих элементов. Вода, омывающая активную зону реактора, служит одновременно и охладителем и замедлителем. Соотношение между количествами выделяемого в активной зоне тепла и поступающей в нее воды устанавливается таким, чтобы вода не только нагревалась, но и частично испарялась. Образующийся пар соби­рается в паровом пространстве, расположенном в верхней части реактора.

Питательная вода, подаваемая питательным насосом, посту­пает в пространство между трубами тепловыделяющих элемен­тов активной зоны и смешивается с циркулирующей в нем во­дой. Циркуляция воды в активной зоне реактора может быть как принудительной — при помощи специального насоса, так и естественной — за счет разности плотностей воды различных температур. Принудительная циркуляция обеспечивает более интенсивный теплообмен в активной зоне.

Пар, получаемый в реакторах кипящего типа, обладает не­которой влажностью; для освобождения от влаги пар из реак­тора направляется в сепаратор, после чего поступает в турбину. Отработавший пар конденсируется в конденсаторе и питатель­ном насосом снова подается в реактор.

Из описанной схемы видно, что в установках с реакторами кипящего типа отсутствуют парогенераторы-теплообменники и промежуточные циркуляционные контуры, как это имеет место в установках с водо-водяными реакторами.

Термический КПД установок этого типа несколько выше, чем у установок с водо-водяными реакторами, за счет отсутствия тепловых потерь в промежуточных теплообменниках-парогенераторах и исключения расхода энергии на циркуля­ционные насосы первого контура.

Судовая установка с реакторами кипящего типа имеет луч­шие массогабаритные показатели по сравнению с установками с водо-водяными реакторами.

Отсутствие дополнительного процесса теплообмена в уста­новке с кипящим реактором позволяет при одних и тех же пара­метрах пара перед турбиной, как и в установке с водо-водяным реактором, иметь значительно меньшее давление в контуре теплоносителя, что является существенным преимуществом.

Рис. 4.2.2. Одноконтурная ядерная энергетическая установка с реак­тором кипящего типа.

1 — активная зона реактора; 2 — теплоноситель;

3 — паровое пространство; 4 — тепловыделяющие элементы; 5 — корпус реактора; 6 — сборный коллектор; 7 — паропровод; 8 — паровая турбина;

9 — конденсатор; 10 — питательный на­сос;

11, 12 — экраны биологической защиты; 13 — насос для принудительной циркуляции теплоносителя.

Недостатками судовых энергетических установок с кипя­щими реакторами на современной стадии их развития являются получение насыщенного (а не перегретого) пара, наличие неко­торой радиоактивности вырабатываемого установкой пара и относительная сложность поддержания заданной паропроизводительности (мощности) реактора вследствие существенного колебания нейтронного потока.

Несмотря на недостатки, простота установки этого типа по­зволяет считать ее перспективной для использования в судовых условиях, особенно на судах с электродвижением.

Двухконтурная установка с реактором кипящего типа. Двухконтурная установка с реактором кипящего типа по схеме работы отличается от аналогичной одноконтурной уста­новки тем, что вырабатываемый реактором пар направляется не в турбину, а в теплообменник-парогенератор, в котором гене­рируется вторичный пар, поступающий в турбину. Отсепарированная же вода при помощи специального рециркуляционного насоса подается вновь в активную зону реактора вместе с основ­ным потоком охлаждающей воды.

Первичный пар, конденсируясь в теплообменнике-парогене­раторе в виде конденсата, вновь подается питательным насосом в первый контур реактора.

Судовые энергетические установки двухконтурной схемы с реакторами кипящего типа не имеют тех преимуществ (по сравнению с установками с водо-водяными реакторами), ка­кие имеют одноконтурные установки с реакторами кипящего типа.

По своим массогабаритным характеристикам двухконтурная установка с кипящим реактором близка к установкам с водо-водяными реакторами, однако по сравнению с последними имеет следую­щие преимущества:

- меньший расход охладителя-теплоносителя, вследствие его большего теплосодержания (в паровой фазе),

- несколько меньшее необходимое давление в реакторе для обес­печения одинаковых параметров рабочего пара,

- саморегулирование мощности реактора.

По сравнению с такой же одноконтурной установкой двух­контурная установка имеет следующие преимущества:

- обеспечи­вается стабильность работы реактора при режимах меняющейся мощности;

- изолируется второй рабочий контур от первого кон­тура, имеющего некоторую радиоактивность.