Принципиальная схема судовых атомных энергетических установок

Наибольшее распространение получили атомные энергетические установки с паротурбинным циклом. Они классифицируются, например:

1. – по типу теплоносителя в I контуре (вода, жидкие металлы, газ и пр.)

2. – по изменяемости агрегатного состояния теплоносителя в реакторе (р. не кипящие, р. кипящие.)

3. – по типу реактора (реактор на тепловых нейтронах, промежуточных, быстрых нейтронах, реакторы гомогенные и гетерогенные.)

4. – по числу контуров (одно контурные, 2^х контурные) при этом учитывается только те контуры, через которые происходит передача энергии от реактора к турбине.

Наиболее определяющим признаком особенности атомной энергетической установки является тип теплоносителя в реакторе, т. к. теплоноситель определяет состав и концентрацию оборудования установки, его весогабаритные характеристики, параметры пара, тип использование турбин и т. д. Поэтому в дальнейшем установки будем классифицировать по типу теплоносителя в реакторе.

Принципиальная схема судовой атомной паротурбинной 2^х контурной установки.

Ппу (паропроизводительные установки) с водо-водяным не кипящим реактором (вврд) (под давлением)

Водо-водяным называют реактор, у которого и замедлитель и теплоноситель I контура – вода. Принципиальная схема ППУ с ВВРД (не кипящим) имеет в своем составе 4 взаимосвязанных контура:

Состав I контура – реактор, цир. насосы, ПГ, компенсатор объема, фильтр и его холодильник, коммуникации, соединяющие данное оборудование.

Состав II контура – ПГ, турбина, конденсатор, теплоносительный и конденсатный насосы, вспомогательное оборудование и коммуникации.

Состав III контур – охлаждения элементов оборудование I и II контура. Он является также промежуточным контуром между охлаждаемым оборудованием и IV контуром забортной воды.

В реакторе –вода с P= 100/ 200 aтa, t=280/340⁰C в ПГ в II к-вода P=30/40 ата.

Компенсатор обьема – для поддержания пост. давления в контуре при изменении загрузки. Фильтр- для поддержания концентрации активних примесей воды в I к. в в приемлемых границах в случае неплотностей в оболочках ТВЭЛ. Наполнитель подбираем такой ,чтобы снижать и газовую активность теплоносителя. Для нормальной работы наполнителей(анионовых и катионовых смол) температура теплоносителя требуется 35-40⁰С. Поэтому устанавливают холодильник. Чтобы получить перегретый пар с P=30/40 ата.

t_ne=280/320⁰С в I контуре требуются следующие параметры воды: Р= 120-200ата; t= 300-340⁰С.

Недостаток ВВРД(некин.)- невозможность повышения параметров в I к. Температура не может быть больше 370⁰С.

Преимущества:

1. небольшие размеры Р, ПГ по сравнению с органическими или газовыми теплоносителями.

2. Заполнение I конт. Водой, очистка, подпитка, эксплуатация проще, да и пополнение воды можно получить за бортом.

3. Вода более устойчива под воздействием ед. излучений.

4. Умеренная коррозионная и эрозионная активность воды позволяет применять существующие материалы; Поэтому они широко применяются в судах.

ППУ с ВВРК (кипящим )

С целью снижения Р в I контуре ВВРК бывают 1-контурные и 2-контурные. В одноконтурной установке пар из I контура –в турбину. В II^х контурной установке пар I контура конденсируется в ПГ, отдает тепло воде и пару, а там уже – турбина.

Для улучшение теплоотдачи от ТВЭЛ – принудительная циркуляция. Можно организовать естественную циркуляцию – тога повысится надежность I контура (вследствие отсутствие циркуляционного насоса и утечек).

При принудительной циркуляции кратность циркуляции – 20-30.

Чтобы небыло кавитации, перед циркуляционным насосом – нагреватель питательной воды IIк.

Для получения насыщеного пара Р= 35ата в I нужно кметь Р= 65-75 ата, а чтобы для турбины t_ne = 280-320º в Iк – 80-140 ата, т.е. Р в Iк кипящего по сравнению с не кипящим на 50-70 ата.

Недостаток, что насыщенный пар имеет активность 10^-6 кюри/л (10^-9 допустима).

Двухконтурная установка с кипящим реактором более безопасна но тяжелее и сложнее. Одноконтурная проще, но опаснее и их перспектива – на судах, где имеет значение малый вес и где возможна специально гермитзация турбины с дистанционным управлением.

ППУ с органическим теплоносителем

Цель – избавиться от большого давления в I к. и иметь достаточно высокие параметры пара во II контуре. Значит, нужно иметь теплоноситель с более высокой температурой кипения по сравнению с водой.

Органические теплоносители: дифенил С₁₂Н₁₀, моноизопропилдифенил С₁₅Н₁₆, три фенил.

В I к для дегазации и очистки от продуктов полимеризации служит дистилляционная установка.

Преимущества и недостатки связаны со свойством органических теплоносителей:

1. Р= 10-50 ата при одних параметрах с водяным реактором;

2. Органический теплоноситель (фенилы) не взаимодействуют с ураном даже при разрушении ТВЭЛ;

3. Органический теплоноситель не вызывает коррозии и эрозии даже простых углеродистых сталей;

4. Органический теплоноситель не активируется, а с примесью имеет < активность, чем вода;

5. Можно получить более высокие параметры пара чем вода.

Недостатки:

1. нужно иметь большие размеры активной зоны реактора (теплоотдача хуже);

2. мощность насосов для перекачки органического топлива >, значит, падает КПД;

3. органическое топливо полимеризуется под воздействием - лучей, поэтому нужна дистилляция;

4. нужны цистерны для хранения органического топлива.

ППУ с жидкометалическим теплоносителем повышается КПД благодаря высокой теплопроводности и высокой температуре кипения. Жидкие металлы: Na, Li, Hg (ртуть) и различные эквивалентные сплавы.

Практическое применение может иметь 3^х контурная схема.

У ст.-т ловушки окисов активизационных контакта воды и активизации радиоактивного Na. Давление в промежуточном контуре, > чем в I (где Na) и > чем в III к (где пар и вода).

Единственное преимущество: более высокие параметры пара и низкое давление в Iк.

Крупные недостатки:

1. при разрыве трубок Na, Na –к бурно реагирует с водой и есть опасность тепло. Взрыва;

2. большая коррозионная и эрозионная активность Na, особенно если накапливаются окислы;

3. Na сильно активизир. с периодом полураспада 15 часов, поэтому-защита;

4. Вследствие многоконтурности – сложные установки.

В случае применение Hg, Pb (свинца) установка без промежуточного контура. Но дополнительный недостаток:

1) высокий удельный вес, растет мощность насосов;

2) необходимость недогрева установки при заполнении и стоянке (Pb) т. к. он имеет температуру плавления 327,4ºС;

3) сложность ремонта, замены активной зоны, вследствие токсичности теплоносителя, а также необходимость подогрева.

ППУ и ГТУ с газовым теплоносителем.

Судовая энергетическая установка с газовым теплоносителем может быть 2^х типов:

1. с газовым охлаждением реактора, ПГ-м, паровой турбиной;

Преимущества :

- высокие параметры пара при большом Р (15-30ата) в I к и малая активность теплоносителя;

- несколько > кпд чем ВВРД (у ВВРД КПД 17-24%, а в установке с газовым теплоносителем 21-33%).

Недостатки :большие размеры и вес (по 30-40> чем у ВВРД)

Поэтому их нужно применять на судах, где вес и габариты не имеют большого значения, а на I месте ставится надежность, высокий КПД, возможность применения слабообогощенного горючего.

2. с газовым охлаждением реактора и газовой турбиной, а они делятся в свою очередь:

а) 2^х контурные установки, у которых в I к один газ (например, гелий), а во II к – второй газ (например, воздух).

б) одно контурные установки, в которых охлаждение реактора производится тем же газом, на котором работает турбина.

Расчетный КПД 29% (рис. 10 в нем 10-боллон, 11- компрессор для регулирования мощности).

Преимущества: безопасность 2^хконтуров.

Недостатки: сложность.

Преимущества одоконтурных - малый вес и габариты.

Недостатки – необходимость весьма высоких температур газа на выходе из реактора (около 700ºС), т.к. при температуре 400-500ºС одноконтурные участки с газовым теплоносителем неработоспособны;

Целесообразность применения различных атомных установок.

Требования, исходя из которых вытекает целесообразность:

1. максимальная надежность при длительной компании реактора, большой дальности и автономия плавания. А это еще обуславливается удобством обслуживания.

2. Рациональная безопасность установки в условиях эксплуатации и аварийной ситуации ( в контурах и биологической защите).

3. Максимальная простота обслуживания, наполнения и удаления теплоносителя, его подпитка, надежность снятия остаточного тепловыделения после остановки (желательно за счет естественной циркуляции).

4. Минимальный вес и габариты (особенно для военных).

5. Обеспечение максимальной компании реактора, т.е. время между загрузкой и выгрузкой горючего.

6. Максимальное использование оборудования, материалов, элементов конструкции, проверенных на опыте.

Наиболее перспективными считают ВВРД, т.к. для них уже давно отработанные элементы конструкции применяются. Простые 1 контурные ВВРД, а 2^х контурные ВВРК не имеет решающих преимуществ перед ВВРД.

ППУ с органическим теплоносителем будут приемлемы на судах, где габариты и вес не имеют первостепенного значения (танкеры, рудовозы, ледоколы). ППУ с жидкокристалическим теплоносителем (особенно Li) будут иметь значение при получении металлов стабильных в среде жидкометалического теплоносителя при высоких температурах. На судах, где вес и габариты – 1 место.

Пока не решен вопрос применения газового теплоносителя, т.к. требуется высокая температура, нет работающих при высокой температуре ТВЭЛ (в смысле их оболочка), нет хороших уплотнителей в газовой турбине и др. узлах, т.к. перспективна установка 1 нам с газовой турбиной.