содержание   ..  50  51  52  53  54  55  56  57  58  59  60  ..

3.5.

Газоохлаждаемые реакторы атомных станций

На современном этапе наиболее эффективным источником комплексного производства электрической и высокопотенциальной тепловой энергии являются высокотемпературные реакторы с гелиевым теплоносителем (табл. 3.5). Они характеризуются применением химически инертного теплоносителя и использованием графита в качестве основного конструкционного материала активной зоны, а также замедлителя и отражателя. Это позволяет достигать температуры теплоносителя на выходе из ВТГР до 900—1000 °С, что улучшает термический КПД, уменьшает сбросы тепла в окружающую среду и потребление охлаждающей воды. Высокая безопасность ВТГР обеспечивается большим отрицательным коэффициентом реактивности, высокой теплоемкостью графитовой активной зоны, отсутствием фазовых переходов и химической инертностью теплоносителя, наличием ряда барьеров безопасности; микротвэлы — оболочка твэлов — корпус из предварительно напряженного бетона (чугуна) — противоаварийная оболочка АЭС.

Применение в активной зоне твэлов с графитовым покрытием и гелиевого» теплоносителя позволяет достигать высоких значений коэффициента воспроизводства топлива (1,6—1,7) и более глубокого выгорания.

Повышение температуры в ВТГР открывает возможность применения современных турбин с высокими параметрами пара (tп = 530-580 °С; Р= 17-24 МПа). Но более перспективно использование высокотемпературного реактора в газотурбинном цикле, а также как источника тепловой энергии для осуществления технологического процесса в различных отраслях народного хозяйства, в которых в виде тепла потребляется 70—80 % вырабатываемой энергии, в частности в наиболее энергоемких процессах химической и металлургической промышленностях. Применение высокотемпературных реакторов с

гелиевым охлаждением в энерготехнологической установке для производства тепловой энергии рассматривается как главное направление использования ВТГР.

Таблица 3.5. Основные характеристики высокотемпературных гелиевых реакторов

Рис. 3.27. ВТГР с призматическими ТВС:
1 — газодувка; 2 — модуль парогенератора; 3 — активная зона; 4 — каналы для органов СУЗ и перегрузки топлива; 5 — канал для ионизационной камеры; 6 — охлаждаемая опорная конструкция зоны; 7 — корпус реактора

Конструкционные схемы ВТГР в основном определяются конструкцией твэлов и назначением реактора.
Активная зона, собираемая из призматических ТВС (рис. 3.27,
3.31), представляет собой решетку с чередующимися топливными стержнями и каналами для гелия.

Призматические твэлы располагаются в тесной шестигранной решетке в несколько рядов по высоте активной зоны. Радикальные и торцевые отражатели выполняются из аналогичных призматических блоков без делящегося материала. Для перегрузки призматических ТВС необходимы специальные перегрузочные машины, располагаемые в зале над реактором. Перегрузка осуществляется на остановленном реакторе, что снижает коэффициент использования мощности АЭС и в конечном счете приводит к повышению стоимости отпускаемой энергии.

На американской АЭС «Форт-Сент-Врейн», где использована концепция призматических ТВС, корпус реактора изготовлен из высокопрочного напряженного железобетона. Оборудование располагается во внутренней полости корпуса круглого сечения диаметром около 9 и высотой 22,5 м. Крышки корпуса плоские толщиной около 5 м. В верхней крышке имеется 37 технологических отверстий для замены топлива и размещения приводов регулирующих стержней. Бетонные стенки и крышки корпуса облицованы сталью толщиной около 20 мм. Облицовка крепится к бетону и образует герметичное по гелию мембранное уплотнение. Температура бетонного корпуса и стальн.ой облицовки регулируется системой водяного охлаждения. Трубы системы охлаждения приварены к облицовке со стороны бетона.

Около 1500 шестигранных топливных блоков, сложенных в 247 вертикальных колонн, образуют активную зону с диаметром 5,94 и высотой 4,7 м, окруженную графитовым отражателем толщиной 1,2 м. Призматические ТВС в активной зоне сгруппированы в 37 топливных зонах, примерно 7б часть которой заменяется ежегодно через технологические проходки, расположенные соосно

с ними. Регулирующие стержни СУЗ перемещаются в 74 каналах, проходящих через активную зону реактора внутри направляющих труб. Регулирующие стержни перемещаются попарно 37 приводами, которые установлены в проходах верхней крышки корпуса реактора.

Основное преимущество призматических активных зон ВТГР — возможность простого гидравлического профилирования расхода теплоносителя в соответствии с полем энерговыделения, а также использование традиционных стержней СУЗ, погружаемых в полости призматических блоков. Перегрузочная машина позволяет заменять не только призматические блоки в активной зоне. но и радиальные и торцевые отражатели при выработке ими срока службы.

ВТГР (рис. 3.28) с шаровыми твэлами имеют активную зону, представляющую собой цилиндрическую емкость, окруженную графитовыми блоками и засыпанную твэлами. Верхний уровень засыпки свободный. Перегрузка топлива осуществляется непрерывно в процессе работы реактора. Свежие твэлы поступают в активную зону и под действием силы тяжесть) опускаются вниз: проходя через активную зону однократно и достигнув заданной глубины выгорания

они выгружаются из реактора. В пространство между уровнем твэлов и верхним графитовым отражателем подается гелий, который проходит в том же направлении, что и поток шаровых твэлов, и нагревается до заданной температуры. Однократный способ загрузки твэлов позволяет достичь более высоких температур газа на выходе из реактора без увеличения допустимых нагрузок на шаровые твэлы, а также свести к минимуму разность температур газа и микротоплива на выходе из реактора. На входе в активную зону, где энерговыделение максимально, температура твэлов ограничивается достаточно холодным теплоносителем, поступающим сверху. Высокие температуры, до 1000 °С, на выходе из реактора важны для получения технологического тепла, а также для одноконтурной установки с газовой турбиной.

Рис. 3.28. Конструкционная схема ВТГР с шаровыми твэлами:
1 — корпус; 2 — активная зона; 3—теплообменник; 4 — газодувка; 5 — парогенератор; 6 — исполнительные механизмы СУЗ; 7 — загрузочный канал; 8 — графитовый отражатель; 9 — канал разгрузки

Непрерывная загрузка шаровых твэлов обеспечивает в верхней части активной зоны высокий нейтронный поток, который способствует увеличению эффективности поглощающих стержней. В то же время свободная засыпка активной зоны затрудняет глубокое введение регулирующих стержней непосредственно в зону, так как может вызвать разрушение шаров. Поэтому при конструировании и расчете ВТГР с шаровыми твэлами целесообразно исключить введение стержней в шаровую засыпку, ограничив ввод их в свободное пространство над уровнем твэлов.

Возможно также конструирование активной зоны с направляющими каналами для регулирующих стержней, что, естественно, усложняет непрерывную загрузку твэлов и саму зону. Непрерывная загрузка предъявляет к конструкции шарового твэла повышенные требования к стойкости против механических нагрузок, которые могут быть причиной выхода продуктов деления из твэлов. Механические нагрузки твэлы испытывают при падении с высоты в процессе загрузки, в нижней части активной зоны — под действием массы шаровой засыпки, а также вследствие свободного ввода поглощающих стержней в засыпку твэлов. Поэтому к шаровым твэлам предъявляются требования: они должны выдержать 50 падений с высоты 4 м на слой плотно упакованных графитовых шаров. От шаровых твэлов также требуется высокая прочность на истирание, так как пылевидные частицы могут привести к повреждениям газодувок, отложениям на теплообменных поверхностях, что приведет к науглероживанию стали и т. п.

К недостаткам ВТГР с шаровыми твэлами относятся: отсутствие возможности четкого профилирования энерговыделения по радиусу активной зоны; неравномерность движения твэлов в объеме активной зоны; необходимость размещения стержней СУЗ в засыпке твэлов в специально предусмотренных в объеме зоны графитовых пилонах; наличие графитового замедлителя в твэлах, что приводит к дополнительным затратам при переработке.

Основными недостатками ВТГР с призматическими твэлами являются: остановка реактора на перегрузку на довольно длительное время; большая трудоемкость и технологическая сложность изготовления графитовых блоков; значительные термические напряжения, возникающие в призматических ТВС.

Разработана установка для получения высокопотенциального тепла, в которой используется реактор без упомянутых выше недостатков. Конструктивно реактор представляет собой чередующиеся каналы для прохода шаровых твэлов и регулирующих стержней СУЗ. В реакторе заложен принцип однократного прохождения твэлов активной зоны при непрерывной перегрузке на работающем реакторе.

Рис. 3.29. Установка ВГР-500:
1- промежуточный теплообменник; 2 — коллектор системы охлаждения корпуса; 3 — крышка; 4 — исполнительный механизм СУЗ; 5 — корпус из напряженного железобетона; 6 — трубчатая печь; 7— активная зона; 8 — опорная плита; 9 — загрузочная машина

Активная зона (рис. 3.29) собирается из графитовых деталей и стальных верхней дистанционирующей и нижней опорной плит. В вертикально расположенных графитовых блоках, являющихся замедлителем активной зоны, движутся шаровые твэлы. Блоки закреплены в нижней опорной плите с помощью шарнирно соединенных с ними металлических втулок. Сопутствующее движение теплоносителя и твэлов снизу вверх совпадает с направлением движения теплоносителя при естественной циркуляции в реакторе в случае остановки газовых нагнетателей, также необходимо для получения максимальной температуры теплоносителя на выходе из ВТГР при допустимой температуре в центре самого теплонапряженного твэла. Активная зона окружена графитовым отражателем, выполненным из шестигранных призм. Верхний торец активной зоны имеет форму конуса, что необходимо для скатывания отработавших твэлов за ее пределы. Регулирующие стержни СУЗ перемещаются в таких же каналах, как и твэлы. Механизмы приводов стержней размещены на крышке корпуса реактора.

В нижней части корпуса под активной зоной (рис. 3.30) предусмотрено несколько вертикальных проходок для установки в них загрузочных механизмов шаровых твэлов. Непрерывная перегрузка твэлов в процессе работы реактора осуществляется 'с помощью семи перегрузочных механизмов, одинаковых по устройству. Они обеспечивают загрузку шаровых твэлов в каждый канал своей части обслуживания активной зоны. Схема с нижним расположе-нием перегрузочных механизмов имеет ряд преимуществ: опорные конструкции активной зоны размещаются в зоне «холодного» теплоносителя; работа загрузочных устройств облегчается отсутствием стержней СУЗ.

Конструкция канального ВТГР сочетает достоинства и позволяет избежать недостатков шарового и призматического вариантов твэлов ВТГР. Регулярность прохождения шаровых твэлов через активную зону дает возможность использовать различные способы профилирования поля энерговыделения: конкретным обогащением топлива по зонам профилирования; изменением скорости прохождения твэлов в зоне профилирования; вариацией плотности графитового замедлителя. Выравнивание температурных полей по объему активной зоны может быть обеспечено также гидравлическим профилированием.

Конструкция реактора позволяет осуществить эффективный физический контроль параметров активной зоны и обладает более широкими возможностями управления режимами работы. Это позволяет оперативно снижать коэффициент неравномерности энерговыделения, повышать удельную и тепловую нагрузку на топливо, увеличивать среднее выгорание горючего.

Вместе с тем в канальном ВТГР энергонапряженность единицы объема активной зоны снижается, необходимы специальные загрузочные машины, работающие в первом контуре реактора, а также загрузочно-разгрузочные машины вне реактора для обеспечения перегрузки графитовых блоков замедлителя (рис. 3.31).

Одна из основных конструктивных особенностей высокотемпературных реакторов — корпус из предварительно напряженного железобетона. Бетонный

корпус обладает некоторыми преимуществами перед металлическим, особенно для реакторов большой мощности.

Рис. 3.30. Фрагменты активной зоны ВГР-500;
1 — нижняя опорная плита; 2 — верхняя дистанционирующая плита; 3 — шаровой твэл;. 4 — канал; 5 — замок канала; 6 — загрузочное устройство

Рис. 3.31. Активная зона ВТГР с призматическими ТВС:
1 — керамическая тепловая защита; 2 — нижний отражатель; 3 — технологический канал; 4 —активная зона; 5 — ТВС; 6 — верхний отражатель; 7 — слой борированных блоков; $ — блок отражателя; 9 — обечайка активной зоны; 10 — герметичная оболочка; 11 — тепловая защита; 12 — блок нижней плиты; 13 — опора; 14 — входной канал парогенератора

 Эти преимущества относятся прежде всего ас обеспечению надежности и безопасности АЭС. Бетонный корпус представляет собой толстостенную конструкцию, в герметичных полостях которой размещаются элементы первого контура (активная зона, газодувки с приводами, гелиевые трубопроводы и клапаны), теплообменники, парогенераторы, приводы СУЗ и т. д. Напряжение корпуса создается многочисленными стальными тросами, которые натягивают с помощью гидравлических домкратов. Гелиевая плотность корпуса обеспечивается стальной оболочкой (лайнером), которая герметизирует все внутренние поверхности. Для снижения влияния высокой температуры лайнер и бетон защищены специальной термостойкой теплоизоляцией: стальфоль, каолиновое волокно и т. п. Предусматривается также водяное или газовое охлаждение внутренних полостей бетонного корпуса. К преимуществам бетонных корпусов необходимо отнести то, что они сооружаются непосредственно на площадке АЭТС и не требуют крупноблочных негабаритных перевозок.

Для промышленных ВТГР большой мощности рассматривается корпус высокого давления из предварительно напряженного литого чугуна, который значительно проще в изготовлении и существенно меньше по габаритам, чем железобетонный. По сравнению с железобетонным чугунный корпус имеет значительно меньшую толщину стенок; более высокое качество элементов конструкции вследствие изготовления в заводских условиях; возможность демонтажа и проведения ремонтных работ; ползучесть, усадку; более высокую допустимую температуру (до 400 °С), в связи с чем существует принципиальная возможность отказа от системы охлаждения водой. Корпус из предварительно напряженного чугуна значительно сократит время его сборки на строительной площадке и снизит стоимость монтажа.

Использование ВТГР для получения только высокопотенциального тепла предполагает несколько вариантов компоновки реактора и теплообменников, причем на рис. 3.32, б теплообменники размещены в специальных оболочках

выполненных во взрывоопасном исполнении. Сравнительный анализ интегральной и блочной компоновки ВТГР показывает, что при разных направлениях использования высокопотенциального тепла для интегральной компоновки требуются индивидуальные корпуса при одной и той же мощности в связи с использованием разного количества теплообменников. Ремонт и контроль при интегральной компоновке также очень затруднены, а стоимость корпуса примерно в 2 раза больше, чем в блочном варианте. Тем не менее в настоящее время для обеспечения надежности и безопасности АЭТС для экспериментальных ж опытно-промышленных установок проектируются ВТГР в интегральном варианте.

Рис. 3.32. Возможные схемы компоновки реактора и теплообменников АЭТС::
а — компоновка реактора THTR; б — неинтегральный вариант с защитой от взрывов; в — интегральный вариант; 1 — корпус из предварительно напряженного чугуна; 2 — корпус из предварительно напряженного железобетона

содержание   ..  50  51  52  53  54  55  56  57  58  59  60  ..