№ 6
ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК ЭНЕРГЕТИКА
2013
УДК 621.039.524.441
© 2013 г. ЛОЩАКОВ И.И., СИРОТКИНА А.Л., КООК П.Н.1
ВОДООХЛАЖДАЕМЫЙ РЕАКТОР СО СВЕРХКРИТИЧЕСКИМ ДАВЛЕНИЕМ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ - ПЕРСПЕКТИВНОЕ РЕШЕНИЕ ДЛЯ АЭС НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ
Даны основные положения, касающиеся физических характеристик, создания и функционирования реактора со сверхкритическими параметрами теплоносителя. Приведен анализ влияния спектрального регулирования на характеристики реактора. Построены статические характеристики на примере программы регулирования с постоянной средней температурой теплоносителя и переменным расходом.
По некоторым оценкам [1], увеличение потребности в электроэнергии в ближайшие годы потребует ввода в строй десятков новых блоков. Согласно версии [2], структура атомной энергетики должна будет состоять из трех основных частей:
— реакторы на тепловых нейтронах, которые будут предназначены для энергопроизводства и сжигания избыточного плутония;
— реакторы на быстрых нейтронах. Их назначение — работа в базовой части графика нагрузок, замыкание топливного цикла;
— жидкосолевые реакторы-выжигатели, предназначенные для минимизации количества минорных актиноидов.
Признано, что водо-водяные реакторы под давлением (ВВЭР, PWR) являются наиболее перспективными для реализации первого направления в среднесрочной перспективе [3].
Эффективный вариант развития водо-водяных реакторов — переход к сверхкритическим параметрам (СКП) теплоносителя. В реакторах четвертого поколения ВВЭР-СКД(SCWR) предлагается повысить давление до 23,5—25,0 МПа при диапазоне температур на выходе из активной зоны 380—540°С (в канадских проектах — до 625°С). Это решение позволит:
— значительно повысить термодинамическую эффективность энергоблока: до 40— 41% в двухконтурной установке [4], и до 44% — в одноконтурной (в канадском проекте — до 48%) [5];
— уменьшить расход за счет большого прироста энтальпии теплоносителя, что позволяет снизить потребную мощность циркуляционных насосов (ГЦН);
— осуществлять регулирование реактора за счет изменения спектра нейтронов из-за резкого изменения плотности теплоносителя в окрестности "точки псевдофазового перехода";
— использовать одноконтурную систему преобразования тепловой энергии, отказываясь от громоздкого оборудования: парогенераторов и мощных насосов. При этом уменьшаются размеры контаймента, а значит и составляющая капитальных затрат.
Оптимальным развитием ядерной энергетики, по мнению авторов, является эволюционный путь. Рациональным представляется первоначальное рассмотрение реак-
1Санкт-Петербургский государственный политехнический университет (СПбГПУ).
Исходные данные для конструктивного расчета
Параметр
Значение
Тип установки Тип реактора
Спектр нейтронов реактора Обогащение топлива, % Расчетная температура теплоносителя, °С Расчетное давление теплоносителя, МПа Число петель
Удельная энергонапряженность активной зоны, кВт/л
Срок службы реактора, лет
Расчетная длина кампании, лет
Материал корпуса реактора
Допускаемые напряжения, МПа
двухконтурная водо-водяной под давлением тепловой
3
350 26,0
4 100 40 1
15Х2НМФА, КП490 207
Толщины основных обечаек корпуса ВВЭР-1200
Таблица 2
Элемент (обечайка)
Параметр Гладкая цил. обечайка Зона патрубков Днище Фланец корпуса
Толщина, мм
197,5
285,0
225,0
465,0
тора с относительно невысокими параметрами теплоносителя (23,5 МПа, 350/380°С) и спектральным регулированием, где могут быть максимально использованы технологические решения, отработанные на установках предыдущего поколения.
Первый вопрос, поставленный применительно к данной установке — оценка максимальной мощности реактора, которая может быть получена в "технологичном" (поддающемся изготовлению современными промышленными средствами) корпусе. Исходная информация для расчетов приведена в табл. 1. В качестве "эталона" принимались толщины обечаек корпуса ВВЭР-1200 (табл. 2).
Используя методику "Норм расчета на прочность ..." [6], при известных толщинах обечаек, характеристиках материала (сталь 15Х2НМФА, класс прочности КП490, допускаемые напряжения при расчетной температуре [ст] = 207 МПа) вычисляется максимальный внутренний диаметр корпуса: Двн = 2813 мм. Было принято решение это значение округлить до 2800 мм, что пойдет в запас расчетов.
Если принять ширину зазора между корпусом и шахтой и толщину шахты, аналогичными имеющимся в ВВЭР-1000, то получаем максимальный диаметр АЗ БАЗ = = 2140 мм.
При сохранении высоты активной зоны 3550 мм и с учетом значения удельного энерговыделения 100 кВт/л максимальная тепловая мощность реактора составит Жтепл = 1280 МВт. При КПД = 40% электрическая мощность энергоблока — Жэл = = 512 МВт, т.е. реактор будет относиться к классу "средней мощности".
Параметры реактора
Параметр
Значение
Тепловая мощность реактора, МВт
1280
Давление теплоносителя, МПа
23,5 365/345
Температура на входе, начало/конец кампании, °С
Температура на выходе, начало/конец кампании, °С
381/378
Одной из особенностей рассматриваемого реактора является спектральное регулирование. В данном проекте предлагается использовать его для компенсации медленно протекающих процессов (например, выгорания топлива). В течение кампании постепенно изменяется перепад температур теплоносителя (см. табл. 3), а благодаря свойствам воды при сверхкритических параметрах резко изменяется ее плотность.
Вторая задача, применительно к данной установке — оценка влияния спектрального регулирования на нейтронно-физические и теплогидравлические характеристики реактора.
Для решения первого вопроса использовалось двухгрупповое приближение диффузионно-возрастной теории, как наиболее простое, но позволяющее получить приемлемую оценку. Было получено, что при обогащении топлива по 235и х = 3% к начальному запасу реактивности (11,0%) за счет увеличения перепада температур прибавляется дополнительно реактивность 8,5%.
Для оценки ухудшения теплоотдачи, при изменении перепада температур использовался один из подходов, изложенных в работе [7]. Было получено, что коэффициент теплоотдачи уменьшится не более, чем на 15%.
В работе проанализировано влияние изменения перепада температур на область ухудшенного теплообмена. При закритическом давлении и умеренных тепловых потоках теплообмен в вертикальных трубах с подъемным движением (движением снизу вверх) достаточно интенсивен, а в области псевдофазового перехода, в результате значительного увеличения теплоемкости коэффициенты теплоотдачи заметно увеличиваются. Но при больших тепловых потоках наблюдаются местные ухудшения теплообмена.
Экспериментально найдены два режима ухудшенного теплообмена: первый возникает на начальном участке трубы (Ь/Б < 40^60), второй — в любом сечении, определенного диапазона энтальпий [8].
Особенность первого вида ухудшения теплообмена — его узко местный характер с изменением энтальпии в несколько килоджоулей, кроме того, он может возникать на начальном участке при любых энтальпиях вплоть до псевдокритической точки. Второй вид ухудшенного теплообмена наблюдается при высоких тепловых потоках в случаях, когда температура стенки становится выше псевдокритической, а температура среды не достигает такого значения. Из-за значительного изменения термодинамических свойств среды вблизи этой точки в пристенной области происходит существенное изменение величин, ответственных за процессы переноса (плотность, теплопроводность, вязкость), причем массообмен с основным потоком жидкости, имеющим большую плотность, значительно ухудшается [9].
На возникновение режима ухудшенного теплообмена также может влиять направление движения потока (восходящее или нисходящее) и естественная конвекция. При подъемном направлении потока в области смешанной конвекции теплообмен сопровождается локальным ухудшением теплоотдачи в начальном участке [10], при нисхо-
дящем течении в трубе ухудшения теплообмена, характерного для восходящего течения, обнаружено не было. Кроме того, было установлено, что изменение температуры стенки по длине обогреваемого участка трубы при нисходящем течении было более плавным по сравнению с восходящим [11].
Моделирование теплообмена в пакете ANSYS СКХ не обнаружило область ухудшенного теплообмена. Авторы [12, 13] объяснили этот факт тем, что причина кроется в допущениях и уравнениях, положенных в основу CFD-кодов.
К реакторам поколения IV будут предъявляться повышенные требования не только по безопасности и эффективности, но и по маневренности. Для оценки изменения параметров рассматриваемой установки с изменением мощности были построены статические характеристики (зависимость температуры, расхода теплоносителя, давления пара во втором контуре от мощности).
Для подробного исследования выбрана программа регулирования с постоянной средней температурой теплоносителя и переменным расходом. Преимущества использования переменного расхода при регулировании реактора по сравнению с постоянным обоснованы в работе [14].
Задача построения характеристики была разделена на:
— построение характеристики в начале кампании;
— зависимость параметров от времени, прошедшего с начала кампании.
Изменение расхода теплоносителя позволило зафиксировать еще один параметр,
это — входная температура теплоносителя. Получена статическая характеристика в начале кампании (рис. 1).
Запас реактивности, возникающий за счет использования спектрального регулирования, составляет несколько меньше половины общего запаса реактивности на кампанию (19,5%). Исходя из этого, возможно три варианта изменения характеристик реактора в течение кампании (рис. 2).
Итоговая статическая характеристика представляет собой семейство кривых, сочетающих изменение параметров в течение кампании, в зависимости от тепловой мощности реактора.
В заключение можно сделать следующие выводы:
— современными промышленными технологиями принципиально может быть изготовлен корпус реактора со сверхкритическим давлением класса "средней мощности";
— использование спектрального регулирования в рассматриваемой установке позволяет получить дополнительно реактивность 8,5%. При этом коэффициент теплоот-
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.