Основы атомной энергетики Реакторная установка Паротурбинная установка АЭС Конденсационная установка Генеральный план АЭС Компоновка оборудования АЭС Трубопроводы атомной электростанции Тепловые схемы АЭС


 

АТОМНЫЕ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ
С НАТРИЕВЫМ ТЕПЛОНОСИТЕЛЕМ

16.1. Жидкий натрий как теплоноситель

Атомные электростанции с жидкометаллическим теплоносителем могут работать как на тепловых, так и на быстрых нейтронах, в последнем случае с коэффициентом воспроизводства ядерного горючего более единицы. Преимущество такого теплоносителя — возможность работы при низком давлении в первом контуре. Значительная в сравнении с водным и газовым теплоносителями плотность жидких металлов позволяет перекачивать относительно малые объемы, то есть уменьшить диаметры трубопроводов и расходы на собственные нужды, а также обеспечивать высокий коэффициент теплоотдачи от поверхности оболочки твэла к теплоносителю, что позволяет при той же температуре оболочки получать более высокую температуру теплоносителя. Пока для АЭС наиболее пригоден жидкий натрий.

Жидкометаллический теплоноситель значительно осложняет оборудование АЭС и выдвигает довольно большое число инженерно-технических проблем. Поэтому АЭС с жидкометаллическим теплоносителем разрабатывают только применительно к реакторам на быстрых нейтронах. Важность этих реакторов показана в гл. 2. Атомная энергетика Источником облучения, вокруг которого ведутся наиболее интенсивные споры, являются атомные электростанции, хотя в настоящее время они вносят весьма незначительный вклад в суммарное облучение населения. При нормальной работе ядерных установок выбросы радиоактивных материалов в окружающую среду очень невелики.

Одно из преимуществ жидкого натрия как теплоносителя — высокое удельное энерговыделение в активной зоне, составляющее 400 — 800 МВт/м3, что позволяет снизить размеры активной зоны. В связи с этим вероятность утечки нейтронов из активной зоны увеличивается и может достигать даже 30%. Эти нейтроны используются для воспроизводства топлива, для чего активная зона окружается воспроизводящим экраном, содержащим обедненный (отвальный) уран.

Жидкий натрий как теплоноситель выдвигает ряд требований к оборудованию и эксплуатации. Температура плавления натрия высока (97 ℃), поэтому для пуска станции с нуля необходим предварительный электроразогрев всего оборудования и трубопроводов. В зависимости от тепловой схемы

пуск станции с нуля может потребовать от трех до пяти недель.

Бурная реакция натрия с водой в условиях радиоактивного натрия может иметь особо негативные последствия, поэтому обязателен промежуточный натриевый контур, давление в котором поддерживается большим, чем в первом контуре: в случае нарушения плотности между первым и промежуточным контурами невозможно перетекание радиоактивного натрия в промежуточный, а может иметь место только переток нерадиоактивного натрия из промежуточного в первый контур. Тем самым обеспечивается отсутствие радиоактивности в промежуточном контуре, а в случае нарушения плотности между вторым и промежуточным контурами контакт воды возможен только с нерадиоактивным натрием.

Оборудование первого и промежуточного натриевых контуров существенно отличается от применяемого при других теплоносителях. Так, в системе трубопроводов должны быть предусмотрены установки для очистки натрия от оксидов и гидридов, так называемые "холодные ловушки", обеспечивающие охлаждение некоторой части теплоносителя до температуры, при которой оксиды выпадают в осадок и могут быть отфильтрованы.

Особые требования предъявляются к арматуре и циркуляционным насосам. Арматура при использовании натриевого теплоносителя должна быть кованой для предупреждения межкристаллитной коррозии. Учитывая высокую теплопроводность натрия, приходится выдвигать такое требование, как стойкость арматуры против теплового удара, а малая вязкость натрия требует применения для арматуры твердых материалов, препятствующих задиранию.

Важное требование к арматуре для жидких металлов — полное отсутствие утечек через сальники. Оно объясняется высокой стоимостью теплоносителя, а также тем, что протечка даже небольшого количества его опасна. Обычные набивки в данном случае при высокой температуре нестойки, поэтому переходят к бессальниковым конструкциям с сильфонными уплотнениями, иногда в комбинации с замораживаемыми уплотнениями и сальниками.

Для АЭС с жидкометаллическим теплоносителем очень большое значение имеет надежность работы реактора, так как ликвидация последствий аварий в условиях таких реакторов наиболее сложна. Так, реактор АЭС "Энрико Ферми" (США) после аварии с расплавлением горючего, происшедшей в октябре 1966 г., вновь достиг критичности только в июле 1970 г. Последующая эксплуатация была неудовлетворительной — коэффициент использования мощности в 1971 г. составил всего 3,4%. В 1972 г. было вынесено решение о прекращении работ на реакторе, а в 1974 г. — решение об его демонтаже.

Рис. 16.1. Петлевая (контурная) компоновка реактора БН-350:
Рис. 16.1. Петлевая (контурная) компоновка реактора БН-350:

1 — корпус реактора; 2 — большая поворотная пробка; 3 — малая поворотная пробка; 4 — центральная колонна с механизмами СУЗ; 5 — механизм подачи сборок; 6 — перегрузочный бокс; 7 — элеватор загрузки-выгрузки; 8 — верхняя неподвижная защита; 9 — механизм перегрузки; 10 — активная зона; 11 — опора реактора; 12 — боковая защита (железорудный концентрат); 13 — бетонная защита

Среди пяти реакторов с натриевым теплоносителем, находящихся в эксплуатации в мире, четыре — бакового типа (интегральная компоновка) — по одному в России (БН-600) и Великобритании и два во Франции; один реактор — петельный (контурная компоновка) — в Казахстане (БН-350). Таким образом, в атомной энергетике СНГ имеется опыт эксплуатации обоих типов компоновки реактора и его систем, это даст возможность сделать определенный выбор между двумя вариантами, для которого в настоящее время нет достаточных оснований.

Относительные сложности эксплуатации АЭС с жидкометаллическим теплоносителем и наиболее высокая их стоимость побуждают вести поиск и других теплоносителей для реакторов на быстрых нейтронах. К их числу относятся, например, разработка АЭС на свинце и предложения использовать в качестве теплоносителя гелий (см. гл. 17).

16.2. АЭС с реактором БН-350
16.3. АЭС с реактором БН-600

 


Атомные электростанции с натриевым теплоносителем