Виталий Узиков, ведущий инженер-технолог, АО ГНЦ НИИАР, Uzikov62@mail.ru; Ирина Узикова, инженер-атомщик, Assystem

Устройство бассейновых ядерных реакторов кажется предельно простым и даже примитивным – активная зона просто погружена в бак с водой. В процессе работы такого реактора на мощности требуется всего лишь поддерживать температуру воды в баке реактора не выше определенного уровня.

Немного истории…

Эта простота стала основой создания целого класса ядерных исследовательских реакторов, разработанных и изготовленных General Atomics, названных TRIGA (Training, Research, Isotopes, General Atomics). Команду разработчиков TRIGA, в которую входил «отец водородной бомбы» Эдвард Теллер, возглавлял физик Фриман Дайсон. По замыслу разработчиков, этот реактор  настолько прост и надежен, может быть установлен без здания защитной оболочки. Он предназначен для научных исследований в научных учреждениях и университетах для таких целей, как обучение студентов и аспирантов, частных коммерческих исследований, неразрушающего контроля, производство изотопов и т. д.

TRIGA был разработан для того, чтобы стать реактором, который, по словам Эдварда Теллера, «мог быть отдан группе старшеклассников, чтобы «играть» с ним, не опасаясь непредвиденных последствий». Теллер возглавил группу молодых физиков-ядерщиков в Сан-Диего летом 1956 года, чтобы разработать по своей сути безопасный реактор, который по своей конструкции не мог пострадать от расплавления. Дизайн был в основном предложением Фримена Дайсона. Прототип для ядерного реактора TRIGA (TRIGA Mark I) был введен в эксплуатацию 3 мая 1958 года в кампусе GeneralAtomics в Сан-Диего и эксплуатировался до его закрытия в 1997 году. Он был определен Американским ядерным обществом как историческая ядерная достопримечательность.В реакторе TRIGA используется топливо из уран-циркониевого гидрида (UZrH), которое имеет большой отрицательный температурный коэффициент реактивности, и естественная циркуляция теплоносителя, которая увеличивается с повышением мощности.

Рисунок 1 – Бак с бассейновым реактором TRIGA Mark I IPR-R1 (250 кВт)

Рисунок 2 – Система охлаждения реактора TRIGA Mark I IPR-R1 (250 кВт)

TRIGAMark I и другие модификацииего конструкции были впоследствии массово воспроизведены в разных странах – в общей сложности 33 реактора TRIGA были установлены по всей территории Соединенных Штатов, еще 33 реактора были установлены в других странах. Для увеличения мощности реактора естественная конвекция теплоносителя через активную зону была заменена на принудительную циркуляцию.

В Советском Союзе также было создано множество бассейновых исследовательских реакторов как с естественной конвекцией через активную зону (например, ИР-100 в Севастополе мощностью 0,2 МВт), так и с принудительной циркуляцией (например, РБТ-6 и РБТ-10 в НИИАР, мощностью 6 и 10 МВт соответственно).

Достоинства и недостатки схем охлаждения бассейновых реакторов

Главным достоинством схемы с естественной конвекцией через активную зону является её простота и положительная обратная связь между расходом теплоносителя через активную зону и мощностью реактора. Однако при определенных параметрах контура циркуляции в баке реактора и тепловой мощности расход циркуляции становится неустойчивым, что связано со сложным характером течения потоков теплоносителя в большом пространстве бака реактора. Кроме того,ограниченный расход естественной циркуляциис однофазным теплоносителем не позволяет выйти из ламинарного режима течения, что существенно ограничивает теплоотдачу от твэлов и приводит к относительно высокой температуре на их поверхности.  Оболочки твэлов большинства бассейновых реакторов выполнены из сплавов алюминия, и если производитель твэлов в условиях эксплуатации требует не допускать поверхностного кипения на их поверхности, это ограничивает допустимую мощность ТВС и реактора.

К недостаткам схемы с естественной конвекцией через активную зону следует отнести сложность или невозможность определения тепловой мощности мреактора по известному расходу и подогреву на активной зоне из-за большого различия в расходах теплоносителя и в температурах на выходе из различных ТВС. Выполнение контроля герметичности оболочек различных ТВС путем отбора проб подогретого теплоносителя на выходе из них так же практически невозможно осуществить. Еще одним существенным недостатком такой схемы является вынос радиоактивных газов с поверхности воды в баке реактора и ухудшению радиационной обстановкив помещении реактора.

Практически все эти проблемы решаются организацией принудительной циркуляции с нисходящим движением теплоносителя в активной зоне с использованием циркуляционных насосов. Это позволяет:

-       многократно увеличить расход через активную зону;

-       увеличить коэффициент теплоотдачи от твэлов в переходном или турбулентном режиме течения теплоносителя в ТВС;

-       снизить температуру на поверхности твэлов и повысить допустимую мощность ТВС и активной зоны;

-       предотвратить вынос радиоактивных газов в помещение бака реактора;

-       снизить температуру теплоносителя в баке реактора;

-       организовать систему контроля герметичности оболочек твэлов с помощью пробоотборных трубок теплоносителя на выходе из активной зоны;

-       обеспечить оперативный контроль за тепловой мощностью реактора после измерения температуры в баке реактора, среднесмешанной температуры на выходеиз активной зоны и расхода теплоносителя в трубопроводе контура охлаждения.

К недостаткам схемы теплоотвода с принудительной циркуляцией теплоносителя в активной зоне следует отнестиболее сложную конструкцию реакторной установки и меньшая надежность при эксплуатации из-за зависимости от электроснабжения, отказов в работе электромеханического оборудования (насосы) и возможных ошибок персонала при управлении реактором.

Предлагаемую барометрическую систему охлаждения активной зоны бассейнового реактора можно считать гибридной, так как с одной стороны циркуляция теплоносителя при нормальной работе осуществляется с помощью естественной конвекции за счет разности плотностей на подъемном и опускном участках, а с другой стороны используется пусковой режим запуска контура циркуляции с использованием насоса при прогреве подъемного участка контура циркуляции и обеспечивается нисходящее движение теплоносителя в самой активной зоне. 

Почему контур циркуляции должен быть «барометрическим»?

Использование высокого давления теплоносителя в корпусных ядерных реакторах представляется вполне естественным, так как при этом резко повышается температура кипения и получаемые в активной зоне параметры теплоносителя пригодны для обеспечения эффективной работы парогенераторов и паровых турбин.

В бассейновых реакторах давление теплоносителя в активной зоне и контуре циркуляции определяется атмосферным давлением, которое зависит от высоты над уровнем моря и глубины погружения активной зоны в бак реактора, поэтому если и можно увеличить температуру кипения теплоносителя глубже погружая активную зону под воду бассейна, то на очень незначительную величину. Например, при глубине погружения активной зоны на 10 метров, давление теплоносителя увеличивается всего на 100 кПа, т.е. при абсолютном давлении 200 кПа температура кипения возрастет до 120°С, что не слишком существенно для цели повышения мощности бассейнового реактора с естественной циркуляцией.

Более эффективно влияет на повышение допустимой мощности реактора увеличение расхода теплоносителя до выхода из режима ламинарного течения в ТВС (низкий коэффициент теплоотдачи) в переходный или турбулентный режим течения.Достигнуть этого с однофазным теплоносителем в контуре циркуляции и при условии недопустимости поверхностного кипения на твэлах практически невозможно. Однако, если принять во внимание зависимость температуры кипения воды от низкого давления, контур естественной циркуляции в бассейновом реакторе можно сделать очень эффективным.

Принцип работы барометрической системы легко понять из диаграммы на Рисунке 3, в которой показано наложение линии насыщения воды (зависимость температуры кипения от давления) на высотные координаты относительно уровня воды в баке реактора. Разряжение в заполненном водой трубопроводе, находящемся выше уровня воды в баке и отвакуумированном в верхней части, а также повышенное давление под уровнем воды бассейна измеряются в метрах водного столба. Как видно из диаграммы, теплоноситель с температурой, например, 66°С закипит на высоте 7,3 м над уровнем воды в баке реактора из-за снижения абсолютного давления до 27 кПа. Если высота участка трубопровода с восходящим горячим потоком относительно уровня воды составляет 9.2 м, то на самом верхнем участке высотой более 1,5м разовьётся интенсивное объемное кипение теплоносителя и плотность пароводяного потока на этом участке резко снизится (Рисунок 4). Далее этот пароводяной поток попадает в кожухотрубныйтеплообменник-конденсаторв котором на холодных поверхностях теплообменных трубок происходит конденсация пара и охлаждение конденсата, например, до 40 °С, после чего однофазный теплоноситель возвращается в бак реактора по трубе с нисходящим охлажденным потоком.

Рисунок 3 – Зависимость температуры кипения воды от глубины погружения и высоты всасывания воды в трубу вакуум системой

Рисунок 4 – Схема барометрического контура естественной циркуляции бассейнового реактора

Таким образом, движущий напор естественной циркуляции Dr×g×hсущественно увеличивается за счет снижения средней плотности теплоносителя на подъемном участке трубопровода естественной циркуляции в результате кипения в верхней части, что повлекло увеличение разности плотностей Dr.

Расчетная модель реакторной установки с ЕЦ

Для проверки работоспособности барометрической системы охлаждения бассейнового реактора проведен расчетный анализ реакторной установки с активной зоной из 72 ТВС типа ВВР-М2, тепловой мощностью до 2 МВт и высотой контура циркуляции 19,2 м (причем высота контура циркуляции над уровнем воды в баке реактора составляет 9,15 м). Коэффициент неравномерности энерговыделения по ТВС в активной зоне принят равным 1,44, а коэффициент неравномерности по высоте – 1,3.

 Трехмерная модель такой реакторной установки  представлена на Рисунке 5.Активная зона (2) с отражателем(3) установлена в заполненном водой баке (1) диаметром 2 м и глубиной заполнения 10 м. Под активной зоной находится камера (4), из которой отводится трубопровод (5)с нагретой в активной зоне теплоносителем. На высоте 7,5 м теплоноситель вскипает  и на высоте 9,2 м пароводяная смесь поступает в теплообменник (6), наклоненный вниз под углом по ходу теплоносителя. Охлажденный до заданной температуры конденсат возвращается в бак реактора по трубопроводу (7). Разряжение в контуре поддерживается вакуум насосом (13) через емкость (12). Запуск циркуляции осуществляется через эжектор (8), рабочий поток в котором формируется насосом (9) по трубопроводам (10) и (11).

Нодализационная схема контура охлаждения бассейнового реакторадля расчетного анализа в коде RELAP5/Mod3.2 приведена на Рисунке 6. Эта схема реакторной установки включает описание элементов корпуса бака реактора диаметром 2,0 м и высотой 10 м, рассчитанного на работу под атмосферным давлением 0,1 МПа (tmdpvol-100) и гидростатическим давлением воды в баке (Pipe-103). Каналы активной зоны с рабочими ТВС моделируются гидродинамическими компонентами Pipe 111…Pipe 117,  моделирующими семь групп ТВС по уровню мощности энерговыделения в них.

Для технологической схемы с нисходящим движением теплоносителя в активной зоне от подзонного пространства Br-002 отводится трубопровод Pipe 160 с нагретым теплоносителем на высоту 9 метров от уровня теплоносителя в баке к кожухотрубному теплообменнику (Pipe 165), в котором тепло через тепловую структуру передается второму контуру охлаждения (Pipe 210/220), а затем охлажденный теплоноситель первого контура по трубопроводу Pipe 190 возвращается в нижнюю часть бака реактора (Pipe 103).

Моделирование циркуляции охлаждающего теплоносителя второго контура обеспечивается использованием время-зависимых объемов TV-201 и TV-230.   Для моделирования создания разряжения в верхней части контура циркуляции использовалась модель компенсатора давления (Pipe 650) и время зависимый объем TV-700 с поддерживаемым в нем низким давлением 5..7 кПа.

Рисунок 5 – Трехмерная модель барометрического контура естественной циркуляции бассейнового реактора

Рисунок 6 – Нодализационная схема для расчета в коде RELAP5/Mod3.2 барометрического контура естественной циркуляции бассейнового реактора

После создания расчетной модели проведён расчеттеплогидравлических режимов работы барометрического контура охлаждения бассейнового реактора для ступенчатого повышения  мощности активной зоны: 400; 1000; 1500 и 2000кВт. Динамика изменения мощности реактора приведена на графике Рисунке 7.

Рисунок 7 – Динамика повышения мощности активной зоны

После прогрева теплоносителя на выходе из активной зоны до 60°С в верхней части контура циркуляции происходит кипение теплоносителя, и концентрация пара в потоке перед входом в теплообменник резко увеличивается (Рисунок 8).

Рисунок 8 – Динамика изменения паросодержания(относительной доли пара) перед теплообменником-конденсатором

Это создаёт дополнительный движущий напор естественной циркуляции, что влияет на величину расхода в контуре (Рисунок 9).

Рисунок 9 – Динамика изменения расхода естественной циркуляции с повышением мощности

Для обеспечения благоприятного режима работы контура естественной циркуляции при повышении мощности проводилось увеличение расхода охлаждающей воды, так что температура теплоносителя первого контура на выходе из теплообменника (входе в активную зону) снижалась  (Рисунок 10).

Рисунок 10 – Динамика изменения температуры теплоносителя на входе и выходе их активной зоны, а также максимальной температуры на твэлах

Несмотря на это температура теплоносителя на выходе из активной зоны и максимальная температура твэлов с увеличением мощности повышаются (Рисунок 10). Повышение температуры теплоносителя приводит к интенсификации объемного кипения  теплоносителя перед входом в теплообменник и увеличению скорости пароводяного потока (Рисунок 11)

Рисунок 11 – Скорость жидкой и паровой фазы перед входом в теплообменник

Для примера на Рисунке 12 приведено распределение давления теплоносителя по высоте подъемного и опускного участков трубопровода, а также в теплообменнике при мощности реактора 1000 кВт. На этом же графике показано изменение паросодержания на верхнем участке горячего трубопровода с подъемным движением теплоносителя.

Рисунок 12 – Распределение давления теплоносителя в контуре циркуляции, а также паросодержания в верхней части горячего трубопровода при мощности реактора 1000 кВт

  Заключение  

·       Проведён расчетный анализ барометрической системы охлаждения реактора бассейнового типа для нисходящего движения теплоносителя в активной зоне;

·       Показана высокая эффективность контура охлаждения с естественной циркуляцией, использующая вакуумную систему для снижения температуры кипения теплоносителя, что обеспечивает резкое повышение движущего напора в первом контуре охлаждения активной зоны в реакторной установке бассейнового типа;

·       Повышение интенсивности циркуляции теплоносителя в активной зоне позволяет многократно увеличить допустимую мощность реактора по условию отсутствия поверхностного кипения на твэлах;

·       Минимизация и упрощение оборудования первого контура, а также независимость от системы энергоснабжения при работе реактора на высокой мощности позволяют существенно увеличить надежность и безопасность реакторной установки, а также существенно снизить её стоимость;

·       Предлагаемая барометрическая система естественной циркуляции в контуре охлаждения позволяет снизить вероятность ошибок персонала, а также существенно уменьшить дозовые нагрузки на персонал при проведении планово-предупредительных ремонтов и обслуживании оборудования;

·       Барометрическая схема с нисходящим движением теплоносителя в активной зоне позволяет надежно обеспечить измерения теплотехнических параметров для определения мощности реактора, а также обеспечить удобный контроль за герметичностью оболочек твэловрабочих ТВС;

·       максимальная плотность невозмущенного нейтронного потока в центральной ловушке нейтронов (тепловая, E <0,625 эВ): 9,0 × 10¹³ см^-2с^-1;

·       Предлагаемая схема циркуляции теплоносителя дает возможность байпасного присоединения ионообменных колонок на участке эжектора, что позволит поддерживать водно-химический режим без использования насосов в системе спецводоочистки.