23 декабря 2019

В Китае разрабатывают несколько проектов реакторов с тяжелометаллическим теплоносителем

AtomInfo.ru Концепция воздушного охлаждения корпуса реактора для Westinghouse LFR AtomInfo.ru

Новые реакторные проекты и технологии остаются в фокусе внимания зарубежных специалистов. Одной из тематик, по которой в 2019 году часто публиковались статьи в научных журналах - реакторы с ТЖМТ.

Атомное судостроение - это направление, которым активно интересуются в Китае. Большая группа авторов (X.S.Lao и др.) из "Wuhan 2nd Ship Design and Research Institute" сделала первые оценки для малого свинцово-висмутового реактора, предназначенного для установки на морских платформах.

В своём проекте китайские специалисты объединили две идеи родом из СССР. Во-первых, это выбор свинца-висмута в качестве теплоносителя. Во-вторых, это применение технических решений из проекта, известного как "Топаз-2" ("Енисей"). Такая комбинация, по мнению авторов, позволит создать простой и экономически эффективный микрореактор для морских применений. Мощность предлагаемого микрореактора - 1 МВт.

В статье авторы ограничились простейшими нейтронно-физическими расчётами, а именно, подбором обогащения топлива (UO2), при котором реактор сможет проработать 10 лет без перегрузки. При расстановке топливных элементов в 12 полных рядов по шестиграннику(468+1 топливных элементов) авторы нашли, что 10-летнюю кампанию топлива обеспечит 90%-ное обогащение по урану-235. Несмотря на столь большое обогащение, запас реактивности на выгорание невелик - на начало работы (свежее топливо) эффективный коэффициент размножения равен всего лишь 1,022.

Хотя статья фактически посвящена единственному вопросу и не дотягивает даже до концептуальных соображений по проекту, она служит лишним подтверждением наличия у атомной отрасли КНР интереса к малым ТЖМТ-реакторам. Стоит напомнить, что в октябре о планах создать такую установку заявили в крупнейшей китайской атомной корпорации CNNC.

Если китайские корабелы находятся ещё только в начале пути к созданию ТЖМТ-реактора, то их коллеги из института INEST китайской академии наук в своих статьях затрагивают более серьёзные проблемы.

Группа авторов (Wenbin Liu и др.) выполнила серию расчётов для переходных процессов, возникающих в исследовательском реакторе мощностью 10 МВт(т) со свинцово-висмутовым теплоносителем при переходе от принудительной циркуляции теплоносителя к естественной. 

Рассмотренный в статье проект относится к известному семейству CLEAR. Отличительной чертой выбранного реактора (CLEAR-I) можно назвать его способность работать как в режиме с принудительной циркуляцией, так и в режиме с ЕЦ. Достигается это, в частности, за счёт работы системы поддержания средней температуры второго контура. Предполагается, что операторы будут иметь возможность переключаться с одного режима на другой.

Стационарные состояния CLEAR-I для обоих режимов просчитаны и исследованы. Однако в момент смены режима в реакторе возникает переходной процесс из-за резкого изменения расхода теплоносителя. Он вызывает флуктуации мощности, реактивности и других параметров, включая максимальную температуру оболочек твэлов.

Если китайские авторы предпочитают обсуждать проекты со свинцом-висмутом, то по другую сторону океана большей популярностью пользуется свинец.

Jun Liao и др. в обстоятельной 15-страничной статье, вышедшей в апреле 2019 года, рассмотрели возможности воздушного охлаждения быстрого свинцового реактора мощностью 400 МВт(э), проект которого разрабатывается в компании "Westinghouse".

Свинцовый реактор от "Westinghouse" представляет собой интегральную установку, в которой внутри корпуса реактора расположена не только активная зона, но и ГЦНы, компактные теплообменники и ряд других систем. Корпус двойной - собственно корпус реактора помещён в страховочный кожух (guard vessel) на случай отказа первого.

Разработчики проекта стремятся сделать его соответствующим категории "B" пассивной безопасности по классификации IAEA-TECDOC-626. В частности, ставится задача обеспечить пассивный отвод остаточного энерговыделения от активной зоны в аварийных условиях.

По примеру быстрых натриевых проектов PRISM (США) и KLFR (Южная Корея), конструктора "Westinghouse" предлагают остановиться на воздушном охлаждении корпуса при помощи пассивной системы PHRS.

Это полностью пассивная система. Тепло, выделяющееся в топливе за счёт остаточного энерговыделения, передаётся корпусу реактора теплопроводностью и естественной циркуляцией теплоносителя внутри корпуса. Далее с корпуса тепло снимается внешним воздухом теплопроводностью, конвекцией и излучением.

В статье описаны компьютерные коды, разработанные в "Westinghouse" и Аргоннской национальной лабораторни для расчётов воздушного охлаждения, а также эксперименты, выполненные в Аргонне на специализированном стенде NSTF - стенде, созданном для изучения возможностей отвода остаточного энерговыделения за счёт естественной циркуляции.

В общей сложности, у американской компании сейчас есть не менее трёх кодов и систем, предназначенных для расчётов воздушного охлаждения - код собственной разработки (название авторы не привели), WCOBRA/TRAC-TF2 и SAS4A/SASSYS-1, причём два первых инструмента были верифицированы на экспериментах на стенде NSTF и показали удовлетворительные результаты.

Кроме того, "Westinghouse" планирует создать стенд для проведения экспериментов, необходимых для проектирования системы PHRS.

Таким образом, считают авторы статьи, "Westinghouse" хорошо подготовлен к проектированию пассивной системы воздушного охлаждения корпуса на стадииconceptual design.