26 октября 2011

Сегодня и завтра натриевого теплоносителя

В Обнинске 19 октября 2011 года открылась научно-техническая конференция "Теплофизические экспериментальные и расчётно-теоретические исследования в обоснование характеристик и безопасности ядерных реакторов на быстрых нейтронах (Теплофизика-2011)". Учредителями конференции выступают ГК "Росатом", ГНЦ РФ-ФЭИ, концерн "Концерн Росэнергоатом", ОКБ "Африкантов" и проектный офис БН-1200.

В предварительной программе конференции было заявлено пять пленарных докладов. В них затрагиваются такие темы, как теплофизика экстремального состояния, задачи по физической химии и технологии натриевого теплоносителя, задачи технологии ТЖМТ, актуальные проблемы теплогидравлики быстрых реакторов, а также опыт и решения по выводу из эксплуатации реакторов на быстрых нейтронах с натриевым теплоносителем.

В отличие от других проектов, быстрые реакторы с натриевым теплоносителем - реально существующая в железе технология. И поэтому доклады о текущих задачах, поставленных перед разработчиками БН, вызывают особенный интерес.

На конференции "Теплофизика-2011" был представлен доклад Ф.А.Козлова, С.Г.Калякина и А.П.Сорокина "Задачи по физической химии и технологии натриевого теплоносителя: вчера, сегодня и завтра". Выступающим докладчиком был профессор Фёдор Алексеевич Козлов.

Теорема существования

За плечами натриевой технологии в нашей стране - почти 90 реакторо-лет успешной эксплуатации реакторов на быстрых нейтронах и более 50 лет работ по освоению натрия.

За это время отечественная промышленность прошла путь от выпуска килограммовых навесок натрия под органической смазкой, запаянных в металлические банки, до промышленного выпуска натрия реакторной чистоты. Для реактора БН-600 было произведено и поставлено 2000 тонн натрия.

Был обоснован подход к изучению натриевого теплоносителя как многокомпонентной гетерогенной системы, чьё состояние определяется взаимодействиями между теплоносителем, примесями, конструкционными материалами и защитным газом.

Были также разработаны научные основы оптимизации характеристик теплоносителя, изучены основные закономерности, а также созданы методики анализа и контроля состояния теплоносителя и разработаны холодные ловушки для БОР-60, БН-350 и БН-600.

Развитие натриевой технологии, как и любой другой технологии, неизбежно сопровождалось негативными событиями. Наблюдались течи воды в натрий, неконтролируемые загрязнения натриевых систем, нарушения теплогидравлического режима и даже затирание центральной поворотной колонны на БН-600. На БН-350 приходилось производить очистку натрия после попадания в петлю 200 кг воды.

Особые ситуации, связанные с развитием и саморазвитием течей в парогенераторах, потребовали для установок БН высокой чувствительности и низкой инерционности при контроле за примесями (в частности, водорода) в натрии. Были разработаны также требования по контролю за углеродом, кислородом, продуктами коррозии, литием, бором и другими примесями. Соответствующие системы были созданы и внедрены на отечественных БН.

В конечном итоге, можно смело говорить о том, что теорема существования АЭС с натриевым теплоносителем доказана всем опытом эксплуатации от БР-5 до БН-600.

В задачи на сегодняшний день входят продление эксплуатации БОР-60 и БН-600, вывод из эксплуатации БР-10, сооружение БН-800 и разработка АЭС нового поколения. А далее необходимо создавать коммерческие блоки с быстрыми натриевыми реакторами, для которых важное значение будут иметь обеспечение безопасности и высокий КИУМ.

Холодные ловушки

БН-1200 - новый проект быстрого натриевого реактора, который должен появиться в России после ввода в строй блока с БН-800. Его принципиальное отличие от предшественников - весь радиоактивный натрий в нём будет размещён внутри корпуса реактора.

Главный плюс подобного решения заключается в отсутствии возможностей течи радиоактивного натрия в атмосферу. Но одновременно оно ставит ряд задач перед конструкторами и научными руководителями проекта.

Так, у новой компоновки возникает опасность накопления водорода внутри бака реактора, что требует принятия соответствующих контрмер. А для системы очистки понадобятся специальные ОКР, и не исключено, что её придётся сдублировать.

Объём холодной ловушки натрия в БН-1200 будет неизбежно ограничен. Это наложит ограничения на размеры ловушки, её производительность и ёмкость по примесям.

Холодная ловушка (ХЛ) была в своё время выбрана в качестве основного метода очистки для АЭС с натриевым теплоносителем. Можно добавить, что в космических ЯЭУ остановились на другом методе - горячих ловушках. Характеристики ловушек были обоснованы в результате большого объёма расчётно-теоретических и экспериментальных исследований.

Для БН-350 и БН-600 были предложены трёхзонные ХЛ, состоящие из неизотермического отстойника, зоны окончательного охлаждения и изотермического фильтра. Их размеры - до полутора метров в диаметре и до 7-8 метров в высоту. Такими габаритами для ловушек создатели БН-1200 не располагают.

Среди источников примесей, от которых нужно чистить натриевый теплоноситель, необходимо особо выделить конструкционные материалы. Для установки БН-1200 количество металла, омываемого натрием, за 60 лет эксплуатации достигнет 6600 тонн. За это время в натрий поступит до 80 кг водорода и 330 кг кислорода.

У системы очистки имеется конкретное значение производительности. Если прямо сопоставить время, требуемое на очистку натрия первого контура при имеющихся решениях, то можно увидеть - в БН-1200 на эту операцию уйдёт в десять раз больше времени, чем в БН-350. Это может привести к существенным потерям в КИУМ.

Пути оптимизации ХЛ для БН-1200 видны. Например, значительный выигрыш по производительности можно получить, варьируя температуру на выходе из ловушки. За это необходимо бороться.

Другая проблема, стоящая перед разработчиками - ёмкость ХЛ БН-1200 по примесям. В экспериментах был пройден путь от 1,5 до 18%(об.) и более. К сожалению, условия испытаний и эксплуатации различаются - в частности, по концентрациям примесей в теплоносителей.

Поэтому на сегодняшний день был введен коэффициент запаса 2, и ёмкость ловушек для энергетических установок принята равной 10%(об.). Но даже такие показатели в 3-5 раз выше, чем у лучших зарубежных аналогов.

Основной путь оптимизации теплогидравлики и массообмена в холодных ловушках лежит через использование расчётных кодов. Испытание ХЛ на ёмкость - работа чрезвычайно трудоёмкая и на данный момент практически непосильная.

Если говорить о результатах расчётных исследований, то теплогидравлическая часть работает удовлетворительно, а расчёты массообмена пока оставляют желать лучшего из-за проблем с константным обеспечением.

Водород и другие вопросы

Традиционный режим эксплуатации холодных ловушек первого и второго контуров состоит в том, что температуры натрия на выходе из ловушки в обоих контурах равны. При таком режиме в ХЛ первого контура может за 60 лет скопиться более 200 кг водорода, или более 4800 кг гидрида.

При разогреве холодной ловушки возможен выброс водорода в первый контур, что недопустимо.

В настоящее время показано и подтверждено практикой, что водород может мигрировать туда, куда его желают направить разработчики. Для этого необходимо обеспечить соответствующий температурный режим работы систем очистки натрия. Нужно достичь также, чтобы концентрация водорода в первом контуре была выше, чем во втором. И этим работам будет придаваться особое значение.

Среди других направлений, достойных рассмотрения в рамках создания проекта БН-1200, докладчик выделил изучение возможности использования геттерной очистки. Её преимущество - отсутствие необходимости в специальных насосах для прокачки через ловушку.
Для очистки натрия от цезия в существующих быстрых реакторах был предложен и обоснован метод сорбционной очистки с использованием графитовых материалов. Были рекомендованы конкретные марки графитов и температурные режимы очистки. Но в проекте БН-1200 необходимо совместить графит и холодные ловушки, что возможно, но требует дополнительной проработки.
Нужно заниматься и другими задачами, имеющими эксплуатационный характер. Так, было бы желательно перед выходом на номинальный режим работы установки начинать подъём мощности ещё до завершения очистки теплоносителя, при повышенных концентрациях кислорода.

Но необходимо определиться - при каких концентрациях кислорода возможен подъём и сколько времени аппарат может работать в таком режиме? Сегодня эти вопросы научно не обоснованы.

Выводы

Общий вывод, сделанный докладчиком - представленные результаты дают основание говорить о необходимости продолжения НИОКР по физической химии и технологии натриевого теплоносителя.

Первостепенными задачами должны стать исследование закономерностей теплогидравлических, физико-химических и массообменных процессов, необходимых для разработки кодов, описывающих процессы в жидкометаллических системах, для создания эффективных технологий и систем и аппаратов и для их реализации.

Также важнейшей задачей на сегодняшний день можно назвать определение констант для численной реализации расчётных кодов.
Эти и другие работы должны проводиться в рамках создания проекта БН-1200. Но, кроме перспективных проектов, остаются и задачи сегодняшнего дня, также требующие к себе внимания. Это научно-техническое сопровождение эксплуатации действующих реакторов, обеспечение безопасности при выводе из эксплуатации БР-10, интенсификация работ по вводу стенда САЗ, организационно-техническое решение по приборам обнаружения течи воды в натрий в парогенераторах, а также аналитическое и технологическое сопровождение поставки на БН-800 натрия из Франции и своевременный пуск установки.