Реальная оценка технических трудностей, связанных с использованием натриевого теплоносителя, привела к развитию работ по реакторам на быстрых нейтронах с охлаждением газовым теплоносителем.
Для АЭС с натриевым теплоносителем характерны: сложность тепловой и компоновочной схем и реакторного оборудования и необходимость иметь два жидкометаллических контура с системой электрообогрева; наличие двух химически несовместимых теплоносителей (натрий — вода — пар) и жесткие требования к поддержанию чистоты натрия и к загрязнению окислами, углеродом и различными другими примесями, инженерные трудности создания надежных в эксплуатации герметичных парогенераторов (натрий — вода — пар) с многолетним (не менее 50—100 тыс. ч) ресурсом работы.
Все это объясняет интерес, проявляемый в последние годы к разработкам реакторов на быстрых нейтронах с газообразным теплоносителем — гелием, четырехокисью азота, углекислым газом. Наиболее привлекательным свойством гелия является его химическая инертность. Однако для достижения высокого удельного теплосъема необходимо иметь в контуре высокое давление гелия (150—200 ат). Обеспечение при таких давлениях герметичности гелиевого контура и безопасности представляет собой сложную техническую проблему. При допустимой температуре оболочки твэла (менее 780°С) гелий требует применения двухконтурной схемы с парогенераторами и паровыми турбинами. Одноконтурная схема с гелиевыми турбинами возможна только при температуре газа свыше 750—800°С.
Один из возможных путей создания экономичных бридеров на быстрых нейтронах — применение в них в качестве теплоносителя диссоциирующей четырехокиси азота (N2O). Четырехокись азота — широко освоенный химической промышленностью и сравнительно недорогой продукт (~1,2 руб/кг); при атмосферном давлении это жидкость с удельной плотностью 1,49 г/см3, замерзающая при температуре — 11 °С и кипящая при 21,5°С; скрытая теплота парообразования небольшая (100 ккал/кг); критическая температура 158,3° С; критическое давление 103,3 ат. Жидкость токсична, с резким характерным запахом. Диссоциация газа происходит при нагревании. Широкие исследования физико-химических свойств этого теплоносителя проведены в ИЯЭ АН БССР.
В результате изучения был выявлен целый ряд привлекательных особенностей N2O: значительный тепловой эффект химических реакций диссоциации при нагревании и рекомбинации при охлаждении (N2O↔2NО+O2 —149 ккал/кг ↔ 2NO+O2 — 298 ккал/кг) позволяет организовать интенсивный теплосъем в активной зоне реактора и теплообменном оборудовании; температурный диапазон первой стадии реакции находится в интервале от 21 до 170 С, второй — от 140 до 850°С; изучение механизма химических реакций диссоциации и рекомбинации N2O4 в тепловом цикле реактор - газовая турбина — конденсатор — регенератор показало, что имеет место практически полная обратимость процессов и сбалансированность теплоносителя. Кинетика процессов N2O4↔2NO2↔2NO+O2 обеспечивается весьма небольшим временем протекания реакций; например, первая реакция протекает за одну миллионную долю секунды;
теплоемкость высока в широком интервале температур и давлений: в диапазоне температур от 150 до 280°С она составляет 1,5— 1,6 (для Na — 0,31; СО2 — 0,28; Не —1,24); от 200 до 500 С — 0,7—0,8 (для Na — 0,306; CO2 — 0,275) ккал/кг.
возможность получения повышенных по сравнению с инертными газами коэффициентов теплоотдачи за счет концентрационной диффузии позволяет создать более компактную, и менее металлоемкую теплообменную аппаратуру;
возможность осуществления простой одноконтурной схемы охлаждения реактора при газожидкостном цикле. Газовая турбина на диссоциирующих газах может быть эффективной при сравнительно небольшой температуре газа (~250°С и выше), что невозможно для гелиевой турбины;
относительно малая (~100 ккал/кг) скрытая теплота парообразования и параметры на линии насыщения позволяют осуществлять газожидкостный цикл, в котором за счет регенерации происходят полное испарение и перегрев теплоносителя, и реактор становится чисто газовым. Этот диссоциированный газ (фактически — пар), проходя проточную часть газовой турбины, полностью ассоциирует и конденсируется в холодильнике как жидкость N2O4, которая откачивается конденсатным насосом, не требуя компрессоров. Высокая плотность жидкой N2O4 позволяет на одной ступени питательного насоса получить давление 40 кгс/см2; малые удельные объемы в газовом состоянии при параметрах рабочего тела в турбине позволяют создать компактную и малометаллоемкую газовую турбину; для обеспечения мощности 1500 Мвт(эл.) достаточно иметь два выхлопа; в конденсаторе не нужно иметь вакуума, чтобы обеспечить высокий термодинамический КПД турбины.
Таблица 1.11. Основные характеристики АЭС БРГД 1000—1500 Мвт (эл)*
На основе многолетних исследований ИЯЭ АН БССР с привлечением ряда других исследовательских и проектно-конструкторских организаций проводятся разработки проекта демонстрационной АЭС с газоохлаждаемым реактором на быстрых нейтронах с диссоциирующим теплоносителем N2O4 электрической мощностью 300 Мвт (АЭС БРИГ-300) как ступень к дальнейшему развитию подобных АЭС с единичной мощностью реакторов БРГД-1000 1200—1500 Мвт.
Основные теплогидравлические и физические характеристики реакторов-бридеров и переработчиков с матричным топливом на основе двуокиси урана в активной зоне приведены в табл. 1.11 и 1.12. Как показано в этих таблицах, при температуре газа на выходе из реактора 450°С, давлении 150 бар, максимальной температуре оболочки твэлов 650—680° С и подогреве газа в реакторе до 230—270° С можно достигнуть теплонапряженности 800— 1000 квт/л активной зоны.
Таблица 1.12
Основные технические характеристики АЭС БРИГ-300
Электрическая мощность (нетто) 300 Мвт
Тепловая мощность реактора 955 Мвт
Теплоноситель — нитрин на основе N2O4
Число контуров — один
Цикл контура — газожидкостный
Число петель охлаждения реактора — три
Основные параметры теплоносителя:
расход через реактор 1064 кг/сек
температура на входе — выходе реактора 196/480оС
давление на входе — выходе реактора 165/152 ат
температура на входе — выходе конденсатора 60/31оС
давление на входе — выходе конденсатора 2,25/2 ат
Средняя энергонапряженность в активной зоне 675 квт/л
Продолжительность кампании 0,614 эфф. лет
КПД АЭС (нетто) 31,4%
Основой получения хороших характеристик по воспроизводству в реакторе типа БРГД являются высокая энергонапряженность, жесткий спектр нейтронов, большой вклад экранов в воспроизводство топлива, использование в экранах в качестве фертильного материала металлического урана.
Рис. 1.29. Тепловая схема и цикл АЭС БРИГ-300:
1 — реактор; 2 — турбина высокого давления; 3 — турбина низкого давления; 4 — электрогенератор; 5 — конденсатор; 6 — «сухая» градирня; 7 — бустерный насос; 8 — регенератор
Реакторы на быстрых нейтронах с N2O4 требуют создания двойной защиты топлива от взаимодействия его с N2O4. Этим объясняется использование топлива матричного типа, представляющего собой частицы из двуокиси урана и плутония, покрытые металлом и заключенные в оболочку из нержавеющей стали.
ДЕМОНСТРАЦИОННАЯ АЭС БРИГ-300
Назначение АЭС БРИГ-300 — проверка и отработка теоретических и инженерно-технических решений, положенных в основу создания энергоблоков АЭС мощностью 1000—2000 Мвт с газоохлаждаемыми реакторами на быстрых нейтронах на диссоциирующем теплоносителе N2O4.
В соответствии с основным назначением на АЭС БРИГ-300 должна быть создана возможность: а) изучения условий, обеспечивающих наработку вторичного ядерного горючего; б) проведения ресурсных испытаний твэлов, а также поглощающих элементов (пэлов) и конструкционных материалов в условиях, соответствующих рабочим параметрам промышленных аппаратов с диссоциирующим теплоносителем; в) отработки комплекса инженерных и техно- логических вопросов, связанных с использованием N2О в качестве теплоносителя и рабочего тела АЭС, в том числе организацию перегрузки активной зоны; г) проведения материаловедческих исследований для проверки правильности выбора конструкционных материалов.
ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ ТЕПЛОВАЯ СХЕМА АЭС С РЕАКТОРОМ БРИГ-300
Принципиальная тепловая схема АЭС БРИГ-300 (рис. 1.28) аналогична схеме АЭС большой мощности — от 100С до 2000 Мвт(эл.). Для АЭС рекомендуется отработанная на стендах ИЯЭ АН БССР одноконтурная схема охлаждения реактора с газожидкостным циклом и регенерацией при промежуточном давлении (рис. 1.29).
Теплоноситель N2O4 в жидкой фазе последовательно проходит конденсатный и питательный насосы, затем превращается в регенераторе в газ за счет тепла газа, поступающего из турбины высокого давления. Нагрев теплоносителя до максимальной температуры цикла происходит в реакторе. После реактора газ поступает в турбину высокого давления; окончательное расширение газа происходит за регенератором в турбине низкого давления. Цикл замыкается в конденсаторе, где осуществляются охлаждение теплоносителя до минимальных параметров цикла и его конденсация. Для охлаждения реактора и обеспечения безопасности и надежности работы АЭС предполагается предусмотреть три параллельные петли электрической мощностью 100 Мвт каждая.
В разработке демонстрационной АЭС БРИГ-300 в порядке сотрудничества принимают участие некоторые страны — члены Совета Экономической Взаимопомощи.
Опыт проектирования, сооружения и эксплуатации АЭС БРИГ-300 позволит оценить ее надежность, безопасность и экономическую перспективность АЭС с реакторами-бридерами, использующими в качестве теплоносителя диссоциирующий газ N2O4.
ЯДЕРНОЕ ТОПЛИВО И КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Разведка и добыча радиоактивного сырья
Комплексная переработка урановых руд
Получение и обогащение гексафторида урана
Материалы и тепловыделяющие элементы энергетических ядерных реакторов Регенерация ядерного топлива
Фундаментальные исследования по радиохимии трансурановых и осколочных элементов
