к.т.н. Л.А. Адамович, к.т.н. Г.И. Гречко, д.т.н. В.А. Шишкин, ГУПНИКИЭТ, Москва
В отдаленных труднодоступных районах разумную альтернативу источникам энергии, базирующимся на органическом топливе, могут составить атомные станции малой мощности (АСММ). Их применение для тепло- и электроснабжения
предприятия,
населенного пункта, района может оказаться экономически оправданным и весьма перспективным с социальной и экологической точек зрения.
Граница, отделяющая «большую» энергетику от «малой», четко не определена. В соответствии с рекомендациями МАГАТЭ демаркационное значение мощности единичного блока АСММ можно принять равным 300 МВт (эл.) при соответствующей тепловой мощности реактора 750 МВт (тепл.). Тогда в диапазоне малой энергетики номинальные мощности блоков могут отличаться в сотни раз. Такие количественные отличия сказываются качественно. Поэтому при анализе и сравнении характеристик АСММ целесообразно весь этот диапазон разбить по тепловой мощности реакторов на группы, например: менее 50 МВт, 50-300 МВт и свыше 300 МВт.
1. АСММ первой группы предназначены для удовлетворения преимущественно бытовых нужд в небольших поселках с численностью населения2-3 тыс. человек. Как правило, подобные поселки не имеют значительных промышленных предприятий, а их количество в районах Крайнего Севера и Востока достаточно велико.
Возможно также их использование для энергоснабжения районных центров и относительно крупных поселков численностью 10-15 тыс. человек. Число таких поселков в районах децентрализованного энергоснабжения сравнительно невелико. Они характеризуются наличием какого-либо промышленного объекта (порт, горно-обогатительный комбинат, прииск, предприятие перерабатывающей промышленности и т.п.) и имеют некоторые признаки городской инфраструктуры (предприятия бытового обслуживания и общественного питания, пищевой промышленности, коммунальной службы, торговли и т.п.).
2. АСММ второй группы предназначены для достаточно крупных населенных пунктов с развитой промышленностью и инфраструктурой. Как правило, такие АСММ должны включаться в местные энергосистемы (энергоузлы). Их сооружение и эксплуатация требуют создания строительно-монтажной и ремонтно-эксплуатационной базы. Появляется необходимость в строительстве жилого поселка энергетиков и комплекса, сопутствующего крупному энергетическому строительству. Плавучее исполнение АСММ в этом случае может значительно сократить объем строительно-монтажных работ.
3. АСММ третьей группы по своим свойствам, условиям создания и применения мало отличаются от станций большой энергетики, уступая им, естественно, в экономических показателях. Они предназначены в качестве базового автономного источника для тепло- и электроснабжения больших городов и регионов.
Общая концепция АСММ «Унитерм»
АСММ «Унитерм» относится к первой из упомянутых групп: ограничения на еe номинальную мощность 15-30 МВт (тепл.) налагают массогабаритные требования транспортабельности отдельных блоков. Концепция создания АСММ исходит из нескольких основных положений, определяющих ее общий облик, состав и характеристики применяемого оборудования, технологию изготовления, монтажа и эксплуатации.
— Прежде всего, станция предназначена для использования в удаленных регионах с неразвитой инфраструктурой. Поэтому еe устройство должно позволять свести к минимуму обслуживающий персонал. Более того, из профессионального состава персонала целесообразно исключить редкие специальности, непосредственно связанные с управлением ядерными реакторами.
—
Сооружение станции в удаленном регионе недолжно требовать проведения большого объема строительно-монтажных работ, сопряженных с созданием специализированной строительной базы, завоза на длительный срок коллектива строителей и т.п. Короткий интервал положительных летних температур, характерный для районов Севера и Востока России, не позволяет превращать такие работы в долгострой.
—
Станция должна состоять из ограниченного числа транспортируемых к месту еe размещения крупных блоков заводского изготовления, что гарантирует их качество и долговечность. На месте осуществляется минимальный объем монтажных работ.
—
Для повышения безопасности и упрощения технологии эксплуатации в процессе жизненного цикла станции не предусматривается проведения перегрузок активной зоны реактора. Это означает, что кампания активной зоны должна составлять 20-25 лет при коэффициенте использования установленной мощности 0,7-0,8.
—
Станция должна работать в пиковом режиме без ограничения числа и глубины режимов маневрирования мощностью, позволяя полностью снимать и восстанавливать нагрузку без вывода еe из действия.
—
Концепция разработки данной АСММ подразумевает использование хорошо освоенных на транспортных объектах технологий водо-водяных реакторов при соответствующей оптимизации их характеристик.
—
При проектировании необходимо в максимально возможной степени ориентироваться на использование оборудования, производство которого освоено промышленностью и имеет прототипы, прошедшие эксплуатационную проверку.
—
АСММ XXI века должна обеспечивать предельно достижимый уровень безопасности на основе использования максимального числа барьеров на пути распространения радиоактивности и применения только пассивных систем безопасности.
—
По окончании срока эксплуатации станция должна быть демонтирована и вывезена, а участок еe размещения подлежит реновации до состояния «зеленой лужайки».
Реакторная установка
Основой АСММ «Унитерм», источником еe энергии является реакторная установка (РУ), принципиальная гидравлическая схема которой изображена на рис. 1. Для гарантированного
обеспечения
отсутствия радиоактивности в генерируемом для потребителей паре, в установке
предусматривается
трехконтурная система передачи энергии от активной зоны к рабочему телу. В этом случае потеря герметичности любой из теплопередающих поверхностей не приводит к аварийной ситуации.
Размещенная в корпусе 1 ядерного реактора активная зона 2 охлаждается естественно циркулирующим теплоносителем первого контура, находящимся под воздействием парогазовой среды компенсатора давления 4. В промежуточном теплообменнике 3 выделяемая в зоне мощность передается теплоносителю второго (промежуточного) контура, который поднимается и попадает в межтрубное пространство змеевикового прямоточного парогенератора 5. Охлаждаясь на его теплообменных поверхностях, теплоноситель сливается в промежуточный теплообменник. Система состоит из нескольких параллельных секций-блоков, каждая из которых физически представляет собой термосифон, заключенный в индивидуальном корпусе. При разгерметизации одной из теплопередающих поверхностей блока он отсекается от потребителя с помощью запорной арматуры, установленной на третьем контуре, без вывода РУ из действия. Замена блока возможна при проведении очередных ремонтных работ.
Мощность активной зоны изменяется с изменением паровой нагрузки РУ за счет саморегулирования благодаря наличию во всем диапазоне температур отрицательного значения температурного коэффициента реактивности. Падение реактивности из-за выгорания и шлакования частично компенсируется выгорающими поглотителями и температурным эффектом, составляющим в итоге 20 OС/год. Последний, в свою очередь, периодически, при проведении технического обслуживания (ТО), компенсируется перемещением органов изменения реактивности.
Отсутствие оперативного персонала, управляющего реакторной установкой, определило дальнейшее развитие еe схемы. В блок термосифона встроен теплообменник-испаритель постоянно действующего четвертого (автономного) контура сброса тепловой мощности. В условиях нормальной эксплуатации это паразитные потери и они должны быть минимизированы. Но при резком уменьшении или даже прекращении отбора мощности потребителями реактор не должен выводиться из действия, а параметры всех систем должны остаться в допустимых пределах. В этом случае вся нагрузка падает на автономный контур. Кроме испарителя он включает в себя соединенный с ним трубами радиатор 7, охлаждаемый естественно циркулирующим атмосферным воздухом (пятый контур). Автономный контур сброса тепловой мощности позволяет, не глуша реактора, переводить его в режим горячего резерва. В аварийных ситуациях контур выполняет роль системы аварийного отвода остаточных тепловыделений.
Большой диапазон изменений и низкий уровень зимних температур в районах предполагаемого
использования
АСММ «Унитерм» (от плюс 35 до минус 55 ОС) определяет необходимость выбора специфического теплоносителя автономного контура. Для этой цели могут быть применены, например, аммиак или водный раствор этиленгликоля.
Обращает на себя внимание факт полного отсутствия запорно-отсечной арматуры на всех магистралях РУ, кроме контура потребителей, т.е. все системы постоянно находятся в работе, а не просто в оперативной готовности. Это заметно повышает ее надежность и безопасность.
На рис. 2 показана принципиальная схема компоновки РУ. Из рисунка видно, что установка находится внутри железобетонной оболочки противоударной защиты. Реактор и все гидравлически связанные с ним системы заключены в прочно-плотный страховочный корпус, полностью локализующий последствия проектных аварий, связанных с разгерметизацией первого контура. Сверх того, все оборудование РУ помещено в защитную оболочку, задача которой — уменьшить радиационные последствия запроектных (гипотетических) аварий.
Потребители
Общая схема АСММ, ее состав и эффективность использования целиком определяются решаемыми ею задачами. На рис. 3 упрощенно показаны возможные принципиальные схемные решения. В наиболее простом и общем случае (см. рис. 3а) РУ подает пар в главный паропровод, из которого питаются все имеющиеся потребители: турбогенератор, бойлеры системы отопления и пр. Отработанный пар и конденсат собираются в общей точке (например, конденсаторе), а затем вода питательным насосом подается на вход в парогенератор. Изменяя подачу питательной воды, регулятор РУ поддерживает давление пара в паропроводе. На потребителях их собственные регуляторы, изменяя отбор пара, поддерживают заданные параметры: число оборотов генератора, температуру сетевой воды и т.п. Изменение потребления пара любым пользователем практически равносильно влияет на паропроизводительность, т.е. мощность РУ.
Более экономичная последовательная схема соединения потребителей представлена на рис. 3б. Турбины малой мощности, как правило, не имеют промежуточных отборов. Здесь весь генерируемый пар поступает на турбину электрогенератора, работающую с противодавлением, на выхлопе которой установлены бойлеры системы теплофикации. Их регулятор отбирает требуемое количество пара. Для возможности независимого регулирования турбины и бойлеров существуют линии байпаса турбины и сброса мятого пара на конденсатор. Установленные на них связанные регуляторы поддерживают давление пара на выхлопе. Если отбор пара бойлерами велик и противодавление падает ниже заданного, то выхлоп подпитывается острым паром, а если, при закрытом байпасе, противодавление растет — мятый пар сбрасывается на конденсатор. Как и в предыдущем случае, давление пара в главном паропроводе регулируется изменением подачи питательной воды в парогенератор, что через температурный эффект влияет на мощность РУ.
Выбор той или иной схемы АСММ зависит от состава потребителей и соотношения их мощностей.
Очевидно, что трехконтурная схема передачи мощности, повышая безопасность, ведет к понижению выходных параметров генерируемого пара. При выборе теплотехнических параметров теплоносителей в контурах РУ исходили из надежно освоенного диапазона рабочих давлений и температур, характерных для первых контуров водо-водяных реакторов, а также из опыта эксплуатации транспортных ядерных энергетических установок в режимах их работы при естественной циркуляции теплоносителя первого контура.
На основе опыта проектирования ядерных энергетических установок температура теплоносителя на выходе из активной зоны может быть принята равной 340 ОС. С учетом упомянутого снижения температур в конце цикла работы перед ТО она составит 320 ОС. При естественной циркуляции теплоносителя первого контура разность температур между выходом и входом в активную зону будет не менее 70 ОС. Таким образом, низшая температура теплоносителя первого контура будет равна 250 ОС.
Теплоносителем промежуточного контура является вода. При этом возможны случаи реализации движения как однофазного, так и двухфазного теплоносителя. Их преимущества и недостатки очевидны. Теплообмен с двухфазным теплоносителем имеет большие значения коэффициентов
теплоотдачи,
а процесс передачи мощности, используя скрытую теплоту парообразования, требует меньшего расхода, что существенно при естественной циркуляции. В целом это обеспечивает компактность конструкции.
Вместе с тем, двухфазный термосифон налагает ограничения на уровень достигаемых в нем температур. В предельном случае использования
промежуточного
теплообменника-испарителя температура в нем не может быть больше 230 ОС (см. рис. 4а), а температура теплоносителя третьего контура — больше 210 ОС. Принятые здесь минимальные температурные напоры в 20 ОС условны, но реально они обеспечивают минимизацию теплопередающих поверхностей.
Для использования АСММ в чисто теплофикационных целях такой потенциал совершенно достаточен и все рассуждения о параметрах следовало бы закончить. Но если одновременно необходимо получать электроэнергию, то их можно продолжить.
При комбинированном производстве тепла и электроэнергии на выбор параметров теплоносителя третьего контура существенное влияние оказывают условия, связанные с необходимостью получения приемлемых значений КПД. Желательна ориентация на использование опыта создания и эксплуатации паротурбинных установок, рассматриваемых как действующие прототипы. В частности, разработанные и выпускаемые Калужским турбинным заводом (АО КТЗ) серии блочных турбогенераторов малой мощности, использующих пар низких параметров [1].
Например, турбогенератор ТГ2,5/6,3 с модифицированной турбиной Р7/1,0 обеспечивают производство 2,5 МВт электроэнергии в конденсационном режиме при потреблении 24 т/ч пара давлением 1,2 МПа с температурой 210 ОС. При этом давление в конденсаторе должно поддерживаться на уровне 0,02 МПа.
Использование модульных геотермальных
энергоблоков
контейнерного исполнения, например, энергоблока «Туман-2», последовательно соединенного с блоком теплоснабжения ГТС-700П, обеспечивает производство 1,7-1,8 МВт электрической и 20 МВт тепловой энергии с параметрами сетевой воды на выходе: давление — 0,45 МПа, температура — 90 ОС, расход-715 т/ч.
Применение однофазных конвективных термосифонов позволит (см. рис 4б) повысить температуру генерируемого пара до 260 ОС. Последнее положительно скажется на общем КПД станции, хотя и потребует увеличения общих габаритов РУ. Следует отметить, что экономически для АСММ повышение КПД не может служить самоцелью, поскольку топливная составляющая не является определяющей в себестоимости вырабатываемой энергии.
Для обеспечения независимости от наличия водных ресурсов в АСММ «Унитерм» предполагается использовать воздухоохлаждаемые конденсаторы.
Надежность и безопасность
Высокая надежность и долговечность РУ обеспечиваются применением прошедших длительную эксплуатационную проверку материалов и технологий, используемых в судовом реакторостроении. Так для активных зон реакторов могут быть использованы уран-циркониевые твэлы с металлокерамической топливной матрицей; для трубных систем парогенераторов и теплообменников в качестве материалов применяются титановые сплавы. Используются ударостойкие конструкции оборудования, выдерживающие предельные сейсмические нагрузки. Принятые водно-химические режимы позволяют отказаться от постоянно действующих систем очистки теплоносителя первого контура, что способствует принятию интегральной компоновки реактора, минимизирующей границы первого контура.
В РУ нет подвижных элементов, перемещаемых при его работе. Отсутствуют циркуляционные насосы, автоматически действующие органы регулирования, клапаны и другая оперативная арматура. Все изменения в режимах функционирования осуществляются под воздействием естественных процессов.
Используемые в РУ системы безопасности пассивны, т.е. не требуют для осуществления своих функций внешних энергетических затрат. При срабатывании аварийной защиты активной зоны органы компенсации реактивности вводятся в неe под действием силы тяжести и энергии сжатых пружин. Постоянно действующая автономная система отвода мощности отводит остаточные тепловыделения и расхолаживает установку.
При разгерметизации первого контура истекающая парогазовая смесь локализуется в пределах страховочного корпуса РУ, по мере выравнивания давления между реактором и страховочным корпусом истечение прекращается. При этом уровень теплоносителя в реакторе остается достаточно высоким и не препятствует естественной циркуляции в первом контуре, отводу остаточных
тепловыделений
и расхолаживанию РУ.
Безопасность установки обеспечивается свойствами внутренней самозащищенности активной зоны, еe низкой напряженностью, наличием пяти барьеров на пути распространения радиоактивных продуктов:
—
металлической топливной матрицы твэлов,
—
оболочки твэлов,
—
границы первого контура,
—
страховочного корпуса,
—
защитной оболочки (контайнмента) РУ.
В нормальных условиях эксплуатации уровень ионизирующих излучений на поверхности защитных конструкций РУ не превышает величины естественного фона. При максимальной проектной аварии на расстоянии 100 м от нее мощность дозы ионизирующего излучения превысит этот фон всего на 10%. При всех проектных и запроектных авариях индивидуальные дозовые нагрузки населения не превзойдут 0,11 бэр/год.
Целям повышения безопасности и нераспространения ядерных материалов служит длительная кампания активной зоны (20-25 лет), совпадающая со сроком службы реакторной установки и обеспечивающая отсутствие еe перегрузок при эксплуатации.
Конструктивное исполнение АСММ «Унитерм» обеспечивает еe полное изготовление, сборку и наладку на машиностроительных предприятиях с последующей доставкой небольшого количества (15-20 шт.) крупных блоков (массой от 100 до 175 т) к месту будущей эксплуатации, где выполняется лишь минимальный объeм монтажных и пуско-наладочных работ. Для транспортирования этих блоков могут быть использованы плавучие средства, большегрузные платформы и автотракторные тягачи. По окончании эксплуатации все элементы АСММ эвакуируются, и выполняется реновация занимаемой площадки.
Концепция подразумевает, что техническое обслуживание РУ АСММ осуществляется из единого для нескольких блоков регионального центра, обладающего квалифицированными кадрами, современной связью и средствами доставки.
Литература
1.
АО КТЗ. Паровые турбины и турбогенератороы (номенклатурный перечень), Калуга, 1996.