2.2. Пример реакторной установки с корпусным водо-водяным реактором для выработки электроэнергии.

Реакторная установка ВК-50 представляет собой опытную энергетическую установку с водо-водяным кипящим ядерным реактором. Назначение установки экспериментальное изучение различных проблем, связанных с работой корпусного кипящего реактора как источника энергии.

Принципиальная технологическая схема установки представлена на рис.2.2.

Насыщенный пар, генерируемый активной зоной реактора, после предварительной его осушки в паровом объеме за счет гравитационной сепарации, по четырем паропроводам поступает в сепараторы высокого давления (СВД). Отделение влаги в СВД (2-5%) способствует существенному уменьшению радиоактивности пара и улучшению радиационной обстановки на дальнейшей части контура.

На паропроводах после СВД установлены дроссельные клапаны, на которых давление пара снижается до 2,6-3,0 МПа. В процессе дросселирования насыщенного пара происходит его увлажнение. Дополнительная осушка пара перед подачей на турбину производится в сепараторах низкого давления (СНД).

Осушенный пар (влажность не более 0,1%) поступает на турбину, которая рассчитана на работу с насыщенным паром при номинальном давлении 2,9 МПа и расходе 385 т/ч. При данных параметрах на генераторе обеспечивается электрическая мощность 62,5 МВт. После турбины отработанный пар сбрасывается в конденсатор, давление в котором поддерживается около 0,0050,006 МПа. Вместе с паром в него выносятся радиолитические и благородные газы. Эти газы вместе с присосами воздуха удаляются из конденсатора с помощью пароструйных эжекторов в систему сжигания "гремучей" смеси, и затем в установку обезвреживания газовых отходов

Конденсат из конденсатора турбины при исходной температуре около 35°С с помощью насосов через подогреватели низкого давления перекачивается в деаэраторы атмосферного типа. В результате этого он подогревается до 104°С. Деаэрированный конденсат является питательной водой реактора. Подача его в реактор осуществляется с помощью питательных насосов. На установке предусмотрено четыре насоса, из которых один находится в работе, три - в резерве. Часть питательной воды направляется в реактор через приводы системы управления и защиты (СУЗ), что предотвращает перегрев приводов за счет проникновения в них пара из реактора и одновременно осуществляется их смазка.

Вода на охлаждение механизмов СУЗ может подаваться по трем различным схемам. При нормальной работе реактора вода подается с помощью питательных насосов (расход около 8 кг/с).

При пусковых режимах охлаждение механизмов СУЗ организуется по автономному контуру: реактор - трубопровод продувки -теплообменник - насос - фильтр -механизмы СУЗ. В аварийных режимах охлаждающая вода может подаваться с помощью плунжерных насосов. Очистка воды реактора от продуктов коррозии осуществляется путем отбора части воды реактора на спецводоочистку (СВО), в качестве которой используется четырехкорпусная выпарная установка. Расход продувочной воды в нормальных эксплуатационных режимах составляет 2-4 кг/с, а при необходимости может быть увеличен до 8 кг/с. Характеристика установки приведена в таблице 2.1.

Таблица 2.1.

Характеристики установки ВК-50

Характеристики установки	Эксплуат.режимы
Тепловая мощность реактора, МВТ 1	200
Электрическая мощность, МВт	50
Рабочее давление, МПа	5,0
Расход пара из реактора, т/ч	325
Давление пара перед турбиной, МПа	до 2,9
Давление пара в конденсаторе турбины, МПа	0,005
Влажность пара на выходе из реактора, %	25
Расход воды через активную зону, т/ч	4000
Скорость естественной циркуляции воды, м/с	0,9
Недогрев воды на входе в активную зону, °С	25
Массовое паросодержание на выходе из активной зоны,°/о	11
Коэффициенты неравномерности энерговыделения:
-по высоте активной зоны,	1,7
-по радиусу активной зоны,	1,5
-по сечению ТВС,	1,2
-по объему активной зоны	3,00
Удельная мощность активной зоны, кВт/л	40
Тепловой поток, Вт/м2
- средний,	0,27106
- максимальный	0,83106
Коэффициент запаса до кризиса теплообмена	3

Корпус реактора, сепараторы высокого и низкого давления, оборудование спецводоочистки, трубопроводы реактора размещены в железобетонных боксах, рассчитанных на возможное повышение давления в них до 0,3 МПа. Конденсатор турбины, эжекторы, конденсатные насосы размещены в боксе под турбиной. Питательные насосы реактора размещены в машинном зале станции. Деаэраторы заключены в помещении, расположенном на отметке +13.2 м.

Внутри корпуса реактора размещены различные устройства (рис.2.3).

Внутрикорпусные устройства (ВКУ) реактора предназначены для закрепления внутри корпуса активной зоны и обеспечения ее охлаждения во всех режимах работы. С помощью ВКУ организована:

• естественная циркуляция воды по контуру: активная зона - тяговый участок - переливные окна - опускной участок - активная зона;

• подпитка реактора водой и раздача ее в "холодный" и "горячий" опускные участки;

• первичная гравитационная сепарация генерируемого пара и удаление его из корпуса реактора;

• постоянная продувка реакторной воды для поддержания ее химического состава.

Основные элементы ВКУ: шахта, нижняя плита с чехлами, корзина, разделительная обечайка, коллекторы питательной воды, дренажная труба, тяговый участок. Шахта является основной несущей конструкцией для активной зоны, корзины и нижней плиты. Конструктивно шахта выполнена в виде цилиндра диаметром 3038 мм с толщиной стенки 50 мм. Верхним буртом шахта опирается через шариковый подшипник на специальный бурт корпуса реактора. На нижнем бурте шахты висит плита нижняя с чехлами и на него же опирается выемная корзина активной зоны.

В верхней части шахты имеется 120 отверстий диаметром 100 мм для выхода пара через кольцевой зазор между корпусом реактора и шахтой к паровым патрубкам. Ниже паровых окон, под физическим уровнем воды, размещено 16 переливных окон овального сечения высотой 800 и шириной 460 мм, через которые осуществляется перелив воды из тягового участка в опускные ("горячий" и "холодный") участки контура естественной циркуляции реактора.

Между корпусом реактора и шахтой установлена разделительная обечайка диаметром 3207x20 мм, закрепленная на корпусе. Она делит общий опускной участок на два участка. Участок, примыкающий к корпусу, называется "холодным" опускным участком, а участок, примыкающий к шахте - "горячим" опускным участком. Каждый опускной участок имеет свой распределительный питательный коллектор. Подвод воды к питательному коллектору "холодного" опускного участка организован через три патрубка диаметром 250 мм, а к коллектору "горячего" опускного участка - через один патрубок диаметром 150 мм. Питательная вода в "холодный" опускной участок подводится через 92 трубы диаметром 32x2.5 мм, а в "горячий" опускной участок - через 120 труб диаметром 16x1.5 мм. Смешение питательной воды с циркулирующей водой реактора происходит на 200 мм ниже кромки переливных окон шахты.

Внутри шахты установлена нижняя плита с чехлами, которая выполнена следующим образом. Под основной несущей плитой толщиной 80 мм установлена вторая плита толщиной 50 мм, отступающая от верхней на 260 мм. Плиты связаны между собой цилиндрической обечайкой с отверстиями для подвода теплоносителя и чехлами разных типов. Пространство между плитами соединяется с "горячим" опускным участком, а под плитами - с "холодным" опускным участком.

35 чехлов диаметром 220 мм предназначены для размещения компенсирующих сборок и сборок аварийной защиты. При существующей активной зоне для этой цели используется 19 чехлов, а в остальные чехлы установлены пробки. Вода на охлаждение сборок СУЗ подается из "холодного" опускного участка через нижние отверстия чехлов.

Р ис. 2.3. Реактор ВК-50

1 – корпус реактора; 2 – бандаж; 3 – нажимное кольцо; 4 – шпилька; 5 – гайка; 6 – узел уплотнения; 7 – окна паровые; 8 – шахта; 9 – окна переливные; 10 – тяговый участок; 11 – коллекторы питательной воды; 12 – разделительная обечайка; 13 – корзина; 14 – ТВС; 15 – плита нижняя; 16 – бак биологической защиты; 17 – канал ИК; 18 – теплоизоляция.

116 чехлов нижней плиты внутренним диаметром 95 мм, размещенные под четвертым и последующими рядами ТВС, предназначены для подвода охлаждающей воды из "холодного" или "горячего" опускных участков. Чехлы имеют отверстия как между плитами, так и под ними. Внутри чехлов предусмотрена установка пробок (трубных вставок с фиксатором), которые имеют различное расположение отверстий. При совмещении отверстий пробки с верхними отверстиями чехла, вода на охлаждение ТВС будет поступать из "горячего" опускного участка. При совмещении отверстий пробки с нижними отверстиями чехла, ТВС будут охлаждаться из "холодного" опускного участка. В 30 центральных ТВС активной зоны вода подводится только из "холодного" опускного участка. Для этой цели в нижней плите с чехлами предусмотрена установка труб внутренним диаметром 95 мм. В условиях нормальной эксплуатации реактора вода из "холодного" опускного участка подводится в 42 ТВС, расположенные в центральной части активной зоны, а из "горячего" опускного участка - в 30 ТВС периферийного ряда активной зоны. 78 чехлов нижней плиты за пределами активной зоны закрыты глухими пробками. Над плитой с чехлами с зазором 10 мм установлена корзина с активной зоной реактора. Корзина имеет снизу опорную плиту толщиной 150 мм с системой отверстий для подвода воды в ТВС (диаметр ПО мм) и размещения сборок системы СУЗ (шестиугольные отверстия с размером "под ключ" 181 мм). Отверстия опорной плиты соосны с отверстиями нижней плиты с чехлами. Сверху в корзине установлена решетка для дистанционирования ТВС. Корзина имеет 187 ячеек для размещения шестигранных сборок. С самого начала эксплуатации реактор работает с малой активной зоной, состоящей из 72 рабочих, 16 компенсирующих сборок и 3 сборок аварийной защиты.

Компенсирующие сборки и сборки аварийной защиты через соединительные штанги сцеплены с механизмами управления, установленными в корпусах СУЗ на УВБ.

Для нормальной организации циркуляции теплоносителя через активную зону в корпусе реактора во всех режимах поддерживается уровень воды, превышающий верхнюю кромку переливных окон (на 50 - 200 мм).

При этом пароводяная смесь, образующаяся в активной зоне, поднимается по тяговому участку, после чего происходит разделение ее на пар и воду. Пар через отверстия диаметром 100 мм отводится к паровым патрубкам, вода же через переливные окна поступает в опускные участки, где смешивается с питательной водой, поступающей из водяных коллекторов. Из опускных участков вода поступает в нижнюю часть активной зоны через чехлы нижней плиты.

По этому же контуру происходит циркуляция не кипящей воды на малых уровнях мощности реактора. При снижении уровня воды ниже переливных окон и срабатывании при этом аварийной защиты реактора охлаждение активной зоны осуществляется циркуляцией теплоносителя через специально предусмотренные отверстия диаметром 100 мм в нижней части шахты (20 шт.) и зазоры между шахтой и корзиной.

Активная зона (рис. 2.4) предназначена для генерации тепла в процессе регулируемой реакции деления урана.

Конструктивно активная зона размещается в нижней части реактора в выемной корзине и состоит из 72 рабочих ТВС, 16 компенсирующих кассет, выполняющих также функции стержней ручного регулирования (РР) и 3-х кассет аварийной защиты.

Рабочая кассета (162тв.+6пэл) ОК-2.4ХС-Б - 18 шт.

( обогащение 2,4%, бор в чехлах)

Рабочая кассета (162тв.+6пэл) ОК-2.4ХС-Б - 54 шт.

(обогащение 2,4%, без бора в чехлах)

Компенсирующая кассета ЭК-6М - 1 шт.

(обогащение 3%, без бора в чехлах, 162тв.+6пэл)

Компенсирующая кассета ЭК-6М - 15 шт.

(обогащение 2,4%, без бора в чехлах, 162тв.+6пэл)

А варийная кассета - 3 шт.

Рис. 2.4. Типичная картограмма активной зоны реактора ВК-50

Рис. 2.5. Схема продольного сечения рабочей кассеты реактора ВК-50

Рабочие ТВС опираются на гнезда нижней решетки корзины и дистанционируются с помощью верхней решетки. Компенсирующие сборки и кассеты аварийной защиты подвешены на штангах механизмов СУЗ и могут перемещаться с их помощью относительно рабочих ТВС, при этом нижняя часть этих сборок перемещаются в чехлах нижней плиты.

Рабочие ТВС обоих типов состоят из шестигранного чехла с внешним размером "под ключ" -176 мм, двух концевых головок и тепловыделяющего пучка. Чехол выполнен из сплава циркония с 2,5% ниобия толщиной 1,5 мм.

Головки ТВС предназначены для подвода и отвода теплоносителя и имеют приспособления для производства транспортных операций (рис.2.5). Оболочки твэлов выполнены из сплава циркония с 1% ниобия. Диаметр твэлов 9,1 мм, толщина оболочки 0,65 мм. Топливом служит спеченная двуокись урана с обогащениями 2,0; 2,4 и 3,0 % по урану-235. ТВС содержит 162 твэла и 6 стержней с выгорающим поглотителем (СВП). СВП представляет собой борированный алюминиевый стержень диаметром 9,1 мм. Твэлы, СВП ТВС расположены по треугольной решетке (рис. 2.6) с шагом 13 мм, и закреплены в двух концевых и четырех промежуточных решетках сотового типа. Высота топливной части рабочих ТВС равна 2 м.

Компенсирующая сборка состоит из двух частей, сцепленных между собой. Верхняя часть представляет собой поглотитель нейтронов типа "нейтронная ловушка", состоящей из шестигранных колец бористой стали, заключенных между двух концентрически расположенных труб. Нижняя часть топливная, она аналогична рабочим ТВС и имеет высоту топливной части 1,75м.

Кассета аварийной защиты состоит из круглого поглотителя нейтронов из бористой стали и подвешенного к нему снизу циркониевого рассеивателя нейтронов. При работе реактора аварийные кассеты взведены вверх, так что в активную зону вводятся рассеиватели, а поглотители - над зоной. В аварийных ситуациях аварийная кассета падает вниз и вместо рассеивателя в зону вводится поглотитель. Для исключения заедания кассеты при падении она имеет поперечное сечение круглой формы и располагается в специальной направляющей трубе из сплава циркония. Внизу трубы имеется демпфер для уменьшения перегрузок при падении.2.3.

Р ис. 2.6. Поперечное сечение рабочей кассеты реактора ВК-50, состоящей из 162 твэлов, 6-ти СВП и одной трубки ВРК.

=9мм – толщина межкассетного зазора;

Н=185мм – шаг расположения кассет.

- твэл

- стержни выгорающего поглотителя (СВП)

- трубка ВРК.