Разработка конструкторско-технологических решений активных зон транспортных реакторных установок

Московский государственный технический университет
имени Н.Э. Баумана

Н.Ш. Исаков, П.В. Марков

РАЗРАБОТКА КОНСТРУКТОРСКО-
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ
АКТИВНЫХ ЗОН ТРАНСПОРТНЫХ
РЕАКТОРНЫХ УСТАНОВОК

Под редакцией В.И. Солонина

Рекомендовано Научно-методическим советом
МГТУ им. Н.Э. Баумана
в качестве учебного пособия

Москва
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана
2013

УДК 621.039.5(075.8)
ББК 31.46
И85

И85

Рецензенты: А.М. Ганжинов, В.В. Перевезенцев

Исаков Н. Ш.
Разработка конструкторско-технологических решений ак-
тивных зон транспортных реакторных установок : учеб. по-
собие / Н. Ш. Исаков, П. В. Марков; под ред. В. И. Солони-
на. — М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2013. — 65, [3] с. :
ил.

ISBN 978-5-7038-3700-9
Изложены особенности конструктивно-компоновочных и техноло-
гических решений активных зон, оборудования и элементов транс-
портных реакторных установок, предназначенных для использования
на судах, космических аппаратах.
Приведены особенности методики теплогидравлических расчетов
в условиях естественной циркуляции водного теплоносителя в поле
силы тяжести применительно к интегральным компоновкам обору-
дования первого контура. Приведены рекомендации по выбору ком-
поновки тепловыделяющего модуля космической энергоустановки,
выполняющей как функции двигателя прямого действия, так и функ-
ции источника энергии для бортовой газотурбинной установки (би-
модальная установка).
Для студентов старших курсов, обучающихся по специальности
«Ядерные реакторы и энергетические установки».

УДК 621.039.5(075.8)
ББК 31.46

ISBN 978-5-7038-3700-9
c⃝ МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2013

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

ВВР
водо-водяной реактор (корпусной под давлением)
КА
космический аппарат
ПГ
парогенератор
ПЦ
принудительная циркуляция
СЯЭУ
судовая ядерная энергетическая установка
ТВМ
тепловыделяющий модуль
ТВС
тепловыделяющая сборка
твэл
тепловыделяющий элемент
ЦНПК
циркуляционный насос первого контура
ЯРД
ядерный ракетный двигатель
ЯЭДУ
ядерная энергетическая двигательная установка
ЯЭУ
ядерная энергетическая установка

ВВЕДЕНИЕ

К конструкции реакторных установок предъявляются чрезвы-
чайно высокие требования, которые условно можно подразделить
на три группы:
1) требования, вызываемые специфическими опасностями,
присущими ядерным реакторам;
2) требования, определяемые назначением ядерных реакторов;
3) общетехнические требования.
К основным требованиям, предъявляемым к транспортным ре-
акторным установкам, относят компактность и минимальные мас-
согабаритные характеристики. При конструировании судовых ре-
акторов важно обеспечить возможность их работы в условиях пе-
ременных нагрузок (при большом числе пусков и остановок, пере-
ходов с режима на режим), а также высокую удельную энергона-
пряженность.
К реакторам СЯЭУ предъявляется ряд специфических требо-
ваний, связанных с условиями их эксплуатации: надежная работа
при качке, дифферентах, вибрации и т. д., возможность быстрого
изменения мощности СЯЭУ в широких пределах, простота меха-
низмов и основных узлов, быстрота перегрузки ядерного топлива и
удобство обслуживания. Требования, предъявляемые к реакторам
космических ЯЭДУ, ЯРД: стойкость к воздействию радиационных
поясов Земли, независимость от расстояния до Солнца и ориен-
тации по отношению к Солнцу, возможность работы на разных
уровнях мощности в процессе эксплуатации, в том числе на фор-
сированной мощности, в 2 — 3 раза превышающей номинальную,
при достаточно слабой зависимости массы ЯЭУ от уровня форси-
рования.

4

Выбор надежного конструкционного решения, удовлетворяю-
щего заданным функциям и сохраняющего требуемые эксплуата-
ционные показатели в течение определенного промежутка време-
ни, проводится на этапе проектирования. Проектирование включа-
ет в себя выбор наилучшего варианта принципиальной схемы,
удовлетворяющей основным параметрам и заданным характери-
стикам изделия, конструирование на ее основе частей, систем, уз-
лов, агрегатов, механизмов и их технологическую разработку. При
выборе принципиальной схемы объекта можно ограничиться по-
исковыми, предварительными физическими, теплогидравлически-
ми, прочностными расчетами, основанными на простых эмпири-
ческих соотношениях и одномерных математических моделях. По
мере конкретизации конструкции расчеты выполняются уже как
поверочные с возрастающей степенью детализации и с использо-
ванием современных математических моделей улучшенной оцен-
ки, реализованных на компьютерах с помощью расчетных кодов и
созданных на базе специальных физических экспериментов [1].

1. РЕАКТОРНЫЕ УСТАНОВКИ ДЛЯ СУДОВ

1.1. Особенности водоохлаждаемых СЯЭУ
интегральной компоновки

Водо-водяные реакторы являются наиболее распространенным
типом реактора для СЯЭУ ввиду небольших габаритов активной
зоны и реактора в целом, отработанной технологии изготовления
их отдельных элементов, включая элементы активной зоны, высо-
кой надежности и безопасности, а также простоты эксплуатации.
Компоновка СЯЭУ может быть выполнена по петлевой (тради-
ционной для стационарных установок), блочной, интегральной и
моноблочной схемам. В моноблочной компоновке все оборудова-
ние первого контура заключено в общем силовом корпусе. Блочная
и моноблочная компоновки позволяют получить наиболее компакт-
ные СЯЭУ, и поэтому они широко применяются в настоящее время.
Особенностью активных зон судовых ВВР является большой
запас реактивности в начале кампании, что приводит к повышен-
ной загрузке топлива. Этого добиваются применением топлива, бо-
лее обогащенного, чем в стационарных реакторах, использованием
выгорающих поглотителей. Для увеличения удельной поверхности
теплообмена наряду со стержневыми цилиндрическими твэлами
могут быть использованы твэлы другой формы [1].
Моноблочный принцип компоновки ЯЭУ предусматривает раз-
мещение активной зоны, ПГ, ЦНПК, компенсаторов давления в
едином прочном корпусе. На рис. 1.1, а приведена схема моно-
блочной компоновки ЯЭУ со встроенным парогазовым компен-
сатором давления и змеевиковым ПГ, а на рис. 1.1, б — схема
интегральной компоновки, в которой компенсатор давления вы-
носной, а шесть ПГ выполнены из прямых U-образных трубок.

6

Рис. 1.1. Схемы моноблочной (а) и интегральной (б) компоновки ЯЭУ:
1 — корпус реактора; 2 — активная зона реактора; 3 — ПГ; 4 — выход пара;
5 — привод ЦНПК; 6 — подача газа; 7 — привод органов регулирования; 8 —
парогазовый объем компенсатора давления; 9 — крышка реактора; 10 — вход
питательной воды; 11 — тепловая защита корпуса; 12 — щелевой фильтр на входе
напорной камеры; 13 — трубопровод к компенсатору давления

В обоих случаях вертикальные ЦНПК расположены на крышках.
Есть проекты с вертикальными и горизонтальными ЦНПК, распо-
ложенными в корпусе. Моноблочные и интегральные ЯЭУ поми-
мо обеспечения минимальности массогабаритных характеристик
по сравнению с другими видами компоновки обладают более низ-
кой вероятностью разгерметизации первого контура в результате
обрыва циркуляционных трубопроводов и большей надежностью
благодаря отсутствию в первом контуре разобщающей арматуры.
Важным достоинством моноблочных и интегральных ЯЭУ являет-

7

ся уменьшение гидравлического сопротивления циркуляционного
контура, а следовательно, снижение мощности ЦНПК и создание
лучших условий для развития естественной циркуляции. Во мно-
гих проектах моноблочных ЯЭУ естественная циркуляция не толь-
ко обеспечивает расхолаживание активной зоны при остановке с
любого уровня мощности, но и работу на мощности 25. . .30 %
и даже 70 % от номинальной. Это существенно повышает безо-
пасность ЯЭУ и позволяет снизить требования, предъявляемые к
системе энергообеспечения ЯЭУ, т. е. упростить состав и схему
судовой электростанции [2].

1.2. Гидродинамические процессы в первом контуре
при естественной циркуляции теплоносителя

1.2.1. Общая характеристика естественной циркуляции
теплоносителя

Движение теплоносителя в первом контуре может быть обес-
печено использованием циркуляционных насосов и за счет воздей-
ствия сил гравитации на столбы жидкости различной плотности,
находящиеся на тяговом и опускном участках первого контура.
Плотность теплоносителя, охлаждаемого в области трубных по-
верхностей ПГ, больше, чем в участке активной зоны реактора и
в объеме над ней. Тяжелая среда начнет опускаться вниз, вытес-
няя при этом теплоноситель с более низкой плотностью вверх по
тяговому участку. Возникающий при этом режим движения тепло-
носителя называется естественной циркуляцией [3].
Условием существования установившейся естественной цир-
куляции при восходящем потоке теплоносителя через активную
зону является расположение ПГ выше активной зоны реактора.
Только в этом случае при работе ЯЭУ средняя плотность опуска-
ющегося теплоносителя всегда будет больше средней плотности
теплоносителя на тяговом участке. Интенсивность развития есте-
ственной циркуляции тем выше, чем больше разнесены по верти-
кали приведенные центры поверхностей теплообмена реактора и
ПГ. Приведенным центром поверхности теплообмена называется
точка, в которой значение плотности теплоносителя равно значе-
нию плотности этого теплоносителя, усредненной по всей высоте

8

поверхности теплообмена (рис. 1.2, а):

λт =

L
0

[ρ (z) − ρвх] dz

ρвых − ρвх
.
(1..1)

Так, при допущении, что водный теплоноситель в активной
зоне реактора и в ПГ протекает по однозаходной схеме и его плот-
ность линейно изменяется по высоте поверхностей теплообмена,
приведенные центры активной зоны реактора и ПГ (рис. 1.2, б, в)
контура циркуляции однофазного водного теплоносителя опреде-
ляются следующим образом:

λа.з
т =

Hа.з
0

[ρ(z) − ρвх] dz

ρвых − ρвх
=
ds
Hа.з
0

ρвх − ρвх − ρвых
Hа.з
z
− ρвх

dz

ρвых − ρвх
=

=

Hа.з
0

−ρвх − ρвых
Hа.з
z
dz

ρвых − ρвх
,

откуда

λа.з
т
=

Hа.з
0

zdz
Hа.з
=
z2

2Hа.з

Hа.з

0
= Hа.з
2 ;

λПГ
т =

HПГ
0

[ρ (z) − ρвых] dz

ρвх − ρвых
=

HПГ
0

ρвх − ρвых
HПГ
z + ρвых

− ρвых

dz

ρвх − ρвых
=

=

HПГ
0

ρвх − ρвых
HПГ
z
dz

ρвх − ρвых
,

9

тогда

λПГ
т
=

HПГ
0

zdz
HПГ
=
z2

2HПГ

HПГ

0
= HПГ
2 .

Для количественной оценки условий возникновения естествен-
ной циркуляции используется понятие движущего напора Δpдв
естественной циркуляции, равного сумме нивелирных перепадов
давления на всех участках первого контура:

Δpдв =
ρ(z) ∙⃗g⃗idz,
(1..2)

где ρ(z) — плотность теплоносителя в зависимости от высотной
координаты z; ⃗g — вектор ускорения свободного падения; ⃗i — еди-
ничный вектор вдоль контура циркуляции.
В простейшем случае для контура теплоносителя, представлен-
ного на рис. 1.2, при разности высотных координат приведенных
центров поверхностей теплообмена активной зоны и ПГ, равной
H = ZПГ
т
− Zа.з
т , и при известных значениях ρо.у = ρвх, ρт.у = ρвых
средней плотности теплоносителя на опускном и тяговом участках
соответственно:

Δpдв =
ρо.у − ρт.у
Hg = (ρвх − ρвых) Hg.
(1..3)

Режим естественной циркуляции теплоносителя является уста-
новившимся, если движущий напор полностью расходуется на пре-
одоление гидравлических сопротивлений ΔpI первого контура.
До тех пор пока Δpдв > ΔpI, скорость w0 естественной цирку-
ляции увеличивается и соответственно возрастает массовый рас-
ход G теплоносителя. По мере увеличения скорости естественной
циркуляции (расхода теплоносителя) возрастает гидравлическое
сопротивление контура за счет сил трения Δpтр и местных сопро-
тивлений Δpм. При постоянной тепловой мощности (Nт = const)
с увеличением расхода G теплоносителя уменьшается движущий
напор, так как в соответствии с уравнением теплового баланса

ΔT = Nт
cP G
снижается разность температур тягового и опускного участков пер-
вого контура, что уменьшает разность плотностей теплоносителей

10