авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 |

Очистка от примесей свинцового и свинец-висмутового теплоносителей контура ядерного реактора с баковой компоновкой

-- [ Страница 1 ] --


На правах рукописи

Бокова Татьяна Александровна

ОЧИСТКА ОТ ПРИМЕСЕЙ СВИНЦОВОГО И СВИНЕЦ-ВИСМУТОВОГО ТЕПЛОНОСИТЕЛЕЙ КОНТУРА ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА С БАКОВОЙ КОМПОНОВКОЙ

05.04.11 – Атомное реакторостроение, машины, агрегаты

и технология материалов атомной промышленности

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Нижний Новгород 2007

Работа выполнена на кафедре «Атомные, тепловые станции и медицинская инженерия» Нижегородского государственного технического университета.

Научный руководитель – доктор технических наук, профессор

Орлов Юрий Иванович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Арнольдов Михаил Николаевич;

доктор технических наук, профессор

Клочков Евгений Петрович.

Ведущая организация – Научно-исследовательский и

конструкторский институт

энерготехники, г. Москва.

Защита состоится «29» мая 2007г. на заседании диссертационного совета Д.212.165.03 при Нижегородском государственном техническом университете по адресу: 603600, г. Нижний Новгород, ул. Минина, д. 24, корп. 5, ауд. 5232.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Нижегородского государственного технического университета.

Автореферат разослан ________________ 2007 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Дмитриев С.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

В процессе эксплуатации контура охлаждения реактора со свинцовым и свинец-висмутовым теплоносителями возможно образование отложений примесей (оксидов свинца, оксидов компонент конструкционных материалов и др.) на внутренних поверхностях конструкционных материалов контура в местах гравитационной и гидродинамической сепарации, на свободных поверхностях теплоносителя.

Для обеспечения эксплуатации отечественных реакторных установок для атомных подводных лодок проектов 705 и 705К в 60-70-х годах прошлого века под научным руководством специалистов Физико-Энергетического института были предложены, созданы, отработаны и реализованы методы и устройства очистки свинец-висмутового и реакторного контура от примесей

Особенностями принципиальной схемы и компоновки реакторного контура транспортных установок с тяжелым жидкометаллическим теплоносителем (ТЖМТ) – эвтектикой свинец-висмут являлось раздельное исполнение в собственных корпусах реактора, парогенераторов, главных циркуляционных насосов, буферных емкостей с насосами возврата протечек теплоносителя, соединенных трубопроводами. Свободные уровни теплоносителя были в буферных емкостях (баках, компенсаторах объема), расположенных на байпасе основного циркуляционного контура. Скорость теплоносителя в основном циркуляционном контуре в номинальном режиме составляла 1,5-2,5 м/с. Введенные в циркуляционный контур газовые, водяные, паровые пузыри диспергировались в теплоносителе, оставаясь в нем в виде газовых пузырей достаточно малых размеров (1,0 мм и менее).

Проработки стационарных реакторных установок, начатые в 90-х годах прошлого века, включая предложенные с участием автора реакторные установки (РУ) с горизонтальными парогенераторами, выполнялись с баковой компоновкой реакторного контура. Скорости теплоносителя в проточных каналах контура составляли 0,2-1,0 м/с. Основная часть оборудования контура (парогенераторы, главные циркуляционные насосы, каналы контура др.) имела в верхней части свободные уровни теплоносителя. Требования к устройствам и процессам транспортных установок отличались от требований, предъявляемых к стационарным установкам.

Целью настоящей работы является создание методов и средств очистки свинцового и свинец-висмутового теплоносителей и контура баковой компоновки от примесей.

Задачи работы: - проведение анализа данных накопленных в исследуемой области; – разработка и создание водяных и высокотемпературных циркуляционных стендов со свинцовым и свинец-висмутовым теплоносителями с температурой 300-6000С; - проведение расчетно-теоретических исследований методов и средств очистки ТЖМТ от примесей и выбор на их основе методов и устройств очистки от примесей реакторных контуров баковой компоновки; - проведение экспериментальных исследований на воде моделей разработанных устройств очистки и выбор на их основе конструкций для испытаний в контурах со свинцовым и свинец-висмутовым теплоносителями; - проведение экспериментальных исследований образцов устройств очистки на высокотемпературных стендах со свинцовым и свинец-висмутовым теплоносителями, анализ и разработка рекомендаций для реакторных контуров; - исследования и разработки рекомендаций по оптимальным местам установки средств очистки в реакторных установках баковой компоновки; - разработка рекомендаций по схеме и конструктивным решениям новой баковой реакторной установки, безопасной при любом размере неплотности в аварийном режиме «межконтурная неплотность парогенератора» предложенной на основании проведенных исследований.

Научная новизна работы заключается в полученных экспериментальных результатах процессов барботажа газа, воды или пара через слой свинца и эвтектики свинец-висмут, характеристик двухкомпонентных потоков тяжелый жидкометаллический теплоноситель – газ при течениях в трубах и при газлифте. Научной новизной обладают экспериментальные исследования устройств ввода и диспергации газовой фазы в жидкометаллическом теплоносителе.

Практическая значимость

Практическая значимость работы заключается в разработанных и испытанных устройствах и системах очистки от примесей свинцового и свинец-висмутового теплоносителей контура ядерного реактора с баковой компоновкой. Результаты работ, отраженных в диссертации рекомендованы к внедрению и частично внедрены в проектную документацию РУ БРЕСТ-ОД-300. Практическую значимость имеет предложенная новая РУ со свинец-висмутовым и свинцовым теплоносителем с горизонтальными парогенераторами, обеспечивающая безопасную очистку (удаление) контура от воды и водяного пара при любом возможном размере межконтурной неплотности парогенератора.

На защиту выносятся следующие положения:

- Результаты исследований характеристик двухкомпонентного потока ТЖМТ – газ, водяной пар, вода.

- Результаты исследований методов очистки теплоносителя и контура применительно к реакторам с баковой компоновкой.

- Устройства ввода и диспергации газа, в эвтектике свинец-висмут, свинце и результаты экспериментальных исследований их характеристик на воде и на жидком металле.

- Результаты исследований очистки теплоносителя от примесей воды и водяного пара и предложенная на их основе перспективная моноблочная установка с горизонтальными парогенераторами.

Личный вклад автора

Основные результаты работы получены автором лично и в соавторстве со специалистами кафедры «Атомные, тепловые станции и медицинская инженерия», ГНЦ РФ ФЭИ, НИКИЭТ, ОКБ «Гидропресс». Это отражено в списках исполнителей научно-технических отчетов, списках авторов статей, патентов, полезных моделей, докладов на отечественных и зарубежных конференциях и представлено в соответствующих разделах диссертации и в списке научных трудов.

Апробация работы

Работа прошла апробацию на межотраслевых конференциях по теплофизике, проводимых в ГНЦ РФ ФЭИ, международных конференциях 6th World Conference on Experimental Heat Transfer, Fluid Mechanics, and Thermodynamics April 17-21, 2005, Matsushima, Miyagi, Japan и др., решения, предложенные в процессе работы над диссертацией защищены 4 патентами РФ и 4 свидетельствами и полезную модель (в соавторстве). Результаты диссертационной работы использованы при разработке проектной документации РУ БРЕСТ-ОД-300.

Публикации

Основные результаты работы опубликованы в ведущих журналах «Атомная энергия» (4 публикации) и «Ядерная энергетика» (3 публикации), всего 82 публикации в списке научных трудов автора.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Объем работы составляет 311 страница, 125 рисунков, 12 таблиц, списка использованных источников из 107 наименований, в том числе 53 работ автора.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, определяются цель и задачи исследования, приводится общая характеристика работы. Приводятся результаты анализа основных примесей и их характеристик в контуре охлаждения реактора со свинцовым или свинец-висмутовым теплоносителями. Анализируются средства очистки от примесей в транспортных установках с ТЖМТ, имевших петлевую компоновку исполнения основного оборудования. Необходимость очистки контура и теплоносителя стационарной РУ баковой компоновки от примесей оксидов теплоносителя определила комплекс исследований, конструкторских и экспериментальных работ, изложенных в главах диссертации.

В первой главе приводятся виды, причины возникновения, состояние и места концентрации примесей в реакторных установках с тяжелыми жидкометаллическими теплоносителями. Рассматриваются следующие виды примесей: соединения теплоносителя с кислородом, соединения продуктов коррозии конструкционных материалов, органические масла, вода, радиоактивные продукты деления топлива, примеси в защитном газе.

В процессе эксплуатации контуров с ТЖМТ накопление примесей ведет к негативным воздействиям на работу установки. При наличии отложений на поверхностях элементов контура может увеличиваться гидравлическое сопротивление каналов циркуляции теплоносителя, ухудшаться теплообмен. При наличии в этих отложениях радионуклидов, изменяется радиационная обстановка в помещениях, в которых размещены элементы контура, усложняется проведение ремонтных работ. При отсутствии защитных покрытий на поверхностях сталей в контакте со свинцом, эвтектикой Pb-Bi, начиная с 400-4500С, не обеспечивается стойкость сталей в этих ТЖМТ.

Приводятся результаты аналитического обзора известных методов очистки: отстаивания, фильтрации, восстановления оксидов ТЖМТ, других методов очистки. Формируются задачи исследований.

Во второй главе

Применительно к системам со свинец-висмутовым теплоносителем высокую эффективность показал метод очистки внутренних поверхностей контура ТЖМТ, самого теплоносителя и его свободной поверхности от оксидов компонент теплоносителя путем ввода в объем теплоносителя восстановительных газовых смесей с содержанием газовой или газопаровой смеси не более 3,0-5,0% объемных. Сущность очистки этим методом состоит во введении в объем ТЖМТ газовой смеси, химически активной (или инертной) к отложениям и ее диспергации в объеме теплоносителя с последующей периодической доставкой газовых пузырей к локальным участкам поверхностей конструкционных материалов, к другим местам концентрации примесей в объеме контура, где будет происходить разрушение отложений и вынос примесей в поток теплоносителя. Существенным преимуществом данного способа является то, что в результате процесса очистки от оксидов теплоносителя образуется «чистый» теплоноситель и легко выводимые из контура пары воды.

Расчетно-теоретические исследования и испытания, проводившиеся в НГТУ на стендах со свинец-висмутовым и свинцовым теплоносителями, применительно к условиям реакторов с баковой компоновкой, показали, что при всех случаях течения двухкомпонентных потоков ТЖМТ – «легкая» фаза, со стенок контура и из области между поверхностями жидкого и твердого металлов в поток «выходят» частицы примесей, которые за счет процесса флотации транспортируются газовыми пузырями на свободные поверхности, где сепарируются и концентрируются, образуя слой шлаковых отложений. Основным и наиболее оптимальным методом удаления примесей-оксидов теплоносителя, находящихся на свободной поверхности теплоносителя, является их восстановление восстановительными газовыми смесями. Для очистки свободный поверхностей РУ с ТЖМТ от невосстанавливаемых водородом примесей с участием автора прорабатывались следующие основные методы: «срыв» примесей, с последующей их транспортировкой, газовым потоком; очистка свободных поверхностей магнитами; очистка с захватом примесей перемещаемыми элементами механических устройств; очистка магнитами; очистка гидромеханическими устройствами.

Баковая компоновка реакторных установок имеет свои особенности, которые делают неприемлемыми способы очистки, разработанные для установок с петлевой компоновкой (например, ОК-550, БМ-40А). В результате комплекса проведенных исследования была обоснована и подтверждена возможность использования для очистки контуров с баковой компоновкой двухкомпонентных потоков ТЖМТ с качественным отличием средств и режимов очистки. Проведенный анализ расчетно-теоретических результатов и зависимостей скорости витания пузырей с восстановительной газовой смесью от их радиуса показывает, что с точки зрения транспортировки газовых пузырей к любой точке внутренней поверхности контура реактора с баковой компоновкой, средний размер пузырей должен составлять десятки или не более сотни микрометров.

Исследования характеристик теплообмена от «горячей» поверхности к ТЖМТ и от ТЖМТ к «холодной» поверхности при вводе кислорода и при раскислении контура показали, что при поступлении кислорода в контур образуются отложения оксидов ТЖМТ только на «холодных» поверхностях контура. Характеристики теплообмена на «горячих» поверхностях при этом практически не изменяются. При раскисленнии контура характеристики теплообмена «горячих» поверхностей несколько ухудшаются (до наступления смачивания ТМЖТ твердого металла), вероятно, вследствие образования отложений компонентов конструкционных материалов. Характеристики теплообмена «холодных» поверхностей при этом вначале существенно улучшаются, а затем стабилизируются. Анализ результатов теплофизических исследований показывает, что наиболее предпочтительными для размещения устройств ввода восстановительной газовой смеси и формирования двухкомпонентного потока являются: участки входа в активную зону реактора; входные патрубки у парогенераторов; насос, включая входной участок, и проточную часть насоса.

В третьей главе представлены результаты исследований структуры двухкомпонентных потоков при вводе воздуха в поток воды на входе в подъемный участок, на входе в опускной участок, и на всас циркуляционного насоса, а также исследований двухкомпонентных водо-воздушных потоков на объемной и плоских моделях участков активной зоны и парогенератора реакторной установки баковой компоновки.

В качестве основных направлений исследований способов и устройств ввода газовой фазы и ее диспергации в потоке теплоносителя экспериментально исследовались варианты конструкций насадок различного исполнения с подачей газа: - через сопловые насадки при подъемном режиме течения воды в экспериментальной модели; - через сопловые насадки на всас циркуляционного насоса; - через сопловые насадки при опускном варианте течения воды в экспериментальной модели; - рабочими элементами (два варианта), приводимыми во вращение от собственного электродвигателя (диспергаторами) в свободный объем воды.

Исследовались условия транспортировки потоком теплоносителя газовых пузырей, формируемых диспергаторами, в модели опускного участка (щели) реактора БРЕСТ-ОД-300 и характеристик двухкомпонентного потока в этом участке, подтвердившие возможность доставки пузырей к поверхностям твэл. Исследования условия транспортировки газовых пузырей потоком теплоносителя в модели участка парогенератора РУ баковой компоновки с опускным поперечным обтеканием трубок из материалов, смачиваемых и несмачиваемых теплоносителем, показали особенности обтекания трубок двухкомпонентным потоком с несущей средой, не смачивающей материал трубок.

С использованием представительной диагностики характеристик потока мелкодисперсными пузырьками, образующимися при электролизе воды, проведено исследование структуры и полей скоростей двухкомпонентного потока водяной теплоноситель – газ в модели опускного участка (щели) реактора БРЕСТ-ОД-300 в лотках и опускном участке модели.

При проведении исследований на воде ставились задачи оценки эффективности различных вариантов моделей устройств очистки. Основным результатом исследований являлась выработка рекомендаций для проведения дальнейших исследований на циркуляционных стендах с ТЖМТ.

По результатам аналитических и экспериментальных исследований на воде на моделях активной зоны, парогенератора, опускных и подъемных участков реакторных установок баковой компоновки типа БРЕСТ-ОД-300, определения оптимальных локальных мест ввода двухкомпонентной смеси, определения оптимальных методов и устройств ввода газа в водяной теплоноситель, определения характеристик и структуры двухкомпонентного потока водяной теплоноситель – воздух, можно сделать следующие основные выводы: - наименьший размер пузырей достигается вводом газа с помощью диспергатора, с рабочим элементом в виде рабочих колес; - подтверждена возможность формирования двухкомпонентного потока с использованием сопловых устройств; - оптимальными местами введения двухкомпонентного потока в контур РУ баковой компоновки, исходя из особенностей конструкции, предлагается вход в активную зону реактора, секции парогенератора и вход циркуляционного насоса.

В четвертой главе представлены результаты экспериментальных исследований устройств ввода газовых смесей на жидкометаллических теплоносителях.

Эксперименты проводились на стендах с теплоносителями Pb и Pb-Bi массой от 20 до 200 кг с подачей «легкой» фазы на барботаж через слой 0,2-4,0 м и на циркуляционном стенде с эвтектикой Pb-Bi. Для барботажа использовались аргон, водород, аргоно-водородная смесь, вода, водяной пар.

Рисунок 2 - Сопловой насадок в собранном состоянии

Рисунок 3 - Сопловой насадок в трубе-обечайке



Pages:   || 2 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.