2.4. Основные схемы парогенераторов, обогреваемых жидким металлом
Применение жидкометаллических теплоносителей для энергетических ядерных реакторов обусловлено мно-гими причинами. Главные из них: внедрение в ядерную
энергетику реакторов на быстрых нейтронах, повышение параметров парового цикла, возможность использования серийных турбин. Жидкие металлы в отличие от других жидкостей имеют простую атомную структуру, практически не разлагаются под действием облучения и нагрева в активной зоне реактора. Их высокая температура кипения и низкое давление насыщенных паров практически не ограничивают температуру нагрева при самых малых дав-лениях в контуре. Жидкие металлы обладают весьма цен-ными теплофизическими свойствами. В первую очередь это относится к теплопроводности, которая у жидких металлов намного выше, чем у воды. Поэтому интенсивность теплообмена для всех жидких металлов высокая. Верхний температурный предел применения жидких металлов как теплоносителей ограничивается жаропрочностью или коррозионной стойкостью конструкционных материалов. По ядерно-физическим, теплофизическим и физико-химиче-ским свойствам в качестве теплоносителей для ядерной энергетики в настоящее время наиболее предпочтительны натрий, калий и их сплавы. Несмотря на существенные недостатки, такие как высокая химическая активность по отношению к воде и воздуху, активация в реакторе (с об-разованием долгоживущего изотопа), лучшим жидкоме-галлическим теплоносителем является натрий. Натрий об-ладает самой высокой из всех теплоносителей теплопро-водностью, его плотность и вязкость такие же, как у воды, а теплоемкость выше, чем у других жидких металлов, кроме лития. Калий практически по всем свойствам (кроме температуры плавления) уступает натрию. Основное ухудшение свойств сплавов по сравнению с чистым натрием заключается в уменьшении теплопроводности. На дей-ствующих советских АЭС с реакторами Бор-60, БН-350, БН-600 в качестве теплоносителя используется натрий. В Советском Союзе и за рубежом на АЭС с реакторами на быстрых нейтронах нашли широкое применение паро-генераторы как прямоточные, так и с естественной цирку-ляцией рабочего тела. Представляет интерес прямоточный парогенератор АЭС «Энрико Ферми», США (рис. 2.9).
В этом парогенераторе питательная вода подается в кольцевой коллектор 6 по патрубку 5, далее распределяется по опускным трубам 3, проходит вниз и попадает вначале в экономайзерную зону, затем в испаритель, а далее — в пароперегреватель. Перегретый пар собирается в кольцевом коллекторе 8, а затем по патрубку 7 поступает в магистральный паропровод. Поверхность теплообмена 1, образованная двухрядными змеевиками, расположена в кольцевом объеме, созданном
корпусом 9 и кольцевой трубой 10. Натрий из промежуточного тепло-обменника поступает в кольцевую полость по двум входным патрубкам 2, проходит по межтрубному пространству теплообменной поверхности сверху вниз, отдает теплоту, охлаждается и выходит из парогенератора через патрубок 11. Большая часть центральной трубы занята натрием, а верхняя часть — инертным газом. Газовый объем предназначен для компенсации температурного расширения натрия, а также для
Рис. 2.9. Конструкционная схема Рис. 2.10. Общий вид парогенера- прямоточного парогенератора тора установки с реактором
АЭС «Энрико Ферми» БН-350
повышения давления при случайном взаимодействии воды и натрия. При взаимодействии натрия с водой осуществляется выброс продуктов в специальный сепаратор через патрубок 4.
Заслуживает внимания отечественный парогенератор с естественной циркуляцией рабочего тела в испарительных каналах, установленный на АЭС с реактором БН-350 (рис. 2.10). При создании парогенератора данного типа в течение длительного времени проводились теплогидроди-намические и коррозионно-эрозионные исследования на одно- и многоканальных моделях. Полученные результаты использованы при окончательном выборе рабочего варианта парогенератора.
Испаритель парогенератора состоит из двух корпусов: нижнего 1, в котором расположены испарительные каналы 2, выполненные в виде
трубки Фильда, и верхнего 3, в котором расположены подъемные на-правляющие трубы 4, кольцевой распределительный коллектор пита-тельной воды 5 с раздаточными трубами 7 и сепарирующие устройства 6. Вода из водяного пространства 8 верхнего корпуса поступает в испарительные каналы через отверстия 9 и направляется вниз по опускным трубам 10. В нижней части поток воды выходит из опускной трубы, разворачивается на 180° и входит в кольцевую щель, образованную опускной трубой и внешней обогреваемой трубой испарительного канала. В кольцевой щели осуществляется генерация пара иод воздействием теплоты, воспринимаемой от протекающего вдоль испарительных каналов жидкого натрия. Пароводяная смесь поднимается вверх по кольцевой щели и выходит из испарительного канала через направляющую трубу. Отсепарированный пар из верхнего корпуса направляется по трубопроводу во входную камеру пароперегревателя 13. Из камеры пар по пароперегревательным трубам 17 поступает в выходную камеру 14, воспринимая на своем пути теплоту от протекающего по межтрубному пространству жидкого натрия. Пароперегреватель представляет собой U-образный пучок труб, закрепленных в трубных досках 15 и размещенных в корпусе 19. Жидкий натрий из промежуточного теплообменника входит вначале в пароперегреватель через патрубок 16, проходит через пароперегреватель и выходит через патрубок 18, а далее по трубопроводу 20 подается в нижнюю часть испарителя, поднимается в испарителе но пространству, заключенному между нижним корпусом и испарительными каналами, и выходит через патрубок 12.
Геометрические размеры испарительных каналов и их количество определяются мощностью парогенератора. Испарительные каналы верх-ними концами крепятся в трубной доске 11, их нижние концы свободны, что создает благоприятное условие для компенсации термических расширений.
Теплообменные поверхности испарителя и пароперегре-вателя изготовлены из низколегированной стали перлитного класса марки 1Х2М. Парогенератор вырабатывает пар давлением 4,5 МПа· с температурой перегрева 435°С.
Прямоточный парогенератор АЭС с реактором БH-600 представляет собой совокупность теплообменников прямоканального типа, включенных последовательно по схеме экономайзер — испаритель — пароперегреватель. Серия установленных пиналов, работающих параллельно, обеспечивает расчетную мощность парогенератора.