И такие схемы естественной циркуляции (ЕЦ) с подъемным движением теплоносителя в активной зоне в режиме нормальной эксплуатации действительно используются даже в энергетических реакторах, например, таких как ВК-50, однако тепловую мощность в таких установках определить по расходу теплоносителя и перепаду температур (или изменению паросодержания) в первом контуре очень непросто. Кроме того, если речь идет об маломощных исследовательских бассейновых реакторах, проблема оперативного контроля тепловой мощности в них по теплофизическим параметрам первого контура с ЕЦ стоит еще острее, так как прогрев воды бака (бассейна) идет достаточно медленно, поэтому параметры теплоотвода по второму контуру часто не соответствуют текущей тепловой мощности самого исследовательского реактора.

Не вдаваясь в подробности описания всевозможных целей и направлений использования исследовательских реакторов малой мощности, а также опуская описание нейтронно-физических характеристик активных зон, рассмотрим только одну сторону – организацию пассивного теплоотвода при нормальной эксплуатации реакторной установки.

Важным преимуществом реакторных установок этой группы является то, что для них возможно сокращение объема требований по безопасности, но только с учетом их свойств самозащищенности и на основе конкретных обоснований безопасности, представляемых их владельцами для проведения независимой экспертизы.

Пассивный принцип работы систем является одним из ключевых условий высокой надежности и безопасности функционирования. Нет ничего, что могло бы отключить или испортить механизм гравитации, поэтому работа систем на этом принципе является более, чем надежной. Одним из применений гравитации являются системы естественной циркуляции, построенные на разнице гидростатического напора в контуре циркуляции за счет отличающейся температуры и, соответственно, плотности теплоносителя.

Этот принцип удобно применить для организации теплоотвода от активной зоны бассейнового реактора, как показано на рисунке 1.

Рисунок 1 – Пассивная система охлаждения активной зоны бассейнового реактора малой мощности (красным цветом выделена горячая вода, синим – холодная)

Представленная на рисунке достаточно простая схема обеспечивает ключевые требования по безопасности и надежности:

-         Отсутствие движущихся частей в контуре циркуляции не позволяет возникнуть ситуации с резким ухудшением теплоотвода за счет снижения расхода через активную зону;

-         Нисходящее движение теплоносителя позволяет под каждой ТВС установить пробоотборную трубку для контроля герметичности оболочек (КГО), причем нахождение проботбора системы КГО под активной зоны никак не мешает работе органов СУЗ, а также транспортно-технологическим операциям с ТВС и экспериментальными устройствами;

-         Применение сухих градирен исключает капельно-аэрозольный унос радиоактивного теплоносителя, а одноконтурность схемы позволяет обеспечить на них максимальный температурный напор при теплообмене вода-воздух;

-         Относительно большие диаметры циркуляционных трубопроводов обуславливают низкую скорость циркуляции в контуре, а, следовательно, небольшие гидравлические потери, позволяющие обеспечить большой расход теплоносителя в при малом движущем напоре естественной циркуляции;

-         Низкая скорость циркуляции в подъемном трубопроводе приводит к тому, что практически все активные ядра кислорода и азота ко времени выхода из бака реактора  успевают распасться из-за малого периода полураспада;

-         Нахождение основной массы воды в баке реактора при низкой температуре, а в верхней части реактора при чуть более высокой температуре обеспечивает низкий уровень выхода наиболее активированного теплоносителя к поверхности воды, что существенно снижает уровень радиоактивных выбросов. Данное состояние вызвано тем, что опускная труба с холодным теплоносителем нетеплоизолирована и охлаждает воду в баке реактора,  в то время как подъемный трубопровод с горячим теплоносителем теплоизолирован в нижней части, и лишь в верхней части бака реактора он не только не теплоизолирован, но еще и  байпассируется змеевиком, прогревающим верхнюю часть теплоносителя в баке для создания стратификации по плотности теплоносителя, препятствующей выходу активности с поверхности воды.  Все это создает условия для распада активированных продуктов непосредственно в контуре с теплоносителем;

-         Система спецводоочистки также работает в пассивном режиме, так как теплоноситель уже охлажден до достаточно низкой температуры, а перепад давления создается гидравлическим сопротивлением регулирующей арматуры на холодной нитке контура циркуляции. Однако может быть предусмотрена и циркуляция теплоносителя через ионообменные колонки насосом, что позволит очищать воду на остановленном реакторе.

Расчетные температуры подогрева на активной зоне находятся в диапазоне примерно 5÷40°С, средняя температура в баке реактора – 30÷40°С при тепловой мощности реактора от 50 до 2000 кВт и эффективной высоте контура циркуляции от 8 до 17 метров.Следует отметить, что при высокой тепловой мощности требуется предусмотреть большое количество параллельно работающих сухих градирен, либо заменить их контуром с теплообменником и обычными «мокрыми» градирнями.

Полностью пассивной система охлаждения активной зоны является только в случае, если сухие градирни работают за счет естественной конвекции окружающего воздуха (т.е. без вентиляторов), однако тогда их эффективность существенно снижается.

Расчетное обоснование возможности реализации технологической схемы охлаждения реактора с использованием естественной циркуляции облегчается тем, что температура в подъемном и опускном участках практически не меняется и её можно считать постоянной. Тогда движущий напор в контуре определяется по простому соотношению:

ΔP_дв = (ρ_х – ρ_г) ×g×h, где

ΔP_дв – движущий напор естественной циркуляции, Па;

ρ_х –плотность воды в холодном опускном участке, кг/м³;

ρ_г –плотность воды в горячем подъемном участке, кг/м³;

g –ускорение свободного падения, м/с²;

h –высота контура циркуляции (рис.1).

Рассчитанный по этой формуле движущий напор естественной циркуляции в зависимости от разницы температур теплоносителя на опускном и подъемном участках и от высоты контура циркуляции представлен на рисунке 2.

Рисунок 2 –  Движущий напор естественной циркуляции в зависимости от разницы температур теплоносителя на опускном и подъемном участках и от высоты контура циркуляции

Естественная циркуляция устанавливается при равенстве движущего напора ΔP_дв и суммарных гидравлических потерь, включающих потери напора на активной зоне, трубопроводах контура циркуляции, запорно-регулирующей арматуре и сухих градирнях.

Гидравлические потери на активной зоне при низких скоростях циркуляции оценивались расчетомдля типов ТВСВВР-М2 и ИРТ-3М. Результаты потери напора для этих ТВС в зависимости от средней скорости в межтвэльном пространстве представлены на рисунке 3.

Рисунок 3 –  Потери напора для активных зон с ТВС типа ВВР-М2 и ИРТ-3М в зависимости от средней скорости в межтвэльном пространстве

 Для оценки гидравлических потерь в остальной части контура циркуляции принимались следующие параметры:

-         Длина циркуляционных трубопроводов 100 метров;

-         Запорно-регулирующая арматура с коэффициентом гидравлического сопротивления x = 6,5;

-         4 гиба трубопроводов;

-         Суммарные местные гидравлические сопротивления x = 8.

Для анализа гидравлических характеристик рассматривались 3 типоразмера трубопроводов в контуре циркуляции (за исключением активной зоны) – с гидравлическим диаметром 100, 200 и 300 мм. Расчётное гидравлические характеристики контура циркуляции для этих диаметров в зависимости от объемного расхода приведены на рисунке 4, а в зависимости от скорости в трубопроводах – на рисунке 5.

Рисунок 4 –  Гидравлические потери в контуре циркуляции (без активной зоны) для типоразмеров трубопроводов с гидравлическим диаметром 100, 200 и 300 мм в зависимости от объемного расхода

Рисунок 5 –  Гидравлические потери в контуре циркуляции (без активной зоны) для типоразмеров трубопроводов с гидравлическим диаметром 100, 200 и 300 мм в зависимости от скорости в трубопроводах

Из сравнения возможного движущего напора естественной циркуляции и суммарных гидравлических потерь на активной зоне и в остальном контуре можно сделать вывод о достаточной эффективности предлагаемой технологической схемы и возможности создания исследовательских реакторных установок с плотностью нейтронного потока 10¹³-10¹⁴н/(см²с).

Нисходящее движение теплоносителя в активной зоне и предпочтительность максимальной высоты контура циркуляции обусловили некоторые особенности при пуске реактора. В этом режиме должны быть задействованы две дополнительные системы, отключаемые при выводе реактора на мощность:

-          Система заполнения циркуляционного контура теплоносителем;

-          Система предварительного разогрева подъемного участка контура естественной циркуляции.

Основным элементом первой системы является вакуумируемая емкость с уровнемером, подключенная к верхней точке контура циркуляции. Вакуумирование этой емкости позволяет заполнить теплоносителем из бака реактора все трубопроводы и сухие градирни, при этом контроль за полным заполнением осуществляется по появлению воды в этой емкости, регистрируемому с помощью уровнемера или датчика уровня.

После полного заполнения контура циркуляции теплоносителем начинается прогрев подъемного участка трубопроводов при использовании ТЭНов, размещённых в нижней части подъёмной трубы при прикрытой регулирующей арматуре на холодной нитке. После прогрева подъемного участка производится открытие регулирующей арматуры и включение вентиляторов на сухих градирнях для развития циркуляции в контуре и одновременно регулирующими органами поднимается тепловая мощность активной зоны. При выводе на заданный уровень мощности ТЭНы отключаются и в дальнейшем регулирование подогрева теплоносителя на активной зоне осуществляется открытием или закрытием регулирующей арматуры.

Останов реакторной установки осуществляется либо регулирующими органами либо рабочими органами аварийной защиты. После останова отключаются вентиляторы сухих градирен. Низкий уровень остаточного энерговыделения в активной зоне рассматриваемых реакторов не предполагает каких либо дополнительных мер по отводу остаточного тепла от ТВС, кроме как естественной циркуляции.

Слив воды (теплоносителя) из контура циркуляции после останова реактора осуществляется открытием вентиля-воздушника на вакуумируемой емкости, что приводит к соединению этой емкости с атмосферой и сливу воды из циркуляционных трубопроводов в бак реактора под действием силы тяжести.

Из-за простоты схемы трудно представить аварийную ситуацию с нарушением теплоотвода, кроме как разрыва циркуляционного трубопровода или непреднамеренного закрытия регулирующей арматуры.

Меры, которые нужно предпринять для предотвращения негативных последствий в первом случае: в помещениях, где проходят циркуляционные трубопроводы,  должны быть установлены поддоны с датчиками протечек и свободным сливом протекшего теплоносителя обратно в бак реактора. При появлении сигнала от датчиков протечек срабатывают органы аварийной защиты и реактор глушится. Кроме того, открывается вентиль-воздушник на вакуумируемой емкости, что приводит к соединению этой емкости с атмосферой и сливу воды из циркуляционных трубопроводов в бак реактора под действием силы тяжести

Вторая ситуация с нарушением теплоотвода может быть вызвана непреднамеренным закрытием регулирующей арматуры на холодной нитке. В этом случае, по показаниям снижения расхода в трубопроводе контура циркуляции срабатывает аварийный сигнал и реактор так же глушится органами аварийной защиты.

Разгерметизация ТВС идентифицируется системой КГО, реактор глушится персоналом и дефектная ТВС выгружается из активной зоны и бака реактора.

Реактивностей аварии с «самоходами» поглощающих органов должны рассматриваться для конкретных активных зон.

Буду рад, если при проектировании исследовательских реакторов малой мощности кто-либо воспользуется этой технологической схемой и при необходимости окажу посильную помощь (uzikov62@mail.ru).