Ядерный реактор с жидкометаллическим теплоносителем, система для контроля термодинамической активности кислорода в таких реакторах и способ контроля термодинамической активности кислорода

Изобретение относится к ядерной энергетике, и может быть использовано в энергетических установках с жидкометаллическими свинецсодержащими теплоносителями, в частности в реакторах на быстрых нейтронах. Предложены ядерный реактор, способ и система для контроля термодинамической активности кислорода в теплоносителе с постоянно работающими датчиками термодинамической активности кислорода, расположенными в «горячей» и «холодной» зонах корпуса реактора, и дополнительный периодически работающий датчик. Технический результат - возможность постоянного контроля за поддержанием заданных значений термодинамической активности кислорода в жидкометаллическом теплоносителе при любых предусмотренных эксплуатацией режимах. 3 н. и 9 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к ядерной энергетике и может быть использовано в энергетических установках с жидкометаллическими свинецсодержащими теплоносителями, в частности в реакторах на быстрых нейтронах, в 1-м контуре которых используют тяжелые жидкометаллические теплоносители (ТЖМТ) - эвтектический сплав 44,5%Pb-55,5%Bi и свинец соответственно.

Особенностью ТЖМТ является их достаточно высокая коррозионная активность по отношению к конструкционным материалам.

В связи с этим главными задачами технологии свинецсодержащих жидкометаллических теплоносителей, возникающими при их использовании, являются:

- обеспечение коррозионной стойкости конструкционных материалов, используемых в контакте со свинецсодержащим жидкометаллическим теплоносителем;

- обеспечение необходимой чистоты как самого теплоносителя, так и внутренних поверхностей оборудования циркуляционного контура (во избежание зашлаковки отдельных участков установки.

При этом на коррозионное поведение поверхностей оборудования и трубопроводов, работающих в контакте с ТЖМТ, существенное влияние оказывает концентрация растворенного в ТЖМТ кислорода.

В связи с меньшим сродством к кислороду свинца и висмута, чем железа и хрома, на поверхностях сталей, контактирующих с расплавами свинца или свинца-висмута, содержащими растворенный кислород, формируются достаточно тонкие (1-10 мкм), хорошо сцепленные с основой, плотные оксидные пленки. При наличии таких пленок коррозионная стойкость конструкционных материалов значительно возрастает.

Поэтому в настоящее время основным методом защиты конструкционных материалов, контактирующих с ТЖМТ, является кислородная пассивация (ингибирование) поверхностей, которая заключается в формировании и поддержании на поверхностях материала оксидных пленок.

В силу оксидной природы пленок их состояние в процессе эксплуатации установки в значительной степени определяется уровнем термодинамической активности кислорода в теплоносителе.

При снижении концентрации растворенного кислорода в теплоносителе (свинец-висмут, свинец) ниже критического значения не обеспечивается надежная антикоррозионная защита конструкционных сталей.

С другой стороны, присутствие в теплоносителе значительного количества кислорода нежелательно, т.к. это может привести к накоплению недопустимого количества твердофазных оксидов в теплоносителе.

Все это требует постоянного контроля за поддержанием заданных значений термодинамической активности кислорода в теплоносителе при любых предусмотренных эксплуатацией режимах.

Предшествующий уровень техники

Известна ядерная энергетическая установка, включающая ядерный реактор с жидкометаллическим теплоносителем, корпус которого имеет размещенную под уровнем теплоносителя активную зону, парогенераторы, циркуляционные насосы и систему контроля за состоянием жидкометаллического теплоносителя, который осуществляют путем постоянных замеров термодинамической активности кислорода с помощью одного контролирующего элемента, погруженного в теплоноситель и подсоединенного к измерительному блоку [Мартынов П.Н., Асхадуллин Р.Ш., Симаков А.А. и др. «Создание автоматизированной системы контроля прогнозирования и управления состоянием свинцово-висмутового (свинцового) теплоносителя и поверхностей контура ядерных энергетических установок». Сб. трудов третьей межотраслевой научно-практической конференции «Тяжелые жидкометаллические теплоносители в ядерных технологиях». Обнинск. 15-19 сентября 2008 г. В 2-х томах. Обнинск: ГНЦ РФ-ФЭИ, 2010. - Т.1. - Стр.128-136].

Однако полученные данные не всегда объективны, поскольку не дают знания истинных значений термодинамической активности кислорода в разных частях контура и при различных технологических режимах, что ведет к шлакообразованию и кристаллизации оксидных фаз в «холодных» частях контура ядерной установки, и к разрушению защитных оксидных покрытий на внутренних поверхностях конструкционных материалов на ее «горячих» участках.

Поэтому для осуществления надежной и безопасной эксплуатации ядерных установок с циркулирующим жидкометаллическим теплоносителем необходимо поддерживать термодинамическую активность кислорода в теплоносителе на определенном уровне, а следовательно, обеспечить надежный и достоверный контроль этого параметра.

Кроме того, обычной практикой для получения оперативной информации о зависимости термодинамической активности кислорода от температуры является изменение режима работы всей ядерной установки (изменение ее мощности, расхода теплоносителя), что крайне нежелательно.

Раскрытие изобретения

Технической задачей настоящего изобретения является обеспечение надежного контроля за состоянием заданных значений термодинамической активности кислорода в жидкометаллическом теплоносителе и поддержание их при любых предусмотренных эксплуатацией режимах ядерной установки.

Технический результат изобретения - повышение надежности работы реактора за счет обеспечения возможности получения постоянной и достоверной информации о физико-химических процессах, протекающих в жидкометаллическом теплоносителе в проточной части реактора.

Вышеуказанный результат достигается созданием ядерного реактора с жидкометаллическим теплоносителем, включающего корпус с размещенной под уровнем теплоносителя активной зоной, парогенераторы, циркуляционные насосы и систему контроля за состоянием жидкометаллического теплоносителя, содержащую размещенный в реакторе контролирующий элемент, подсоединенный к измерительному блоку, при этом контролирующий элемент системы представляет собой размещенные в центральной и периферийной частях корпуса реактора датчики термодинамической активности кислорода, чувствительные элементы которых находятся в слое жидкометаллического теплоносителя, и дополнительный датчик термодинамической активности кислорода, размещенный над уровнем жидкометаллического теплоносителя и установленный с возможностью периодического погружения его в теплоноситель.

Количество датчиков термодинамической активности кислорода может быть различно; увеличение их количества повышает точность измерений. Однако их установка связана с нарушением целостности корпуса реактора, поэтому предпочтительно, что количество датчиков термодинамической активности кислорода, чувствительные элементы которых находятся в слое жидкометаллического теплоносителя, составляет не менее двух. При этом один из них находится в «горячей» центральной части корпуса реактора в зоне выхода теплоносителя из активной зоны, а второй - в периферийной «холодной» части корпуса.

Поскольку дополнительный датчик термодинамической активности кислорода, размещенный над уровнем теплоносителя, работает периодически, он снабжен механизмом его вертикального перемещения для необходимого погружения чувствительного элемента этого датчика в слой теплоносителя.

Предпочтительно, что дополнительный датчик термодинамической активности кислорода размещен над уровнем теплоносителя в центральной части корпуса реактора.

Предпочтительно, что в качестве датчиков термодинамической активности кислорода используют датчики на твердых электролитах.

Технический результат изобретения достигается также созданием системы контроля за состоянием жидкометаллического теплоносителя в ядерных реакторах, включающей размещенный в реакторе контролирующий элемент, подсоединенный к измерительному блоку, при этом контролирующий элемент выполнен в виде размещенных в центральной и периферийной частях корпуса реактора постоянно действующих датчиков термодинамической активности кислорода, чувствительные элементы которых находятся в слое жидкометаллического теплоносителя, и дополнительно - датчика термодинамической активности кислорода, размещенного над уровнем жидкометаллического теплоносителя и установленного с возможностью периодического погружения в теплоноситель.

Предпочтительно при этом, что количество датчиков термодинамической активности кислорода, чувствительные элементы которых находятся в слое жидкометаллического теплоносителя, составляет не менее двух.

Предпочтительно при этом, что дополнительный датчик термодинамической активности кислорода, размещенный над уровнем теплоносителя, снабжен механизмом вертикального перемещения.

Предпочтительно также, что дополнительный датчик термодинамической активности кислорода размещен над уровнем теплоносителя в центральной части корпуса реактора.

Предпочтительно, что в качестве датчиков термодинамической активности кислорода используют датчики на твердых электролитах.

При этом датчики должны надежно работать в условиях агрессивного воздействия расплава Pb или Pb-Bi при температурах 350-650°С, давлениях до 1,5 МПа, термоударах до 100°С/сек и скоростях теплоносителя до 1,0 м/сек.

Поэтому использованные в изобретении датчики термодинамической активности кислорода работают на основе электрохимического метода с использованием гальванического концентрационного элемента на основе твердого оксидного электролита. Подобные датчики известны и применяются для определения содержания кислорода в различных веществах в энергетике, химической промышленности и автомобилестроении для контроля кислорода в газах; в металлургии и полупроводниковой технике - в расплавах металлов.

Заявитель защищает также способ контроля термодинамической активности кислорода в ядерном реакторе с жидкометаллическим теплоносителем по п.1, осуществляемый путем измерения термодинамической активности кислорода в теплоносителе и передаче показаний на измерительный блок, при этом постоянно осуществляют измерения в центральной «горячей» и периферийной «холодной» частях корпуса реактора и дополнительно периодически осуществляют измерения термодинамической активности кислорода в центральной «горячей» части реактора.

Дополнительные измерения термодинамической активности кислорода в центральной части реактора осуществляют 1-2 раза в месяц.

Краткое описание чертежей

Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг.1 показан ядерный реактор с системой контроля термодинамической активности кислорода в жидкометаллическом теплоносителе, а на фиг.2 - график зависимости показаний датчиков термодинамической активности кислорода (ДАК) от температуры свинцово-висмутового теплоносителя в установках БМ-40А и ОК-550.

Осуществление изобретения

Ядерный реактор с жидкометаллическим теплоносителем имеет корпус 1 с расположенной под уровнем теплоносителя активной зоной 2, над которой расположена защитная пробка 3 с каналом 4 для размещения датчика. В корпусе 1 реактора расположены также парогенераторы 5 и циркуляционные насосы 6; в верхней его части находится защитный газ.

Система для контроля термодинамической активности кислорода в теплоносителе содержит постоянно действующий датчик термодинамической активности кислорода 7, который снабжен чувствительным элементом 8, размещенным в слое жидкометаллического теплоносителя в центральной «горячей» части корпуса 1 реактора в канале 4 защитной пробки 3. Датчик 7 подключен к единому измерительному блоку (на чертеже не показан).

Датчик термодинамической активности кислорода 9 системы контроля имеет чувствительный элемент 10, который размещен в слое жидкометаллического теплоносителя в периферийной «холодной» части корпуса 1 реактора. Датчик 9 подключен к единому измерительному блоку (на чертеже не показан).

Дополнительный датчик термодинамической активности кислорода 11 системы контроля размещен над уровнем жидкометаллического теплоносителя и установлен с возможностью периодического перемещения его чувствительного элемента 12 под уровень теплоносителя с помощью механизма вертикального перемещения 13, который может быть выполнен любым подходящим для этой цели образом. Датчик 11 также подключен к единому измерительному блоку (на чертеже не показан).

Периодичность измерений термодинамической активности кислорода дополнительным датчиком 11 определяется в каждом конкретном случае экспериментально, и составляет в среднем один - два раза в месяц.

Ядерный реактор с системой контроля термодинамической активности кислорода работает, а способ контроля - осуществляют следующим образом.

Нагретый в активной зоне 3 расплавленный теплоноситель под напором насосов 6 поступает к парогенераторам 5, отдавая тепловую энергию быстрой активной зоны водяному пару. В процессе эксплуатации реактора с помощью датчиков термодинамической активности кислорода 7 и 9 определяют численные значения термодинамической активности кислорода в «горячей» и «холодной» зонах корпуса 1 реактора. Показатели измерений передаются в единый измерительный блок. Затем определяют температурную зависимость термодинамической активности кислорода и сравнивают ее с табулированными значениями, что позволяет сделать вывод о состоянии жидкометаллического теплоносителя в реакторе, например о наличии образовавшихся примесей в теплоносителе в результате его взаимодействия с конструкционными сталями.

При отклонении замеренных показателей от заданных концентрацию растворенного в теплоносителе кислорода поддерживают путем растворения в нем оксидов компонентов теплоносителя, которые предварительно вводят в контур, либо формируют их путем выкристаллизации из теплоносителя и накапливания на фильтре.

Таким образом осуществляют постоянный контроль за поддержанием заданных значений термодинамической активности кислорода в теплоносителе при любых предусмотренных эксплуатацией режимах.

Как уже отмечалось, в процессе эксплуатации установки значение величины термодинамической активности кислорода в теплоносителе должно находиться в диапазоне, обеспечивающем во всех участках неизотермического контура, с одной стороны, сохранность оксидных пассивационных пленок на поверхностях конструкционных материалов, т.е. их коррозионную стойкость, а с другой стороны, отсутствие образования шлаковых отложений на внутренних поверхностях элементов контура реактора.

При длительной эксплуатации ядерных реакторов с циркуляционным контуром с жидкометаллическим теплоносителем растворенный в теплоносителе кислород непрерывно потребляется на связывание диффундирующих в объем расплава примесей компонентов конструкционных материалов (железо, хром), имеющих большее, чем компоненты теплоносителя, химическое сродство к кислороду.

Это может привести к снижению уровня концентрации растворенного кислорода до значений, при которых начинают разрушаться защитные оксидные покрытия, что означает резкое усиление коррозии. Поэтому одним из важнейших параметров, характеризующих качество эксплуатации циркуляционных контуров с жидкометаллическими теплоносителями на основе свинца, является термодинамическая активность растворенного в расплаве кислорода, которую необходимо контролировать постоянно.

В соответствии с настоящим изобретением в случае нарушения работы постоянных датчиков или возникновении подозрений об их неисправности измерения осуществляют датчиком термодинамической активности кислорода 11 (имеющим контролирующую и резервную функции). Измерения осуществляют периодически, например 1-2 раза в месяц, для того чтобы сравнить их с показаниями датчиков 7 и 9 или иметь возможность осуществить замеры термодинамической активности кислорода при выходе их из строя.

Таким образом, повышается надежность работы ядерного реактора и достоверность получаемой информации о физико-химических процессах в его проточной части. Размещение постоянно работающих датчиков термодинамической активности кислорода в «горячей» и «холодной» частях корпуса реактора и наличие дополнительного периодически работающего датчика термодинамической активности кислорода, кроме того, позволяет получать оперативную информацию без обычного в практике изменения режима работы реактора.

Использование настоящего изобретения позволяет увеличить срок службы стального циркуляционного контура ядерного реактора с жидкометаллическим теплоносителем, исключить формирование шлаковых отложений и повысить эффективность работы применяемых в контурах фильтрующих устройств.

Представленный на фиг.2 график зависимости показаний датчиков термодинамической активности кислорода (ДАК) от температуры свинцово-висмутового теплоносителя демонстрирует в качестве иллюстрации к описанию изобретения конкретные изменения показаний датчиков термодинамической активности кислорода в свинцово-висмутовых циркуляционных контурах различных ядерных установок.

1. Ядерный реактор с жидкометаллическим теплоносителем, включающий корпус с размещенной под уровнем теплоносителя активной зоной, парогенераторы, циркуляционные насосы и систему контроля за состоянием жидкометаллического теплоносителя, содержащую размещенный в реакторе контролирующий элемент, подсоединенный к измерительному блоку, отличающийся тем, что контролирующий элемент системы представляет собой размещенные в центральной и периферийной частях корпуса реактора датчики термодинамической активности кислорода, чувствительные элементы которых находятся в слое жидкометаллического теплоносителя, и дополнительный датчик термодинамической активности кислорода, размещенный над уровнем жидкометаллического теплоносителя и установленный с возможностью периодического погружения его в теплоноситель.

2. Реактор по п.1, отличающийся тем, что количество датчиков термодинамической активности кислорода, чувствительные элементы которых находятся в слое жидкометаллического теплоносителя, составляет не менее двух.

3. Реактор по п.1, отличающийся тем, что дополнительный датчик термодинамической активности кислорода, размещенный над уровнем теплоносителя, снабжен механизмом вертикального перемещения.

4. Реактор по п.1, отличающийся тем, что дополнительный датчик термодинамической активности кислорода размещен в центральной части корпуса реактора.

5. Реактор по п.1, отличающийся тем, что в качестве датчиков термодинамической активности кислорода используют датчики на твердых электролитах.

6. Система контроля за состоянием жидкометаллического теплоносителя в ядерных реакторах, включающая размещенный в реакторе контролирующий элемент, подсоединенный к измерительному блоку, отличающаяся тем, что контролирующий элемент представляет собой размещенные в центральной и периферийной частях корпуса реактора датчики термодинамической активности кислорода, чувствительные элементы которых находятся в слое жидкометаллического теплоносителя, и дополнительный датчик термодинамической активности кислорода, размещенный над уровнем жидкометаллического теплоносителя и установленный с возможностью периодического погружения в теплоноситель.

7. Система по п.1, отличающаяся тем, что количество датчиков термодинамической активности кислорода, чувствительные элементы которых находятся в слое жидкометаллического теплоносителя, составляет не менее двух.

8. Система по п.1, отличающаяся тем, что дополнительный датчик термодинамической активности кислорода, размещенный над уровнем теплоносителя, снабжен механизмом вертикального перемещения.

9. Система по п.1, отличающаяся тем, что дополнительный датчик термодинамической активности кислорода размещен в центральной части корпуса реактора.

10. Система по п.1, отличающаяся тем, что в качестве датчиков термодинамической активности кислорода используют датчики на твердых электролитах.

11. Способ контроля термодинамической активности кислорода в ядерном реакторе с жидкометаллическим теплоносителем по п.1, осуществляемый путем измерения термодинамической активности кислорода в теплоносителе и передачи показаний на измерительный блок, характеризующийся тем, что постоянно осуществляют измерения в центральной «горячей» и периферийной «холодной» частях корпуса реактора и дополнительно периодически осуществляют измерения термодинамической активности кислорода в центральной «горячей» части реактора.

12. Способ контроля по п.11, отличающийся тем, что дополнительные измерения термодинамической активности кислорода в центральной части реактора осуществляют 1-2 раза в месяц.