Основные положения технологии натрия как теплоносителя реакторов на быстрых нейтронах. Требования к качеству реакторного натрия
- Главная
- Химия
- Основные положения технологии натрия как теплоносителя реакторов на быстрых нейтронах. Требования к качеству реакторного натрия
Содержание
- 2. Из истории натриевой лаборатории 1954 г. - организован теплофизический отдел (В.И. Субботин); 1956 г. - начаты
- 3. Основные положения технологии натрия как теплоносителя реакторов на быстрых нейтронах Разделы натриевой технологии Физико-химические процессы в
- 4. Основные положения технологии натрия как теплоносителя реакторов на быстрых нейтронах Необходимые знания 1. Ядерно-физические свойства натрия.
- 5. Основные положения технологии натрия как теплоносителя реакторов на быстрых нейтронах Взаимодействие с кислородом 2Na + 1/2O2
- 6. Допустимые концентрации примесей Влияние примесей на: Ядерно-физич. и тепло-гидр. характеристики АЗ Коррозию конструкционных материалов Обеспечение технологических
- 7. Требования к качеству реакторного натрия Требования по чистоте реакторного натрия и содержание примесей в теплоносителе БН-600
- 8. Технические требования по ограничению примесей в натрии реакторной чистоты Уровень кислорода в натриевом контуре в основном
- 9. Технические требования по ограничению примесей в натрии реакторной чистоты Ограничение содержания калия обусловлено двумя факторами: активацией
- 10. Технические требования по ограничению примесей в натрии реакторной чистоты Отрицательное влияние примеси хлора на свойства натрия
- 11. Контур для охлаждающего натрия должен удовлетворять всем требованиям, предъявляемым к установкам со щелочными металлами. (Правила устройства
- 12. Очевидно, что такой контур представляет собой сложную и громоздкую конструкцию. Схема натриевого контура охлаждения встроенной в
- 13. Технологическая схема стенда САЗ модуль испарителя, 2- модуль перегревателя, 3- сливные баки, 4- насос ЦЛИН 9/1200,
- 14. Стенд САЗ
- 15. 1 - Шахта; 2 - Корпус; 3 - Главный циркуляционный насос 1 контура; 4 - Электродвигатель
- 19. Primary integrated purification system
- 20. Этапы разработки встроенных холодных ловушек (ХЛ) Создание 3-х мерной математической модели массопереноса примесей в ХЛ. Экспериментальное
- 21. Петля парогенератора БН-1200 1 – испаритель-пароперегреватель; 2 – промпароперегреватель; 3 – буферная емкость; 4 – ГЦН;
- 22. Взаимодействие натрия с водой и течи натрия в парогенераторах
- 23. Общий вид теплообменного модуля парогенератора Н-485М
- 24. Эскизы оборудования РУ БН-1200: а) теплообменник промежуточный РНАТ.065113.012; б) главный циркуляционный насос второго контура РНАТ.062623.006
- 26. Componant design : Heat power of 400 MWth Heat exchangers Na / Gaz
- 27. Натриевая лаборатория Натриевая лаборатория является центром исследований по натриевой технологии в России с самого начала развития
- 28. Исследование массопереноса примесей в потоках щелочных металлов (O2, H2, H2O, минеральное масло и т.д.) в т.
- 29. Стенд ПРОТВА-2 Исследование кинетики реакции Na с веществами. Тестирование аппаратуры контроля примесей в Na Разработка усовершенствованного
- 30. Стенд СИД Исследование массопереноса углеродосодержащих примесей в Na Исследование поведения системы натрий-примесь-конструкционный материал при переходе к
- 31. Теплоноситель – Na; Р = 0,5 МПа; Т = до 700 оС; N = 200 кВт;
- 32. Исследования термического взаимодействия кориума с натрием Экспериментальное определение коэффициентов конверсии термического взаимодействия и перемещения материалов при
- 33. Экспериментальный участок «Вращающийся диск». Получены данные по эрозионному воздействию потоков свинца на сталь. Исследованы методы защиты
- 34. Совместимость щелочных жидкометаллических теплоносителей с конструкционными материалами Коррозия конструкционных материалов в натрии
- 35. Коррозия конструкционных материалов в натрии Скорость коррозии хромоникелевой стали в натрии J = 81 exp(-107200/RT) CO1,2
- 36. Коррозия конструкционных материалов в натрии Для аустенитных хромоникелевых сталей J = JoCo1,2 f exp(- 12900/T) J,
- 38. при повышении температуры натрия с 550 0С до 950 0С скорость коррозии возрастает более, чем на
- 39. Коррозия конструкционных материалов в натрии Коррозионная стойкость ванадия, ниобия, тантала и сплавов на их основе в
- 40. Коррозия конструкционных материалов в натрии Молибден и вольфрам имеют высокую коррозионную стойкость в натрии, даже загрязненном
- 41. Поведение продуктов взаимодействия натрия с водой. Химическое взаимодействие натрия и воды протекает в два этапа. На
- 42. Признаками малой течи, являются увеличение концентрации примесей в теплоносителе и наличие коррозионно-эрозионного разрушения материала в зоне
- 43. Взаимодействие натрия с водой и течи натрия в парогенераторах
- 44. Процессы коррозионно-эрозионного разрушения сталей при струйном истечении воды в натрий. Начиная с определенного размера дефекта в
- 45. Большие течи воды в натрий в условиях парогенератора. Характер и параметры процесса при больших течах воды
- 46. Характер разрушений парогенераторной стали 10Х2 М в зоне течи воды в натрий Взаимодействие натрия с водой
- 47. 1Х2М; Х18Н10Т; ЭП-337. Скорость разрушения канала истечения для: При температуре натрия 300°С скорость разрушения канала истечения
- 48. Эффективность подсистемы контроля течи при исходной течи под ВТД ИС (100% от Nном.) Взаимодействие натрия с
- 49. Экспериментально изучены процессы при истечении ЩМТ из контуров характеристики протечек натрия через дефекты; высокочувствительные и надежные
- 50. 900о C 300о C 100о C Течи натрия из контура, противопожарные мероприятия
- 51. Основные характеристики горения натрия и образующихся аэрозолей: скорость выгорания натрия зависит от работы вентиляции и составляет
- 52. Основной задачей, стоящей перед системой пожарной безопасности помещений с натриевым оборудованием, является защита технологических помещений с
- 53. Перечень систем обнаружения течей и горения натрия: – система обнаружения дыма; – система обнаружения замыкания электронагревателей;
- 54. Основные принципы локализации натриевого пожара : – пожарное зонирование технологических помещений с натриевым оборудованием; – герметизация
- 55. Течи натрия из контура, противопожарные мероприятия Технологические помещения с натриевым оборудованием герметизируются. Требования по герметичности характеризуется
- 56. Течи натрия из контура, противопожарные мероприятия При анализе МРА (максимальная расчетная авария) в помещениях 2-го контура
- 57. Течи натрия из контура, противопожарные мероприятия Температура газа в помещении
- 58. Течи натрия из контура, противопожарные мероприятия 1 – облицовка, 2 – верхний слой теплоизоляции, 3 –
- 60. Скачать презентацию
Из истории натриевой лаборатории
1954 г. - организован теплофизический отдел (В.И. Субботин);
1956
Из истории натриевой лаборатории
1954 г. - организован теплофизический отдел (В.И. Субботин);
1956
1958 г. - выданы рекомендации для установки БР-10;
1960 г. - начало работ по обеспечению проектирования БН-350;
1964 - 1965 гг. - организована натриевая лаборатория (Ф.А. Козлов);
1971 г. - выданы рекомендации для установки БН-600;
1975 - 1985 гг. - проведены исследования системы углерод-натрий-конструкционный материал;
1983 - 1984 гг. - разработано и выпущено руководство-рекомендации "Натрий - теплоноситель ЯЭУ с реакторами на быстрых нейтронах";
1984 г. - создан экспериментальный стенд "Протва";
1989 г. - создан экспериментальный стенд "Ирина";
1990 г. - создан экспериментальный стенд "Плутон";
1992 - 1993 гг. - выполнены НИР в связи с аварийным попаданием масла в первый контур PFR;
1998 г. - завершен комплекс исследований по массопереносу трития в натриевых контурах ЯЭУ;
1999 г. - завершены исследования по формированию отложений на поверхности газовых полостей в контурах с натрием;
2000 г. - разработан компьютерный код для расчета массопереноса продуктов коррозии в неизотермическом натриевом контуре.
2001 – 2011 г. – участие в разработках по созданию перспективных ЯЭУ с реакторами на быстрых нейтронах с натриевым охлаждением.
Основные положения технологии натрия как теплоносителя реакторов на быстрых нейтронах
Разделы натриевой
Основные положения технологии натрия как теплоносителя реакторов на быстрых нейтронах
Разделы натриевой
Физико-химические процессы в натрии
Очистка натрия от примесей
Контроль содержания примесей в натрии
Оборудование натриевых контуров
Натриевые пожары
Отмывка оборудования от натрия
Утилизация отходов натрия.
Основной задачей, стоящей перед натриевой технологией в ядерной энергетике, является повышение экономической эффективности и надежности, безопасности ЯЭУ с реакторами на быстрых нейтронах. Ее решение может быть обеспечено за счет поддержания надлежащего качества натриевого теплоносителя в контурах ЯЭУ, проведения работ с учетом закономерностей поведения различных примесей (включая радионуклиды) в контурных условиях и технологических операциях после извлечения оборудования из контура.
Основные положения технологии натрия как теплоносителя реакторов на быстрых нейтронах
Необходимые знания
1.
Основные положения технологии натрия как теплоносителя реакторов на быстрых нейтронах
Необходимые знания
1.
2. Термодинамические свойства конденсированной фазы натрия и его основных соединений (теплоемкость, энтальпия, энтропия, энергия Гиббса).
3. Теплофизические свойства натрия: Температура и теплота плавления, кипения. Плотность и термические коэффициенты на линии насыщения. Давление насыщенных паров. Поверхностное натяжение. Вязкость. Теплопроводность.
4. Термодинамические и теплофизические свойства паровой фазы натрия.
5. Химические свойства натрия и его соединений. Константы скорости реакций взаимодействия примесей в натрии.
6. Коэффициенты диффузии примесей в натрии.
7. Растворимость индивидуальных веществ и соединений в натрии.
8. Коррозионные процессы в натрии.
9. Закономерности поведения дисперсной фазы в натрии. Адгезия и трение.
10. Массоперенос в натриевых контурах.
11. Процессы при взаимодействии расплавов топлива и материалов активной зоны быстрых реакторов с натрием.
12. Источники примесей в натриевых контурах, радионуклиды.
Основные положения технологии натрия как теплоносителя реакторов на быстрых нейтронах
Взаимодействие с
Основные положения технологии натрия как теплоносителя реакторов на быстрых нейтронах
Взаимодействие с
2Na + 1/2O2 = Na2O
Взаимодействие с водородом
Na + 1/2H2 = NaH
Взаимодействие с водой
Na + H2O = NaOH +1/2H2
NaOH + 2Na = Na2O + NaH
Na + 1/2H2 = NaH
Распространенные примеси
Na2O2; Na2C2; Na2CO3; NaCrO2; Na 4FeO3; Na3N
Fe; Cr; Ni; C; др.
радионуклиды
Допустимые концентрации примесей
Влияние примесей на:
Ядерно-физич. и тепло-гидр. характеристики АЗ
Коррозию конструкционных материалов
Обеспечение
Допустимые концентрации примесей
Влияние примесей на:
Ядерно-физич. и тепло-гидр. характеристики АЗ
Коррозию конструкционных материалов
Обеспечение
Определяющие факторы регламентируются ОСТОМ.
Требования к качеству реакторного натрия
Требования по чистоте реакторного натрия и содержание
Требования к качеству реакторного натрия
Требования по чистоте реакторного натрия и содержание
10
Олово
20
20
<
20
<
20
11
Кислород
50
10
2
2
12
Водород
−
0,5
не измер.
0,02
13
Цезий, МБк/кг
−
185
176
−
Технические требования по ограничению примесей в натрии реакторной чистоты
Уровень кислорода в
Технические требования по ограничению примесей в натрии реакторной чистоты
Уровень кислорода в
Водород оказывает меньшее коррозионное воздействие на конструкционные материалы, чем кислород, однако совместное воздействие этих примесей приводит к возрастанию коррозии сталей. Так, скорость растворения перлитных сталей при 400 оС увеличилась в 2 раза при добавлении в натрий примеси водорода по сравнению со средой, содержащей только кислород, и в 1,6 раза – для аустенитных сталей. Основываясь на подходе, аналогичном для кислорода, норма содержания в ОСТе для водорода установлена 0,5ppm.
Присутствие примеси углерода в жидкометаллических контурах приводит к науглероживанию сталей аустенитного класса и к обезуглероживанию сталей перлитного класса. Оба эти процесса влияют на механические свойства сталей, в частности, науглероживание вызывает охрупчивание поверхностного слоя стали и снижение ее пластичности, а обезуглероживание приводит к снижению длительной прочности стали. Исходя из допустимости снижения прочностных характеристик стали на 10% в процессе эксплуатации реакторной установки, рекомендованы следующие нормы содержания углерода в натрии:
- для I контура 16 ppm, в т.ч. не более 4,5 ppm в виде соединений с водородом,
- для II контура 50 ppm, в т.ч. не более 15 ppm в виде соединений с водородом.
На стадии поставки натрия с завода на АЭС содержание углерода не должно превышать 30 ppm.
Соединения азота, присутствующие в натрии, при определенных условиях вызывают азотирование сталей, в результате происходит упрочнение материала и снижение его пластических свойств. Изменение пластичности сталей аустенитного класса зависит от рабочей температуры, времени выдержки и парциального давления азота (в степени 0,5). Величина допустимого содержания азота в натрии, определяемая данными параметрами, а также состоянием конструкционного материала, лимитирована 10 ppm.
Другие примеси, включенные в ОСТ (см. таблицу), не оказывают непосредственного влияния на безопасность реактора, однако могут ухудшать свойства теплоносителя. К таким примесям относятся: калий, кальций, хлор, железо, кремний, олово, висмут.
Технические требования по ограничению примесей в натрии реакторной чистоты
Ограничение содержания калия
Технические требования по ограничению примесей в натрии реакторной чистоты
Ограничение содержания калия
активацией калия в активной зоне реактора за счет (n, p) реакции с образованием аргона-41, имеющего жесткое гамма-излучение;
способностью усиливать перенос углерода от источника к хромоникелевым сталям типа Х18Н10Т.
При содержании калия в натрии I контура 1000 ppm активность Аr41 в натрии быстрого реактора типа БН-600 составит ~1,8⋅107 Бк/л; эта величина сравнима с активностью долгоживущего продукта деления Кr88 при разгерметизации 0,1% твэл в активной зоне. Из соображений радиационной безопасности целесообразно стремиться к снижению концентрации калия в 5-10 раз, чтобы уменьшить вклад Аr41 в общую газовую активность реактора. Исходя из приведенных выше соображений, содержание калия в натрии I контура рекомендовано ограничить величиной 200 ppm, в натрии II контура – величиной 1000 ppm.
Превышение содержания кальция и бария в натриевом теплоносителе выше допустимой нормы приводит к ухудшению технологических и теплофизических свойств теплоносителя (высаждение труднорастворимых частиц оксидов кальция, бария на стенки, ухудшение теплообмена). С другой стороны, кальций и барий оказывают влияние на перенос углерода в системе аустенитная сталь – натрий - перлитная сталь. Исходя из практики эксплуатации натриевых контуров, норма содержания кальция и бария в ОСТе установлена 10 ppm.
Примеси железа в соединении с кислородом образуют нерастворимые продукты коррозии (ферриты типа NaFeO2), отрицательно влияющие на теплофизические и технологические свойства теплоносителя. В районе повышенных температур (активная зона) происходит образование продуктов коррозии, а в зоне пониженных температур – их высаждение.
Учитывая возможность образования и высаждения продуктов коррозии на теплообменных поверхностях и в узких проходных сечениях, содержание железа в натрии ограничено величиной 50 ppm.
Технические требования по ограничению примесей в натрии реакторной чистоты
Отрицательное влияние примеси
Технические требования по ограничению примесей в натрии реакторной чистоты
Отрицательное влияние примеси
Ограничение содержания кремния в натрии связано с возможностью высаждения его соединений (силицидов типа FeSi) на поверхностях оборудования, а также с взаимодействием с конструкционными материалами, приводящими к изменению их механических свойств. Норма содержания кремния в ОСТе установлена 10 ppm.
Ограничение содержания примесей висмута и олова связано с возможностью их активации в реакторе. Кроме того, примесь олова влияет на охрупчивание сталей. Содержание этих примесей ограничено величиной 10 ppm.
Из радиоактивных примесей ограничению в натрии подлежит цезий-137, определяющий радиационную обстановку первого контура после распада натрия-24. Цезий-137 загрязняет натриевый теплоноситель в результате разгерметизации тепловыделяющих элементов. Высаждается цезий в основном в газовых полостях, а также на поверхностях оборудования и трубопроводов. Норма по нуклиду цезия (185 МБк/кг) связана с недопущением переоблучения персонала в процессе производства ремонтных работ на оборудовании I контура.
Контур для охлаждающего натрия должен удовлетворять всем требованиям, предъявляемым к установкам
Контур для охлаждающего натрия должен удовлетворять всем требованиям, предъявляемым к установкам
Основными элементами этого контура являются:
расширительный и сливной баки,
циркуляционный насос,
теплообменники,
нагреватели и тепловая изоляция,
арматура и трубопроводы,
устройства очистки (холодная или диффузионная ловушка, др.),
приборы контроля качества натрия (пробковый индикатор или электрохимические датчики кислорода и водорода, пробковый индикатор, др.),
контрольно-измерительная аппаратура и автоматика,
газо-вакуумная система.
Необходимо наличие системы автоматического контроля утечек металла и пожаротушения.
Газовые полости контура должны сообщаться с газовакуумной системой, включающей соответствующие измерители давления газа.
Конструкция контура должна обеспечивать оперативный слив из него всего металла за исключением специальных устройств.
Технологическое оборудование должно размещаться в отдельных боксах или за защитным ограждением.
Оборудование натриевых контуров
Очевидно, что такой контур представляет собой сложную и громоздкую конструкцию.
Схема
Схема
1 – холодная ловушка;
2 – холодильник;
3 – циркуляционный насос;
4 – бак насоса;
5 – устройство очистки натрия;
6 – блок приборов контроля качества натрия; 7 – сливной бак
Оборудование натриевых контуров
Технологическая схема стенда САЗ
модуль испарителя, 2- модуль перегревателя, 3- сливные баки,
Технологическая схема стенда САЗ
модуль испарителя, 2- модуль перегревателя, 3- сливные баки,
ЦЛИН 9/1200, 5- буферная емкость, 6- бак-сепаратор, 7- разрывные мембраны,
8- расходомеры ТАРАН-Т/Ду300, 9- датчики давления ДДВС-РТ, 10- насос
ЭНИВ-4, 11- холодная ловушка, 12- теплообменник, 13- пробковый индикатор, 14- уровнемеры
Техническая характеристика стенда:
• расход натрия по основному контуру 1200 м 3/час;
• давление, развиваемое насосом 0,9 МПа;
• максимальная температура 510 °С;
• объем натрия в контуре 25 м3;
• электрическая мощность 3000 кВт
Стенд САЗ
Стенд САЗ
1 - Шахта;
2 - Корпус;
3 - Главный циркуляционный насос 1
1 - Шахта; 2 - Корпус; 3 - Главный циркуляционный насос 1
Primary integrated purification system
Primary integrated purification system
Этапы разработки встроенных холодных ловушек (ХЛ)
Создание 3-х мерной математической модели массопереноса
Этапы разработки встроенных холодных ловушек (ХЛ)
Создание 3-х мерной математической модели массопереноса
Экспериментальное определение констант, характеризующих массоперенос в ХЛ.
Проведение расчетов для конкретных моделей ХЛ.
Верификация расчетных данных на экспериментальных моделях.
Корректировка математической модели и расчетной программы.
Проведение оптимизационных расчетов. Определение параметров рабочей ХЛ.
Разработка КД и изготовление макета ХЛ.
Испытания полномасштабного макета встроенной ХЛ.
Оптимизация встроенной холодной ловушки БН-1200 включало решение следующих основных вопросов:
1) обоснование требований по производительности и емкости;
2) определение необходимого объема ХЛ и параметров их эксплуатации: расход натрия через ловушку, температура натрия на входе и выходе из холодной ловушки;
3) расчет необходимых поверхностей, обеспечивающих заданный теплосъем в ХЛ, с использованием инженерных методик;
4) оптимизация размещения поверхностей тепломассообмена в ХЛ и параметров струи натрия на входе в изотермический отстойник с использованием разрабатываемых кодов.
Петля парогенератора БН-1200
1 – испаритель-пароперегреватель; 2 – промпароперегреватель; 3 – буферная
Петля парогенератора БН-1200
1 – испаритель-пароперегреватель; 2 – промпароперегреватель; 3 – буферная
Взаимодействие натрия с водой и течи натрия в парогенераторах
Взаимодействие натрия с водой и течи натрия в парогенераторах
Общий вид теплообменного модуля парогенератора Н-485М
Общий вид теплообменного модуля парогенератора Н-485М
Эскизы оборудования РУ БН-1200: а) теплообменник промежуточный РНАТ.065113.012; б) главный циркуляционный
Эскизы оборудования РУ БН-1200: а) теплообменник промежуточный РНАТ.065113.012; б) главный циркуляционный
Componant design : Heat power of 400 MWth
Heat exchangers Na /
Componant design : Heat power of 400 MWth
Heat exchangers Na /
Натриевая лаборатория
Натриевая лаборатория является центром исследований по натриевой технологии в России
Натриевая лаборатория
Натриевая лаборатория является центром исследований по натриевой технологии в России
За сравнительно короткий период были выполнены исследования по тепло и массопереносу в теплоносителе, разработаны средства контроля примесей и методы очистки от них, обосновано безопасное применение натрия в парогенераторе, разработаны ТУ и ОСТ на поставку натрия на АЭС, а также другие исследования, необходимые для обоснования разрабатываемых ядерных энергетических установок.
Опыт разработки и эксплуатации экспериментальных реакторов БР-10, БОР-60, демонстрационного реактора БН-350, промышленной АЭС БН-600, создание АЭС с реактором БН-800 показал, что Россия в настоящее время обладает наилучшими в мире результатами освоения технологии БН.
В последние годы выполнены следующие исследования и разработки:
Разработаны метод глубокой очистки натрия от трития с использованием холодных ловушек и способ очистки натрия установки БР-10 при снятии ее с эксплуатации.
На экспериментальном натриевом стенде испытана система непрерывного контроля трития в натрии, с использованием которой исследована проницаемость трития через конструкционные материалы и эффективность очистки натрия от трития холодной ловушкой.
Определены значения коэффициентов адгезии и трения частиц с поверхностью в жидком натрии.
Экспериментально исследован массоперенос никеля и хрома в неизотермическом участке натриевого контура, уточнены значения физических констант.
Изучены процессы взаимодействия натрия с графитом.
Проведены исследования в обоснование высокотемпературного натриевого теплоносителя и ряд других исследований.
Основной задачей всех проводимых у нас исследований и разработок является в конечном итоге повышение безопасности и экономической эффективности реакторов на быстрых нейтронах с натриевым теплоносителем.
Исследование массопереноса примесей в потоках щелочных металлов (O2, H2, H2O, минеральное
Исследование массопереноса примесей в потоках щелочных металлов (O2, H2, H2O, минеральное
Стенд
ПРОТВА - 1
Исследование массопереноса примесей в потоках щелочных металлов
Теплоносители – Na, Na – K;
Р = 0,4 МПа; Т = до 750 оС;
N = 500 кВт; G = 110 т/час
Стенд
ПРОТВА-2
Исследование кинетики реакции Na с веществами. Тестирование аппаратуры
контроля
Стенд
ПРОТВА-2
Исследование кинетики реакции Na с веществами. Тестирование аппаратуры
контроля
Разработка усовершенствованного
индикатора водорода в натрии.
Оперативная проверка
чувствительности и калибровка
приборов контроля водорода в
натрии и защитном газе.
Исследования развития малых
течей воды в натрий для материала
теплообменных трубок
парогенераторов быстрых реакторов и разрабока соответствующих рекомендаций.
Исследования кинетики
взаимодействия с натрием и
состава отложений, формируемых
в газовых полостях натриевых систем.
Теплоноситель – Na;
Р = 0,6 МПа; Т = до 550 оС;
N = 500 кВт; G = 50 т/час
Стенд СИД
Исследование массопереноса
углеродосодержащих примесей в Na
Исследование поведения системы натрий-примесь-конструкционный материал
Стенд СИД
Исследование массопереноса
углеродосодержащих примесей в Na
Исследование поведения системы натрий-примесь-конструкционный материал
теплоносителя (до 950 0С) и разработка соответствующих рекомендаций по технологии натрия для перспективных ЯЭУ.
Исследование массопереноса
углеродосодержащих примесей в натрии.
Отработка современных методов контроля неметаллических примесей (азот, кислород, водород, углерод) в натрии и разработка соответствующей аппаратуры.
Отработка технологии очистки промышленного натрия от кальция и углерода перед его загрузкой в БР.
Теплоносители – Na, Na – K;
Р = 0,6 МПа; Т = до 700 оС;
N = 200 кВт; G = 10 т/час
Теплоноситель – Na;
Р = 0,5 МПа; Т = до 700
Теплоноситель – Na; Р = 0,5 МПа; Т = до 700
Стенд ИРИНА
Исследование массопереноса
примесей в Na
Исследования массопереноса примесей в оборудовании натриевых контуров с использованием радиоактивных меток применительно
к реакторам БН.
Исследования особенностей массопереноса трития в
контурах с натрием, его
выхода в окружающую среду, методов улавливания и локализации трития.
Исследования термического взаимодействия кориума
с натрием
Экспериментальное
определение коэффициентов
конверсии термического взаимодействия
Исследования термического взаимодействия кориума
с натрием
Экспериментальное
определение коэффициентов
конверсии термического взаимодействия
перемещения материалов
при термическом
взаимодействии имитаторов кориума с натрием.
Разработка мер по предотвращению развития
тяжелой аварии
на реакторах типа БН.
Назначение стенда
Стенд Плутон.
Теплоноситель –Na; Т = 500оС;
Р = 0,8 МПа; N = 150 кВт;
Экспериментальный участок
«Вращающийся диск».
Получены данные по эрозионному воздействию потоков свинца
Экспериментальный участок
«Вращающийся диск».
Получены данные по эрозионному воздействию потоков свинца
Предложен метод исследования
кавитационной эрозии конструкционного материала в жидкометаллических
теплоносителях на экспериментальной установке с вращающимся цилиндром.
Совместимость щелочных жидкометаллических теплоносителей с конструкционными материалами
Коррозия конструкционных материалов в натрии
Совместимость щелочных жидкометаллических теплоносителей с конструкционными материалами
Коррозия конструкционных материалов в натрии
Коррозия конструкционных материалов в натрии
Скорость коррозии хромоникелевой стали в натрии
J
Коррозия конструкционных материалов в натрии
Скорость коррозии хромоникелевой стали в натрии
J
где f = 1 при V > 3 м/с;
f = 0,645 V0,4 при V ≤ 3 м/с;
V - скорость потока натрия, м/с;
CO - концентрация кислорода в натрии, млн-1;
Т - температура в зоне растворения, К.
Расчеты в соответствии с этой зависимостью показывают, что при повышении температуры натрия на 100 0С ( с 650 0С до 750 0С) скорость коррозии стали возрастает примерно в 4 раза и составляет при содержании кислорода в натрии 2 млн-1 7 мкм/год; при 5 млн-1 - 25 мкм/год; при 20 млн-1 - 150 мкм/год; при 100 млн-1 - 800 мкм/год (при скорости потока натрия > 3 м/с).
Краев Н.Д., Зотов В.В., Старков О.В. Влияние скорости потока и содержания кислорода в натрии на коррозию сталей. // Kernenergie. 1978, 21. Heft 8.
Коррозия конструкционных материалов в натрии
Для аустенитных хромоникелевых сталей
J = JoCo1,2
Коррозия конструкционных материалов в натрии
Для аустенитных хромоникелевых сталей
J = JoCo1,2
J, кг/м2.с - скорость коррозии; Jo, кг/м2.с - коэффициент, зависящий от состава сталей; Co- концентрация кислорода в натрии, млн-1; f- коэффициент, зависящий от скорости потока натрия: f= 1 для W>Wкр; f=(W/Wкр)0,33 для W
при повышении температуры натрия с 550 0С до 950 0С скорость
при повышении температуры натрия с 550 0С до 950 0С скорость
скорость поступления продуктов коррозии в натрий для реактора типа БН-600 составляет от 12кг/год до 40 кг/год при номинальном режиме работы.
для аналогичной по мощности установки с максимальной температурой натрия 950 0С выход продуктов коррозии в натрий составит несколько тонн в год.
Коррозия конструкционных материалов в натрии
1 – 2 млн – 1
2 – 5 млн –1
3 – 20 млн – 1
4 – 100 млн – 1
Коррозия конструкционных материалов в натрии
Коррозионная стойкость ванадия, ниобия, тантала и сплавов
Коррозия конструкционных материалов в натрии
Коррозионная стойкость ванадия, ниобия, тантала и сплавов
Коррозионное стойкость циркония и титана в натрии низкая и определяется взаимодействием их с примесями, при значительных концентрациях кислорода в натрии (от 0,02 до 1,2 %) на поверхности циркония и титана, кроме простых оксидов ZrO2 и TiO2, твердых растворов кислорода в металле, образуются комплексные оксиды Na2ZrO3 и Na4TiO4.
Н.М. Бескоровайный, А.Г. Иолтуховский. Конструкционные материалы и жидкометаллические теплоносители. М.: Энергоатомиздат, 1983, 168 с.
Коррозия конструкционных материалов в натрии
Молибден и вольфрам имеют высокую коррозионную стойкость
Коррозия конструкционных материалов в натрии
Молибден и вольфрам имеют высокую коррозионную стойкость
Поведение продуктов взаимодействия натрия с водой. Химическое взаимодействие натрия и воды
Поведение продуктов взаимодействия натрия с водой. Химическое взаимодействие натрия и воды
Na+H2О = NaOH + ½ H2
На втором этапе происходит химическое взаимодействие продуктов первого этапа реакции с избыточным натрием (избыток натрия характерен при течах воды в условиях парогенератора с натриевым теплоносителем):
2 Na + NaOH = Na2O + NaH
Na + ½ H2 = NaH.
Тогда суммарная реакция будет иметь вид
4Na + H2O = 2NaH + Na2O.
Таким образом, взаимодействие натрия с водой – довольно сложный, многоэтапный процесс, в котором протекают последовательные реакции образования гидроксида натрия и водорода и их последующее взаимодействие с натрием. Конечная концентрация продуктов взаимодействия воды с натрием определяется условиями термодинамического равновесия, а время достижения равновесного состояния – кинетикой протекающих реакций.
Взаимодействие натрия с водой и течи натрия в парогенераторах
Признаками малой течи, являются увеличение концентрации примесей в теплоносителе и наличие
Признаками малой течи, являются увеличение концентрации примесей в теплоносителе и наличие
Большая течь характеризуется заметными изменениями гидродинамических (давление, расход теплоносителя) и температурных характеристик натриевого тракта.
Основные особенности малых течей воды в натрий. Истечение воды в натрий с малыми расходами, процессы, его сопровождающие, и их последствия в значительной степени влияют на работоспособность и безопасность парогенератора в силу наибольшей вероятности первоначального появления этого дефекта из всего диапазона возможных.
Процессы саморазвития течей. Экспериментально обнаружено, что малые течи с расходами воды в натрий до 1 г/с склонны к саморазвитию во времени. Например, течь с расходом воды 0,02 г/с, образовавшаяся в трубке из стали типа 2 ¼ Сr 1 Mo с толщиной стенки 2,5 мм, держится на постоянном уровне в течение 10 минут, а затем резко увеличивается до нескольких граммов в секунду.
Схематично характер разрушения материала стенки в процессе саморазвития течи воды в натрий показан на рисунке. Происходит постепенное разрушение стали со стороны устья истечения воды в натрий с движением фронта разрушения вглубь теплопередающей стенки. В результате распространения зоны разрушения диаметр канала увеличивается, но количество истекающей воды контролируется размером первоначального дефекта, который со стороны воды меняется мало (период - τ1). Так продолжается до тех пор, пока отверстие оставшейся перемычки-мембраны в результате коррозионно-эрозионных эффектов не начнет увеличиваться. При этом (рис. ) происходит резкий рост расхода воды (период - τ2).
Взаимодействие натрия с водой и течи натрия в парогенераторах
Взаимодействие натрия с водой и течи натрия в парогенераторах
Взаимодействие натрия с водой и течи натрия в парогенераторах
Процессы коррозионно-эрозионного разрушения сталей при струйном истечении воды в натрий. Начиная
Процессы коррозионно-эрозионного разрушения сталей при струйном истечении воды в натрий. Начиная
Расчетно-экспериментальное изучение структуры факела реакции показало, что непосредственно в месте истечения располагается высокотемпературная зона химической реакции, а завершение процесса взаимодействия реагентов происходит в «конусе» реакции, расположенном за высокотемпературной зоной.
Опытным путем установлено, что максимальная температура факела реакции достигает 1300-14000С, а температура стенки, на которую воздействует факел, 1000-12000С.
В результате экспериментальных и расчетных исследований изучен механизм разрушения материала в зоне малой течи, который можно представить следующим образом:
разогрев стенки трубки факелом реакции;
коррозия материала под воздействием гидроксида, оксида и гидрида натрия;
эрозионный вынос продуктов коррозии из района влияния факела под воздействием реакционной струи,
Разрушение стали носит эрозионно-коррозионный характер.
С учетом многофакторного характера зависимости интенсивности коррозионно-эрозионного разрушения материала разработан алгоритм расчета зоны повреждения трубного пучка.
Взаимодействие натрия с водой и течи натрия в парогенераторах
Большие течи воды в натрий в условиях парогенератора. Характер и параметры
Большие течи воды в натрий в условиях парогенератора. Характер и параметры
Обнаружено, что разрыв трубки парогенератора и истечение воды в натрий с расходом до нескольких кг/с сопровождается начальным пиком давления до нескольких десятков МПА и длительностью в несколько мс.
Установлено, что большая течь воды в натрий сопровождается значительными изменениями расхода натрия по отдельным участкам контура и локальным кратковременным повышением температуры в зоне реакции до 700-8000С.
При быстром разрушении теплообменной трубки разрушения конструкции парогенератора не происходит в силу кратковременности действия ударных всплесков давления. Длительные же, но меньшие по амплитуде колебания давления учитываются при расчете конструкции. Экспериментально обнаружена деформация элементов трубного пучка в виде изгиба отдельных трубок со стрелой прогиба, направленной преимущественно по радиусу от первоначального разрушения.
Сформулировано понятие максимальной проектной течи в парогенераторе натрий-вода – мгновенный разрыв одной трубки полным сечением.
Разработана физическая модель процесса, на этой основе создан расчетный алгоритм определения параметров натриевого и пароводяного контуров в аварийном режиме «большая течь».
Взаимодействие натрия с водой и течи натрия в парогенераторах
Характер разрушений парогенераторной стали 10Х2 М в зоне течи воды в
Характер разрушений парогенераторной стали 10Х2 М в зоне течи воды в
Взаимодействие натрия с водой и течи натрия в парогенераторах
1Х2М;
Х18Н10Т;
ЭП-337.
Скорость разрушения канала истечения для:
При температуре натрия 300°С скорость
1Х2М;
Х18Н10Т;
ЭП-337.
Скорость разрушения канала истечения для:
При температуре натрия 300°С скорость
В имитаторах с прослойкой из никеля время саморазвития течи увеличивается на порядок и более.
Взаимодействие натрия с водой и течи натрия в парогенераторах
Эффективность подсистемы контроля течи при исходной течи под ВТД ИС (100%
Эффективность подсистемы контроля течи при исходной течи под ВТД ИС (100%
Взаимодействие натрия с водой и течи натрия в парогенераторах
Экспериментально изучены процессы при истечении ЩМТ из контуров
характеристики протечек натрия через
Экспериментально изучены процессы при истечении ЩМТ из контуров
характеристики протечек натрия через
закономерности горения натрия, выхода аэрозольных продуктов и их переноса в технологических помещениях и окружающей среде;
средства и системы, локализации и подавления горения и улавливания аэрозольных продуктов; системы защиты бетонных строительных конструкций;
Разработаны, верифицированы и использованы на практике методики и компьютерные программы расчета параметров горения натрия и его последствия.
Пожарная опасность натрия
температура воспламенения натрия на воздухе 180 – 200 С
1. опасность горения натрия – температурный эффект (но он ниже, чем у горючих веществ), вынос аэрозолей (Na2O, Na2CO3 , NaOH)
2. обнаружение утечек – электрическая система контроля, дымо-извещатели, контроль аэрозольной радиоактивности
3. тушение горения – пассивные средства (герметизация помещений, сливные емкости, поддоны), активные средства (порошковые огнетушители или стационарные установки, инертные газы).
4. Натрий тушат смесью азота с добавкой 4-6% об. углекислого газа; литий, калий, цезий – аргоном (в помещениях до 100 м3). Порошки ПГС-М, ПГС-3, вермикулит, РС, глинозем – для натрия; вермикулит, РС, глинозем – для калия и сплава натрий-калий; ПГС-М, ПГС-3, сухой графитовый порошок – для лития;, терморасширяющийся графит – для цезия. При небольших пожарах натрия можно использовать порошки МГС, ПГПМ, ПМГС, сухой речной песок.
5. Расходные количества: ПМГС – 5 кг/м2; МГС – 8 кг/м2; ПГПМ – 10 кг/м2; ПГС-М, ПГС-3, глинозем – 60 кг/м2.
Течи натрия из контура, противопожарные мероприятия
900о C
300о C
100о C
Течи натрия из контура, противопожарные мероприятия
900о C
300о C
100о C
Течи натрия из контура, противопожарные мероприятия
Основные характеристики горения натрия и образующихся аэрозолей:
скорость выгорания натрия зависит от
Основные характеристики горения натрия и образующихся аэрозолей:
скорость выгорания натрия зависит от
размер аэрозольных частиц находится в пределах 0,5–40 мкм с преобладанием фракций 5–15 мкм;
максимальная концентрация аэрозольных продуктов горения натрия в воздухе аварийного помещения при отключенной вентиляции не превышает 50 г/м3:
время оседания, образовавшихся аэрозольных продуктов горения натрия при выключенной вентиляции составляет ~ 20 часов;
распределение осевших аэрозолей на пол, стены, потолок составляет соответственно 80%; 18%; 2%;
при попадании струи натрия (давление 3-5 ати, температура до 500°С, время воздействия 5 мин.) на вертикальную бетонную стену практически не обнаружено видимых разрушений, а при попадании горящего натрия на горизонтальную бетонную поверхность и при времени горения на ней натрия более 10-15 минут бетон разрушается, а за время взаимодействия 1,5-2 ч происходит «выгорание» бетона на глубину 150-200 мм с выделением водорода, затем взаимодействие прекращается;
горящий натрий, стекающий с вертикальных и наклонных поверхностей, оставляет пленку в 6-8 мм, которая сгорает за 15-20 минут;
толщина теплоизоляционного слоя из термообработанного вермикулита в 100 мм обеспечивает защиту при горении натрия в течение 3-х часов. При этом температура на поверхности защищаемых конструкций не превышает 80оС.
Течи натрия из контура, противопожарные мероприятия
Основной задачей, стоящей перед системой пожарной безопасности помещений с натриевым оборудованием,
Основной задачей, стоящей перед системой пожарной безопасности помещений с натриевым оборудованием,
Таким образом, основными функциями системы пожарной безопасности являются:
– обнаружение течи натрия из оборудования и трубопроводов на начальном этапе развития аварийной ситуации;
– локализация пролившегося натрия в пределах одной пожарной зоны (технологического помещения);
– очистка воздушной среды аварийного помещения от АПГН.
В составе системы пожарной безопасности помещений с натриевым оборудованием должны быть предусмотрены следующие функциональные подсистемы:
– системы обнаружения течи и горения, работа которых должна быть построена на различных физических принципах;
– пассивных систем локализации пролившегося натрия в пределах пожарной зоны (аварийного помещения);
– специальной системы вентиляции, осуществляющей направленный выброс АПГН из аварийного помещения на системы фильтрации.
Течи натрия из контура, противопожарные мероприятия
Перечень систем обнаружения течей и горения натрия:
– система обнаружения дыма;
–
Перечень систем обнаружения течей и горения натрия:
– система обнаружения дыма;
–
– система обнаружения радиоактивных натриевых аэрозолей (для помещений с оборудованием I контура);
– система измерения температуры газовой среды помещений с натрием.
Имеется два варианта систем обнаружения течи натрия, основанных на принципе обнаружения радиоактивности:
– отбор газовых проб из контролируемого помещения, прокачка их через аэрозольный фильтр и измерение радиоактивности этого фильтра;
– измерение радиоактивности воздуха на трубопроводе вытяжной вентиляции контролируемого помещения (датчик радиометра размещается непосредственно на трубопроводе вентиляции).
Для помещений как первого, так и второго натриевых контуров предполагается также использование систем обнаружения течей и горения натрия на основе извещателей пожарных дымовых аспирационных типа VESDA, обеспечивающих отбор через систему труб с воздухозаборными отверстиями и доставку проб воздуха (аспирацию) из технологического помещения к устройству обнаружения признаков возгорания.
Течи натрия из контура, противопожарные мероприятия
Основные принципы локализации натриевого пожара :
– пожарное зонирование технологических помещений
Основные принципы локализации натриевого пожара :
– пожарное зонирование технологических помещений
– герметизация технологических помещений с натриевым оборудованием;
– применение пассивных систем для локализации и подавления горения натрия;
– применение специальных систем вентиляции с направленным выбросом продуктов горения натрия на системы фильтрации.
Натриевое оборудование должно располагаться внутри отдельных боксов (пожарных зон), которые разделяются между собой противопожарными преградами с регламентированными пределами огнестойкости. Огнезащитные свойства ограждающих конструкций должны обеспечивать локализацию пожара внутри пожарной зоны до полного выгорания пожарной нагрузки без учета воздействия на очаг горения активных огнетушащих средств. Исходя из требований радиационной защиты, технологические помещения 1-го контура с радиоактивным натрием должны иметь железобетонные стены толщиной от 1 до 2 м. Внутри пожарных зон, в том числе в помещениях с нерадиоактивным оборудованием 2-го контура, не допускается постоянное пребывание персонала. К помещениям с натриевым оборудованием не должны примыкать непосредственно помещения с постоянным пребыванием персонала, тем более с защитными, управляющими или обеспечивающими системами безопасности.
Предусмотрена защита бетонных ограждений пожарных зон посредством установки на всех внутренних поверхностях теплоизоляции и стальной облицовки.
Течи натрия из контура, противопожарные мероприятия
Течи натрия из контура, противопожарные мероприятия
Технологические помещения с натриевым оборудованием герметизируются.
Течи натрия из контура, противопожарные мероприятия
Технологические помещения с натриевым оборудованием герметизируются.
Подавление возможного горения натрия обеспечивается пассивными средствами. Вытекающий натрий попадает в поддоны с гидрозатвором – устройства с крышками специальной конструкции. Горение происходит практически только на крышках поддонов. Многочисленными опытами установлено, что сгорает 2-7% от вылившегося натрия. Принятые в проекте системы пассивного действия (поддоны) должны быть рассчитаны на весь возможный объем течи натрия.
Функционирование систем вентиляции при локализации последствий пролива и горения натрия с образованием аэрозольных продуктов горения натрия (АПГН) осуществляется следующим образом. По сигналу от системы обнаружения осуществляются переключения в системах вентиляции помещения, в котором произошла течь натрия. Открывается противопожарный клапан на воздуховоде аварийной вытяжной пожарной вентиляции, включается в работу аварийный вентилятор. Далее закрываются противопожарные клапаны на системах рабочей вытяжной и приточной вентиляции. В результате переключений вентиляции осуществляется направленный выброс аэрозольных продуктов горения натрия из помещения на специальные системы фильтрации аэрозолей.
Течи натрия из контура, противопожарные мероприятия
При анализе МРА (максимальная расчетная авария)
Течи натрия из контура, противопожарные мероприятия
При анализе МРА (максимальная расчетная авария)
После срабатывания запорной и дренажной арматуры происходит дренирование натрия из аварийной петли. Время дренирования при нормальных условиях эксплуатации принималось равным 30 минут. Общая потеря теплоносителя 14, 4 м3.
Рассматривается горение натрия на поверхности, образованной крышками поддонов пожаротушения. На основе экспериментальных исследований горения натрия консервативно принимается, что на крышках поддонов сгорает 10% пролившегося натрия, 90% натрия сливается в поддоны пожаротушения. Принимается, что при горении 25% натрия переходит в аэрозоли, а 75% в виде окислов остается на крышках поддонов.
Температура пролившегося натрия в аварийных помещениях принималась с учетом данных:
– для помещения сосуда компенсатора 1-го контура – 250 С;
– для помещения трубопроводов второго контура – 355 С;
– для остальных помещений второго контура – 527 С.
Течи натрия из контура, противопожарные мероприятия
Температура газа в помещении
Течи натрия из контура, противопожарные мероприятия
Температура газа в помещении
Течи натрия из контура, противопожарные мероприятия
1 – облицовка, 2 – верхний
Течи натрия из контура, противопожарные мероприятия
1 – облицовка, 2 – верхний
Температура стен и потолка в помещении