Введение к работе
Актуальность работы
3 июня 2010 года Правительство Российской Федерации одобрило представленную Министерством энергетики Генеральную схему размещения объектов электроэнергетики до 2020 года с перспективой до 2030 года. В Генеральной схеме особое внимание уделено развитию в ближайшие годы атомной энергетики. Внедрение атомной энергетики в сферу энергоснабжения существенно уменьшит расход органического топлива и сохранит его в качестве ценного сырья для нужд других отраслей. Это связано как с ограниченностью доступных и экономически приемлемых природных запасов органических видов топлива, так и с негативным воздействием на окружающую среду выбросов в атмосферу продуктов сгорания.
Экономическая целесообразность и социальная значимость использования атомных энергоисточников в региональной энергетике для тепло- и электроснабжения различных потребителей представляется достаточно актуальной для экономии органического топлива, для замены выбывающих из эксплуатации по причине выработки ресурса мощностей тепловых электростанций и улучшения экологической ситуации в городах страны. Поэтому в Федеральной целевой программе «Развитие атомного энергопромышленного комплекса России на 2007-2010 годы и на перспективу до 2015 года» уделено особое внимание технико-экономическому исследованию и обоснованию использования атомных энергоисточников для теплофикации.
Проведение в 2009-2011г.г. в МАГАТЭ совещаний по вопросам безопасности реакторов малой мощности, межотраслевых конференций в России «АтомРегион-2009» и «Перспектива развития системы атомных станций малой мощности в регионах, не имеющих централизованного электроснабжения» (2010г., РАН), подтверждает возросший интерес в России и в мире к малой атомной энергетике.
Обязательным условием развития региональной атомной энергетики является экспериментальное подтверждение на прототипных установках способов и устройств обеспечения безопасности. Поэтому в современных условиях недоверия населения к атомным технологиям сооружение АТЭЦ вблизи городов требует обеспечения безопасности её энергоблоков опробованными техническими решениями.
Одним из возможных источников энергии для развития работ по атомному теплоснабжению является корпусной кипящий реактор с естественной циркуляцией теплоносителя, надежность и безопасность которого доказаны многолетней безаварийной эксплуатацией исследовательского реактора ВК-50.
Имеющиеся в мире знания по кипящим системам в основном получены на кипящих реакторах США и Японии: это реакторы типа BWR и их современные модификации поколений III и III+ (ABWR и ESBWR). Данные реакторы эксплуатируются в большой энергетике по выработке электричества. Однако корпусные кипящие реакторы пока еще в достаточной мере не исследованы в энергетике малых мощностей.
Изучение внутренне присущих свойств безопасности позволило достичь и поддерживать высокий уровень безопасности реактора ВК-50 простыми и эффективными техническими мерами. Внедрение и совершенствование технических решений, реализованных на реакторной установке ВК-50, позволят значительно снизить стоимость энергоблоков с корпусными кипящими реакторами, сделать их окупаемыми при длительном сроке эксплуатации.
Новые технические решения и параметры, закладываемые в проекты малых перспективных источников энергии, требуют проведения широкого комплекса дополнительных исследований в обоснование их надежности. Поэтому исследования характеристик реактора ВК-50, модернизация его внутрикорпусных устройств и систем безопасности являются актуальными направлениями исследований для развития малой атомной энергетики.
Цель работы – разработка и обоснование технологических решений современного корпусного кипящего реактора малой мощности на основе результатов изучения внутренне присущих свойств безопасности реактора ВК-50.
Для достижения цели решены следующие задачи:
-
Проанализированы условия и возможность применения одноконтурных установок с корпусным кипящим реактором в региональной атомной энергетике.
-
Проведен комплексный анализ исследований различных аспектов безопасности реактора ВК-50.
-
Проведены дополнительные экспериментальные исследования характеристик реактора ВК-50.
-
Выполнена модернизация контура естественной циркуляции реактора ВК-50.
-
На основании результатов исследований и модернизации установки ВК-50 предложены конструкции внутрикорпусных устройств и технологические схемы кипящего реактора.
Научная новизна работы
Выполненный комплекс экспериментальных исследований в обоснование эффективности и безопасности кипящего реактора позволили автору:
обосновать и экспериментально подтвердить возможность повышения границы устойчивой работы кипящего реактора ВК-50 в результате модернизации его контура естественной циркуляции;
систематизировать данные о наиболее значимых внутренних свойствах безопасности корпусного кипящего реактора с естественной циркуляцией теплоносителя и верхним расположением исполнительных механизмов СУЗ;
разработать технологические подходы сочетания систем нормальной эксплуатации и систем безопасности реактора типа ВК.
Весомым показателем новизны являются патенты на изобретение и полезную модель на разработанные способы и устройства.
Практическая ценность работы.
1. Результаты выполненных исследований легли в основу проектно-конструкторских разработок по модернизации реактора ВК-50.
2. Результаты исследований и модернизации позволили обосновать и продлить срок эксплуатации реактора ВК-50 до 50 лет.
3. Сформулированы концепции установок с корпусными кипящими реакторами, которые могут быть использованы при проектировании атомных ТЭЦ.
Достоверность результатов и обоснованность выводов подтверждаются:
1. Использованием современных нейтронно-физических и теплогидравлических кодов, верифицированных по опытным данным реактора ВК-50.
2. Использованием апробированных расчетных методик, подтвержденных экспериментами, а также опытом многолетней безопасной и эффективной эксплуатации реактора ВК-50.
Личный вклад автора.
Постановка задач исследований проведена автором самостоятельно.
Результаты исследований являются итогом многолетней работы автора на реакторной установке ВК-50.
Автор был организатором и ответственным исполнителем выполненных исследований, совместно с коллегами из ОАО «ГНЦ НИИАР» к.т.н. Ещеркиным В.М., к.т.н. Семидоцким И.И., к.т.н. Шмелевым В.Е., к.т.н. Якшиным Е.К., к.т.н. Красновым А.М., Филякиным Г.В., Святкиной Н.А. принимал участие в подготовке и проведении экспериментов, обработке, анализе и обобщении результатов измерений, выпуске научно-технических отчетов и статей по модернизации реактора и систем установки ВК-50.
Автор был организатором работ по продлению срока эксплуатации реакторной установки ВК-50, которую проводил совместно с коллегами из ОАО «ГНЦ НИИАР» Н.П.Туртаевым, Ю.А.Летницким.
Создание концепций энергетических корпусных кипящих реакторов для теплоснабжения регионов проведены автором в сотрудничестве с коллегами из ОАО «ГНЦ НИИАР» д.т.н. Калыгиным В.В., к.т.н. Ещеркиным В.М., к.т.н. Святкиным М.Н., коллегами из ОАО ОКБ «Гидропресс» к.т.н. Васильченко И.Н., д.т.н. Махиным В.М., к.т.н. Моховым В.А., сотрудниками ОАО «Ижорские заводы» Кашириным В.М., Янчуком В.А., сотрудником ОАО «НИКИЭТ им. Н.А.Доллежаля» д.т.н., профессором Ю.Н.Кузнецовым. Автор лично представлял концепции кипящих реакторов на различных конференциях и технических совещаниях.
Апробация работы.
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались: на международной конференции по проблемам материаловедения при проектировании, изготовлении и эксплуатации оборудования АЭС (Санкт Петербург, 2008г.), на межотраслевой научно-технической конференции «АтомРегион 2009» (Дзержинск, 2009), на всероссийском совещании «Безопасность исследовательских ядерных установок» (Димитровград, 2009), на межотраслевом семинаре в НИЦ «Курчатовский институт» (2010г.), на техническом совещании в МАГАТЭ по проблемам нераспространения ядерного оружия и внутренних свойств безопасности реакторов малой и средней мощности (Вена, 2010г.), на межотраслевой межрегиональной научно-технической конференции РАН «Перспектива развития системы атомных станций малой мощности в регионах, не имеющих централизованного электроснабжения» (Москва, 2010), на научно-технических советах и рабочих совещаниях в ОАО «ГНЦ НИИАР» (Димитровград, 2010), ОАО ОКБ «Гидропресс» (Подольск, 2010), ОАО «Ижорские заводы» (Санкт-Петербург, 2011), на международной научно-технической конференции «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР» (2011).
Публикации.
По результатам исследований в научных изданиях опубликовано 12 работ, в т.ч. 1 – в ведущем рецензируемом научном журнале, получено 2 патента.
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Результаты анализа возможности использования одноконтурных установок с корпусным кипящим реактором в составе атомных ТЭЦ.
2. Результаты экспериментальных исследований и модернизации контура естественной циркуляции реактора ВК-50.
3. Результаты комплексного анализа внутренне присущих свойств безопасности реактора ВК-50.
4. Предложенные схемы внутрикорпусных устройств и технологические схемы систем безопасности перспективных кипящих реакторов малой мощности.
Объем и структура работы.
Диссертация состоит из введения, 4 глав и выводов. Работа изложена на 119 страницах текста, включая 30 рисунков и 16 таблиц. Библиографический указатель состоит из 127 наименований.
