Přehled MSR systémů a komponent

Technická zpráva
Přehled MSR systémů a
komponent
Závěrečná zpráva
ENERGOVÝZKUM, spol. s r.o.
O. Matal, T. Šimo
Prosinec 2003
Správa úložišť
radioaktivních odpadů
Formátování a korektury textů
Správa úložišť radioaktivních odpadů, 2004
ANOTACE
Byl proveden přehled komponent a rozdělen do kapitol se zaměřením na čerpadla pro
roztavené soli, mezivýměníky tepla a parní generátory.
Je uveden popis a data k čerpadlům ALPHA (USA), MSRE (USA), pro experimentální
smyčku SOLARIS (Rusko), pro navrhovaný projekt MSBR (USA), grafitové čerpadlo
pro smyčku s roztavenou solí (Francie) a k čerpadlu EVM (ČR).
Dále je uveden popis řešení a vybraná data k mezivýměníkům tepla pro projekty
MSBR, MSR-Burner (Rusko) a DEMO 50. Taktéž jsou uvedeny vybrané údaje pro
průtočný parní generátor projektu MSBR, MSR-Burner a DEMO 50.
Byly shromážděny ekonomické údaje z publikací pro MSR systémy, jsou uvedenu
ruské odhady a americké odhady. Odhady nákladů jsou značně ovlivněny specifickými
podmínkami v zemi původu (např. v rozdílech v ročních nákladech na provoz apod.).
Závěrem jsou navrženy vybrané problémy výzkumu a vývoje.
ABSTRACT
The review of components was subdivided into subsections focused on molten salt
pumps, primary heat exchangers and steam generators.
In the section molten salt pumps ALPHA pump (USA), MSRE pumps (USA) , pump
for experimental loop SOLARIS (Russia), considered pumps for MSBR (USA),
graphite pump for a molten salt loop (France) and molten salt pump EVM (CR) design
concepts are described and design data as well as operating data summarized.
Design concept description of primary heat exchangers for MSBR, MSRE, MSRBurner and DEMO 50 were performed and characteristic data summarized.
Specific data have been collected to the proposed once-through steam generator for the
MSBR, MSR-Burner and DEMO 50.
Economical aspects of the MSR systems have been review from published information.
Russian estimates of economic parameters of molten salt reactors and American cost
estimates for the MSBR reactor were summarized. The cost estimates are very
influenced by conditions and backgrounds in
country where the estimates were
performed (for example differences in annual operational costs etc).
Finally selected R and D proposals and recommendations for future actions were
formulated.
1
OBSAH
ÚVOD............................................................................................................................3
1 PŘEHLED MSR SYSTÉMŮ ..................................................................................4
2 PŘEHLED KOMPONENT ...................................................................................13
2.1 ČERPADLA..................................................................................................13
2.1.1 Čerpadlo ALPHA ...................................................................................13
2.1.2 Čerpadla pro MSRE................................................................................16
2.1.3 Čerpadlo pro experimentální okruh Solaris............................................18
2.1.4 Čerpadla pro MSBR 1000 MW ..............................................................20
2.1.5 Grafitové čerpadlo pro okruh s roztavenou solí .....................................22
2.1.6 Čerpadlo EVM-MSP-4 ...........................................................................23
2.2 MEZIVÝMĚNÍKY TEPLA ..........................................................................26
2.2.1 Mezivýměník tepla pro MSBR 1000......................................................26
2.2.2 Mezivýměník tepla pro MSRE ...............................................................29
2.2.3 Mezivýměník tepla ruského systému MSR-Burner ...............................29
2.2.4 Mezivýměník tepla pro DEMO 50 ........................................................31
2.3 PARNÍ GENERÁTORY...............................................................................34
2.3.1 Parní generátory systému MSBR 1000 ..................................................34
2.3.2 Parní generátory ruského systému MSR-Burner ....................................37
2.3.3 Parní generátory pro DEMO 50..............................................................40
3 NĚKTERÉ EKONOMICKÉ POHLEDY NA MSR SYSTÉMY..........................45
3.1 MSR-BURNER .............................................................................................45
3.2 MSBR 1000...................................................................................................45
3.3 POROVNÁNÍ ...............................................................................................51
4 DOPORUČENÍ PRO DALŠÍ VÝVOJ V OBLASTI KOMPONENT A
SYSTÉMŮ.............................................................................................................51
4.1 NĚKTERÉ DÍLČÍ ÚLOHY PROBLEMATIKY MSR SYSTÉMŮ.............52
4.1.1 V oblasti nosiče tepla (chladiva) ............................................................52
4.1.2 V oblasti mezivýměníků tepla ................................................................52
4.1.3 V oblasti cirkulačních čerpadel ..............................................................52
4.1.4 V oblasti parních generátorů...................................................................53
4.1.5 V oblasti potrubí a ventilů ......................................................................53
4.1.6 V oblasti pasivních systémů ...................................................................53
4.1.7 V oblasti kontrolních systémů ................................................................54
4.2 VYBRANÉ PROBLÉMY Z OBLASTI SEKUNDÁRNÍHO
OKRUHU......................................................................................................54
4.2.1. Návrh experimentálních ověření ............................................................54
4.2.2. Návrh experimentálního zařízení............................................................54
4.2.3. Návrhy základního měření......................................................................56
5 REFERENCE ........................................................................................................57
2
ÚVOD
V současných jaderných reaktorech vsazené palivo je využito jen částečně. Použité
jaderné palivo obsahuje spektrum radioaktivních izotopů s dlouhým poločasem
rozpadu, z nichž některé jsou štěpitelné a toxické . Použité palivo je v současné době
ukládáno do kontejnerů v meziskladech a uvažuje se o jeho dalším využití nebo trvalém
hlubinném uložení. Přitom má toto palivo stále ještě vysoký energetický obsah. Je
snaha co nejvíc zužitkovat energii obsaženou v palivu a co nejvíce snížit jeho aktivitu a
toxicitu (obsah a složení některých štěpných produktů). Zdá se, že jednou z možných
cest je použití paliva „vyhořelého“ v klasických jaderných elektrárnách v transmutorech
pracujících s palivem „rozpuštěným“ ve vhodné roztavené nosné soli. Uvažovaný
systém je nazývaný MSR systémem, tj. systémem s reaktorem s roztavenou solí
(Molten Salt Reactor System).
Základním přínosem zamýšlených MSR systémů je, že mohou pracovat s palivem
použitým v klasických JE a tím pomoci v řešení problému „kam s ním“, že lépe
zhodnotí energii obsaženou v palivu a že zbytkové produkty štěpných materiálů mají
příznivější složení, než produkty z energetických reaktorů.
MSR systémy se uvažují většinou jako tříokruhové. Principiální schéma takového
systému je na obr. 1.
MV
T-R
I
PG
II
T
III
G
K
RE
CI
CI
CII
Č
Obr. 1 Principiální schéma tříokruhového řešení MSR systému
Legenda:
T-R- transmutor-reaktor, MV- mezivýměník tepla, PG-parní generátor, TGturbogenerátor, K-kondenzátor, RE-regenerace, CI, CII, Č-čerpadla, I-primární okruh s
palivovou solí, II-sekundární - vložený okruh s nosičem tepla, III-terciární parovodní
okruh.
U tříokruhové varianty MSR systému protéká pomocí oběhového čerpadla primárním
okruhem roztavená palivová sůl (primární sůl) a předává teplo v mezivýměníku tepla
nosiči tepla, který obíhá sekundárním okruhem. Nosič tepla předává teplo v parním
generátoru (PG), kde se generuje přehřátá vodní pára pro pohon turbogenerátoru.
Smyslem mezivýměníku je vytvořit bezpečnostní bariéru mezi radioaktivní primární
solí a nosičem tepla v sekundárním okruhu. Tímto nosičem tepla může být opět
3
vzhledem k parametrům primární soli roztavená sůl, principiálně by jím mohla ale být i
jiná látka, např. tekutý kov.
V dalších částech se zpráva nezabývá fyzikálními problémy transmutace nebo
konstrukčním řešením transmutoru-reaktoru, ale je zaměřena na některé vybrané
komponenty okruhů, konkrétněji čerpadla, mezivýměníky tepla a parní generátory.
Co se týče používaných pojmů je v uvedené tříokruhové koncepci primární výměník
totožný s mezivýměníkem, sekundárním výměníkem se rozumí parní generátor.
1
PŘEHLED MSR SYSTÉMŮ
Myšlenka použití jaderného paliva v zařízeních typu MSR není nová. Už více než před
30 lety byla projektována a konstruována zařízení, která pracovala na výše uvedených
principech resp. testovala komponenty pro uvažované systémy. Tak např.:
(a)
Do stadia experimentálního provozu se dostal projekt MSRE (Molten Salt Reactor
Experiment) v Národní laboratoři v Oak Ridge v USA (ORNL) [4] Toto zařízení
pracovalo s experimentálním reaktorem bez energetického využití uvolňovaného
tepla, prokázalo životnost uvažovaných systémů s transmutorem s roztavenou solí
a umožnilo testování komponent okruhů systému.
V primárním okruhu byla použita sůl 71,8LiF+16BeF2+12ThF4+0,2UF4.
V sekundárním okruhu cirkulovala sůl 7LiF+93BeF2.
Dispoziční uspořádání tohoto zařízení je na obr. 1.1.1.
(b)
Na základě zkušeností získaných s provozem MSRE byl v ORNL zpracován
projekt zařízení s energeticky využitelným výkonem nazvaný MSBR 1000
(Molten Salt Breeder Reactor s výkonem 1000 MWe) [4]. Vybrané parametry
tohoto zařízení jsou v tab. 1.2.1.
Uvažovaná primární sůl: 71,7LiF+16BeF2+12ThF4+0,3UF4
Uvažovaná sekundární sůl: 8NaF + 92NaBF4
Reaktor
Očekávaný
elektrický
výkon,
MW
Očekávaná
účinnost
Teplota palivové soli, °C
MSBR
*
Redukovaný
výkon
+
Snížený
výkon
+
1000
350
0,4444
0,49
R-výstup
705
705
R-vstup
566
566
11820
3752
13,5
0,26
705
566
273
Celkový průtok
soli reaktorem,
kg/s
Tab. 1.2.1 Některé parametry a účinnosti zařízení MSBR 1000 a obdobných zařízení
s nižším výkonem
*
+
4
údaje ORNL
odhad Energovýzkumu
Schéma primárního okruhu zařízení MSBR 1000 je na obr. 1.2.1, schéma sekundárního
okruhu je na obr. 1.2.2, schéma terciálního okruhu je na obr. 1.2.3. Celkový pohled na
možné uspořádání komponent je na obr. 1.2.4.
Obr. 1.1.1 Dispoziční uspořádání MSRE
Legenda:
FUEL PUMP – palivové čerpadlo, COOLANT PUMP – čerpadlo chladicí soli, HEAT
EXCHANGER – primární výměník tepla, REACTOR VESSEL – reaktorová nádoba,
5
THERMAL SHIELD – tepelný štít, BIOLOGICAL SHIELD – biologický štít, FILL
AND DRAIN TANKS – zásobní a drenážní nádrže, COOLANT DRAIN TANK –
palivová drenážní nádrž, CARBON STEEL CONTAINMENT – kontejnment z uhlíkaté
oceli
Primární okruh s cirkulující palivovou solí má 4 smyčky po 1 IHX (mezivýměník tepla)
a 1 PP (primární čerpadlo)
Obr. 1.2.1 Schéma primárního okruhu zařízení MSBR 1000
Teplota palivové soli v bodech
A (IHXs vstup)
705 °C
B (IHXs výstup)
566 °C
Celkový průtok palivové soli reaktorem
mR = 4 x 2955 = 11820 kg/s
Legenda:
6
PP
cirkulační čerpadlo
IHX
mezivýměník
Sekundární okruh s cirkulujícím chladivem roztavenou solí NaF + NaBF4 má 4 smyčky,
v každé je 1 SP (sekundární čerpadlo), 1 SG (parní generátor), pro všechny 2 SH
(přehříváky)
Obr. 1.2.2 Schéma sekundárního okruhu zařízení MSBR 1000
Legenda:
SP
cirkulační čerpadlo
IHX
mezivýměník
SG
parní generátor
SH
přihřívák
TO T trasa k turbíně
Teploty chladiva ve vybraných místech
Místo
Teplota, °C
I
II
III
IV
V
VI
VII
621
621
454
454
454
621
přibližně 621
Průtok soli, kg/s
(na 1 smyčku)
1925,2
292,8
1925,2
292,8
2218
2218
2218
7
SG
SH
TG
Obr. 1.2.3 Schéma terciálního okruhu zařízení MSBR 1000
Legenda:
SG
parní generátor
SH
přihřívák
TG
turbogenerátor
RSP
ohřívák
REGENERATION SYSTEM
COND
systém regenerace
kondenzátor
Projektové parametry vody a páry
Místo
1
1A
2
3
4
5
6
MSBR:
8
Teplota, °C
538
538
343
538
371
Tlak, MPa
24,1
24,1
přibl. 3,72
3,72
3,72
přibl. 26,15
5,08 kPa
Celkový průtok, kg/s
1276,16
900,9
646,16
646,16
646,16
1276,16
Tepelný výkon
2250 MW
Elektrický výkon
1000 MW
Celková účinnost
0,4444
Obr. 1.2.4 Pohled na uspořádání komponent v zařízení MSBR 1000
Legenda:
REACTOR – reaktor, PRIMERY SALT PUMP –čerpadlo primární soli, SECONDARY
SALT PUMP – čerpadlo sekundární soli, CONTROL ROD DRIVE – řídící tyče, HEAT
EXCHANGER – mezivýměník tepla, STEAM GENERATOR – parní generátor,
REHEATER – přihřívák páry, STEAM PIPING – parní potrubí k turbíně, CATCH
BASIN – záchytný bazén nečistot
V Rusku byl pro účely energetického využití zpracován projekt MSR-Burner [15].
Hlavní technické parametry tohoto systému jsou v tab. 1.3.1
9
Parametr
Hodnota
Elektrický výkon elektrárny, MW
Tepelný výkon elektrárny, MW
Počet odstavení reaktoru
1100
2500
1 – vypouštěním palivové soli
2 – činností řídících tyčí
3
Počet okruhů
Primární okruh
Chladivo
Teplota tavení soli, °C
Teplota chladiva, °C
reaktor vstup 620
reaktor výstup
Průtok aktivní zónou, kg/s (m/s)
Tlak plynu v kompenzátoru objemu (cca), kPa
Provedení
Hydraulický odpor okruhu, kPa
Počet cirkulačních čerpadel s elektrickým
pohonem
Elektrický příkon čerpadla, kW
Rozměry reaktoru, m
průměr 3
výška
Počet mezivýměníků tepla
Počet teplosměnných trubek 9x1 v
mezivýměníku
Délka teplosměnné části trubek, m
Rozměry monobloku, m
průměr
výška
Objem materiálu v monobloku, m3
,
chladivo
ejektor s reflektorem
kov (základ slitina niklu – Hastelloy)
Počet vypouštěcích nádrží
Objem jedné nádrže, , m3
Složení palivové nosné soli
66LiF-34BeF2
458
620
720
1,07.104 (5,34)
~ 200
Integrální (monoblok)
900
4
2000
3
3
12
2977
5,5
5
15
61
~ 125
37
6
16
Sekundární okruh
Chladivo
Teplota tavení soli, °C
Teplota chladiva, °C
PG vstup
PG výstup
Celkový průtok chladiva přes 8 PG, kg/s (m/s)
Tlak plynu v kompenzátoru objemu (cca), kPa
Provedení
10
Sůl 92NaBF4 – 8NaF
385
620
470
1,1.104 (5,89)
∼ 200
Čtyři smyčky se společnými kolektory
v mezivýměníku tepla
Hydraulický odpor okruhu, kPa
Počet cirkulačních čerpadel s elektrickým
pohonem
Elektrický příkon jednoho čerpadla, kW
Počet vypouštěcích nádrží
650
4
2000
8
Terciální okruh
Pracovní látka
Teplota pracovní látky, °C
vstup PG
výstup PG
Tlak na výstupu páry PG, MPa
Průtok pracovní látky, kg/s
Typ parního generátoru
Voda s nadkritickými parametry
400
538
24,5
2700
Průtočný s teplosměnnou plochou ve formě
koaxiálních svazků
Počet parních generátorů
8
Počet trubek 17x3 v jednom PG
1208
Teplosměnná plocha svazku trubek jednoho PG, 2250
m2
Hydraulický odpor na straně pracovní látky PG, 3300
kPa
Tab. 1.3.1 Základní parametry zařízení MSR-Burner (Rusko)
Zařízení MSR-Burner je koncipováno jako tříokruhové. Mezivýměník s reaktorem jsou
koncipovány integrálně ve společné tlakové nádobě.
11
8
6
7
9
11
8
2
6
7
10
3
4
6
7
6
7
8
8
1
5
Obr. 1.3.1 Principiální schéma zařízení MSR-Burner (Rusko)
Legenda:
1 – trasa přívodu nového paliva, 2 – systém čištění paliva, 3 – systém krycího plynu, 4 –
systém regulace tlaku plynu, 5 – barbotážní trasa, 6 – vstup napájecí vody, 7 – výstup
přehřáté páry, 8 – trasa k zásobníkům sekundární soli, 9 – pasivní bezpečnostní systém,
10 – zásobníky primární soli, 11 – zásobníky sekundární soli
Experimetální stend SOLARIS pracoval v bývalém Sovětském svazu v sedmdesátých
letech minulého století. Systém pracoval se solí typu 46,5 LiF+11,5NaF+42KF a mimo
jiné na něm probíhalo testování odstředivých čerpadel [3]
12
V rámci projektu GAČR byly v Energovýzkumu Brno provedeny práce věnované
problematice vlastností roztavených solí a návrhu, konstrukci a experimentálnímu
ověření čerpadla pro okruhy s roztavenou solí [10].
Další teoretické práce byly zaměřeny na demonstrační jednotku MSR systému
s výkonem 50 MW dále nazývanou DEMO 50. Byly provedeny návrhy a tepelné
výpočtu mezivýměníků, parních generátorů a turbín pro tuto jednotku. Některé
výsledky návrhů mezivýměníku a parních generátorů jsou uvedeny dále.
1. Vybrané problémy okruhů MSR jsou řešeny také ve ŠKODĚ JS, a.s., Plzeň a
Ústavu jaderného výzkumu Řež, a.s..
2. Významné práce v oblasti MSR systémů byly provedeny také ve Francii a Japonsku
(např. transmutační projekt OMEGA).
3. V 5. Rámcovém programu Evropské unie (EUROPEAN COMMISION, 5th
EURATOM FRAMEWORK PROGRAMME 1998-2002, KEY ACTION:
NUCLEAR FISSION) započaly studijní práce pro MSR program projektem MOST
[14].
2
PŘEHLED KOMPONENT
Mezi nejvýznamnější komponenty okruhů MSR vedle vlastního transmutoru-reaktoru
patří
-
čerpadla,
-
mezivýměníky tepla (primární výměníky) a
-
parní generátory.
2.1
ČERPADLA
V následujících kapitolách jsou uvedeny bližší údaje čerpadel získané z dostupných
literárních pramenů:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Čerpadlo ALPHA – ORNL [1]
Čerpadla pro MSRE [2]
Čerpadlo pro experimentální okruh Solaris [3]
Čerpadla pro MSBR 1000 MW [4]
Grafitové čerpadlo pro okruh s roztavenou solí [5]
Čerpadlo EVM-MSP-4 [10]
2.1.1 Čerpadlo ALPHA
Toto čerpadlo bylo vyvinuto v ORNL a jeho základní parametry jsou uvedeny v tab.
2.1.1.1.
13
Parametr
Typ použité soli
Teplota soli, °C
Hustota soli při 566°C, kg/m3
Otáčky čerpadla, 1/min
Průtok soli, m3/s
Výtlačná výška, m
Průtok pomocnou nádobou, cm3 /s
Účinnost čerpadlaa, %
Tlak krycího plynu, kPa
Typ krycího plynu
Průtok mazacího oleje, l/min
Tlak mazacího oleje, kPa
Průtok chladicího oleje, l/min
Typická netěsnost na dolní ucpávce, cm3/den
Netěsnost na horní ucpávce, cm3/den
Vstupní teplota mazacího oleje, °C
Výstupní teplota mazacího oleje, °C
Vstupní teplota chladicího oleje, °C
Výstupní teplota chladicího oleje, °C
Hodnota
LiF-BeF2-ThF4-UF4 (72-16-11,70,3 mole %)
566
3,33
5000
2,5 x 10-4
58,2
21
~8
143
Helium
0,6
157
1,7
2 až 25
2 to 25
32
42
32
35
Tab.2.1.1.1 Návrhové parametry čerpadla ALPHA pro okruhy FCL-3 a –4
a
Účinnost čerpadla je v uvedené aplikaci velmi nízká, protože čerpadlo pracuje daleko
od návrhového pracovního bodu..
Provedení čerpadla je na obr. 2.1.1.1.
14
Obr. 2.1.1.1 Čerpadlo ALPHA (1 in. = 25,4 mm)
Legenda:
IMPELLER – oběžné kolo, LIQUID LEVEL – hladina roztavené soli, THERMAL
BARRIER – tepelná ochrana, COOLANT OIL – chladicí olej, LOWER SEAL – dolní
těsnění hřídele, UPPER SEAL – horní těsnění hřídele, LUBRICATION OIL – mazací
olej, GAS LINE, GAS IINLET – napojení krycího plynu, AUIXILIARY TANK –
pomocná nádrž, LIQUID SAMPLING PORT – odběrové místo
Čerpadlo ALPHA bylo vyvinuto v Oak Ridge National Laboratory (ORNL) – USA pro
použití v okruzích s tekutými solemi nebo tekutými kovy. Jedná se o odstředivé
čerpadlo. Rotor je vyroben ze slitiny Haslelloy N modifikované 2 % Ti. Čerpadlo bylo
15
navrhováno pro pracovní otáčky 6000 1/min a průtoky řádu 1,9 x 10-3 m3/s při teplotě
až 760 °C. V korozních smyčkách pracovalo při otáčkách 5000 1/min, průtoku 2,5 x 104
m3/s a teplotě cca 566 °C. V těchto aplikacích je účinnost čerpadla poměrně nízká.
Čerpadlo bylo provozováno v korozních okruzích FCL-3 a -4.
Čerpadlo je poháněno 15 kW motorem s variabilními otáčkami. Motor je umístěn nad
čerpadlem a pružně spojen s rotorem.
Pomocná nádoba umístěná u čerpadla slouží jako kompenzátor objemu.
2.1.2 Čerpadla pro MSRE
Jedná se o dvě čerpadla. Tato čerpadla byla vyvinuta pro experimentální reaktor
s roztavenými solemi MSRE, který byl provozován v ORNL. První čerpadlo pro
okruhy s palivovou solí, druhé pro okruhy se solí
jako chladivem. Základní
charakteristiky těchto čerpadel jsou v tab. 2.1.2.1.
Čerpadlo
Pracovní
látka
Okruh s
palivem
Helium a
roztavená sůl
Roztavená sůl 165
Helium
Helium a
roztavená sůl
Roztavená sůl 257
Helium
Okruh s
chladivem
Výtlak
[m]
Průtok
[m3/s]
Otáčky
[1/min]
16
≥ 482
Celková
doba
provozu
[hod]
30 848
0,076
1175
538 – 663
38 – 663
≥ 482
21 788
7 385
27 438
0,051
1175
538 – 691
38 – 691
26 076
4 707
Tab. 2.1.2.1 Základní charakteristiky čerpadel pro MSRE
Provedení čerpadla je na obr. 2.1.2.1.
Teplota
[°C]
Obr. 2.1.2.1 Provedení čerpadla pro MSRE
Legenda k obr. 2.1.2.1:
17
SHAFT COUPLING – spojka hřídelů, SHAFT SEAL – těsnění hřídele, WATER
COOLED MOTOR – motor chlazený vodou, LEAK DETECTOR – detektor netěsnosti,
LUBE OIL – mazací olej, LUBE OIL BREATHER – odplyňování mazacího oleje,
BALL BEARINGS – kroužkové těsnění, BEARING HOUSING – uložení ložiska, GAS
PURGE - čištění krycího plynu, SHAFT SEAL – těsnění hřídele, SEAL OIL
LEAKAGE DRAIN – odvod oleje netěsností, SHIELD COOLANT PASSAGES –
průchody stínícího oleje, SHIELD PLUG – těsnění stínění, GAS FILED EXPANSION
SPACE – expanzní nádrž, XENON STRIPPER – odlučovač xenonu, SPRAY sprchování, SAMPLER ENRICHER – odběr vzorků, BUBLE TYPE LEVEL
INDIKATOR – indikátor hladiny, OPERATING LEVEL – pracovní hladina
Čerpadla pro palivovou sůl a sůl okruhu chladiva jsou provedením prakticky identická.
Jsou řešena jako odstředivá čerpadla s vertikálním hřídelem a skládají se ze tří
základních částí – nádoby čerpadla, rotoru a hnacího motoru. Části, které jsou
v kontaktu s roztavenou solí, byly konstruovány ze slitiny Hastelloy N. Nádoba
čerpadla slouží také k vyrovnávání změn objemu soli v systému s teplem. Čerpadla byla
dlouhodobě provozována.
2.1.3 Čerpadlo pro experimentální okruh Solaris
Základní parametry čerpadla jsou uvedeny v tab. 2.1.3.1.
Parametr
Typ použité soli, složení, mol %
Výtlak (max), m
Maximální objemový průtok, l/s
Otáčky (max), 1/min
Teplota soli, °C
Hodnota
46,5LiF-11,5NaF-42KF
40\
2,5
2000
500-700
Tab. 2.1.3.1 Základní parametry čerpadla pro okruh Solaris
Provedení čerpadla je na obr. 2.1.3.1.
18
Obr. 2.1.3.1 Schéma provedení čerpadla pro experimentální okruh Solaris
Legenda:
1 – ulita čerpadla, 2 – oběžné kolo, 3 – hřídel, 4 – systém chlazení, 5 – svorníky, 6 těsnění, 7 – horní ložisko, 8 – dolní ložisko, 9 – pomocné těsnění, 10 – snímač hladiny,
11 - výstup čerpané soli
19
Při návrhu čerpadla se vycházelo z čerpadel pro tekuté kovy. Čerpadlo se skládá
z vertikálního hřídele (9) s oběžným kolem (2) v dolní části ponořeným do roztavené
soli a drženým dvěma ložisky (7,8). Vstup a výstup čerpané soli jsou v dolní části
nádoby čerpadla (11). Pomocné těsnění hřídele (9) je manžetového provedení. Dolní
ložisko je chlazeno chladicím systémem (4). Hladina soli v nádobě je kontrolována
snímačem (10). Čerpadlo bylo provozována cca 1500 hodin.
2.1.4 Čerpadla pro MSBR 1000 MW
Byla navržena tři čerpadla a to čerpadlo pro primární okruh, čerpadlo pro sekundární
okruh a dopravní čerpadlo. Základní projektové parametry těchto čerpadel jsou uvedeny
v tab. 2.1.4.1.
Parametr
Čerpadlo
Požadovaný počet pro MSBR 1000, Střední teplota soli, °C
Nominální průtok, m3/s
Výtlak, m
Otáčky, 1/min
Měrné otáčky., Ns, 1/min
Požadovaná NPSHb , m
Výkon na spojce, kW
Průměr rotoru, mm
Průměr nádoby čerpadla, mm
Průměr sacího potrubí, mm
Průměr výtlačného potrubí, mm
Hodnota
Primární
4
704
1,01
45,7
890
2630
0,046
∼ 1752
864
1829
533
406
Sekundární
4
621
1,26
91,4
1190
2335
0,0914
2423
902
1829
533
406
Dopravnía
1
704
0,0063 (0,0002)
30,5 (7,6)
1790 (890)
560 (140)
15 (2,3)
235
610
76
51
Tab. 2.1.4.1 Základní projektové parametry čerpadel pro 1000-MW(e) MSBR
a
Tam, kde jsou uvedeny dvě hodnoty, vztahuje se první k plnění primárního okruhu
systému a druhá k cirkulaci primární soli v okruhu pro chemickou úpravu primární soli.
b
NPSH = čistá sací výška.
Koncepce čerpadla pro primární okruh je na obr. 2.1.4.1.
20
Obr. 2.1.4.1 Koncepce čerpadla pro primární okruh MSBR 1000 MW
Legenda:
MOTOR – hnací motor, COUPLING – spojovací hřídel, CONCRETE SHIELDING –
betonové stínění, BEARING AND SEAL ASSEMBLY – díl těsnění a ložisek,
REAKTOR CELL CONTAINMENT – kobka reaktoru, PUMP TANK – nádoba
čerpadla, SHIELD PLUG – těsnění stínění, ACTUAL SALT LEVEL – hladina soli,
IMPELLER – oběžné kolo čerpadla
21
Dolní část čerpadla (nádoba čerpadla, rotor, pouzdro) jsou umístěny v reaktorové kobce,
hnací motor je umístěn na podlaží nad reaktorem.
2.1.5 Grafitové čerpadlo pro okruh s roztavenou solí
Základní charakteristiky čerpadla získané z reference [9] jsou uvedeny v tab. 2.1.5.1.
Parametr
Typ použité soli
Teplota soli, °C
Průtok, l/s
Otáčky, 1/min
Doba provozu, hod
Hodnota
LiF-NaF-KF
600
0,15
400 a 1000
2800 a 200
Tab. 2.1.5.1 Základní parametry grafitového čerpadla pro roztavenou sůl
Schématický obrázek čerpadla je na obr. 2.1.5.1.
Čerpadlo pracovalo několik stovek hodin v malém testovacím okruhu s objemem soli
cca 10 l a smyslem jeho provozu bylo prokázat schopnost provozu při použití
grafitových konstrukčních materiálů.
Obr. 2.1.5.1 Schématický obrázek grafitového čerpadla pro roztavenou sůl
22
Legenda:
1 – Grafitová nádoba
2 – Grafitová tepelná izolace
3 – Grafitové čerpadlo
4 – Tepelný výměník
5 – Zásobní nádrž
6 – Vzduchotěsný kontejner
7 – Topidla
8 – Termočlánek
9 – Průtokoměr
10 – Rychločinný zamrzací ventil
11 – Ochranný box
12 – Elektrický motor čerpadla
2.1.6 Čerpadlo EVM-MSP-4
Základní charakteristiky čerpadla vyvinutého v Energovýzkumu jsou v tab. 2.1.6.1.
Tab. 2.1.6.1 Základní charakteristiky čerpadla EVM-MSP-4
Parametr
Výtlačná energie při maximálních otáčkách, J/kg
Otáčky, 1/min
Teplota roztavené soli, °C
Maximální objemový průtok soli, l/s
Hodnota
190
600 až 1 450
do 550
3,4
Fotografie čerpadla je na obr. 2.1.6.1.
23
Obr. 2.1.6.1 Čerpadlo EVM-MSP-4
Čerpadlo EVM-MSP-4 bylo zapojeno do okruhu, jehož schéma je na obr. 2.1.6.2.
24
27
Obr. 2.1.6.2 Schéma zapojení čerpadla EVM do okruhu s roztavenou solí
Legenda: 1-Čerpadlo na fluoridovou sůl, 2- Zásobní a bezpečnostní nádrž soli, 3Průtokoměr, 4- Vakuová jednotka, 5- Systém krycího plynu, 6- Filtry zásobní nádrže,
7-Filtry čerpadla, 8- Generátor HF, 9-Difúzní jímka, 10-Hlavní cirkulační potrubí, 1112 Spojovací potrubí, 13- Kolektor rozvodu krycího plynu pro čerpadlo, 14- Kolektor
rozvodu krycího plynu pro zásobní nádrž, 15-Plynové potrubí do zásobní nádrže(I), 16Plynové potrubí do zásobní nádrže(II), 17- Plynové potrubí do čerpadla,18 až 24Pomocná potrubí plynu, 25- Bezpečnostní barbotážní nádoby, 26 Systém ventilace, 27 –
Bezpečnostní box
Čerpadlo má vertikální rotor uložený ve dvou ložiskových uzlech s valivými ložisky.
Na konci rotorového hřídele je upevněno oběžné kolo čerpadla. Na konci hřídele rotoru
nad horním ložiskovým uzlem je upevněna mechanická pružná spojka , alternativně
magnetická spojka. Letmá část hřídele s oběžným kolem je zanořena do nádoby
čerpadla, která je opatřena v dolní části dnem a v horní přírubou s těsněním. Příruba je
připevněna k víku nádoby. V oblasti průchodu hřídele víkem nádoby je provedena
mechanická ucpávka, nad ní je situován spodní ložiskový uzel. Spojka spojuje hřídel
rotoru s hřídelí přírubového elektromotoru situovaném nad nádobou. Nádoba čerpadla
plní také funkci kompenzace objemu. Podrobnější údaje k čerpadlu EVM-MSP-4 jsou
v [10].
25
2.2
MEZIVÝMĚNÍKY TEPLA
Mezivýměníky tepla (primární výměníky tepla) použitých i navrhovaných koncepcí
MSR tvoří bezpečnostní bariéru, na níž dochází k výměně tepla mezi primárním
nosičem tepla (roztavenou aktivní palivovou solí) a nosičem tepla v sekundárním
okruhu, kterým je z fyzikálních důvodů nejvhodnější většinou opět roztavená sůl.
V navazujících kapitolách jsou uvedeny bližší údaje následujících mezivýměníků tepla
(primárních výměníků tepla) získané z dostupných literárních pramenů:
1.
2.
3.
4.
Mezivýměník tepla pro MSBR 1000 [4]
Mezivýměník tepla pro MSRE [6,7]
Mezivýměník ruského systému MSR-Burner [15]
Mezivýměník pro DEMO 50 [8]
2.2.1 Mezivýměník tepla pro MSBR 1000
Základní charakteristiky tohoto mezivýměníku tepla jsou v tab. 2.2.1.1.
26
Parametr
Typ výměníku
Tepelný výkon, MW
Primární strana (uvnitř trubek)
Teplonosná látka
Vstupní teplota, °C
Výstupní teplota, °C
Vstupní tlak, MPa
Tlaková ztráta výměníku, MPa
Hmotnostní tok, kg/s
Materiál trubek
Vnější průměr, mm
Tloušťka stěny, mm
Délka trubek, m
Teplosměnná délka mezi trubkovnicemi, m
Počet trubek, 1
Rozteč trubek , mm
Celková plocha přestupu tepla, m2
Objem palivové soli v trubkách, m3
Sekundární strana (uvnitř pláště výměníku)
Chladicí látka
Vstupní teplota, °C
Výstupní teplota, °C
Výstupní tlak, MPa
Tlaková ztráta výměníku, MPa
Hmotnostní tok, kg/s
Poloměr ohybu, mm
Materiál pláště
Tloušťka pláště, mm
Vnitřní průměr pláště, mm
Průměr středové vytěsňovací trubky, OD, mm
Materiál trubkovnice
Šířka trubkovnice, mm
Typ přepážek
Počet přepážek, celkový
Rozteč přepážek, mm
Hodnota
Jednotahový s trubkami a jejich distancováním
556,5
palivová sůl
704
566
1,24
0,9
2948,4
Hastelloy N
9,525
0,89
7,44
7,07
5803
19,05
1293
2,04
NaF-NaBF4
454
621
0,23
115,7
2242,8
241
Hastelloy N
12,7
1717
508
Hastelloy N
121
Desky a drážky v otvorech
21
285
Tab. 2.2.1.1 Základní projektová data mezivýměníku tepla pro MSBR 1000
Provedení mezivýměníku tepla je na obr.2.2.1.1.
27
Obr. 2.2.1.1 Provedení mezivýměníku tepla pro MSBR 1000
Mezivýměník.je navrhován jako vertikální tělesový výměník se svazkem trubek tvaru
L- v jednom plášti vnitřního průměru 1717 mm. Primární sůl vstupuje do trubek v horní
části výměníku , z výměníku vystupuje v dolní části. Výměník je tvořen 5308 trubkami
rozměrů φ9,53x 0,89 mm rozmístěných rovnoměrně kolem střední vytěsňovací trubky
průměru 508 mm. Sekundární sůl protéká potrubím ve vytěsňovací trubce do
mezitrubkového prostoru a pak prostorem mezi trubkami zdola nahoru. Její proudění
28
mezitrubkovým prostorem je usměrňováno kruhovými vestavbami, podélné proudění je
tak částečně převáděno na příčné obtékání svazku trubek. Plášť i trubky výměníku jsou
vyrobeny z materiálu Hastelloy N.
2.2.2 Mezivýměník tepla pro MSRE
Základní parametry mezivýměníku tepla jsou uvedeny v tab. 2.2.2.1.
Parametr
Typ primární soli
Chladící (sekundární) sůl
Průtok primární soli, l/s
Vstupní teplota, °C
Výstupní teplota, °C
Průtok sekundární soli, l/s
Vstupní teplota, °C
Výstupní teplota, °C
Počet teplosměnných trubek, 1
Rozměr teplosměnných trubek, mm
Délka teplosměnných trubek, m
Materiál teplosměnných trubek
Průměr obalové trubky, mm
Hodnota
7LiF-BeF2-ZrF4-UF4
7LiF-BeF2
80
654
632
41,6
546
579
159
vnější průměr 12,7
2,44
Hastelloy N
416,6x5,1
Tab. 2.2.2.1 Základní parametry mezivýměníku tepla pro MSRE
Primární výměník byl konstruován pro tepelný výkon 8 MW. Výměník byl koncipován
jako plášťový výměník typu U-trubice a orientován horizontálně. Primární sůl proudila
v obalové trubce, sekundární sůl uvnitř 159 trubek s vnějším průměrem 12,7 mm
uspořádaných v trojúhelníkové mříži. Délka trubek - 2,44 m, použitý materiál Hastelloy
N.
2.2.3 Mezivýměník tepla ruského systému MSR-Burner
Mezivýměník tepla ruského systému MSR-Burner je integrován ve společné tlakové
nádobě spolu s reaktorem. Schématicky je toto provedení na obr. 2.2.3.1.
Vybrané parametry mezivýměníku tepla jsou uvedeny v tab. 1.3.1 v části přehledu
systémů MSR.
29
I
II
IV
B
A
B
B
III
V
VI
Obr. 2.2.3.1 Umístění mezivýměníku tepla v ruské koncepci MSR-Burner
Legenda:
I - aktivní zóna reaktoru, II- grafit, III- hladina roztavené soli, IV- mezivýměníky (12
po obvodu reaktoru), V – čerpadla (4 ks), VI- řídící tyče
Schéma uspořádání mezivýměníků tepla v systému je zřejmé z obr. 1.3.1.
30
Mezivýměníky tepla jsou v projektu MSR-Burner koncipovány v jednom monobloku
společně s reaktorem. 12 mezivýměníků je rozmístěno rovnoměrně na vnějším obvodu
nádoby reaktoru. Primární sůl proudí mezitrubkovým prostorem, sekundární sůl uvnitř
trubek teplosměnného svazku. Celkový počet trubek rozměrů φ9x1 mm a délky 5,5 m
v jednom mezivýměníku je 2977.
2.2.4 Mezivýměník tepla pro DEMO 50
Mezivýměník tepla pro demonstrační jednotku DEMO 50 je navržen v [8]. Návrhové
parametry vychází z teplot podobných teplotám zařízení MSBR 1000 a jsou v tab.
2.2.4.1.
Látka, konstrukční díl a parametr
Palivová sůl:
na bázi LiF-BeF2
Vstupní teplota
Výstupní teplota
Výpočtový tlak
Nosič tepla:
NaBF4-NaF
Vstupní teplota
Výstupní teplota
Výpočtový tlak
Teplosměnné trubky:
Materiál
Vnější průměr
Počet trubek
Rozměr
Hodnota
°C
°C
MPa
705
566
0,9
°C
°C
MPa
454
621
0,5
mm
-
MONICR
10
570
Tab. 2.2.4.1 Návrhové parametry mezivýměníku tepla pro DEMO 50
Výsledky výpočtů jsou v tab. 2.2.4.2.
31
Látka, konstrukční díl a parametr
Palivová sůl:
Hmotnostní průtok
Střední rychlost proudění v trubkách
Střední délka trubek
Celková tlaková ztráta na straně palivové soli
Objem soli v trubkách
Nosič tepla:
Hmotnostní průtok
Střední rychlost proudění v mezitrubkovém prostoru
Objem soli v mezitrubkovém prostoru
Hlavní rozměry:
Maximální vnější průměr výměníku
Vnější průměr v oblasti svazku trubek
Výška výměníku (hrdlo - hrdlo)
Vnější průměry hrdel
palivová sůl
nosič tepla (sekundární strana)
Rozměr
Hodnota
kg/s
m/s
m
MPa
m3
265,1
2,8
7,4
0,58
0,212
kg/s
198,7
m/s
m3
0,7
1,154
mm
mm
mm
980
585
cca 8500
mm
mm
159
209/159
Tab. 2.2.4.2 Vypočítané parametry mezivýměníku tepla pro DEMO 50
Schéma návrhu mezivýměníku tepla je na obr. 2.2.4.1.
32
Obr. 2.2.4.1 Schéma mezivýměníku tepla pro DEMO 50
Mezivýměník tepla je navrhován jako vertikální výměník s trubkami ve tvaru písmene
L zakotvenými do trubkovnic. Palivová sůl proudí trubkami , sekundární sůl
v mezitrubkovém prostoru. Pro intenzifikaci přestupu tepla na straně sekundární soli
33
jsou v sekundárním prostoru vestavby, které navádí proudící látku z podélného obtékání
trubek na co nejvíce příčné.
2.3
PARNÍ GENERÁTORY
Parní generátory zařízení MSR systémů se od PG používaných v klasických JE odlišují
principiálně především nosičem tepla. Vzhledem k vyšší úrovni pracovních teplot
roztavených solí v primárním okruhu jsou jako nosič tepla v sekundárním okruhu
uvažovány opět roztavené soli a vzhledem k některým jejich vlastnostem bude asi třeba
na sekundární straně počítat s nadkritickými parametry vody.
V navazujících kapitolách jsou uvedeny bližší údaje navrhovaných parních generátorů
(sekundárních výměníků tepla) získané z dostupných literárních pramenů:
1. Parní generátory systému MSBR 1000
2. Parní generátory ruského systému MSR-Burner
3. Parní generátory pro DEMO 50
Na rozdíl od mezivýměníků tepla a čerpadel nebyl žádný parní generátor vyhřívaný
roztavenou solí dosud nikde experimentálně provozován.
2.3.1 Parní generátory systému MSBR 1000
Umístění parních generátorů v systému MSBR 1000 je zřejmé z obr. 1.2.4, půdorysný
pohled na toto uspořádání je na obr. 2.3.1.1.
Obr. 2.3.1.1 Půdorysný pohled na umístění PG v systému MSBR 1000
34
Legenda: REACTOR – reaktor, PRIMARY SALT PUMP – čerpadlo primárního
okruhu soli, HEAT EXCHANGER – mezivýměník tepla, SECONDARY SALT PUMP
– čerpadlo sekundárního okruhu, STEAM GENERATOR – parní generátor,
REHEATER – přihřívák, STEAM PIPING – parní potrubí
Detailnější pohled na provedení PG je na obr. 2.3.1.2.
Obr. 2.3.1.2 Navrhovaný parní generátor pro MSBR 1000
Základní parametry PG pro MSBR 1000 jsou v tab. 2.3.1.1. V tab. 2.3.1.2 jsou základní
parametry přihříváku.
35
Parametr
Celkový tepelný výkon, MW
Počet PG na jednotku MSBR 1000
Parametry PG (jednoho PG z 16)
Tepelný výkon, MW
Parametry sekundární strany (pára od 24,77 do 26,14 MPa)
Vnější průměr, mm
Délka trubkového svazku (střední) mezi trubkovnicemi, m
Počet trubek
Vstupní teplota, °C
Hmotnostní tok, kg/s
Tlaková ztráta, MPa
Parametry primární strany (strana soli)
Vnitřní průměr pláště, mm
Vstupní a výstupní teplota, °C
Hmotnostní tok, kg/s
Tlaková ztráta , MPa
Hodnota
1931,2
16
120,7
12,7
23,3
393
371-538
79,76
1,17
457
621 – 454
481,3
0,42
Tab. 2.3.1.1 Návrhové základní parametry parních generátorů systému MSBR 1000
Parametr
Celkový tepelný výkon, MW
Počet přihříváků na jednotku MSBR 1000
Parametry přihříváku (jednoho přihříváku z 8)
Tepelný výkon, MW
Parametry strany páry (pára 3,78 MPa)
Vnější průměr trubek, mm
Délka trubek, m
Počet trubek
Vstupní a výstupní teplota, °C
Hmotový tok, kg/s
Tlaková ztráta (přibližně), MPa
Primární strana (strana soli)
Vnější průměr pláště, mm
Vstupní a výstupní teplota soli, °C
Hmotnostní tok, kg/s
Tlaková ztráta, MPa
Hodnota
292,8
8
36,6
19
9,24
400
343 – 538
80,77
0,09
540
621 – 454
146,2
0,41
Tab. 2.3.1.2 Návrhové základní parametry přihříváku páry systému MSBR 1000
Systému MSBR 1000 má 16 PG tvaru Ω a provedení dle obr. 2.3.1.2. Za 16 kusů PG je
pak řazeno celkem 8 kusů přihříváku, vše umístěno v kobce PG. Celkově PG vyrábí
kolem 1260 kg/s páry. Napájecí voda nadkritických parametrů má tlak 24,8 MPa a
vstupní teplotu 371 °C. PG jsou řešeny jako tělesové s pláštěm vnitřního průměru 457
mm a 393 trubkami vnějšího průměru 12,7 mm. Voda proudí uvnitř trubek, nosič tepla
– sůl – mezitrubkovým prostorem.
36
2.3.2 Parní generátory ruského systému MSR-Burner
Schématicky jsou parní generátor pro systém MSR-Burner na obr. 2.2.3.1. Detailnější
pohled je na obr. 2.3.2.1. Rozmístění celkového počtu 8 PG na jednotku je nejlépe
zřejmé z obr. 2.3.2.2 a 2.3.2.3.
Základní parametry parního generátoru vyplývají z tab. 1.3.1 a jsou shrnuty v tab.
2.3.2.1.
Parametr
Celkový tepelný výkon, MW
Počet PG
Primární strana
Pracovní látka
Vstupní teplota, °C
Výstupní teplota, °C
Průtok (na 8 PG), kg/s
Sekundární strana
Pracovní látka
Vstupní teplota, °C
Výstupní teplota, °C
Průtok, kg/s
Tlak, MPa
Hodnota
2500
8
92NaBF4 – 8NaF
620
470
11 000 kg/s
voda-pára
400
538
2700
24,5
Tab. 2.3.2.1 Základní parametry PG pro MSR-Burner
Systém MSR-Burner má 8 kusů paralelně zapojených PG. Nosič tepla, primární sůl,
proudí v mezitrubkovém prostoru, voda s nadkritickými parametry uvnitř trubek.
Svazky teplosměnných trubek mají tvar U-článků. Rozměry teplosměnných trubek
φ17x3 mm, počet teplosměnných trubek v jednom PG - 1208.
37
Obr. 2.3.2.1 Schéma parního generátoru pro MSR-Burner
38
Obr. 2.3.2.2 Dispozice uspořádání parních generátorů v systému MSR Burner
Legenda: 1 - integrovaný primární okruh, 2 – kompenzátor objemu, 3 - parní
generátory, 4 – zásobní nádrže se sekundární solí, 5 - ohříváky, 6 – zásobní nádrže
s primární solí
Obr. 2.3.2.3 Rozmístění parních generátorů v systému MSR-Burner (půdorys)
Legenda: 1 – integrovaný primární okruh, 2 – parní generátory
39
2.3.3 Parní generátory pro DEMO 50
Návrh parních generátorů pro demonstrační jednotku DEMO 50 vychází ze zkušeností
získaných v ČR při vývoji, výrobě, dodávce a provozu parních generátorů na
elektrárnách v bývalém Sovětském svazu. Jedním z těchto PG je tzv. obrácený
parogenerátor (OPG1). Tento parní generátor dosud odpracoval bez jediné závady více
než 110 000 hodin v režimu generace páry na elektrárně BOR 60, která pracuje
s rychlým reaktorem chlazeným tekutým sodíkem. Zkušenosti s projekce PG s tekutým
kovem jako nosičem tepla byly využity při návrhu PG s nosičem tepla roztavenou solí.
OPG1 byl řešen jako modulový (článkový) parní generátor s 8 paralelními články.
Každý z článků je tvořen 19 teplosměnnými trubkami umístěnými v obalové trubce.
Sodík jako nosič tepla proudí uvnitř teplosměnných trubek, voda a generovaná pára
v mezitrubkovém prostoru. OPG1 generuje přehřátou páru, článek přehříváku je zařazen
za článkem dohříváku a výparníku. Konstrukční provedení OPG1 je schématicky na
obr. 2.3.3.1. Na obr. 2.3.3.2 je řez článkem PG.
Výhodou koncepce obrácených PG je skutečnost, že při vzniku netěsnosti mezi
primární a sekundární stranou výměníku dochází k reakci mezi primáním nosičem tepla
a vodou v relativně malém objemu (uvnitř teplosměnné trubky). V případě ověřeném na
čs. sodíkových PG splodiny reakce sodíku s pronikající vodou ucpaly poškozenou
trubku a netěsnost se dále významě neprojevovala. Koncepce obrácených PG má tedy
charakter inherentní pasivní bezpečnosti a jejích aplikace na PG s nosičen tepla
roztavenou solí je nepochybně na straně vysoké technické a jaderné bezpečnosti
zařízení.
Jako nosič tepla je v návrhu PG pro DEMO 50 uvažována roztavená sůl 8NaF +
92NaBF4. Teplota tavení této soli je výrazně vyšší, než teplota tavení sodíku u OPG1 a
parní generátory pro DEMO 50 jsou proto navrhovány jako parní generátory
s nadkritickými parametry vody. Parní generátor má jen jednu část, dělení na dohřívák,
výparník a přehřívák ztrácí u nadkritických parametrů význam. PG pro DEMO 50 je
navrhován jako obrácený parní generátor složený s 8 nebo 14 paralelních modulů,
teplonosná sůl proudí uvnitř teplosměnných trubek, voda s nadkritickými parametry
v mezitrubkovém prostoru.
40
Obr. 2.3.3.1 Boční pohled na parní generátor OPG1 v izolační krabici a v boxu
Legenda:
1,2,3 – článek dohříváku, výparníku a přehříváku 15 – komora páry z výparníku
4 – vstupní potrubí sodíku
16 – komora výstupu páry ze separátoru
5 – sodíková komora
17 – výstupní potrubí páry z větve
6 – vstupní potrubí sodíku do větve
18 – komora výstupu přehřáté páry
7 – výstupní potrubí sodíku
19 - nosná konstrukce
8 – výstupní sodíková komora
20 – horní příčné nosníky
10 – potrubí sodíku z PG do VN
závěsem
21 – spodní příčné nosníky se
11 – vyrovnávací nádrž (VN)
22 – izolační krabice
41
12 – komora napájecí vody
23 – elektrická topidla
13 – potrubí napájecí vody do větve
24 – betonový box
14 – převáděcí potrubí vody z dohříváku do výparníku
Obr. 2.3.3.2 Příčný řez článkem OPG1
Legenda: 19 teplosměnných trubek v šestiúhelníkové mříži, v přímých částech
v šestiúhelníkovém opláštění
Vstupní parametry zadání výpočtů PG pro DEMO 50 jsou uvedeny v tab. 2.3.3.1. Tyto
parametry vychází z parametrů uvažovaných pro primární okruh zařízení DEMO 50
s mezivýměníkem uvedeným v části 2.2.4.
42
Parametr
Nosič tepla (primární strana)
Vstupní teplota, °C
Výstupní teplota, °C
Pracovní látka (sekundární strana)
Střední tlak, MPa
Vstupní teplota, °C
Výstupní teplota, °C
Tepelný výkon PG, MW
Materiál teplosměnných trubek
Rozměry
Teplosměnné trubky ve svazku, mm
Rozměry obalové trubky (pláště článku), mm
Počet trubek v článku, 1
Počet paralelních článků, 1
Hodnota
NaBF4-NaF
roztavená sůl uvnitř teplosměnných trubek
621
454
voda
25,3
395
535
50
MONICR
φ25x3 resp. φ10x1,5
voda v mezitrubkovém prostoru
φ194x12
19 nebo 91
8 nebo 14
Tab. 2.3.3.1 Vstupní (návrhové) parametry PG pro DEMO 50
Výsledkem výpočtů jsou rozměry článků PG. Každý PG pro DEMO 50 je pak tvořen 8
resp. 14 paralelně řazenými články navržených průměrů a vypočítaných délek.
Schématicky je toto řešení na obr. 2.3.3.3.. Výsledky výpočtů PG pro DEMO 50 jsou
pro vybranou variantu PG se 8 větvemi a trubkami φ25x3 mm uvedeny v tab. 2.3.3.2,
rozložení teplot po délce článku je na obr. 2.3.3.4. Snížení délky parního generátoru cca
na polovinu je možné dosáhnout použití trubek φ10x1,5.
Obr. 2.3.3.3 Principiální schéma uspořádání článků PG pro DEMO 50
Legenda:
pracovní látka – voda s nadkritickými parametry (tlakem nad 22,12 MPa)
43
Výsledky výpočtů PG sůl-voda
Obecné charakteristiky
Typ PG
Nosič tepla (sůl)
Počet článků
Rozměry teplosměnných trubek
Počet trubek
Materiál trubek
Vstupní parametry
tvvst
tvvyst
mv
pv
tkvst
tkvyst
mk
Hlavní výsledky
Výkon
Střední délka trubek
článkový
NaBF4-NaF
8
φ 25x3 mm
19
MONICR
°C
°C
kg/s
MPa
°C
°C
m3/s
395
535
60,6042
25,3
621
454
0,1097
MW
m
50,1
32,3
Tab. 2.3.3.2 PG pro DEMO 50, varianta φ 25x3 mm, 8 paralelních článků
2
3
4
1
Obr. 2.3.3.4 Rozložení teplot po délce PG DEMO 50, varianta φ 25x3 mm, 8
paralelních článků
Legenda: červená (1) – teplota vody/páry, modře (2) – teplota soli, šedě (3,4) – teplota
vnější a vnitřní stěny teplosměnné trubky
44
3
NĚKTERÉ
SYSTÉMY
EKONOMICKÉ
POHLEDY
NA
MSR
Podrobnější ekonomické rozbory nákladů na realizaci MSR systémů pro
budoucí komerční provoz jsou uvedeny u amerického projektu MSBR 1000 [4] a u
ruského projektu systému MSR-Burner [15].
3.1
MSR-BURNER
Vybrané ekonomické aspekty jsou uvedeny v tab. 3.1.1.
Položka
Výkon reaktoru
- elektrický
- tepelný
2 Počet reaktorových bloků
3 Počet provozních hodin na výkonu za rok
4 Životnost
5 Roční výroba energie
6 Účinnost spalování aktinoidů:
- vysoce aktivní plutonium
- izotopy s dlouhou délkou života
7 Počet zaměstnanců
8 Celkové investice
9 Roční provozní náklady
10 Nákupní cena elektrické energie
11 Cena vyrobené energie
12 Roční ekonomie v palivovém cyklu VVER 1000 z důvodů
transmutací dlouhodobých minoritních aktinoidů (MA)
13 Celkový zisk z výroby energie
14 Ziskovost
15 Primární náklady na vyráběnou elektrickou
energii
16 Doba návratnosti základních investic:
- počítáme-li návratnost pouze z hlediska zisku
elektrárny
- počítáme-li návratnost z hlediska celkového
zisku
Jednotka
Hodnota
MW
MW
ks
hodiny
roky
109 kWh
1100
2500
2
8000
40
14,4
kg / rok
kg / rok
člověk
mil. USD
mil. USD/rok
cent/kWh
mil. USD/rok
mil. USD/rok
1000
550
1600
2726
252,2
2,0
288
104,5
mil. USD/rok
%
cent/kWh
147,9
58,6
0,97
rok
13,6
rok
10,8
1
Tab. 3.1.1 Vybraná technicko-ekonomická data projektu MSR-Burner (údaje z roku
2000)
3.2
MSBR 1000
Porovnání nákladů na výrobu elektrické energie v zařízení MSBR 1000 s klasickou
tlakovodní jadernou elektrárnou bylo provedeno v [4]. Toto porovnání bylo provedeno
45
na základě cenových relací platných v roce 1970, náklady jsou uvedeny v milionech
dolarů.
Celkové srovnání je v tab. 3.2.1.
Nákladová
položka č.
Položka
20
21
22
Pozemek
Stavba a inženýrské sítě
Hlavní části reaktorového bloku
Reaktor
Hlavní systémy odvodu tepla
Bezpečnostní chladicí systémy
Zpracování kapalných odpadů a uložení
Skladování paliva
Ostatní systémy reaktoru
Systémy měření a regulace
Záloha a náhradní díly
Celkový součet 22
221
222
223
224
225
226
227
23
231
232
233
234
235
236
24
25
26
91-94
Náklady
MSBR
1000
mil. USD
0,6
28,8
18,0
25,2
PWR
0,6
25,6
0,7
4,2
9,8
4,0
9,0
70,9
17,8
29,2
4,1
0,7
1,3
0,5
5,1
2,9
61,6
Hlavní části strojovny s turbogenerátorem
Turbogenerátor
Kondenzační systém
Kondenzátory
Systém ohřevu napájecí vody
Ostatní zařízení
Systémy měření a regulace
Záloha a náhradní díly
Celkový součet 23
20,8
2,0
2,2
7,7
6,2
0,5
2,2
41,6
32,7
3,1
4,7
6,1
3,9
0,7
2,5
53,7
Elektrozařízení
Jiné části elektrárny
Speciální materiály
Celkové přímé náklady stavby
8,0
2,0
1,0
152,3
8,0
2,0
Nepřímé náklady
Celkové investiční náklady
50,3
202,6
49,2
200,7
150,9
Tab. 3.2.1 Celkové srovnání nákladů na MSBR 1000 s JE typu PWR (v milionech
dolarů)
Detailněji jsou náklady na výstavbu rozvedeny v tab. 3.2.2.
46
Nákladová
položka č.
20
21
211
212
212.1
212.2
212.3
213
214
218A
218B
218C
218D
219
22
221
221.1
221.2
221.3
222
222.11
222.12
222.13
222.31
222.32
222.33
Položka
Pozemekc (viz položku 94)
Stavby a inženýrské sítě
Stavební úpravy
Raktorová budova
Základní stavbad
Speciální materiály
Nerezová ocel, USD 1,20/1b
Uhlíkatá ocel, USD 0,60/1b
Izolace, USD 10/ft3
Stavební služby
Stavba kontejmentu, USD 2/lb
Celkem pro nákl. pol. 212
Budova strojovnye
Vtoková a výtoková soustava
Prostor ohřevu vodya
Nakládací a vykládací prostory
Kanceláře, dozorny, atd.
Skladiště a jiné
Celkem pro nákl. pol. 218
Ventilační komíng
Celkem pro nákl. pol. 21
Záloha: 5% materiál, 10% práce
Náhradní díly: 1/2 %
Celkem pro nákl. pol. 21
Reaktorový blok
Zařízení reaktorh
Reaktorová nádobai
Řídící tyče
Grafit
Celkem pro nákl. pol. 221
Hlavní systém odvodu tepla
Čerpadla pro palivovou sůl
Primární potrubí palivové soli
Primární výměníky tepla
Čerpadla pro chladicí (sekundární)
sůl
Potrubí sekundárního okruhu
Parní generátory
Přihříváky
Celkem pro nákl. pol. 222
Náklady (tisíce USD)
Materiál
Práceb
Celkem
590
500
565
1 065
3358
3358
6 716
334
1 850
320
325
1 900
8088
2 200
540
1 720
590
450
36
2 796
320
14 444
722
76
15 242
143
1 240
137
175
1 900
6953
1 800
360
1 410
480
300
24
2 214
180
12 372
1 237
477
3 090
458
500
3 800
15041
4 000
900
3 130
1 070
750
60
5 010
800
26 816
1 959
13 609
28 851
9 100
1 000
7 200
17 300
400
100
200
700
9 500
1 100
7 400
18 000
3 100
300
7 100
4 200
200
129
200
200
3 300
429
7 300
4 400
1 330
5 790
1 468
570
430
200
1 900
6 270
1 668
23 288
1 979
25 267
Tab. 3.2.2 Předpokládané náklady na výstavbu jaderné elektrárny typu MSBR 1000
47
Nákladová
Položka
položka č.
224
Zacházení s rad. odpady a jejich uložení
224.1
Kapalné materiály
224.2
Systém plynných výpustí
224.3
Ukládání pevných odpadů(ne produktů štěpení)
Celkem pro nákl. pol. 224
225
Sklad jaderného paliva
225.4
Primární drenážní nádrž
Zásobní nádrž palivové soli
Dopravní čerpadlo soli
Celkem pro nákl. pol. 225
226
Ostatní reaktorová zařízení
226.1
Systém inertního plynu
226.2
Pomocný ohřívákk
Systém ohřevu kobekl
226.3
Drenážní nádrže chladicí soli
226.4
Manipulace s chladicí solí
226.5
Sytém čištění chladicí soli
226.6
Systém detekce úniků
226.7
Systém chlazení kobek
226.8
Zařízení pro údržbu
Celkem pro nákl. pol. 226
227
Měření a regulace
Celkem pro nákl. pol. 22
Záloha: 15% materiál, 10 % práce
Náhradní díly: 1.5%n
Celkem pro nákl. pol. 22
23
Zařízení strojovny
231.1
Turbogenerátoro
231.2
Základy
Celkem pro nákl. pol. 231
232.3
Systém kondenzace
233
Kondenzátory
234
Systém ohřevu napájecí vody
234.1
Regenerační ohříváky napájecí vody
234.2
Kondenzátní čerpadla
Napájecí čerpadla ohříváku
234.3
Potrubí a příslušenství
Napájecí voda a kondenzát
Odebíraná pára
Drenáže a klimatizace
Směšovací komory
Přídavná tlaková čerpadla
Celkem pro nákl. pol. 234
Tab. 3.2.2, pokračování
48
Náklady (tisíce USD)
Materiál Materiál Materiál
45
350
75
470
15
150
25
190
60
500
100
660
2 680
643
480
3 803
300
70
20
390
2 980
713
500
4 193
230
2 550
200
765
20
125
150
150
3 600
7 840
3 200
55 901
8 385
102
64 388
120
450
130
35
5
25
100
150
900
1 915
800
5 974
597
400
3 000
330
800
25
150
250
300
4 500
9 755
4 000
61 875
6 571
70 959
19 361
225
19 586
1 100
1 500
1 000
225
1 225
900
700
20 361
450
20 811
2 000
2 200
1 800
180
1 890
100
20
210
1 900
200
2 100
900
375
125
72
585
900
375
125
8
65
1 800
750
250
80
650
5 927
1 803
7 730
Nákladová
položka č.
235
235.1
235.2
235.3
235.4
235.5
235.6
235.7
236
24
241
241.1
241.2
242
243
244
245
246
25
251
252
253
254
26
264
265
91
921
Položka
Jiná zařízení strojovny
Hlavní parní potrubíP
Příslušenství turbíny
Pomocné chladicí systémya
Odvod tepla
Zpracování kondenzátu
Centrální systém mazání
Ohřev přihřívákové páry
Celkem pro nákl. pol. 235
Měření a regulace turbíny
Celkem pro nákl. pol. 23
Záloha: 4% materiál, 8% práce
Náhradní díly: 0,5 %
Celkem pro nákl. pol. 23
Elektrozařízení
Spínače
Okruhy generátoru
Obsluha elektrárny
Služby
Rozvaděče
Ochrany
Elektrická zařízení
Elektrické vedení
Celkem pro nákl. pol. 24
Záloha: 5% materiál, 10 % práce
Náhradní díly: 0,5 %
Celkem pro nákl. pol. 24
Různé části elektrárny
Zdvíhací zařízení turbíny
Plynové a vodní hospodářství
Komunikace
Ostatní vybavení a inventář
Celkem pro nákl. pol. 25
Záloha: 5% materiál, 10 % práce
Náhradní díly: 1%
Celkem pro nákl. pol. 25
Speciální materiály
Zásoba chladicí solir
Různé speciální materiály
Celkem pro nákl. pol. 26
Přímé náklady na stavbu (TDC)
Zařízení stavby a služby při 0,8% TDCs
Technologie reaktorut
Náklady (tisíce USD)
Materiál
Materiál
Materiál
1 700
250
600
320
480
60
110
3 520
330
31 963
1 279
220
33 462
1 700
200
300
160
320
30
25
2 735
170
7 533
603
3 400
450
900
480
800
90
135
6 255
500
39 496
1 882
220
41 598
100
1 000
450
400
100
150
2 000
4 200
200
40
4 440
30
100
360
70
100
600
2 000
3 260
200
333
490
50
350
1 223
61
13
1 297
37
330
50
20
437
44
370
820
100
370
1 660
487
1 778
8 136
3 560
130
1 100
810
470
200
750
4 000
7 460
500
40
8 000
500
500
1 000
152 305
1 218
2 250
49
922
93
94
942
Technologie při 5,5 % TDCs
Pojištění, poplatky atd. 4,2 % z TDCs
Úrok při výstavbě 18,58 %u
Úrok z pozemků při výstavběv
Celkové nepřímé nákladyw
Celkové náklady
8 377
6 397
31 687
420
50 349
202 654
Tab. 3.2.2 dokončení
Poznámky k tabulce 3.2.2.
a
Odhadované náklady. Odhady vychází z cen leden 1970. Předpoklad 5 roků výstavby a
úrok 8 %, rezervy 15 % [16].
b
Práce na místě montáže.
c
Pro typickou JE (Albany , N. Y.). Náklady na pozemky jsou v nepřímých nákladech.
d
Základní technologie zahrnují všechny části reaktoru a kontejnmentu s výjimkou
střechy (ta je v položce 212.3). Odhady vycházejí z ceny betonu USD 103/yd3 .
e
Cena stavby je počítána ze základu USD 1,00/ft3 .
f
Cena stavby počítaná ze základu USD 0,65/ft3.
g
Komín je vysoký 400 ft (počítáno USD 2000/ft.
h
Reaktorový štít je zahrnut v položkách započtených v nákladové položce 212.1.
i
Uvažovaná průměrná cena slitiny Hastelloy N v USA kolem USD 14/lb.
j
Uvažovaná průměrná cena grafitu kolem USD 10/lb.
k
l
Výkon kotle ~200,000 Ib/hod.
Vychází z 950 těle ohříváku při ceně USD 200 za kus.
m
Vychází z doporučení v NUS-531 [16].
n
Nezahrnuje aktivní zónu reaktoru.
°Vychází z tandemové koncepce, 6 toků, 31- in. jednotka (cena WEC).
p
Vychází z 900 ft vysokého hlavního tlakového potrubí s váhou 370 Ib/ft a cenou USD
0,75/lb a z 700 ft přehřívákového potrubí s váhou 468lb/ft a cenou USD 0,75/lb.
q
Systém technické vody.
r
Vychází z 1 x 106 lb soli s cenou USD 0,50/lb. Sůl je považována za odpisovou
investici.
s
t
Z lit. [16].
Z lit. [16].
u
Vychází z 5 let výstavby a 8% úroku ročně a typického toku financí dle [16].
v
Vychází ze sedmiletého vlastnictví při 8% úroku ročně.
w
Nepřímé ceny činí okolo 33% TDC.
50
3.3
POROVNÁNÍ
Výsledky porovnání uváděných výše jsou shrnuty v tab. 3.3.1.
Systém
MSBR 1000 (v roce 1970 v USA)
PWR (1000 MWe) (v roce 1970 v USA)
MSR-Burner (1100 MW) (v roce 2000
v Rusku)
JE Temelín (4000 MW) (původní investiční
záměr z konce 80.let, cca 1988)
JE Temelín (1 blok 1000 MW) (současný
stav)
JE Dukovany, 4 bloky 1760 MW v cenách
roku 1986
Celkové investiční náklady na 1000 MW, mil.
USD
202,6
200,7
na dva bloky 2726
na jeden blok 1240
50 mld Kčs/ 4 bloky = 12,5 mld/1000 MW,
což odpovídá při kurzu 1 USD∼7 Kčs
přibl. 1785
přibl. 50 mld Kč/1 blok,
což odpovídá při kalkulaci 1USD∼30 Kč přibl.
1 700
přibl. 14 mld Kčs,
což odpovídá při kurzu 1 USD∼7 Kčs
přibl. 1140
Tab. 3.3.1 Porovnání celkových nákladů na vybrané jaderně energetické systémy
Z porovnání projektu systému MSBR 1000 s tlakovodním systémem PWR v USA
v 70.tých letech minulého století vyplývá, že náklady na oba systémy se zásadně neliší.
V porovnání projektu systému MSBR 1000 s projektem systémem MSR-Burner
(Rusko) je řádový rozdíl, který může být důsledkem provedení kalkulací v diametrálně
odlišných obdobích a rozdílných podmínkách realizace a financování v různých zemích.
Z porovnání projektu systému MSR Burner (Rusko) s realizovanými bloky na JE
Temelín a JE Dukovany se z hlediska celkových investičních nákladů přepočtených na
1000 MWe plyne, že projekt MSR Burner by mohl být dokonce investičně výhodnější.
Tyto údaje ale mohou být zkresleny vývojem kurzu USD ∼ Kčs (Kč), nedostatkem
detailnějších informací ke kalkulaci MSR Burner, rozdílnými místními podmínkami pro
investice v ČR a Rusku atd.
4
DOPORUČENÍ PRO DALŠÍ VÝVOJ V OBLASTI
KOMPONENT A SYSTÉMŮ
Zvládnutí technologie MSR vyžaduje mimo jiné i zvládnutí dílčích úloh, které jsou
podrobněji vyspecifikované v materiálech [11]. Některé další směry možného řešení
problematiky především v oblasti sekundárního okruhu jsou nastíněny v [8].
51
4.1
NĚKTERÉ DÍLČÍ ÚLOHY PROBLEMATIKY MSR SYSTÉMŮ
4.1.1 V oblasti nosiče tepla (chladiva)
Výběr látek používaných jako nosiče tepla je limitován více faktory. Mezi ně patří
chemická stabilita, odolnost vůči radiačnímu záření, vzájemný vztah s konstrukčními
matriály okruhů a jejich komponent, tepelné a transportní vlastnosti látek, teplota
tavení, teplota varu, cena. V této oblasti je ještě mnoho otázek otevřených a je třeba je
už s předstihem řešit. Mezi ně patří např. následující problematika:
-
koroze materiálů v prostředí použitého chladiva,
-
chemické reakce parovodní směsi s chladivem při vzniku netěsnosti v parním
generátoru,
-
vzájemné reakce látek (solí) při vzniku netěsnosti v primárním výměníku,
-
zachycení a transport tritia v chladivu,
-
vysoká teplota tavení uvažovaných solí a z toho vyplývající potřeba vysokého
stupně předehřevu napájecí vody,
-
přístroje pro monitorování kvality chladicí soli,
-
systémy čištění chladiva.
4.1.2 V oblasti mezivýměníků tepla
V souvislosti s primárními výměníky tepla (mezivýměníky) je třeba řešit především
následující problémy:
-
snížení obsahu tritia zachycovaného v sekundární palivové soli,
-
experimentální vyšetření tepelných vlastností používaných chladiv,
-
zvýšení přestupu tepla ve výměnících,
-
ověření přestupu tepla ve výměnících v nominálních i přechodových stavech,
-
ověření přestupu tepla ve výměnících v dynamických režimech.
4.1.3 V oblasti cirkulačních čerpadel
Počítá se s čerpadly vertikálními, hydrodynamickými s pohonem asynchronním
motorem. K dořešení pro užití v energetických jednotkách patří především uzly jako
52
-
ucpávky rotoru nebo
-
bezucpávkové uložení rotoru,
-
hermetičnost stroje,
-
biologické stínění,
-
dynamické vlastnosti (doběh a jiné) čerpadla v přechodových režimech atd.
4.1.4 V oblasti parních generátorů
V souvislosti s vývojem parních generátorů s nosičem tepla roztavenou solí je třeba
dořešit problémy nastíněné dále. V této oblasti by mohly být příspěvkem i práce
provedené v Energovýzkumu, které vychází ze zkušeností s vývojem, výrobou a
provozem parních generátorů a výměníků tepla s nosiči tepla tekutými kovy.
K nejvýznamější úlohám v této oblasti patří:
-
problematika záchytu tritia a minimalizace jeho průniku na parovodní stranu PG,
-
experimentální vyšetření tepelných vlastností používaných chladiv,
-
výběr a analýzy výpočtových vztahů pro netradiční nosiče tepla a materiály a
parametry zařízení a otázky přestupu tepla z chladiva typu roztavené soli do stěn
konstrukce,
-
experimentální prověrka přestupu tepla ve výměnících s nadkritickými parametry
vody a vodní páry,
-
studie přenosu tepla v nových materiálech použitých na výrobu PG,
-
problematika průniku vody/páry do teplonosné látky – taveniny soli,
-
experimentální stanovení minimální teploty napájecí vody z pohledu “zamrzání“
chladiva,
-
potřeba vysokotlakých a vysokoteplotních konstrukčních materiálů pro PG atd.
4.1.5 V oblasti potrubí a ventilů
V této oblasti by se měly hlavní práce soustředit na
-
problematiku tváření, svařování a opracování materiálů používaných v okruzích
MSR systémů,
-
analýzy pružnosti a pevnosti,
-
korozní problématiku používaných materiálů v tavenině soli,
-
problémy zamrzacích ventilů.
4.1.6 V oblasti pasivních systémů
Pasivními systémy se rozumí systémy, které pracují na principech využití přírodních
zákonů např. přenosu tepla přirozenou cirkulací látky ap. Problémy pro řešení jsou
např. v oblastech
-
celkového provedení MSR systému z pohledu použití přirozené cirkulace pro odvod
tepla,
-
ověření přestupu tepla v normálních provozních i nepředvídaných a přechodových
stavech,
-
základních termohydraulických analýz,
53
-
kontrolního měření průtoků a dalších veličin,
-
jaderné bezpečnosti.
4.1.7 V oblasti kontrolních systémů
Do této oblasti patří vývoj speciálních přístrojů pro monitorování parametrů a procesů
v MSR systémech. Sem patří např.:
-
vývoj přístrojů umožňující měření
- tlaku,
- průtoku
- hladin,
- obsahu nádrží,
- tlaku ochranného plynu.
4.2
VYBRANÉ
OKRUHU
PROBLÉMY
Z OBLASTI
SEKUNDÁRNÍHO
Pro ověření podkladových materiálů a návrhů řešení sekundárního okruhu a návazných
systémů transmutoru bude třeba v budoucnu provést řadu experimentů a
experimentálních měření. Některé oblasti jsou vytipovány v části 4.1. Některé návrhy
z oblasti sekundárního okruhu jsou uvedeny dále.
4.2.1. Návrh experimentálních ověření
Z pohledu řešení sekundárního okruhu s taveninou fluoridové soli lze jmenovat při
přípravě a provedení experimentů zejména následující oblasti [8]:
1.
2.
3.
4.
Experimentální ověření chemických, tepelných a transportních vlastností
vybraného nosiče tepla PG v rozsahu budoucích pracovních teplot transmutoru
(primárního okruhu MSR systému).
Experimentální ověření vlastností konstrukčních materiálů vybraných pro budoucí
realizaci mezivýměníku tepla, potrubí, parního generátoru a čerpadel.
Experimentální ověření interakcí (koroze apod.) konstrukčních materiálů a nosičů
tepla.
Výzkum proudění a podmínek přenosu tepla fluoridovými solemi.
4.2.2. Návrh experimentálního zařízení
Pro první krok experimentálního ověření a provedení základních měření je ve [12]
navrhováno vybudovat experimentální zařízení s tepelným výkonem na úrovni 100 až
200 kW. Schéma navrhovaného experimentálního zařízení je na obr. 4.2.2.1. Zařízení je
navrhováno ze dvou okruhů a to okruhu s roztavenou fluoridovou solí - kandidátního
nosiče tepla v sekundárním okruhu budoucího transmutoru a tlakovodního okruhu modelu terciárního okruhu budoucího transmutoru. Teplo je předáváno v elektrickém
54
ohříváku soli (EOS+SET), který modeluje mezivýměník tepla budoucího transmutoru a
dále ve výměníku tepla sůl-voda, vodní pára (PG), který modeluje parní generátor
budoucího transmutoru. Doplňujícími, avšak nezbytnými systémy experimentálního
zařízení jsou:
-
systém elektrického ohřevu zařízení a soli (SET),
-
systém měření parametrů vody a vodní páry ve vodním okruhu (SMVO),
-
vakuovací systém a systém hospodářství krycího plynu (VAS+SPH)
-
zásobní a plnicí nádrž soli (ZNS)
-
systém odběru vzorků soli, atd.
Předpokládané parametry roztavené soli v okruhu jsou v následující tab. 4.2.2.1.
Parametr
Maximální teplota, °C
Maximální tlak, MPa
Přenášený tepelný výkon, kW
Regulace průtoku (řízením OCS a činností RAS), %
Hodnota
do 650
do 1
do 200
od 0 do 100
Tab. 4.2.2.1 Předpokládané parametry experimentálního okruhu s fluoridovou solí
TC
p
PRS
SMPVO
SMPVO
CHL
PG
RAS
EOS
EOV
OCS
p
OCV
PRV
RAV
SET
ZNS
VAS
VAS
++
Obr. 4.2.2.1: Principiální schéma experimentálního zařízení
Legenda:
EOS – elektrický ohřívák soli
RAS – regulační armatura průtoku soli
PRS – průtokoměr soli
TC, p – systém měření teplot a tlaků soli
55
PG – výměník tepla sůl-voda, vodní pára
ZNS – zásobní nádrž soli
VAS+SPH – vakuovací systém a systém plynového hospodářství
OCS – oběhové čerpadlo soli
EOV – elektrický ohřívák tlakové vody
CHL – chladič
PRV – průtokoměr tlakové vody
RAV – regulační armatura tlakové vody
OCV – oběhové čerpadlo vody
SMPVO – systém měření parametrů látky ve vodním okruhu
SET – systém elektrického topení okruhu se solí
Termohydraulické pochody probíhají v parním generátoru, který je vyhříván nosičem
tepla v sekundárním okruhu – roztavenou fluoridovou solí a v němž je generována
vodní pára v terciárním okruhu pro pohon turbogenerátoru, nebyly dosud
experimentálně verifikovány.
Pro experimentální ověření je proto navrhováno [13]:
(a)
Navrhnout a realizovat tlakovodní okruh pro parametry vody a páry modelu
parního generátoru.
(b)
Realizovat okruh s roztavenou fluoridovou solí s čerpadlem, výkonovým
ohřívákem a modelem parního generátoru.
(c)
Zahájit proces experimentální verifikace a to v prvním kroku s modelem parního
generátoru s tepelným výkonem cca 50 kW.
4.2.3. Návrhy základního měření
Do programu základního výzkumu a měření jsou ve [12] navrhovány tyto oblasti
výzkumu:
56
-
Technologie přípravy fluoridové soli před napuštěním do okruhu
-
Technologie přípravy experimentálního zařízení před realizací zavážky soli do
zařízení
-
Hydrodynamika proudění roztavených solí v kanálech ve stacionárních podmínkách
-
Přestup tepla ze stěny do soli a ze soli do stěny výměníku tepla
-
Prostup tepla ve výměnících tepla s tekutou solí jako nosičem tepla
-
Měření časově přechodových jevů při proudění tekuté soli jako podkladu pro
bezpečnostní analýzy budoucího transmutoru metodami modelování
-
Výzkum a verifikace metod a prostředků pro měření teplot, tlaků, průtoků, hladin
v prostředí roztavené soli a pro udržování definovaného složení fluoridové soli při
pracovních teplotách a při jejích interakcích s konstrukčními materiály.
5
REFERENCE
[1]
W.R.Huntley, M.D.Silverman: System Design Description of ForcedConvection Molten Salt Corrosion Loops MSR-FCL-3 and MSR-FCL-4,
ORNL/TM-5540, ORNL, November 1976
[2]
P.G.Smith: Development of Fuel-and Coolant-Salt Centrifugal Pumps for the
Molten-Salt Reactor Experiment, ORNL-TM-2987, October 1970
[3]
M.V.Novikov et al: Molten Salt Nuclear Power Units: Perspectives and
Problems, Energoatomizdat, Moscow 1990 (in Russian)
[4]
R.C.Robertson et. al: Conceptual Design Study of a Single – Fluid Molten Salt
Breeder Reactor, ORNL – 4541, June 1971
[5]
J.Sannier, G.Santarini: Studies of Materials for Molten Salt Nuclear
Applications, Int. Symp. on Molten Salt Chemistry and Technology , Kyoto,
Japan, 20-22 April 1983, CEA- CONF-6698
[6]
C.H.Gabbard: Reactor Power Measurement and Heat Transfer Performance in
the MSRE, ORNL-TM-3002, Oak Ridge NL,May 1970
[7]
A.P.Fraas: Heat Exchangers for High Temperature Thermodynamic Cycles,
paper presented at the ASME Winter Annual Meeting, HOUSTON, Nov. 30Dec. 5, 1975
[8]
Matal a kol.: Analýza podkladových návrhů pro zahájení přípravy projektového
řešení sekundárního okruhu a návazných systémů transmutoru, příprava
experimentů a jejich ověření. Technická zpráva QR-EM-019-03, rev. 1,
Energovýzkum Brno, červen 2003
[9]
J.Sannier, G.Santarini: Studies of Materials for Molten Salt Nuclear
Applications, Int. Symp. on Molten Salt Chemistry and Technology , Kyoto,
Japan, 20-22 April 1983, CEA- CONF-6698
[10]
O.Matal a kol.: Čerpadlo na kapalné soli pro transmutační zařízení. Technická
zpráva QR-EM-048-02, rev.0, Energovýzkum Brno, prosinec 2002
[11]
O. Matal a kol.: MOST-WP4: Review of Systems and Components, Review of
Economical Aspects (D4).Technical Report QR-EM-010-03, rev.0,
Energovýzkum Brno, April 2003
57
58
[12]
O.Matal, O.Matal jn., M.Nejedlý, Z.Buchníčková : Provozní jednotka (PJ),
sekundární okruh, IHX, PG a vliv na návazné systémy. Technická zpráva QREM-033-01, Energovýzkum Brno, listopad 2001
[13]
O.Matal., P.Soušek., O.Matal jn.: Předběžné analýzy a podkladové návrhy pro
řešení sekundárního okruhu transmutoru. Technická zpráva QR-EM-067-00,
Energovýzkum Brno, prosinec 2000
[14]
Review of Molten Salt Reactor Technology, MOST-D4, June 2003
[15]
P.N.Aleksev et al: Nuclear Power Technology System with Molten Salt Reactor
for Transuranium Nuclides Burning in Closed Fuel Cycle, RRC Kurchatov
Institute, Moscow, Russia
[16]
Nuclear Utilities Services Corporation, Rockville, M.d., Guide for Economic
Evaluation of Nuclear Reactor Plant Designs, NUS – 531 4(TID-4500), January
1969
Správa úložišť radioaktivních odpadů
Dlážděná 6, 110 00 Praha 1
Tel. 221 421 511
E-mail: [email protected]
www.surao.cz