ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 08.11.2023
Просмотров: 22
Скачиваний: 2
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Арктика: экология и экономика № 3 (15), 2014 86
Проб лемы
Северног о
морског о
пути
Проблемы Северного морского пути
Основные предпосылки создания реакторной установки РИТМ-200
В России успешно эксплуатируется атомный ледо- кольный флот, обеспечивающий стабильное функцио- нирование арктической транспортной системы. В его состав входят однореакторные ледоколы с ограни- ченной осадкой, способные работать на мелководье и в устьях рек, и двухреакторные линейные ледоколы.
В качестве энергоисточников используются реактор- ные установки (РУ) типа ОК-900А, которые эксплуа- тируются более 40 лет. Практика подтвердила вы- сокую надежность этих реакторных установок. Наи- большей наработки достигли РУ атомного ледокола
УДК 621.039.578:629.5
Проектные решения
реакторной установки РИТМ-200,
предназначенные обеспечить
экологически безопасную
и экономически эффективную эксплуатацию
универсального атомного ледокола
на арктических трассах
К. Ю. Князевский
1
ФГУП «Атомфлот», Санкт-Петербург
Ю. П. Фадеев
2
, А. Н. Пахомов
3
, В. И. Полуничев
4
, К. Б. Вешняков
5
, С. В. Кабин
6
ОАО «ОКБМ Африкантов», Нижний Новгород
Приведены основные технические решения, заложенные в проект реакторной установки РИТМ-200 для
универсального атомного ледокола, способные обеспечить повышенные технико-экономические показа-
тели по сравнению с действующими ледоколами. В реакторной установке предусматриваются пароге-
нерирующий блок интегрального типа, высокоэффективные парогенераторы, циркуляционные насосы
первого контура с регулируемой частотой вращения, оптимизированные параметры теплоносителя
первого контура. Заданный высокий уровень безопасности базируется на широком внедрении пассивных
систем, безотходной технологии, использовании оборудования с унифицированной элементной базой.
Ключевые слова: универсальный атомный ледокол, реакторная установка, парогенерирующий блок интегрального
типа, повышенные технико-экономические показатели, радиационная и экологическая безопасность.
«Арктика» — свыше 175 тыс. ч, срок службы — 34 года.
При этом большинство РУ действующих атомных ле- доколов эксплуатируется в рамках поэтапно продля- емого ресурса в связи с исчерпанием первоначально назначенных ресурсных характеристик.
Для их замены в настоящее время ведется строи- тельство атомного ледокола нового поколения с бо- лее высокими технико-экономическими показателя- ми, что будет достигнуто в первую очередь за счет повышения интенсивности его эксплуатации. Для достижения этой цели ледокол строится универсаль- ным (двухосадочным), способным выполнять функ- ции ледокола с ограниченной осадкой типа «Таймыр» и линейного ледокола типа «Арктика» (рис. 1) при максимальной мощности на винтах 60 МВт.
За счет деления трассы на глубоководные участки и участки мелководья, необходимости обмена кара- ванами время пребывания ледоколов в Арктике в ре- жиме дежурства и ожидания подхода судов к ме- стам формирования и обмена караванами варьиру- ется в весьма широких пределах и может составлять
1
e-mail: knyazevsriyky@rosatomfl ot.ru.
2
e-mail: fadeev@okbm.nnov.ru.
3
e-mail: dep59@okbm.nnov.ru.
4
e-mail: dep59@okbm.nnov.ru.
5
e-mail: dep59@okbm.nnov.ru.
6
e-mail: dep59@okbm.nnov.ru.
87
Проектные решения реакторной установки РИТМ-200, предназначенные обеспечить
экологически безопасную и экономически эффективную эксплуатацию универсального атомного ледокола на арктических трассах
простоев и холостых переходов, что позволит получить положительный экономический эффект.
Были сформулированы технические требования к новой реак- торной установке с жесткими ограничениями по массогабаритным характеристикам.
Заявленные высокие потребительские качества универсального атомного ледокола потребовали создания новой ядерной энергетиче- ской установки (ЯЭУ). ЯЭУ универсального ледокола будет иметь в сво- ем составе две РУ с водо-водяными реакторами интегрального типа.
Выработка пара предусматривается по двухконтурной схеме путем передачи тепла в парогенераторах (ПГ) от теплоносителя первого кон- тура питательной воде и пару второго контура.
В ходе проектирования РУ применен комплексный подход при вы- боре основных параметров первого контура, его оборудования и ком- поновки, состава и параметров систем, реализующих принципы обе- спечения безопасности проектными средствами. Широко использова- лись унифицированная элементная база и апробированные технологии с учетом их совершенствования.
Рис. 1. Линейный ледокол «Арктика» (а) и ледокол с ограниченной осадкой
«Таймыр» (б)
от 60% до 20%. Использование этого времени для выполнения других работ по существу нере- ально ввиду значительных затрат времени на автономные перехо- ды ледоколов к местам выполне- ния таких работ, находящихся на удалении от нескольких сотен до тысячи миль (Обская губа, запад- ное побережье Ямала, Варандей,
Белое море). В таких условиях очень привлекательной выгля- дит концепция двухосадочного ледокола, способного при доста- точно оперативном изменении осадки обеспечить ледокольное сопровождение на всех участках трассы без необходимости пере- дачи каравана. Согласно оценкам один двухосадочный ледокол, ра- ботая на Дудинском или Обском направлении, способен заменить два ледокола (типа «Арктика» и типа «Таймыр») при более пол- ном и рациональном использова- нии эксплуатационного периода пребывания в Арктике. Этот фак- тор будет также способствовать снижению в 1,5—1,8 раза затрат на ледокольную проводку судов и удешевлению стоимости пере- возок в целом.
С учетом перспектив освоения месторождений углеводородов на арктическом шельфе с участи- ем атомных ледоколов необходи- мость строительства универсаль- ного двухосадочного атомного ледокола становится еще более очевидной.
Исключительное значение име- ет способность двухосадочного ледокола проводить аварийно- спасательные операции с суда- ми на потенциально опасных глубинах менее 15—10 м. Оче- видно, что глубокосидящий ле- докол в отличие от двухосадоч- ного не сможет проводить такие операции с судами, опасно дрей- фующими или севшими на мель.
Ожидание подхода мелкосидя- щего ледокола в таких случаях может иметь катастрофические последствия.
Все перечисленное создаст условия для более интенсивно- го использования универсаль- ного ледокола с уменьшением
а
б
Арктика: экология и экономика № 3 (15), 2014 88
Проб лемы
Северног о
морског о
пути
Проблемы Северного морского пути
Чтобы обеспечить облик реакторной установки с перспективой на первую половину XXI в., в РУ ново- го поколения учтены результаты эксплуатации и ис- пользованы прогрессивные решения, накопленные за полувековой период работы атомного флота.
Разработанная атомная энергетическая установ- ка способна обеспечить более экономичную экс- плуатацию нового атомного ледокола по сравне- нию с действующими при повышенной надежности и безопасности.
В качестве основных направлений совершенство- вания РУ, которые позволяют снизить капитальные и эксплуатационные затраты, предусмотрены:
уменьшение состава оборудования и его массога-
•
баритных характеристик;
повышение маневренности;
•
увеличение ресурса оборудования;
•
снижение собственного энергопотребления.
•
В частности, количество циклов изменения мощ- ности РУ, допускаемое по модели эксплуатации, зна- чительно увеличено по сравнению с принятым для
РУ действующих ледоколов и сопоставимо с количе- ством циклов изменения мощности паротурбинной установки (ПТУ). Это позволит исключить или суще- ственно снизить необходимость травления пара при работе ледокола с глубокими маневрами мощности, т. е. реализовать принцип «турбина ведет реактор», что обеспечивает более экономное расходование энергозапаса активной зоны с соответствующим снижением эксплуатационных затрат.
Повышение ресурсных характеристик оборудова- ния РУ позволит обеспечить более интенсивную экс- плуатацию ледокола за счет уменьшения простоев на техобслуживание и ремонт, а также сократить расходы на приобретение оборудования для замены при ремонте.
Основные технические характеристики РУ приве- дены в табл. 1.
На основе эволюционного совершенствования оте чественных аналогов и всестороннего анализа различных вариантов систем и оборудования, с уче- том мировых тенденций развития атомной энергети- ки в проекте было принято интегральное исполнение парогенерирующего блока (ПГБ) как более безопас- ного и в большей степени отвечающего современ- ным требованиям. Основной циркуляционный тракт теплоносителя первого контура с активной зоной и парогенераторами размещен в интегрированном корпусе. Такое конструктивное исполнение позво- ляет уменьшить количество корпусов оборудования, находящихся под давлением первого контура, а так- же исключить замыкающие сварные швы между ними, в результате чего повышается технологич- ность корпуса, сокращаются сроки и стоимость его изготовления. Также существенно уменьшено ги- дравлическое сопротивление контура циркуляции, что позволило снизить мощность циркуляционного насоса первого контура (ЦНПК) и обеспечить высо- кий уровень естественной циркуляции. Интегральное исполнение ПГБ позволило разместить в нем актив- ную зону достаточно больших размеров, обеспечив при этом минимальные массу и габариты РУ, а также возможность транспортировки корпуса ПГБ в сборе по железной дороге. При этом предусмотрена воз- можность изготовления всех элементов корпуса ПГБ при принятой в настоящее время технологии без мо- дернизации производства.
Снижение флюенса нейтронов на корпус реакто- ра за счет увеличения его диаметра позволит уве- личить ресурс реактора и снизить температуру при гидравлических испытаниях первого контура.
В ПГБ принята коллекторная схема с принудитель- ной циркуляцией теплоносителя при нормальной ра- боте и естественной его циркуляцией при аварийном расхолаживании. Коллекторная схема позволяет по- высить живучесть ПГБ при отказах ПГ и ЦНПК, так как исключается недостаток петлевой схемы — не- обходимость отключения исправного оборудования, расположенного в одной петле с неисправным. Дан- ное решение также уменьшает потерю мощности РУ при отказах ЦНПК, а также позволяет уменьшить ко- личество отключений/подключений ПГ, приводящих к глубоким термоциклам и, соответственно, к по- вреждаемости РУ.
С точки зрения обеспечения безопасности в ава- риях с потерей теплоносителя парогенерирующий блок характеризуется большими запасами воды над активной зоной, малыми масштабами разгерметиза- ции, возможностью раннего перехода к паровому ис- течению и пониженными требованиями к производи- тельности системы аварийного охлаждения активной зоны. В частности, не требуется подсистема рецир- куляции теплоносителя, вытекающего из ПГБ. Таким образом, интегральное исполнение парогенерирую- щего блока позволит повысить безопасность РУ, сни- зить капитальные и эксплуатационные затраты.
Расположение РУ предусмотрено в индивидуаль- ных защитных оболочках, полностью разделенных физически и пространственно.
В техническом задании на разработку ледокола выставлено требование по использованию в актив- ной зоне топлива, удовлетворяющего условию не- распространения (обогащение менее 20%), тогда как на действующих ледоколах используется вы- сокообогащенное топливо. В таких условиях для обеспечения требуемых ресурсных характеристик в проекте вместо активной зоны с интерметаллид- ной топливной композицией с высоким обогащени- ем будет использована активная зона кассетного типа с металлокерамическим топливом повышенной ураноемкости.
Активная зона будет содержать 199 тепловы- деляющих сборок и иметь объем, в три раза пре- вышающий объем активной зоны РУ действующих атомных ледоколов. В качестве материала оболочки тепловыделяющих элементов на начальной стадии будет применен хромоникелевый сплав. По сравне- нию с циркониевым сплавом Э110, используемым
89
Проектные решения реакторной установки РИТМ-200, предназначенные обеспечить
экологически безопасную и экономически эффективную эксплуатацию универсального атомного ледокола на арктических трассах
в активных зонах РУ типа ОК-900А, этот материал обладает более высокой коррозионной стойкостью и устойчивостью к нарушению водно-химического режима, однако уступает циркониевым материалам по нейтронно-физическим характеристикам и стои- мости. Поэтому в настоящее время продолжаются работы по поиску коррозионно-стойких цирконие- вых сплавов, параметров теплоносителя и водно- химического режима, способных обеспечить повы- шенный ресурс оболочки из циркониевого сплава и возможность его использования в перспективе.
Конструкция и размеры активной зоны позволя- ют обеспечить требуемые энергоресурс 7,0 ТВт·ч и период между перегрузками 7 лет. При этом для минимизации финансовых рисков, учитывая иннова- ционность активной зоны и отсутствие опыта ее вы- горания, величина назначенного энергоресурса для головных активных зон составит 4,5 ТВт·ч, а период между перегрузками — 4,5 года при коэффициен- те использования установленной мощности (КИУМ), равном 0,65.
Для циркуляции теплоносителя первого контура предназначен однообмоточный герметичный насос с частотным регулированием и пониженными по сравнению с ЦНПК РУ действующих атомных ледо- колов мощностью, массой и габаритами. Упрощение конструкции, снижение мощности и использование конструктивных элементов с многолетним положи- тельным опытом эксплуатации обеспечат длитель- ный ресурс насосов первого контура. Частотное регулирование позволит при необходимости осу- ществлять переход циркуляционного насоса первого контура с большой частоты вращения на меньшую и наоборот, т. е. обеспечить возможность уменьшения энергопотребления ЦНПК при работе РУ на пони- женных уровнях мощности. Использование данного типа насосов приведет к снижению капитальных за- трат и энергопотребления РУ на собственные нужды в процессе эксплуатации.
В реакторной установке применен высокоэффек- тивный прямотрубный парогенератор, удельная па- ропроизводительность которого практически вдвое
Таблица 1. Основные технические характеристики РУ
Характеристика
Значение
Тепловая мощность, МВт
175
Паропроизводительность, т/ч
248
Параметры первого контура:
температура на входе в активную зону, °С
температура на выходе из активной зоны, °С
давление, МПа расход, т/ч
277 313 15,7 3250
Параметры второго контура:
температура питательной воды на входе в ПГ, °С
температура пара на выходе из ПГ, °С
давление пара за ПГ, МПа (абс.)
105 295 3,83
Эксплуатационный диапазон изменения мощности, % N
ном
10—100
Количество изменений мощности
600 000
Скорость изменения паропроизводительности, %/с:
нормальная допустимая (при необходимости срочного увеличения паропроизводительности)
0,1 1,0
Назначенный срок службы, лет:
незаменяемого оборудования заменяемого оборудования
40 20
Назначенный ресурс, ч:
незаменяемого оборудования, не менее заменяемого оборудования
320 000 160 000
Количество средних ремонтов за срок службы
1
Интервал между перегрузками топлива, лет
4,5 (7) *
Коэффициент использования установленной мощности
0,65
Период непрерывной работы, ч
26 000
* В скобках приведен интервал между перегрузками серийных активных зон.
Арктика: экология и экономика № 3 (15), 2014 90
Проб лемы
Северног о
морског о
пути
Проблемы Северного морского пути выше эксплуатирующихся змеевиковых. Конфигурация парогенерирую- щих кассет позволит компактно разместить их в корпусе парогенери- рующего блока.
В проекте принята наиболее простая и всесторонне отработанная в отечественной судовой энергетике газовая система компенсации дав- ления с доработками, минимизирующими известные недостатки. Систе- ма компенсации давления разделена на две параллельные независи- мые группы с целью уменьшения диаметра сужающих вставок в компен- саторных патрубках ПГБ и снижения скорости истечения теплоносителя в авариях с разрывом трубопроводов первого контура. Такое решение позволяет также использовать один из компенсаторов давления в каче- стве гидроаккумулятора, что существенно повысит надежность РУ при потенциальных авариях с разгерметизацией первого контура.
В проекте отсутствуют традиционные для судовых РУ группы бал- лонов газа высокого давления, размещаемые в аппаратном помеще- нии. Часть газа системы компенсации давления, отсекаемая от ПГБ, сосредоточена в гидроаккумуля- торах, объем воды в которых до- статочен и для реализации без- отходной технологии при работах, связанных с перегрузками топли- ва, гидравлическими испытания- ми первого контура, ремонтами
ПГ. Это позволит практически ис- ключить жидкие радиоактивные отходы, повысить экологическую безопасность РУ.
Установка промежуточных ем- костей внутри компенсаторов, экранировка швов в трубопрово- дах системы компенсации давле- ния, изменение алгоритма под- держания средней температуры в первом контуре будут способ- ствовать снижению повреждае- мости трубопроводов системы компенсации давления в пере- ходных режимах, обеспечению требуемого ресурса при большом количестве переходных режимов.
Концепция обеспечения безопасности РУ РИТМ-200
Таким образом, обеспечение безопасности РУ РИТМ-200 бази- руется на следующих принципах: высокая теплоаккумулирующая способность ПГБ интегрального типа, обеспечение уровня есте- ственной циркуляции теплоносите- ля первого контура, достаточного
Рис. 2. Проектный облик универсального атомного ледокола
Таблица 2. Основные технические характеристики реакторных установок
Характеристика
РИТМ-200
ОК-900А
Масса двух РУ в пределах ЗО, т
2200 2603
Габариты ЗО двух РУ L×B×H, м
6,0×13,2×15,5 7,6×13,3×20,0
КИУМ
0,65 0,2—0,35
Количество циклов изменения мощности
625 700 64 940
Период непрерывной работы, ч
26 000 8 000
Ресурс основного оборудования, ч
320 000 175 000
Срок службы основного оборудования, лет
40 34
Период между перегрузками серийной активной зоны
(при КИУМ 0,65), лет
7 2,1
Мощность ЦНПК, кВт
4×97 4×152
Минимальная температура теплоносителя при гидроиспытаниях на конец эксплуатации, °С
30 140
Уровень естественной циркуляции теплоносителя первого контура, %
30
8
91
Проектные решения реакторной установки РИТМ-200, предназначенные обеспечить
экологически безопасную и экономически эффективную эксплуатацию универсального атомного ледокола на арктических трассах
для работы установки на мощности до 30% номи- нальной и надежного расхолаживания реактора, ми- нимальная протяженность трубопроводов первого контура, применение ограничителей истечения в ма- лых патрубках.
Для ограничения неблагоприятного влияния от- казов внешних систем и источников энергии, а так- же ошибок персонала в проекте используются сле- дующие устройства и системы пассивного принципа действия, функционирующие на основе естествен- ных процессов, не требующих энергии извне:
система аварийного охлаждения активной зоны
•
с гидроаккумуляторами, подающая воду в реактор за счет давления газовой подушки;
использование одной из групп компенсации дав-
•
ления в качестве гидроаккумулятора при разгер- метизации другой;
система аварийной защиты реактора;
•
система аварийного расхолаживания;
•
защитная оболочка (ЗО) с системой снижения ава-
•
рийного давления.
Система снижения давления и кондиционирова- ния воздуха в ЗО включает в себя теплообменники, расположенные внутри защитной оболочки, что по- зволяет существенно сократить сечения проходящих через ее стенки вентиляционных каналов с установ- ленной на них локализующей арматурой, повысить тем самым герметичность ЗО как защитного барье- ра на пути потенциально возможного распростра- нения радиоактивности при нормальной работе РУ, проектных и запроектных авариях.
Также для обеспечения высокого уровня безопас- ности при множественных отказах в аппаратуре управления и бездействии персонала в проекте применены устройства, срабатывающие от непо- средственного действия давления первого контура и осуществляющие сброс аварийной защиты, а так- же перевод реакторной установки в режим расхола- живания с помощью пассивных каналов.
Принятая в проекте схема безотходной техноло- гии позволит исключить на судне цистерны (монжу- сы) с радиационной защитой и соответствующими обслуживающими системами. Ограниченное коли- чество сдренированных контурных вод будет хра- ниться в расположенных в коффердаме между ЗО
РУ дренажных емкостях (по одной на каждую РУ), откуда после очистки они возвратятся в контур. Все это повысит экологическую безопасность РУ.
В целом при эксплуатации РУ надежно обеспе- чивается радиационная и экологическая безопас- ность. Дозовая нагрузка на население, проживаю- щее вблизи районов эксплуатации и базирования универсального атомного ледокола, при нормаль- ной эксплуатации и проектных авариях не превы- сит величины 0,01% естественного радиационного фона. Доза облучения населения в запроектных авариях с тяжелым повреждением активной зоны не превысит значений, при которых требуется реализа- ция защитных мероприятий. Активность забортной воды, обусловленная работой РУ, составит 0,1 Бк/л, что в 100 раз ниже регламентированного значения активности даже для питьевой воды.
Основные преимущества РУ РИТМ-200 над РУ действующих атомных ледоколов
Высокие ресурсные показатели, период непрерыв- ной работы, минимальное количество перегрузок активной зоны, низкий уровень собственного энер- гопотребления позволят более экономично эксплуа- тировать универсальный атомный ледокол.
Сравнение РУ нового и действующих ледоколов с точки зрения основных потребительских свойств и уровня безопасности приведено в табл. 2.
Таким образом, реакторная установка РИТМ-200 имеет лучшие технико-коммерческие характеристи- ки и более высокий уровень экологической безопас- ности по сравнению с установками типа ОК-900А.
Перспективы реализации проекта
В соответствии с постановлением Правительства
РФ «Об осуществлении бюджетных инвестиций в строительство универсального атомного ледокола» от 29 июля 2012 г. № 660 ввод в эксплуатацию уни- версального атомного ледокола с новой реакторной установкой (рис. 2) планируется в 2017 г. Ввод двух серийных ледоколов предусмотрен постановлением
Правительства РФ от 19 августа 2013 г. № 715 со- ответственно в 2019 и 2020 гг.
Сроки эксплуатации большинства действующих атомных ледоколов с РУ типа ОК-900А подходят к концу. Поэтому строительство новых ледоколов в запланированные сроки имеет огромное значение для обеспечения хозяйственной деятельности и жиз- ни населения в районах Крайнего Севера, решения государственных задач утверждения и защиты геополитических интересов Российской Федерации в Арктике в последующие годы.
Литература
1. Зверев Д. Л., Вешняков К. Б., Панов Ю. К., Полуни-
чев В. И. Результаты разработки технического проекта реакторной установки для универсального атомного ле- докола // Судостроение. — 2011. — № 3. — С. 32—37.
2. Панов Ю. К., Полуничев В. И., Залугин В. И., Шама-
нин И. Е. Об улучшении технических параметров энерге- тических установок перспективных атомных ледоколов
// Судостроение. — 2005. — № 1.
3. Пахомов А. Н., Полуничев В. И., Вешняков К. Б., Ка-
бин С. В. Реакторная установка РИТМ-200 нового поко- ления для перспективного атомного ледокола // Атом. энергия. — 2012. — Т. 113, вып. 6. — C. 323—328.
4. Петрунин В. В., Фадеев Ю. П., Панов В. А. и др. Прод- ление срока эксплуатации и повышение безопасности судовых реакторных установок // Атом. энергия. —
2012. — Т. 113, вып. 6. — С. 328—333.
5. Петрунин В. В., Фадеев Ю. П., Пахомов А. Н. и др. Ре- акторная установка для перспективных судов и плаву- чих атомных электростанций // Всемирная морская тех- нологическая конференция, г. Санкт-Петербург, 29—30 мая 2012 г.
Арктика: экология и экономика № 3 (15), 2014 86
Проб лемы
Северног о
морског о
пути
Проблемы Северного морского пути
Основные предпосылки создания реакторной установки РИТМ-200
В России успешно эксплуатируется атомный ледо- кольный флот, обеспечивающий стабильное функцио- нирование арктической транспортной системы. В его состав входят однореакторные ледоколы с ограни- ченной осадкой, способные работать на мелководье и в устьях рек, и двухреакторные линейные ледоколы.
В качестве энергоисточников используются реактор- ные установки (РУ) типа ОК-900А, которые эксплуа- тируются более 40 лет. Практика подтвердила вы- сокую надежность этих реакторных установок. Наи- большей наработки достигли РУ атомного ледокола
УДК 621.039.578:629.5
Проектные решения
реакторной установки РИТМ-200,
предназначенные обеспечить
экологически безопасную
и экономически эффективную эксплуатацию
универсального атомного ледокола
на арктических трассах
К. Ю. Князевский
1
ФГУП «Атомфлот», Санкт-Петербург
Ю. П. Фадеев
2
, А. Н. Пахомов
3
, В. И. Полуничев
4
, К. Б. Вешняков
5
, С. В. Кабин
6
ОАО «ОКБМ Африкантов», Нижний Новгород
Приведены основные технические решения, заложенные в проект реакторной установки РИТМ-200 для
универсального атомного ледокола, способные обеспечить повышенные технико-экономические показа-
тели по сравнению с действующими ледоколами. В реакторной установке предусматриваются пароге-
нерирующий блок интегрального типа, высокоэффективные парогенераторы, циркуляционные насосы
первого контура с регулируемой частотой вращения, оптимизированные параметры теплоносителя
первого контура. Заданный высокий уровень безопасности базируется на широком внедрении пассивных
систем, безотходной технологии, использовании оборудования с унифицированной элементной базой.
Ключевые слова: универсальный атомный ледокол, реакторная установка, парогенерирующий блок интегрального
типа, повышенные технико-экономические показатели, радиационная и экологическая безопасность.
«Арктика» — свыше 175 тыс. ч, срок службы — 34 года.
При этом большинство РУ действующих атомных ле- доколов эксплуатируется в рамках поэтапно продля- емого ресурса в связи с исчерпанием первоначально назначенных ресурсных характеристик.
Для их замены в настоящее время ведется строи- тельство атомного ледокола нового поколения с бо- лее высокими технико-экономическими показателя- ми, что будет достигнуто в первую очередь за счет повышения интенсивности его эксплуатации. Для достижения этой цели ледокол строится универсаль- ным (двухосадочным), способным выполнять функ- ции ледокола с ограниченной осадкой типа «Таймыр» и линейного ледокола типа «Арктика» (рис. 1) при максимальной мощности на винтах 60 МВт.
За счет деления трассы на глубоководные участки и участки мелководья, необходимости обмена кара- ванами время пребывания ледоколов в Арктике в ре- жиме дежурства и ожидания подхода судов к ме- стам формирования и обмена караванами варьиру- ется в весьма широких пределах и может составлять
1
e-mail: knyazevsriyky@rosatomfl ot.ru.
2
e-mail: fadeev@okbm.nnov.ru.
3
e-mail: dep59@okbm.nnov.ru.
4
e-mail: dep59@okbm.nnov.ru.
5
e-mail: dep59@okbm.nnov.ru.
6
e-mail: dep59@okbm.nnov.ru.
87
Проектные решения реакторной установки РИТМ-200, предназначенные обеспечить
экологически безопасную и экономически эффективную эксплуатацию универсального атомного ледокола на арктических трассах
простоев и холостых переходов, что позволит получить положительный экономический эффект.
Были сформулированы технические требования к новой реак- торной установке с жесткими ограничениями по массогабаритным характеристикам.
Заявленные высокие потребительские качества универсального атомного ледокола потребовали создания новой ядерной энергетиче- ской установки (ЯЭУ). ЯЭУ универсального ледокола будет иметь в сво- ем составе две РУ с водо-водяными реакторами интегрального типа.
Выработка пара предусматривается по двухконтурной схеме путем передачи тепла в парогенераторах (ПГ) от теплоносителя первого кон- тура питательной воде и пару второго контура.
В ходе проектирования РУ применен комплексный подход при вы- боре основных параметров первого контура, его оборудования и ком- поновки, состава и параметров систем, реализующих принципы обе- спечения безопасности проектными средствами. Широко использова- лись унифицированная элементная база и апробированные технологии с учетом их совершенствования.
Рис. 1. Линейный ледокол «Арктика» (а) и ледокол с ограниченной осадкой
«Таймыр» (б)
от 60% до 20%. Использование этого времени для выполнения других работ по существу нере- ально ввиду значительных затрат времени на автономные перехо- ды ледоколов к местам выполне- ния таких работ, находящихся на удалении от нескольких сотен до тысячи миль (Обская губа, запад- ное побережье Ямала, Варандей,
Белое море). В таких условиях очень привлекательной выгля- дит концепция двухосадочного ледокола, способного при доста- точно оперативном изменении осадки обеспечить ледокольное сопровождение на всех участках трассы без необходимости пере- дачи каравана. Согласно оценкам один двухосадочный ледокол, ра- ботая на Дудинском или Обском направлении, способен заменить два ледокола (типа «Арктика» и типа «Таймыр») при более пол- ном и рациональном использова- нии эксплуатационного периода пребывания в Арктике. Этот фак- тор будет также способствовать снижению в 1,5—1,8 раза затрат на ледокольную проводку судов и удешевлению стоимости пере- возок в целом.
С учетом перспектив освоения месторождений углеводородов на арктическом шельфе с участи- ем атомных ледоколов необходи- мость строительства универсаль- ного двухосадочного атомного ледокола становится еще более очевидной.
Исключительное значение име- ет способность двухосадочного ледокола проводить аварийно- спасательные операции с суда- ми на потенциально опасных глубинах менее 15—10 м. Оче- видно, что глубокосидящий ле- докол в отличие от двухосадоч- ного не сможет проводить такие операции с судами, опасно дрей- фующими или севшими на мель.
Ожидание подхода мелкосидя- щего ледокола в таких случаях может иметь катастрофические последствия.
Все перечисленное создаст условия для более интенсивно- го использования универсаль- ного ледокола с уменьшением
а
б
Арктика: экология и экономика № 3 (15), 2014 88
Проб лемы
Северног о
морског о
пути
Проблемы Северного морского пути
Чтобы обеспечить облик реакторной установки с перспективой на первую половину XXI в., в РУ ново- го поколения учтены результаты эксплуатации и ис- пользованы прогрессивные решения, накопленные за полувековой период работы атомного флота.
Разработанная атомная энергетическая установ- ка способна обеспечить более экономичную экс- плуатацию нового атомного ледокола по сравне- нию с действующими при повышенной надежности и безопасности.
В качестве основных направлений совершенство- вания РУ, которые позволяют снизить капитальные и эксплуатационные затраты, предусмотрены:
уменьшение состава оборудования и его массога-
•
баритных характеристик;
повышение маневренности;
•
увеличение ресурса оборудования;
•
снижение собственного энергопотребления.
•
В частности, количество циклов изменения мощ- ности РУ, допускаемое по модели эксплуатации, зна- чительно увеличено по сравнению с принятым для
РУ действующих ледоколов и сопоставимо с количе- ством циклов изменения мощности паротурбинной установки (ПТУ). Это позволит исключить или суще- ственно снизить необходимость травления пара при работе ледокола с глубокими маневрами мощности, т. е. реализовать принцип «турбина ведет реактор», что обеспечивает более экономное расходование энергозапаса активной зоны с соответствующим снижением эксплуатационных затрат.
Повышение ресурсных характеристик оборудова- ния РУ позволит обеспечить более интенсивную экс- плуатацию ледокола за счет уменьшения простоев на техобслуживание и ремонт, а также сократить расходы на приобретение оборудования для замены при ремонте.
Основные технические характеристики РУ приве- дены в табл. 1.
На основе эволюционного совершенствования оте чественных аналогов и всестороннего анализа различных вариантов систем и оборудования, с уче- том мировых тенденций развития атомной энергети- ки в проекте было принято интегральное исполнение парогенерирующего блока (ПГБ) как более безопас- ного и в большей степени отвечающего современ- ным требованиям. Основной циркуляционный тракт теплоносителя первого контура с активной зоной и парогенераторами размещен в интегрированном корпусе. Такое конструктивное исполнение позво- ляет уменьшить количество корпусов оборудования, находящихся под давлением первого контура, а так- же исключить замыкающие сварные швы между ними, в результате чего повышается технологич- ность корпуса, сокращаются сроки и стоимость его изготовления. Также существенно уменьшено ги- дравлическое сопротивление контура циркуляции, что позволило снизить мощность циркуляционного насоса первого контура (ЦНПК) и обеспечить высо- кий уровень естественной циркуляции. Интегральное исполнение ПГБ позволило разместить в нем актив- ную зону достаточно больших размеров, обеспечив при этом минимальные массу и габариты РУ, а также возможность транспортировки корпуса ПГБ в сборе по железной дороге. При этом предусмотрена воз- можность изготовления всех элементов корпуса ПГБ при принятой в настоящее время технологии без мо- дернизации производства.
Снижение флюенса нейтронов на корпус реакто- ра за счет увеличения его диаметра позволит уве- личить ресурс реактора и снизить температуру при гидравлических испытаниях первого контура.
В ПГБ принята коллекторная схема с принудитель- ной циркуляцией теплоносителя при нормальной ра- боте и естественной его циркуляцией при аварийном расхолаживании. Коллекторная схема позволяет по- высить живучесть ПГБ при отказах ПГ и ЦНПК, так как исключается недостаток петлевой схемы — не- обходимость отключения исправного оборудования, расположенного в одной петле с неисправным. Дан- ное решение также уменьшает потерю мощности РУ при отказах ЦНПК, а также позволяет уменьшить ко- личество отключений/подключений ПГ, приводящих к глубоким термоциклам и, соответственно, к по- вреждаемости РУ.
С точки зрения обеспечения безопасности в ава- риях с потерей теплоносителя парогенерирующий блок характеризуется большими запасами воды над активной зоной, малыми масштабами разгерметиза- ции, возможностью раннего перехода к паровому ис- течению и пониженными требованиями к производи- тельности системы аварийного охлаждения активной зоны. В частности, не требуется подсистема рецир- куляции теплоносителя, вытекающего из ПГБ. Таким образом, интегральное исполнение парогенерирую- щего блока позволит повысить безопасность РУ, сни- зить капитальные и эксплуатационные затраты.
Расположение РУ предусмотрено в индивидуаль- ных защитных оболочках, полностью разделенных физически и пространственно.
В техническом задании на разработку ледокола выставлено требование по использованию в актив- ной зоне топлива, удовлетворяющего условию не- распространения (обогащение менее 20%), тогда как на действующих ледоколах используется вы- сокообогащенное топливо. В таких условиях для обеспечения требуемых ресурсных характеристик в проекте вместо активной зоны с интерметаллид- ной топливной композицией с высоким обогащени- ем будет использована активная зона кассетного типа с металлокерамическим топливом повышенной ураноемкости.
Активная зона будет содержать 199 тепловы- деляющих сборок и иметь объем, в три раза пре- вышающий объем активной зоны РУ действующих атомных ледоколов. В качестве материала оболочки тепловыделяющих элементов на начальной стадии будет применен хромоникелевый сплав. По сравне- нию с циркониевым сплавом Э110, используемым
89
Проектные решения реакторной установки РИТМ-200, предназначенные обеспечить
экологически безопасную и экономически эффективную эксплуатацию универсального атомного ледокола на арктических трассах
в активных зонах РУ типа ОК-900А, этот материал обладает более высокой коррозионной стойкостью и устойчивостью к нарушению водно-химического режима, однако уступает циркониевым материалам по нейтронно-физическим характеристикам и стои- мости. Поэтому в настоящее время продолжаются работы по поиску коррозионно-стойких цирконие- вых сплавов, параметров теплоносителя и водно- химического режима, способных обеспечить повы- шенный ресурс оболочки из циркониевого сплава и возможность его использования в перспективе.
Конструкция и размеры активной зоны позволя- ют обеспечить требуемые энергоресурс 7,0 ТВт·ч и период между перегрузками 7 лет. При этом для минимизации финансовых рисков, учитывая иннова- ционность активной зоны и отсутствие опыта ее вы- горания, величина назначенного энергоресурса для головных активных зон составит 4,5 ТВт·ч, а период между перегрузками — 4,5 года при коэффициен- те использования установленной мощности (КИУМ), равном 0,65.
Для циркуляции теплоносителя первого контура предназначен однообмоточный герметичный насос с частотным регулированием и пониженными по сравнению с ЦНПК РУ действующих атомных ледо- колов мощностью, массой и габаритами. Упрощение конструкции, снижение мощности и использование конструктивных элементов с многолетним положи- тельным опытом эксплуатации обеспечат длитель- ный ресурс насосов первого контура. Частотное регулирование позволит при необходимости осу- ществлять переход циркуляционного насоса первого контура с большой частоты вращения на меньшую и наоборот, т. е. обеспечить возможность уменьшения энергопотребления ЦНПК при работе РУ на пони- женных уровнях мощности. Использование данного типа насосов приведет к снижению капитальных за- трат и энергопотребления РУ на собственные нужды в процессе эксплуатации.
В реакторной установке применен высокоэффек- тивный прямотрубный парогенератор, удельная па- ропроизводительность которого практически вдвое
Таблица 1. Основные технические характеристики РУ
Характеристика
Значение
Тепловая мощность, МВт
175
Паропроизводительность, т/ч
248
Параметры первого контура:
температура на входе в активную зону, °С
температура на выходе из активной зоны, °С
давление, МПа расход, т/ч
277 313 15,7 3250
Параметры второго контура:
температура питательной воды на входе в ПГ, °С
температура пара на выходе из ПГ, °С
давление пара за ПГ, МПа (абс.)
105 295 3,83
Эксплуатационный диапазон изменения мощности, % N
ном
10—100
Количество изменений мощности
600 000
Скорость изменения паропроизводительности, %/с:
нормальная допустимая (при необходимости срочного увеличения паропроизводительности)
0,1 1,0
Назначенный срок службы, лет:
незаменяемого оборудования заменяемого оборудования
40 20
Назначенный ресурс, ч:
незаменяемого оборудования, не менее заменяемого оборудования
320 000 160 000
Количество средних ремонтов за срок службы
1
Интервал между перегрузками топлива, лет
4,5 (7) *
Коэффициент использования установленной мощности
0,65
Период непрерывной работы, ч
26 000
* В скобках приведен интервал между перегрузками серийных активных зон.
Арктика: экология и экономика № 3 (15), 2014 90
Проб лемы
Северног о
морског о
пути
Проблемы Северного морского пути выше эксплуатирующихся змеевиковых. Конфигурация парогенерирую- щих кассет позволит компактно разместить их в корпусе парогенери- рующего блока.
В проекте принята наиболее простая и всесторонне отработанная в отечественной судовой энергетике газовая система компенсации дав- ления с доработками, минимизирующими известные недостатки. Систе- ма компенсации давления разделена на две параллельные независи- мые группы с целью уменьшения диаметра сужающих вставок в компен- саторных патрубках ПГБ и снижения скорости истечения теплоносителя в авариях с разрывом трубопроводов первого контура. Такое решение позволяет также использовать один из компенсаторов давления в каче- стве гидроаккумулятора, что существенно повысит надежность РУ при потенциальных авариях с разгерметизацией первого контура.
В проекте отсутствуют традиционные для судовых РУ группы бал- лонов газа высокого давления, размещаемые в аппаратном помеще- нии. Часть газа системы компенсации давления, отсекаемая от ПГБ, сосредоточена в гидроаккумуля- торах, объем воды в которых до- статочен и для реализации без- отходной технологии при работах, связанных с перегрузками топли- ва, гидравлическими испытания- ми первого контура, ремонтами
ПГ. Это позволит практически ис- ключить жидкие радиоактивные отходы, повысить экологическую безопасность РУ.
Установка промежуточных ем- костей внутри компенсаторов, экранировка швов в трубопрово- дах системы компенсации давле- ния, изменение алгоритма под- держания средней температуры в первом контуре будут способ- ствовать снижению повреждае- мости трубопроводов системы компенсации давления в пере- ходных режимах, обеспечению требуемого ресурса при большом количестве переходных режимов.
Концепция обеспечения безопасности РУ РИТМ-200
Таким образом, обеспечение безопасности РУ РИТМ-200 бази- руется на следующих принципах: высокая теплоаккумулирующая способность ПГБ интегрального типа, обеспечение уровня есте- ственной циркуляции теплоносите- ля первого контура, достаточного
Рис. 2. Проектный облик универсального атомного ледокола
Таблица 2. Основные технические характеристики реакторных установок
Характеристика
РИТМ-200
ОК-900А
Масса двух РУ в пределах ЗО, т
2200 2603
Габариты ЗО двух РУ L×B×H, м
6,0×13,2×15,5 7,6×13,3×20,0
КИУМ
0,65 0,2—0,35
Количество циклов изменения мощности
625 700 64 940
Период непрерывной работы, ч
26 000 8 000
Ресурс основного оборудования, ч
320 000 175 000
Срок службы основного оборудования, лет
40 34
Период между перегрузками серийной активной зоны
(при КИУМ 0,65), лет
7 2,1
Мощность ЦНПК, кВт
4×97 4×152
Минимальная температура теплоносителя при гидроиспытаниях на конец эксплуатации, °С
30 140
Уровень естественной циркуляции теплоносителя первого контура, %
30
8
91
Проектные решения реакторной установки РИТМ-200, предназначенные обеспечить
экологически безопасную и экономически эффективную эксплуатацию универсального атомного ледокола на арктических трассах
для работы установки на мощности до 30% номи- нальной и надежного расхолаживания реактора, ми- нимальная протяженность трубопроводов первого контура, применение ограничителей истечения в ма- лых патрубках.
Для ограничения неблагоприятного влияния от- казов внешних систем и источников энергии, а так- же ошибок персонала в проекте используются сле- дующие устройства и системы пассивного принципа действия, функционирующие на основе естествен- ных процессов, не требующих энергии извне:
система аварийного охлаждения активной зоны
•
с гидроаккумуляторами, подающая воду в реактор за счет давления газовой подушки;
использование одной из групп компенсации дав-
•
ления в качестве гидроаккумулятора при разгер- метизации другой;
система аварийной защиты реактора;
•
система аварийного расхолаживания;
•
защитная оболочка (ЗО) с системой снижения ава-
•
рийного давления.
Система снижения давления и кондиционирова- ния воздуха в ЗО включает в себя теплообменники, расположенные внутри защитной оболочки, что по- зволяет существенно сократить сечения проходящих через ее стенки вентиляционных каналов с установ- ленной на них локализующей арматурой, повысить тем самым герметичность ЗО как защитного барье- ра на пути потенциально возможного распростра- нения радиоактивности при нормальной работе РУ, проектных и запроектных авариях.
Также для обеспечения высокого уровня безопас- ности при множественных отказах в аппаратуре управления и бездействии персонала в проекте применены устройства, срабатывающие от непо- средственного действия давления первого контура и осуществляющие сброс аварийной защиты, а так- же перевод реакторной установки в режим расхола- живания с помощью пассивных каналов.
Принятая в проекте схема безотходной техноло- гии позволит исключить на судне цистерны (монжу- сы) с радиационной защитой и соответствующими обслуживающими системами. Ограниченное коли- чество сдренированных контурных вод будет хра- ниться в расположенных в коффердаме между ЗО
РУ дренажных емкостях (по одной на каждую РУ), откуда после очистки они возвратятся в контур. Все это повысит экологическую безопасность РУ.
В целом при эксплуатации РУ надежно обеспе- чивается радиационная и экологическая безопас- ность. Дозовая нагрузка на население, проживаю- щее вблизи районов эксплуатации и базирования универсального атомного ледокола, при нормаль- ной эксплуатации и проектных авариях не превы- сит величины 0,01% естественного радиационного фона. Доза облучения населения в запроектных авариях с тяжелым повреждением активной зоны не превысит значений, при которых требуется реализа- ция защитных мероприятий. Активность забортной воды, обусловленная работой РУ, составит 0,1 Бк/л, что в 100 раз ниже регламентированного значения активности даже для питьевой воды.
Основные преимущества РУ РИТМ-200 над РУ действующих атомных ледоколов
Высокие ресурсные показатели, период непрерыв- ной работы, минимальное количество перегрузок активной зоны, низкий уровень собственного энер- гопотребления позволят более экономично эксплуа- тировать универсальный атомный ледокол.
Сравнение РУ нового и действующих ледоколов с точки зрения основных потребительских свойств и уровня безопасности приведено в табл. 2.
Таким образом, реакторная установка РИТМ-200 имеет лучшие технико-коммерческие характеристи- ки и более высокий уровень экологической безопас- ности по сравнению с установками типа ОК-900А.
Перспективы реализации проекта
В соответствии с постановлением Правительства
РФ «Об осуществлении бюджетных инвестиций в строительство универсального атомного ледокола» от 29 июля 2012 г. № 660 ввод в эксплуатацию уни- версального атомного ледокола с новой реакторной установкой (рис. 2) планируется в 2017 г. Ввод двух серийных ледоколов предусмотрен постановлением
Правительства РФ от 19 августа 2013 г. № 715 со- ответственно в 2019 и 2020 гг.
Сроки эксплуатации большинства действующих атомных ледоколов с РУ типа ОК-900А подходят к концу. Поэтому строительство новых ледоколов в запланированные сроки имеет огромное значение для обеспечения хозяйственной деятельности и жиз- ни населения в районах Крайнего Севера, решения государственных задач утверждения и защиты геополитических интересов Российской Федерации в Арктике в последующие годы.
Литература
1. Зверев Д. Л., Вешняков К. Б., Панов Ю. К., Полуни-
чев В. И. Результаты разработки технического проекта реакторной установки для универсального атомного ле- докола // Судостроение. — 2011. — № 3. — С. 32—37.
2. Панов Ю. К., Полуничев В. И., Залугин В. И., Шама-
нин И. Е. Об улучшении технических параметров энерге- тических установок перспективных атомных ледоколов
// Судостроение. — 2005. — № 1.
3. Пахомов А. Н., Полуничев В. И., Вешняков К. Б., Ка-
бин С. В. Реакторная установка РИТМ-200 нового поко- ления для перспективного атомного ледокола // Атом. энергия. — 2012. — Т. 113, вып. 6. — C. 323—328.
4. Петрунин В. В., Фадеев Ю. П., Панов В. А. и др. Прод- ление срока эксплуатации и повышение безопасности судовых реакторных установок // Атом. энергия. —
2012. — Т. 113, вып. 6. — С. 328—333.
5. Петрунин В. В., Фадеев Ю. П., Пахомов А. Н. и др. Ре- акторная установка для перспективных судов и плаву- чих атомных электростанций // Всемирная морская тех- нологическая конференция, г. Санкт-Петербург, 29—30 мая 2012 г.