bigdrum (bigdrum) wrote,
bigdrum
bigdrum

Category:

Допиливаем реактор NuScale Power большим шершавым напильником



Вот тут вот мы взрывали реактор NuScale Power. Мы основывались на том, что центральная "труба" реактора



(на картинке окружена серенькими петлями, изображающими ток теплоносителя) должна обладать теплоизолирующими качествами, и одновременно обладать механической плотностью и жесткостью. При этом в теле "трубы", разделяющей восходящий горячий и нисходящий холодный токи воды, образуются термические напряжения. Почему так? Посмотрим на температурные режимы работы.

Данные для ВВЭР-100:

При номинальной мощности реактора температура на оси твэла составляет около 1600 °C, а на поверхности таблеток — около 470 °C. Максимальная температура достигает соответственно 1940 и 900 °C. Перепад температуры на газовом зазоре между таблетками и трубкой (оболочкой) в среднем составляет 100 °C, на оболочке — 23 °C. Температура наружной поверхности трубки твэла составляет около 350 °C. Удельный тепловой поток составляет 0,6 МВт/м², а линейный тепловой поток — 17 кВт/м трубки.

Таким образом, температура воды, покидающей активную зону нашего реактора, колеблется в промежутке 350-300 градусов. На самом деле, кмк, должно быть больше, поскольку именно эта температура формирует теплопоток от АЗ к теплообменнику, и ВВЭР с его принудительной циркуляцией, очевидно, работает в гораздо более легких условиях, чем должен наш реактор. Номиналом указана температура 290 градусов, что в сочетании с проточными теплообменниками на встречных потоках дает высокую теплопередачу и охлаждает воду первого контура до температур, очевидно, примерно до около 200 градусов. Однако точные параметры мне не известны. Я делаю выводы о сильной разнице температур восходящего и нисходящего потока на основании высоких маневренных возможностей реактора - до 40% мощности в час - что очевидно, требует высокой производительности теплообменника второго контура (парогенератора), достижимой лишь при большой разнице температур и интенсивном теплопотоке на минимальных режимах.

Для справки, в реакторе ВВЭР-1000 с принудительной циркуляцией температура теплоносителя первого контура на входе в реактор 289, на выходе - 322. Температура питательной воды парогенератора - 220. Поскольку циркуляция носит принудительный характер, разница температур небольшая, так как это позволяет избегать термических напряжений в конструкции реактора. Если же мы посмотрим на самоточный реактор ЭГП-6, то для него прорабатывались варианты температуры питательной воды в 104 градуса, а номинальная температура воды на входе в реактор - 250 градусов. При этом нужно понимать, что ЭГП-6 является кипящим реактором, и соответственно, интенсивность тока воды первого контура усилена из-за парообразования, что позволяет на меньшей разнице температур получить значительно большую интенсивность циркуляции за счет большей разницы плотности горячей и холодной воды.

Так как реактор NuScale Power является некипящим, а его тепловая мощность велика (~160 МВт), мы должны предполагать высокую интенсивность естественной циркуляции, каковая в отсутствие парообразования возможна лишь большой разницей температур. Принимая температуру нисходящего потока в 200 градусов, мы получаем чудовищную температурную разницу - 90 градусов номинала - в конструкции, находящейся под давлением.

Следующим интересным моментом является вопрос, как можно обеспечить сильный естественный ток воды для отвода такой большой мощности в таких скромных габаритах. И здесь нам на помощь приходит тот факт, что максимальная температура графитового замедлителя в ЭГП-6 составляет 550 градусов. Теоретически, замедляющие элементы, на которых выделяется дополнительное тепло при облучении нейтронным потоком, могут использоваться для создания "подкипающих точек", инициирующих локальное парообразование, что приводит к сильному локальному току воды. Образующийся пар при движении вверх по трубе кавитирует в объеме, смешиваясь с окружающей водой. При таком подходе можно обеспечить своеобразный "пускач" циркуляции. С ростом мощности в номинальном режиме из-за ускорения движения воды первого контура интенсивность охлаждения "горячих точек" также возрастает, так что количество пара "пускача" может оставаться в норме, гарантирующей его кавитацию в потоке до выхода к парогенератору. Однако это лишь гипотеза.

Предположив большую разницу температур восходящего и нисходящего контура, а также возможную кавитацию пароводяной смеси от "пускача", мы приходим к мысли о том, что интенсивность движения воды первого контура является высокой, что приводит к большим механическим нагрузкам на "трубу" первого контура, как от гидродинамических эффектов, так и от возможных акустических.

Последствия разрушения "трубы" мы рассмотрели в прошлой части.

Как допилить "трубу" напильником, то есть как сделать так, чтобы при теплоизолирующих свойствах она обладала достаточной механической прочностью и упругостью, чтобы предотвратить ее разрушение?

Здесь нам приходит на помощь тот факт, что время теплового контакта между горячей и холодной водой через стенки трубы ограничено, и чем выше скорость тока воды - тем оно меньше. Соответственно, нам не нужна стопроцентная (вакуумная) теплоизоляция. Нам будет достаточно, если теплопроводность стенок "трубы" будет в разы ниже, нежели у плоского листа. И здесь мы вспоминаем о банальных стеклопакетах.

Одиночное стекло практически не защищает от холода на улице. Однако сдвоенное стекло с промежутком - уже вполне эффективно теплоизолирует пространство дома от температурных перепадов на улице. Несмотря на то, что воздух между слоями стекла сохраняет теплопроводность - удержание его на месте создает прослойку с промежуточной температурой, снижающей интенсивность теплообмена до приемлемых значений. То же самое и с водой - мех водоплавающих животных удерживает теплую воду возле тела, и всякие тюлени вполне себе спокойно живут в Арктике и Антарктике. Хотя казалось бы.

Вывод - наша "труба" должна быть двухслойной, при этом теплоизолирующие качества материала "трубы" для нас являются непринципиальными - например, она может быть изготовлена из стали. Из двух слоев реакторной стали с промежутком между ними, заполненным водой.

Представим себе гнутый профиль вот такой примерно формы:



Если мы сильно удлиним полки профиля, а затем сложим таки профили рядком и сварим по схеме "полку к сгибу", мы как раз и получим двуслойную конструкцию с промежутком (зазором) между слоями. Если эти профили будут не линейными, а по образующей круга - наша конструкция замкнется в кольцо. Мы получим жесткую стальную двуслойную конструкцию с промежутком. С одной стороны, такая конструкция будет обладать теплоизолирующими качествами, с другой - состоять из плотного, прочного и гибкого материала.

Рассмотрев термические напряжения в такой конструкции (раздувание внутреннего круга и обжим наружного) мы приходим к выводу, что из-за наклона средней секции радиальное давление преобразуется - посредством упругой деформации - в поворот внутренней и наружной стенок на небольшой угол друг относительно друга. Таким образом, такие кольца являются естественными конструкционными элементами, способными связать внутреннюю и внешнюю стеки "трубы", обеспечив равномерный промежуток между ними, необходимый для теплоизоляции, при сохранении прочностных качеств как без термических нагрузок, так и при термических нагрузках. Теоретически, теплоизолирующие свойства могут быть усилены при включении между стенками волокнистого либо упругого пористого материала, обладающего радиационной, химической и термической устойчивостью в нужном диапазоне требований. Поскольку механические нагрузки воспринимаются стальной "трубой", и распределяются посредством наклонных ребер, "отрабатывающих" температурные напряжения - данная конструкция будет устойчивой и не разрушится в процессе работы реактора.

Вот таким вот образом мы с вами допилили большим шершавым напильником модерновый американский реактор.

И да - идея кавитирующего "пускача" циркуляции и такой вот конструкции теплоизолирующей трубы - это всего лишь гипотезы. На каковые гипотезы я горазд, и зело. Но могу и ошибаться, иногда эпично. :)
Tags: Мысли дилетанта, Неоднозначное, Се ля ви..., Тонкое жизненное
Subscribe

  • Ну вот...

    Нестареющая классика... Цифры конечно, невысокие. По сравнению с 90+% от результатов испытаний Модерн, Пфайзеров, Спутников и т.д. - кажутся…

  • Кстати...

    В контексте вот этого вот моего комментария... Любой лавинщик отдаст правую руку за БПЛА, который сможет оперативно отслеживать состояние…

  • Синемафилическое

    Посмотрел " Только не они". Объективно - ничем не хуже "Отряда самоубийц" или какого-нибудь "Человека-унитаза"... Уровень…

promo bigdrum февраль 17, 2019 22:31 6
Buy for 10 tokens
На мейл-ру пролетела очередная "желтая" новость, коих не счесть. Касательно контактов с инопланетянами. В силу чего, втыкая по причине небольшой эмоциональной раздолбанности, я вот тут вдруг решил взять и откомментировать это дело. Да, ребята! МЫ БУДЕМ ГОВОРИТЬ ОБ НЛО, ПРИШЕЛЬЦАХ…
  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

  • 3 comments