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
