Разработка конструкторско-технологических решений активных зон транспортных реакторных установок

Московский государственный технический университет
имени Н.Э. Баумана

Н.Ш. Исаков, П.В. Марков

РАЗРАБОТКА КОНСТРУКТОРСКОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ
АКТИВНЫХ ЗОН ТРАНСПОРТНЫХ
РЕАКТОРНЫХ УСТАНОВОК

Под редакцией В.И. Солонина

Рекомендовано Научно-методическим советом
МГТУ им. Н.Э. Баумана
в качестве учебного пособия

Москва
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана
2013

УДК 621.039.5(075.8)
ББК 31.46
И85

И85

Рецензенты: А.М. Ганжинов, В.В. Перевезенцев

Исаков Н. Ш.
Разработка конструкторско-технологических решений активных зон транспортных реакторных установок : учеб. пособие / Н. Ш. Исаков, П. В. Марков; под ред. В. И. Солонина. — М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2013. — 65, [3] с. :
ил.

ISBN 978-5-7038-3700-9
Изложены особенности конструктивно-компоновочных и технологических решений активных зон, оборудования и элементов транспортных реакторных установок, предназначенных для использования
на судах, космических аппаратах.
Приведены особенности методики теплогидравлических расчетов
в условиях естественной циркуляции водного теплоносителя в поле
силы тяжести применительно к интегральным компоновкам оборудования первого контура. Приведены рекомендации по выбору компоновки тепловыделяющего модуля космической энергоустановки,
выполняющей как функции двигателя прямого действия, так и функции источника энергии для бортовой газотурбинной установки (бимодальная установка).
Для студентов старших курсов, обучающихся по специальности
«Ядерные реакторы и энергетические установки».

УДК 621.039.5(075.8)
ББК 31.46

ISBN 978-5-7038-3700-9
c⃝ МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2013

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

ВВР
водо-водяной реактор (корпусной под давлением)
КА
космический аппарат
ПГ
парогенератор
ПЦ
принудительная циркуляция
СЯЭУ
судовая ядерная энергетическая установка
ТВМ
тепловыделяющий модуль
ТВС
тепловыделяющая сборка
твэл
тепловыделяющий элемент
ЦНПК
циркуляционный насос первого контура
ЯРД
ядерный ракетный двигатель
ЯЭДУ
ядерная энергетическая двигательная установка
ЯЭУ
ядерная энергетическая установка

ВВЕДЕНИЕ

К конструкции реакторных установок предъявляются чрезвычайно высокие требования, которые условно можно подразделить
на три группы:
1) требования, вызываемые специфическими опасностями,
присущими ядерным реакторам;
2) требования, определяемые назначением ядерных реакторов;
3) общетехнические требования.
К основным требованиям, предъявляемым к транспортным реакторным установкам, относят компактность и минимальные массогабаритные характеристики. При конструировании судовых реакторов важно обеспечить возможность их работы в условиях переменных нагрузок (при большом числе пусков и остановок, переходов с режима на режим), а также высокую удельную энергонапряженность.
К реакторам СЯЭУ предъявляется ряд специфических требований, связанных с условиями их эксплуатации: надежная работа
при качке, дифферентах, вибрации и т. д., возможность быстрого
изменения мощности СЯЭУ в широких пределах, простота механизмов и основных узлов, быстрота перегрузки ядерного топлива и
удобство обслуживания. Требования, предъявляемые к реакторам
космических ЯЭДУ, ЯРД: стойкость к воздействию радиационных
поясов Земли, независимость от расстояния до Солнца и ориентации по отношению к Солнцу, возможность работы на разных
уровнях мощности в процессе эксплуатации, в том числе на форсированной мощности, в 2 — 3 раза превышающей номинальную,
при достаточно слабой зависимости массы ЯЭУ от уровня форсирования.

4

Выбор надежного конструкционного решения, удовлетворяющего заданным функциям и сохраняющего требуемые эксплуатационные показатели в течение определенного промежутка времени, проводится на этапе проектирования. Проектирование включает в себя выбор наилучшего варианта принципиальной схемы,
удовлетворяющей основным параметрам и заданным характеристикам изделия, конструирование на ее основе частей, систем, узлов, агрегатов, механизмов и их технологическую разработку. При
выборе принципиальной схемы объекта можно ограничиться поисковыми, предварительными физическими, теплогидравлическими, прочностными расчетами, основанными на простых эмпирических соотношениях и одномерных математических моделях. По
мере конкретизации конструкции расчеты выполняются уже как
поверочные с возрастающей степенью детализации и с использованием современных математических моделей улучшенной оценки, реализованных на компьютерах с помощью расчетных кодов и
созданных на базе специальных физических экспериментов [1].

1. РЕАКТОРНЫЕ УСТАНОВКИ ДЛЯ СУДОВ

1.1. Особенности водоохлаждаемых СЯЭУ
интегральной компоновки

Водо-водяные реакторы являются наиболее распространенным
типом реактора для СЯЭУ ввиду небольших габаритов активной
зоны и реактора в целом, отработанной технологии изготовления
их отдельных элементов, включая элементы активной зоны, высокой надежности и безопасности, а также простоты эксплуатации.
Компоновка СЯЭУ может быть выполнена по петлевой (традиционной для стационарных установок), блочной, интегральной и
моноблочной схемам. В моноблочной компоновке все оборудование первого контура заключено в общем силовом корпусе. Блочная
и моноблочная компоновки позволяют получить наиболее компактные СЯЭУ, и поэтому они широко применяются в настоящее время.
Особенностью активных зон судовых ВВР является большой
запас реактивности в начале кампании, что приводит к повышенной загрузке топлива. Этого добиваются применением топлива, более обогащенного, чем в стационарных реакторах, использованием
выгорающих поглотителей. Для увеличения удельной поверхности
теплообмена наряду со стержневыми цилиндрическими твэлами
могут быть использованы твэлы другой формы [1].
Моноблочный принцип компоновки ЯЭУ предусматривает размещение активной зоны, ПГ, ЦНПК, компенсаторов давления в
едином прочном корпусе. На рис. 1.1, а приведена схема моноблочной компоновки ЯЭУ со встроенным парогазовым компенсатором давления и змеевиковым ПГ, а на рис. 1.1, б — схема
интегральной компоновки, в которой компенсатор давления выносной, а шесть ПГ выполнены из прямых U-образных трубок.

6

Рис. 1.1. Схемы моноблочной (а) и интегральной (б) компоновки ЯЭУ:
1 — корпус реактора; 2 — активная зона реактора; 3 — ПГ; 4 — выход пара;
5 — привод ЦНПК; 6 — подача газа; 7 — привод органов регулирования; 8 —
парогазовый объем компенсатора давления; 9 — крышка реактора; 10 — вход
питательной воды; 11 — тепловая защита корпуса; 12 — щелевой фильтр на входе
напорной камеры; 13 — трубопровод к компенсатору давления

В обоих случаях вертикальные ЦНПК расположены на крышках.
Есть проекты с вертикальными и горизонтальными ЦНПК, расположенными в корпусе. Моноблочные и интегральные ЯЭУ помимо обеспечения минимальности массогабаритных характеристик
по сравнению с другими видами компоновки обладают более низкой вероятностью разгерметизации первого контура в результате
обрыва циркуляционных трубопроводов и большей надежностью
благодаря отсутствию в первом контуре разобщающей арматуры.
Важным достоинством моноблочных и интегральных ЯЭУ являет
7