Назначение насосов в тепловых схемах АЭС
Вводные замечания
Ядерные реакторы с водяным теплоносителем являются основой развития ядерной энергетики СССР в ближайшие десятилетия. В энергетических установках с такими реакторами важнейшую роль в технологическом цикле преобразования внутриядерной энергии в электрическую играют процессы теплопередачи, тепло- и массопереноса, осуществляемые с помощью циркулирующих потоков воды. О масштабах этих потоков можно судить по таким цифрам: общий объем контура многократной принудительной циркуляции энергоблока с реактором РБМК-1000 составляет около 1200 м3; расход воды, циркулирующей в первом контуре ВВЭР-1000, составляет 80 000 м3/ч, а расход в системе технического водоснабжения 200 000 м3/ч [1] (для сравнения укажем, что средний расход воды в р. Днепр у г. Смоленска равен 360 000 м3/ч); площадь поверхности конструкционных материалов, находящихся в контакте с теплоносителем в одном блоке с РБМК-1000, достигает 180 000 м2 (18 га).
Движение таких больших потоков воды по многочисленным, в основном замкнутым контурам со сравнительно большими скоростями осуществляется с помощью насосного оборудования, установленная мощность которого достигает 12 % мощности энергоблока, а потребляемая энергия составляет от 70 до 90 % энергии, расходуемой на собственные нужды АЭС. В энергоблоке с реактором РБМК-1000 установлено 480 единиц насосного оборудования 111 типоразмеров [21. Удельные расходы технической воды на АЭС в 1,5—2 раза больше, чем на ТЭС. Те или иные нарушения потоков или отклонения их параметров от требуемых значений приводят в лучшем случае к снижению экономичности блока, а чаще создают аварийные ситуации. Внеплановые простои АЭС мощностью 1000 МВт в течение одного дня обходятся государству в сотни тысяч рублей, а ущерб, связанный с недодачей в сеть 1 % электроэнергии из-за неоптимальных режимов работы агрегатов АЭС, составляет около 3 млн. руб. в год.
Однако как бы ни впечатляющи были экономические оценки, главное внимание при строительстве и эксплуатации АЭС уделяется проблеме ядерной и радиационной безопасности. Это вызвано тем, что ядерная энергия — потенциально наиболее опасный вид энергии из всех известных человечеству [3]. Насосное оборудование АЭС выполняет технологические функции, непосредственно связанные с обеспечением ядерной и радиационной безопасности: с одной стороны, отказы некоторых насосов могут вызвать крупные аварии, а с другой — насосы являются важнейшими элементами различных систем безопасности.
Таким образом, при создании насосного оборудования для АЭС на первый план выдвигаются требования надежности как в расчетных, так и в переходных режимах, включая аварийные. Эти требования в сочетании с особенностями эксплуатации, а также с другими требованиями, накладываемыми радиоактивностью первого контура, выделяют насосы АЭС в самостоятельную отрасль насосостроения.
С точки зрения надежности насосы относятся к оборудованию с активным принципом действия, т. е. к оборудованию, сложному по конструкции и взаимосвязанному с другими устройствами, от которых зависит его работоспособность [4]. Проблемы обеспечения надежности такого оборудования особенно сложны и актуальны.
Успешное развитие насосостроения для ядерной энергетики невозможно без привлечения специалистов, владеющих не только методами гидравлических, прочностных и вибрационных расчетов, но и знакомых с основами ядерной энергетики. От специалистов, разрабатывающих насосное оборудование для АЭС, требуется понимание роли и назначения каждого типа насосов в общей системе атомной электростанции, их взаимосвязи и взаимодействия с другими агрегатами. Это необходимое условие создания надежных насосов, удовлетворяющих высоким требованиям, предъявляемым к оборудованию в ядерной энергетике.
В связи с этим кратко рассмотрим схемы и основное оборудование энергоблоков с унифицированными канальными реакторами РБМК-1000 и корпусными ВВЭР-1000. Другие типы реакторов, в частности, реакторы на быстрых нейтронах, а также атомные станции теплоснабжения и атомные теплоэлектроцентрали из-за ограниченности объема раздела здесь не описаны.
Нужно иметь в виду, что тепловые схемы АЭС, их оборудование и схемы отдельных технологических систем непрерывно совершенствуются [5, 6]. Они могут отличаться и для различных условий местности, где строятся АЭС (в зависимости от вида источников технического водоснабжения, климатических условий и т. д.). Однако эти различия не принципиальны, и приведенные ниже описания тепловых схем дают достаточно полное представление о характеристиках основного оборудования и принципах работы АЭС.