Las principales características de ru con vtgr. El uso de reactores de helio modulares de alta temperatura para el suministro de calor de industrias intensivas en energía Principales características técnicas

Rusia y los Estados Unidos están desarrollando conjuntamente un proyecto planta de energía nuclear futuro. Según los desarrolladores, superará significativamente a todos los sistemas anteriores en términos de seguridad, eficiencia y muchos otros parámetros. A pesar del crecimiento en el uso paneles solares, eólica y undimotriz, y otras alternativas, no dejaremos la energía “clásica” en las próximas décadas. Y aquí, quizás, la más respetuosa con el medio ambiente sea, por extraño que parezca, la energía nuclear.

Los ambientalistas hablan constantemente sobre el hecho de que las centrales térmicas envenenan la atmósfera con millones de toneladas de venenos y gases de efecto invernadero. Las centrales hidroeléctricas, o más bien los embalses que las acompañan, modifican irreversiblemente la naturaleza en muchas decenas de kilómetros a la redonda, afectan el hábitat de miles de especies y ejercen una enorme presión sobre la corteza terrestre.

El nuevo esquema de CN elimina muchos de los sistemas antiguos de su diseño. Del lado estadounidense, el principal participante en el proyecto es General Atomics, y del lado ruso, la Oficina de Diseño Experimental de Ingeniería Mecánica que lleva el nombre de I.I. Afrikantov en Nizhny Novgorod, subordinado Agencia Federal Por energía Atómica radiofrecuencia

Y como los expertos ven el futuro de la energía nuclear en un nuevo tipo de central nuclear, vamos a conocer cómo funcionará.

Este sistema se llama Turbina de gas - Reactor de helio modular (GT-MHR), y en ruso - "Turbina de gas - Reactor de helio modular reactor" - GT-MGR. Un gran número de instituciones y organizaciones estadounidenses y rusas, así como empresas de Francia y Japón, están involucradas en la creación de una central nuclear fundamentalmente nueva.

La novedad del proyecto radica en dos postulados principales: un reactor nuclear refrigerado por helio gaseoso y con seguridad inherente (es decir, cuanto mayor sea el calentamiento, más débil será la reacción) y la conversión más breve de la energía del helio caliente en electricidad mediante una turbina de gas. del llamado ciclo cerrado de Brayton. Dado que las cápsulas de principio activo están enterradas en el suelo, no es necesario utilizar equipos adicionales (bombas, turbinas, tuberías de superficie), lo que simplifica la instalación de la estación y reduce el coste de su construcción y mantenimiento.

Todo está encapsulado. En este caso, incluso la falla del sistema de control no provoca la fusión del combustible. Todo se humedece automáticamente y se enfría lentamente debido a la disipación de calor en el suelo que rodea la estación.

El combustible de la estación es óxido de uranio y carburo u óxido de plutonio, fabricados en forma de bolas con un diámetro de solo 0,2 milímetros y recubiertas con varias capas de diversas cerámicas resistentes al calor. Los metales altamente reactivos se "vierten" en varillas, que forman un conjunto, y así sucesivamente. Los parámetros físicos (masa de la estructura, condiciones de reacción) y geométricos del reactor son tales (densidad de energía comparativamente baja, por ejemplo) que en cualquier caso, incluso con una pérdida completa de refrigerante, estas bolas no se derretirán.

Toda la zona activa está hecha de grafito; no hay estructuras metálicas en absoluto, y la aleación resistente al calor se usa solo en el caso más externo: la cápsula. Entonces, incluso si todo el personal de la estación por alguna razón no puede comenzar a reparar el equipo, la temperatura en el corazón de la planta de energía nuclear aumentará a un máximo de 1600 grados centígrados, pero el núcleo no se derretirá. El propio reactor comenzará a enfriarse, emitiendo calor al suelo circundante.

El funcionamiento de la estación, como se mencionó anteriormente, se basa en turbina de gas- reactor de helio modular. GT-MGR es un reactor de grafito-gas ensamblado en dos módulos: una unidad de reactor de alta temperatura y una unidad de conversión de energía (PCU). El primero contiene el núcleo y el sistema de protección y control del reactor (CPS), y el segundo incluye: una turbina de gas con un generador, un recuperador, refrigeradores. Conversión de energía: un ciclo Brayton cerrado de bucle único.

Ambos módulos de la planta del reactor están ubicados en pozos verticales de hormigón armado bajo rasante. Las principales ventajas de utilizar este dispositivo son su alta eficiencia y la imposibilidad de destruir el núcleo en caso de accidente. La desventaja que destacan los desarrolladores es este momento es de baja potencia. Para reemplazar una unidad VVER-1000, se requieren cuatro unidades GT-MGR. Esta desventaja se debe, por un lado, al uso de un gas refrigerante que tiene una capacidad calorífica baja en comparación con el agua o el sodio y, por otro lado, por la baja densidad de energía del núcleo como resultado de mayores requisitos a la seguridad del reactor. Pero esta característica aparentemente insignificante, a primera vista, arroja dudas sobre los argumentos sobre la simplificación del diseño de centrales nucleares con GT-MHR.

doctor en ciencias tecnicas Y YO. Stolyarevsky, Investigador Principal, Centro Nacional de Investigación "Instituto Kurchatov",
director del Centro KORTES, Moscú;
Doctor. N.G. Kodochigov, jefe de diseño, AV Vasyaev, jefe de departamento,
d.t.s. VF Golovko, Jefe especialista, A MÍ. Ganin, ingeniero principal de diseño,
OKBM Afrikantov OJSC, Nizhni Nóvgorod

1. Introducción

El crecimiento de la demanda mundial de combustible y energía con las limitaciones ambientales y de recursos de la energía tradicional hace que sea oportuno preparar una nueva tecnología energética que pueda asumir una parte importante del aumento de las necesidades energéticas, estabilizando el consumo de combustibles fósiles. La Estrategia Energética de Rusia para el período hasta 2020 define el suministro de calor comunal como el sector de la economía socialmente más significativo e intensivo en combustible. La demanda de fuentes de energía nuclear en las áreas de generación de energía y suministro de calor doméstico se debe al costo creciente de los combustibles fósiles y al aumento en el consumo de energía. Los factores clave en la creación de unidades de energía nuclear son la alta seguridad de las centrales eléctricas y su atractivo comercial. “Estrategia para el desarrollo de la energía nuclear en Rusia hasta 2030 y para el período hasta 2050”, aprobada por el Gobierno Federación Rusa prevé la generación de calor por fuentes de energía nuclear hasta 30 millones de Gcal/año para 2020 con reposición anual del consumo hasta 24 mil millones de m 3 de gas. La creación y puesta en marcha de centrales nucleares en el sector del suministro de calor creará nuevas capacidades de generación y asegurará el ahorro de gas natural para la exportación al exterior, lo que es un factor de trascendencia geopolítica.

Sin embargo, incluso la introducción a gran escala de la energía nuclear en el campo de la generación eléctrica y el suministro de calor municipal no resuelve el problema de la creciente demanda de combustible para motores y calor industrial. El escenario a largo plazo para el desarrollo de la energía nuclear hasta 2050 prevé la sustitución de los combustibles fósiles no solo en el sector público, sino también en las industrias intensivas en energía mediante la ampliación del alcance de la energía nuclear para la producción de hidrógeno, calor de proceso, y combustible sintético. La inevitabilidad del uso masivo de las nuevas tecnologías energéticas está determinada por un cambio cualitativo en los requisitos ambientales en el sector de la energía y el transporte.

El potencial para la introducción de la energía nuclear en la esfera "no eléctrica" ​​está determinado por el volumen de consumo de energía del calor de proceso por parte de la industria y no es inferior en escala a la industria de la energía eléctrica. En el campo de las industrias manufactureras, los líderes en el consumo de energía térmica son industria química, refinación de petróleo, metalurgia (tabla 1).

Tabla 1. Consumo de calor por industrias manufactureras (2007)

Por tanto, la introducción de tecnologías nucleares en el suministro de calor de los procesos industriales es una tarea urgente que aún debe resolverse.

Hoy en día, la única tecnología nuclear que es realmente capaz de resolver de forma más completa el problema de la sustitución de los combustibles fósiles en el suministro y transporte de calor industrial es la tecnología de los reactores modulares de helio de alta temperatura (MHR).

Los beneficios de MGR están determinados por los siguientes factores:

La posibilidad de calentar el refrigerante a la salida del núcleo a una temperatura de 1000 °C, lo que amplía el alcance de la energía nuclear no solo para la producción de electricidad y calor municipal, sino también para fines tecnológicos, incluida la producción de hidrógeno;

Posibilidad de utilizar varios esquemas de la unidad de potencia: con un ciclo de turbina de gas, con un ciclo de turbina de vapor, con un circuito para transferir calor a alta temperatura a la producción tecnológica;

El principio pasivo de eliminación de calor residual, proporcionando nivel alto seguridad, incluso en caso de pérdida total del refrigerante primario;

Asegurar el régimen de no proliferación de materiales fisionables, que se basa en las propiedades de los microcombustibles cerámicos;

Bajo efecto térmico en ambiente debido a la posibilidad de implementar ciclos termodinámicos efectivos para convertir la energía térmica en electricidad (en el ciclo directo de turbina de gas Brayton, la eficiencia de conversión de energía puede alcanzar el 50% o más);

Posibilidad de generación combinada de electricidad y calor;

El número mínimo de sistemas y componentes de la planta del reactor (RP) y la planta cuando se utiliza el ciclo de turbina de gas en el circuito primario, creando requisitos previos para reducir los costos de capital y operación;

Posibilidad de ejecución modular de la unidad con una amplia gama de potencias de módulos (de 200 a 600 MW) y variación de potencia AC por un conjunto de módulos;

2. Soluciones de diseño de fuentes de energía para el suministro de calor industrial

Basado en estudios predictivos de la evolución y necesidades del mercado energético, estudios preconceptuales de una planta prototipo de reactor MGR comercial con un reactor de helio modular unificado con una potencia térmica de ~200 MW y, en base a ello, una serie de fuentes de energía para diversas aplicaciones tecnológicas energéticas.

La base de diseño para estos desarrollos fue la experiencia mundial en la creación de instalaciones experimentales con un reactor refrigerado por gas de alta temperatura (HTGR), experiencia en el desarrollo en Rusia (más de 40 años) proyectos de plantas de reactores con HTGR niveles diferentes potencia (de 100 a 1000 MW) y finalidad.

También se utilizaron los resultados del desarrollo del proyecto de la instalación del reactor GT-MGR con un reactor modular de helio, realizado en el marco del programa ruso-estadounidense.

Como parte del estudio, se consideraron varias opciones para MHR con fines de ingeniería eléctrica:

Para la producción de electricidad y suministro de calor municipal, con la conversión de la energía térmica del núcleo en energía eléctrica en el ciclo directo de turbina de gas (GT) de Brighton - MGR-100 GT;

Para la producción de electricidad e hidrógeno por electrólisis de vapor a alta temperatura (HEP) - MGR-100 VEP;

Para la producción de hidrógeno por el método de reformado con vapor de metano (SCM) -
MGR-100 PKM;

Para calentamiento a alta temperatura producción petroquímica(NP) -MGR-100 NP.

Cada versión de la instalación MGR-100 consta de partes energéticas y tecnológicas.

La parte de energía está unificada al máximo para todas las opciones y es una unidad de potencia que incluye un reactor y, según el propósito, una unidad de conversión de energía (PCU) de turbina de gas diseñada para generar electricidad y (o) bloques de equipos de intercambio de calor.

La parte tecnológica del MGR-100, según el propósito, es una planta de proceso para la producción de hidrógeno o circuitos de suministro de calor de alta temperatura que suministran calor a varios procesos tecnológicos.

Los principales criterios en la selección de soluciones técnicas fueron asegurar altos indicadores técnicos y económicos en términos de generación de electricidad y calor de alto potencial, minimizando el impacto en Personal de servicio, la población y el medio ambiente, la exclusión de la contaminación radiactiva del producto tecnológico.

La configuración de la fuente de energía se basa en los siguientes principios.

La potencia del reactor y su diseño son universales para todas las variantes de la fuente de energía, solo difieren los parámetros del refrigerante. La elección del nivel de potencia RI (215 MW) estuvo determinada por:

las necesidades de la industria de energía eléctrica y el suministro de calor comunal;

Las necesidades de las empresas industriales en el suministro de calor de alta y media temperatura. procesos tecnológicos;

Capacidades tecnológicas de las empresas nacionales para la fabricación de los equipos principales de la planta del reactor, incluidas las carcasas.

El reactor es un reactor modular con una zona activa formada por elementos combustibles prismáticos hexagonales, con un refrigerante de helio, que tiene propiedades de autoprotección interna. La seguridad se garantiza mediante el uso de principios pasivos de funcionamiento de los sistemas. La liberación de calor residual y el calor acumulado se extraen del núcleo a través de la vasija del reactor al sistema de refrigeración del eje del reactor y luego a la atmósfera mediante procesos físicos naturales de conducción de calor, radiación, convección sin exceder los límites de la operación segura del combustible, incluso en accidentes con una pérdida completa del refrigerante primario, en caso de falla de todos los medios activos de circulación y fuentes de suministro de energía.

El refrigerante circula en los bucles del circuito primario mediante el soplador de gas de circulación principal (MCP) o los compresores de la turbomáquina BPE.

El diseño de todas las variantes de MGR-100 en consideración se realiza teniendo en cuenta los requisitos para la operación segura de la planta del reactor en todos los posibles accidentes en la central nuclear. Cada central de reactores está ubicada en el edificio principal de la central nuclear, que consta de la parte de tierra, que es el edificio de mantenimiento y recarga del reactor (sala central) y la contención subterránea de baja presión (contención RI), ubicada debajo de la sala central.

La contención alberga el equipo de potencia de la planta del reactor y el equipo de los principales sistemas importantes para la seguridad. La contención es de hormigón armado monolítico, hermético, con dimensiones internas: diámetro 35 m, altura no mayor a 35 m, capaz de soportar la presión interna del medio hasta 0,5 MPa en caso de despresurización del circuito primario del reactor planta y/o tuberías del circuito secundario. La contención proporciona un uso óptimo del espacio y el volumen de las instalaciones, gran compacidad en la ubicación de los equipos, facilitación de las operaciones de sustitución de equipos y reabastecimiento de combustible, hermeticidad con respecto a las instalaciones adyacentes del edificio principal de la central nuclear y el entorno, evacuación del calor al suelo más allá del diseño accidentes base.

El diseño del equipo del circuito primario tiene un diseño de bloques. El principal equipo de potencia del MGR-100 está ubicado en un bloque de edificios de acero, que consta de una vasija de reactor vertical, de una a tres vasijas verticales de WPT y equipo de intercambio de calor, y de una a tres vasijas de conexión horizontales que conectan las vasijas verticales. en un solo recipiente a presión (Fig. 1). Las carcasas de los equipos principales son similares en tamaño a la vasija del reactor VVER. Atención especial prestó atención a minimizar el número de tuberías externas del circuito primario.

Figura 1. La disposición de las centrales de reactores: a) MGR-100 GT; b) MGR-100 VEP; c) MGR‑100 PKM; d) Refinería MGR‑100

Las opciones de fuente de energía para MGR-100 GT y MGR-100 VEP (Fig. 2.3) prevén el uso de una turbina de gas unificada PET. El lugar central en el BPE lo ocupa una turbomáquina (TM), que es una unidad vertical que consta de un turbocompresor (TC) y un generador, cuyos rotores tienen diferentes velocidades de rotación: 9000 rpm y 3000 rpm, respectivamente. Los cojinetes electromagnéticos se utilizan como cojinetes principales. El generador está ubicado fuera del circuito de circulación de helio en el ambiente aéreo. Los enfriadores previos e intermedios de WPT se colocan alrededor del TC. El intercambiador de calor se encuentra en la parte superior de la carcasa por encima del eje de la chimenea caliente. El calor residual se elimina del circuito primario en el preenfriador y el posenfriador WPT mediante el sistema de agua de enfriamiento y luego al aire atmosférico en los enfriadores secos con ventilador. Es posible considerar la opción de utilizar el calor residual para las necesidades de calefacción y suministro de agua caliente.

Las unidades de intercambiador de calor están diseñadas para transferir energía térmica desde el reactor hasta el consumidor en la producción de tecnología energética. Según el entorno de trabajo, el tipo de proceso y la probabilidad de que la radiactividad entre en el producto de producción tecnológica y la contaminación del equipo con productos radiactivos, se puede utilizar un esquema RI de dos o tres bucles.

Así, en la central nuclear para la producción de hidrógeno por el método de electrólisis de vapor a alta temperatura (MGR-100 VEP) y el método de reformado con vapor de metano (MGR-100 PKM), se utiliza un esquema de dos circuitos. En estos procesos, el principal componente del medio del proceso es el vapor de agua. El análisis realizado muestra que, con posibles situaciones de emergencia con la despresurización del generador de vapor o del intercambiador de calor de alta temperatura, los efectos de la entrada de productos que contienen hidrógeno en el reactor son regulados de manera confiable por los sistemas de control y protección del reactor.

La variante de la fuente de energía para suministrar calor a la producción petroquímica (MGR-100 NP) prevé un esquema térmico de tres circuitos. La transferencia de calor de la planta del reactor al consumidor se realiza a través de un intercambiador de calor intermedio helio-helio de alta temperatura y un circuito intermedio de helio, y luego al circuito de red NP. Esta solución limita la liberación de radiactividad en el circuito de la red, asegurando la pureza de la radiación del producto del proceso, así como una contaminación mínima del circuito primario con impurezas del proceso.

Las principales medidas técnicas encaminadas a eliminar el peligro potencial de penetración de radiactividad en el producto de producción tecnológica son la creación y el mantenimiento de una caída de presión garantizada (~0,5 MPa) dirigida hacia el circuito primario, y para la versión MGR-100 NP, también la introducción de un circuito intermedio. Las fugas de helio operacional del circuito intermedio al circuito primario no tienen un impacto negativo en la planta del reactor.

2.1 Fuente de energía MGR-100 GT para generación de energía y suministro de calor municipal

La fuente de energía MGR-100 GT está destinada a la producción de electricidad en un ciclo de turbina de gas directo. Calor El calor residual del ciclo de la turbina de gas (más de 100 °C) permite su uso para el suministro de agua caliente y suministro de calor. En las condiciones climáticas de Rusia, dicha funcionalidad es de gran importancia. Prueba de ello son los datos sobre el consumo anual de gas natural para la producción de electricidad y calor, que es de ~135 y 200 mil millones de m 3 , respectivamente.

MGR-100 GT se puede operar en dos modos: en el modo de producción de electricidad únicamente y en el modo combinado de generación de electricidad y suministro de calor municipal debido a la recuperación de calor residual. Por lo tanto, además de una mayor eficiencia en la generación de electricidad, MGR-100 GT ofrece una oportunidad potencial para obtener un factor de utilización de calor de alrededor del 99 %.

Cuando la planta está operando en modo combinado, el calor residual se elimina al portador de calor del circuito de red en intercambiadores de calor de red. En el modo de solo energía, el circuito de la red se apaga y el calor residual se elimina al aire exterior en enfriadores secos con ventilador.

diagrama de circuito MGR-100 GT se muestra en la Fig. 2. La temperatura requerida del agua de red que se suministra al consumidor (150 ºС) se proporciona reduciendo el caudal y aumentando la presión en el circuito de agua de refrigeración de la WPT. Para evitar que, en el modo combinado, la temperatura del helio en la entrada del intercambiador de calor exceda los límites permitidos (600 °C), se organizó una derivación de derivación con derivación de helio controlada del circuito primario, además del intercambiador de calor en el lado HP (desde la salida HPC hasta la salida del intercambiador de calor en el lado HP).

Figura 2. Diagrama esquemático de MGR-100 GT

Los principales parámetros de la MGR-100 GT en el modo de generación de energía y suministro público de calor se muestran en la Tabla 2. En el modo combinado, la potencia eléctrica de la planta será de 57 MW, y la potencia térmica se extraerá por el agua de la red. será de 154 MW.

El coste de la electricidad generada, teniendo en cuenta uso beneficioso El calor residual para fines de calefacción doméstica se reduce casi a la mitad en comparación con la opción de funcionamiento en el modo de generación de electricidad únicamente. Al mismo tiempo, se debe tener en cuenta efecto economico de la exclusión de emisiones térmicas al medio ambiente.

2.2 Fuentes de energía MGR-100 VEP y MGR-100 PKM para la producción de hidrógeno

La transición a una economía del hidrógeno se basa, entre otras cosas, en la creación de una tecnología para el uso de energía HTGR en procesos de producción de hidrógeno que tenga una alta eficiencia termodinámica y técnica y económica. Estos procesos, si es posible, deben excluir el consumo de combustibles fósiles, principalmente petróleo y gas, que tienen reservas limitadas y son una materia prima valiosa para la industria. Estos procesos incluyen la producción de hidrógeno a partir del agua utilizando los siguientes métodos principales: electrólisis, descomposición termoquímica y electrólisis de vapor a alta temperatura. Su costo no depende de los precios cada vez mayores del petróleo y el gas, a diferencia, por ejemplo, de la producción de hidrógeno a partir del metano. Al mismo tiempo, para la primera etapa del desarrollo de la energía del hidrógeno, aunque todavía relativamente precios bajos en gas, se consideran los procesos de obtención de hidrógeno a partir de metano. Un análisis de los requisitos para la eficiencia de la producción de energía consumida y el nivel de temperatura del calor nos permite formular los requisitos para HTGR como fuente de energía, los principales de los cuales son:

Producción de calor de alto potencial hasta 950 °С;

No hay contaminación de hidrógeno con sustancias radiactivas o su bajo nivel aceptable;

Bajo costo de producción de hidrógeno en comparación con los métodos tradicionales;

Alto nivel de seguridad del complejo tecnológico energético.

Se consideran como principales procesos de producción de hidrógeno en la etapa de desarrollo conceptual del MGR-100 los siguientes:

electrólisis del agua a alta temperatura;

Reformado con vapor de gas natural (metano).

diagrama de circuito MGR-100 VEP para la producción de electricidad y vapor sobrecalentado de los parámetros requeridos para obtener hidrógeno por electrólisis a alta temperatura se muestra en la Fig. 3.

La variante MGR-100 VEP se basa en la configuración RP con una disposición en paralelo de bucles de intercambio de calor en el circuito primario. Un circuito incluye el reactor, la unidad generadora de vapor y el GCH. El otro es el reactor y WPT. Así, parte de la energía térmica (~10%) generada en el núcleo del reactor se transfiere al PGB para las necesidades de producción de hidrógeno, el resto se convierte en WPT en energía eléctrica en un ciclo directo de turbina de gas.

Arroz. 3. Diagrama esquemático de MGR-100 VEP

Los principales parámetros de la instalación se dan en la Tabla 3. La temperatura del helio a la salida del reactor es de 850 °C, que no supera la temperatura correspondiente en la planta del reactor prototipo GT-MGR. El segundo circuito está diseñado para producir vapor sobrecalentado en el generador de vapor (Fig. 4). La circulación de helio en el PGB es realizada por el ventilador de circulación principal. Se suministra agua y se elimina el vapor a través de la cubierta SG. Sobrecalentado a los parámetros requeridos, el vapor se descarga a través de tuberías a una unidad de electrólisis de alta temperatura basada en celdas electroquímicas de óxido sólido, en las que el vapor de agua se descompone en hidrógeno y oxígeno con la separación de estos reactivos. La instalación WEP se alimenta con electricidad generada por el generador WPT.

diagrama de circuito MGR‑100 PKM para la generación de calor de alto potencial con el fin de obtener hidrógeno por el método de reformado con vapor de metano se presenta en la Fig.5.

El reformado con vapor de metano es actualmente el principal proceso dominado y adaptado industrialmente para la primera etapa de la introducción de tecnologías de producción de hidrógeno (junto con HTGR). Se basa en la producción mundial existente de hidrógeno. La combinación de HTGR y PCM permite reducir el consumo de gas natural en aproximadamente un 40% y, en consecuencia, los costes necesarios para la producción de hidrógeno. Eficiencia económica La implementación de PCM está determinada por el precio del gas y la temperatura del calor consumido. La temperatura de calentamiento requerida de la mezcla de gas y vapor no debe ser inferior a 800 C, y un aumento adicional de la temperatura prácticamente no tiene efecto sobre la eficiencia del proceso.

Figura 5. Diagrama esquemático de MGR-100 PKM

La energía térmica se extrae del reactor al medio de trabajo del circuito secundario (mezcla de vapor y gas) en intercambiadores de calor de alta temperatura (HTO), que son una parte integral del aparato de termoconversión (TKA). La implementación de la conversión de metano (CH 4 +H 2 0 (vapor) + calor→CO 2 +4H 2) ocurre en el TKA de acuerdo con un esquema de tres etapas. La mezcla de vapor y gas (vapor - 83,5 %, CH 4 - 16,5 %) se alimenta secuencialmente en tres etapas: TKA1, TKA2 y TKA3. Esto determina la configuración de la unidad de transferencia de calor de la planta del reactor. Consiste en tres intercambiadores de calor de alta temperatura separados VTO 1, VTO 2, VTO 3 (Fig. 6), que representan etapas separadas (secciones) del bloque. La ubicación de las secciones de la OMC a lo largo del flujo de refrigerante primario es paralela, a lo largo del flujo de mezcla de gas y vapor es secuencial.

Después de TKA-3, la mezcla gas-vapor (vapor-55%, CH 4 , H 2 , CO, CO 2 - 45 %) con una alta concentración de hidrógeno pasa secuencialmente a la unidad de purificación de CO 2 y H 2 O y se envía a la unidad de separación de hidrógeno. fracción de retorno y gas natural mezclado con vapor sobrecalentado y luego enviado al TKA. La circulación de helio en el circuito primario la realiza el GCH, la mezcla vapor-gas se hace circular mediante compresores.

Los principales parámetros de la instalación se dan en la Tabla 4. La temperatura del helio a la salida del reactor es de 950 ºС.

Dependiendo del tipo de disposición (bucle o bloque) del equipo principal de la aparamenta, la configuración de la unidad de transferencia de calor puede ser diferente. En una disposición en bloque, los equipos principales de la planta del reactor se conectan mediante tuberías cortas del tipo "tubería en tubería", siendo recomendable incluir también el MCH en la unidad de transferencia de calor.

2.3 Fuente de energía Refinería MGR‑100 para producción petroquímica

La refinería MGR-100 está diseñada para generar calor de grado alto o grado medio para satisfacer las necesidades tecnológicas de la producción petroquímica (calentamiento de los portadores de calor de la red), lo que ahorrará alrededor del 14% del petróleo procesado. La base de diseño se desarrolló en Rusia en los años 80. diseño preliminar un reactor modular con un núcleo de barras esféricas de combustible y una temperatura de salida de helio de 750 °C. El proyecto se centró en la generación de calor de proceso en función de los requisitos de una refinería típica.

Figura 7. Diagrama esquemático de la refinería MGR-100

Un diagrama esquemático de la refinería MGR-100 se muestra en la Fig.7. La circulación de helio en los circuitos primario y secundario es forzada y se realiza mediante ventiladores de circulación. El medio de trabajo del circuito de red es la sal de nitrito-nitrato. Los principales parámetros de la instalación se muestran en la Tabla 5.

Los principales consumidores de calor de refinería (~50% de la potencia térmica del reactor) son los hornos tubulares diseñados para la refinación térmica catalítica de petróleo. Según el nivel de calentamiento de los productos derivados del petróleo en los hornos, los procesos de refino del petróleo se dividen en tres tipos: baja temperatura (hasta 400 °C), temperatura media (hasta 550 °C) y alta temperatura (hasta 900 °C). ºC). El calor de la refinería MGR-100 también se utiliza para cubrir las necesidades de la refinería en vapor de proceso (~35% de la potencia térmica del reactor) y electricidad (~15% de la potencia térmica del reactor).

La unidad de transferencia de calor consta de un intercambiador de calor intermedio (PHE), GCH, estructuras metálicas internas (VKM).

PHE (Fig. 8) consiste en un sistema de tuberías, un conjunto de canales (37 piezas), cámaras colectoras de helio "caliente" del circuito intermedio, elementos de su fijación y sellado. El soplador de gas circulante principal está montado en la parte inferior del cuerpo del PHE.

3 Temas de preocupación

En el marco de los proyectos realizados, se desarrolló una configuración esquemática y un diseño tridimensional de las instalaciones, se determinaron los parámetros de los circuitos y características de los equipos principales, una justificación del cálculo de los componentes principales de la estructura, un análisis de se realizaron los modos operativos y de emergencia, analisis preliminar Se determinan los costes de creación y construcción de las instalaciones del reactor, las etapas y los planes de I+D+i. La mayor parte de la I+D requerida, incluido el reactor, la turbomáquina y sus componentes, el recuperador, los enfriadores preliminares e intermedios, VKM, se está realizando actualmente en el ámbito de los desarrollos tecnológicos de los reactores GT-MGR y MGR-T.

Los principales problemas que requieren I+D adicional son:

Desarrollo de la capacidad de fabricación de intercambiadores de calor de alta temperatura;

Justificación de la seguridad de las instalaciones de reactores para la producción de hidrógeno;

Desarrollo de algoritmos de control de potencia RP junto con sistemas de control de procesos;

Realización de ensayos de certificación de materiales metálicos termorresistentes.

Una de las principales restricciones para aumentar la temperatura del helio a la salida del reactor es la temperatura máxima permitida para la operación a largo plazo del reactor VKM. Con un aumento de la temperatura del helio en la entrada del núcleo a 600 °C, con el fin de lograr una temperatura aceptable del material de la vasija del reactor (~350 °C), se planea refinar el diseño del núcleo en términos de eliminación de calor al sistema de refrigeración de la vasija del reactor.

Se imponen requisitos serios a los conductos de gas que transportan un medio de proceso calentado con una temperatura de hasta 900 ° C, que no debe disminuir debido a las pérdidas de calor, ya que la eficiencia del proceso depende del nivel de temperatura.

La producción de hidrógeno es una fuente potencial de riesgo de explosión. Al analizar la seguridad de MGR-100, los accidentes en la parte tecnológica de la planta o en sitios industriales deben ser considerados como eventos iniciales. En estos accidentes es posible la liberación de materias primas tecnológicas o productos procesados. Desde el punto de vista de la acción protectora, las peores implicaciones posibles para la seguridad pueden deberse a los efectos de explosión que siguen a la explosión de estos productos.

Uno de los criterios de seguridad debe tomarse para no exceder la liberación máxima de mezclas explosivas en producción tecnológica. La cantidad de liberación está determinada por el valor permisible de exceso de presión en el frente de la onda de choque, adoptado para la contención, sistemas y elementos de la central nuclear.

Al analizar este tipo de accidentes, se deben considerar ambos escenarios con posibilidad de explosión en las inmediaciones del reactor, y garantizando la seguridad debido a la separación espacial de las partes nuclear y tecnológica.

4. Conclusión

El desarrollo de la tecnología MHR en Rusia desde el principio tuvo como objetivo el uso de la energía nuclear no solo para la generación de electricidad, sino también para el suministro de calor industrial como alternativa al uso de combustibles fósiles.

La tecnología de HTGR modular, debido a las propiedades únicas de eficiencia, seguridad y respeto al medio ambiente, puede proporcionar un suministro de energía integrado con electricidad, calor y combustible, incluyendo problema real producción rentable de hidrógeno.

Las centrales nucleares de baja capacidad basadas en HTGR, que son respetuosas con el medio ambiente y requieren bajos costes de creación y mantenimiento, pueden convertirse en elementos importantes de la infraestructura la energía nuclear siglo actual.

El trabajo de diseño y experimentación realizado hasta la fecha sobre las variantes del MGR-100 modular para diversas aplicaciones de ingeniería eléctrica confirma la posibilidad de cumplir con los requisitos para plantas de reactores de nueva generación.

El desarrollo de la tecnología de energía HTGR basada en MGR-100 reducirá significativamente costos totales bajo el programa HTGR y demostrar las posibilidades y beneficios para una mayor comercialización de esta tecnología.

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6. Kiryushin A.I., Kodochigov N.G., Kuzavkov N.G. ea Proyecto del reactor de helio de alta temperatura con turbina de gas GT-MHR. – Nucl. Engng Design, 1997, v. 173, pág. 119–129.

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Rusia y Estados Unidos están desarrollando conjuntamente un proyecto para una planta de energía nuclear del futuro. Superará significativamente a todos los sistemas anteriores en términos de seguridad, eficiencia y muchos otros parámetros. La energía nuclear aún no ha dicho su última palabra.

A pesar del crecimiento en el uso de paneles solares, energía eólica y undimotriz, y otras alternativas, no nos alejaremos de la energía “clásica” en las próximas décadas. Y aquí, quizás, la más respetuosa con el medio ambiente sea, por extraño que parezca, la energía nuclear.

si, reciclaje combustible nuclear Es un problema difícil, pero no del todo desesperado. Lea sobre algunos proyectos: reales y ya en marcha, pero más fantásticos.

Hablaremos sobre el peligro de accidentes en las centrales nucleares a continuación. Pero si no existen -la central nuclear parece no existir- sus emisiones son cero.

Pero las centrales térmicas envenenan la atmósfera con millones de toneladas de venenos y gases de efecto invernadero. Y las sustancias radiactivas también, por cierto, que están contenidas, por ejemplo, en el carbón y entran en la chimenea con el escape de la estación.

Las centrales hidroeléctricas parecen estar limpias. Pero no puedes ponerlos en todas partes, y los embalses, por cierto, cambian irreversiblemente la naturaleza en muchas decenas de kilómetros a la redonda, afectan el hábitat de miles de especies, ejercen una enorme presión sobre la corteza terrestre (que no es muy grande en zonas sísmicas ).

¿Fusión nuclear? Sí, hay opciones interesantes (no ITER), pero esto es para el futuro. Y en los próximos años, el círculo parece cerrarse: "quemaremos" uranio. Por ejemplo, en una superplanta de energía nuclear, desarrollada conjuntamente por Rusia y Estados Unidos.

El nuevo esquema de CN elimina muchos de los sistemas antiguos de su diseño. Y dado que hay menos nodos, la confiabilidad es mayor (ilustración del sitio gt-mhr.ga.com).

Del lado estadounidense, el principal participante en el proyecto es General Atomics, y del lado ruso, la Oficina de Diseño Experimental de Ingeniería Mecánica que lleva el nombre de I. I. Afrikantov (OKBM) en Nizhny Novgorod, subordinada a la Agencia Federal de Energía Atómica de la Federación Rusa. .

Minatom e inició la cooperación con los estadounidenses en este proyecto allá por 1993. Y por ahora, se ha desarrollado un borrador del diseño del reactor (y la estación), y desarrollos mucho más detallados han estado en pleno desarrollo durante mucho tiempo.

Y como los especialistas ven el futuro de la energía nuclear en un nuevo tipo de central nuclear, vamos a conocer cómo funcionará.

Este sistema se llama Turbina de gas - Reactor de helio modular (GT-MHR), y en ruso - "Turbina de gas - Reactor de helio modular" - GT-MHR.

Hay dos ideas principales aquí. Un reactor nuclear enfriado por helio gaseoso y con seguridad inherente (es decir, cuanto más fuerte sea el calentamiento, más débil será la reacción, simplemente basado en la "física" del reactor, hasta un apagado natural, sin ninguna participación del sistema de control) y - la conversión más breve de la energía del helio caliente en electricidad - con la ayuda de una turbina de gas del llamado ciclo cerrado Brayton, con la colocación de un turbogenerador y un reactor en cápsulas cerradas bajo tierra.

No hay tuberías, bombas, turbinas y masas de otras piezas de hierro extensas sobre la superficie. El diseño de una planta de energía nuclear se simplifica enormemente.

Decenas de sistemas desaparecen por arte de magia. Sin refrigerantes de cambio de fase intermedios (líquido-vapor), sin intercambiadores de calor voluminosos, casi sin posibilidad de fuga de algo radiactivo.

Todo está encapsulado. En este caso, incluso la falla del sistema de control no provoca la fusión del combustible. Todo se humedece automáticamente y se enfría lentamente debido a la disipación de calor en el suelo que rodea la estación.

El combustible de la estación es óxido de uranio y carburo u óxido de plutonio, fabricados en forma de bolas con un diámetro de solo 0,2 milímetros y recubiertas con varias capas de diversas cerámicas resistentes al calor. Las bolas se "vierten" en varillas, que forman un conjunto, y así sucesivamente.

Los parámetros físicos (masa de la estructura, condiciones de reacción) y geométricos del reactor son tales (densidad de energía comparativamente baja, por ejemplo) que en cualquier caso, incluso con una pérdida completa de refrigerante, estas bolas no se derretirán.

Sí, y todo el núcleo está hecho de grafito; aquí no hay estructuras metálicas en absoluto, y la aleación resistente al calor se usa solo en la caja más externa: la cápsula.

Entonces, incluso si todo el personal de la estación "se va a beber cerveza", no le sucederá nada terrible al medio ambiente: la temperatura en el corazón de la planta de energía nuclear aumentará a un máximo de 1600 grados centígrados, pero el núcleo no se derretirá. El propio reactor comenzará a enfriarse, emitiendo calor al suelo circundante.

Esquema del "corazón" de la estación. A la izquierda hay una turbina con un generador eléctrico e intercambiadores de calor, a la derecha hay un reactor (ilustración de gt-mhr.ga.com).

El uso de helio como refrigerante promete una serie de ventajas. Es químicamente inerte y no provoca la corrosión de los componentes. No cambia su estado de agregación. No afecta el factor de multiplicación de neutrones. Finalmente, es conveniente dirigirlo hacia la turbina de gas.

Está encapsulado junto con bombas e intercambiadores de calor y gira exclusivamente sobre cojinetes electromagnéticos axiales y radiales; los cojinetes de rodillos se proporcionan como de emergencia.

Hay que hacer una mención especial a los intercambiadores de calor. El helio que enfría el reactor hace varios “bucles” en la planta de turbinas, cediendo al máximo su energía al turbogenerador. Además, hay un enfriamiento adicional de helio con agua, pero en caso de accidente, el sistema funcionará sin él, el reactor no se derretirá.

El resultado de todas estas innovaciones es eficiencia de la estación- hasta un 50 %, frente al 32 % de las centrales nucleares existentes, además - una producción mucho más completa de combustible nuclear (lo que significa menos uranio irradiado y menos residuos de actividad alta por megavatio-hora de energía recibida), simplicidad de diseño, lo que significa menos costo de construcción y un control más fácil sobre el trabajo.

Y, por supuesto, la seguridad. Los estadounidenses escriben que el GT-MGR es la primera planta de energía nuclear en el mundo que cumplirá con el primer nivel de seguridad.

Hay 4 de ellos, de los cuales cero es el más alto. 0 es fantástico. Aquí nunca puede pasar nada, y en general - no materiales peligrosos. El primer nivel es el nivel más alto posible. Con él, las plantas de energía nuclear, en teoría, no requieren sistemas de seguridad especiales, ya que el propio reactor tiene una "inmunidad" interna, estructuralmente predeterminada, contra cualquier error del operador y daño técnico.

La estación de Chernobyl tenía, según los estadounidenses, el tercer (peor) nivel de seguridad, lo que significa la criticidad del sistema ante errores humanos o fallas en los equipos. Ahora muchas estaciones operativas han alcanzado el nivel de seguridad "2".

OKBM escribe que “La estrategia para el desarrollo de la energía nuclear en Rusia prevé la construcción de la planta de energía nuclear principal GT-MGR y una unidad de producción de combustible para ella en la planta química de Siberia (Seversk, región de Tomsk) para 2010, y para 2012-2015: creación y puesta en servicio de la primera central nuclear GT-MGR de cuatro módulos.

Diagrama de circulación de helio (ilustración de gt-mhr.ga.com).

Los estadounidenses, a su vez, brindan detalles interesantes: dado que el GT-MGR puede consumir no solo uranio, sino también plutonio apto para armas, tales plantas de energía nuclear se convierten en un dispositivo ideal para su eliminación, no solo seguro, sino también rentable en un cierto sentido. Por ejemplo, Seversk se autoabastecerá (parcialmente, por supuesto) de electricidad de ojivas rusas "reducidas".

Y el plutonio, que se descargará del reactor después del "trabajo", según sus parámetros, es completamente poco prometedor para un uso hipotético en armas nucleares, que también es bueno para la seguridad mundial.

Pero Estados Unidos también está interesado en el proyecto: la alta eficiencia térmica del enlace "reactor de helio - turbina de gas cerrada" es un gran beneficio, tanto en términos de economía como de seguridad ambiental.

Cabe agregar que la potencia térmica de una de esas instalaciones será de 600 megavatios y la eléctrica, de 285 megavatios.

La vida útil estimada del GT-MHR es de 60 años. ¿Tendrán tiempo para desarrollar reactores de fusión industrial para ese momento, o la energía alternativa se volverá realmente masiva?

Objetivos del proyecto GT-MGR

• Crear una planta que cumpla con los requisitos de la tecnología del siglo XXI en términos de seguridad, competitividad y minimización del impacto ambiental.
• Puesta en marcha de la primera unidad GT-MGR a más tardar en 2023 con minimización de I+D mediante el uso de la experiencia mundial acumulada en tecnología HTGR.
• Uso de la primera y varias unidades subsiguientes para quemar el exceso de plutonio apto para armas.
• Creación de una base para la posterior aplicación comercial de esta tecnología para la producción de electricidad y calor para necesidades domésticas e industriales, incluida la producción de hidrógeno.

Caracteristicas de diseño

Las barras de combustible son microesferas de óxido de plutonio, óxido de uranio o nitruro con un diámetro de 0,2-0,5 mm en una cubierta multicapa de carbono pirolítico y carburo de silicio. De acuerdo con los cálculos de diseño, dicho elemento de microcombustible es capaz de retener fragmentos de fisión de manera efectiva tanto en condiciones normales de operación (1250 0 С) como en condiciones de emergencia (1600 0 С).

Ambos módulos de la planta del reactor están ubicados en pozos verticales de hormigón armado bajo rasante.

Características técnicas principales

Ventajas

• Alta eficiencia;
• Simplificación del diseño de centrales nucleares debido al diseño modular del reactor;
• El uso de combustible en forma de micropartículas con revestimiento cerámico multicapa permite retener de manera eficiente los productos de fisión a altas tasas de quemado (hasta 640 MW día/kg) y temperaturas (hasta 1600 °C);
• El uso de un núcleo anular con baja densidad de potencia permite llevar a cabo la eliminación del calor residual del reactor utilizando métodos de circulación de aire natural;
• Redundancia múltiple de sistemas de control y protección;
• El uso de helio como refrigerante, sustancia químicamente inerte y que no afecta el equilibrio de neutrones;
• El proyecto también prevé la posibilidad de disponer de plutonio apto para armas. Una unidad GT-MGR, compuesta por cuatro reactores, es capaz de procesar 34 toneladas de esta sustancia durante su operación. De acuerdo con la documentación de diseño, dicho combustible irradiado se puede eliminar sin procesamiento adicional.

Defectos

• Baja potencia. Para reemplazar una unidad VVER-1000, se requieren cuatro unidades GT-MGR. Este inconveniente se produce, por un lado, por el uso de un gas refrigerante, que tiene una capacidad calorífica baja en comparación con el agua o el sodio, y, por otro lado, por la baja intensidad energética del núcleo como resultado de cumplir mayores requisitos de seguridad de los reactores. Esta característica pone en duda los argumentos sobre la simplificación del diseño de centrales nucleares con GT-MHR;
• Educación un número grandeβ-carbono activo 14 C , para el que no existen métodos aceptables de eliminación, y las reservas acumuladas durante la operación de los reactores RBMK ya son bastante grandes. Cuando se libera al medio ambiente, el 14 C tiende a acumularse en los organismos vivos;
• Falta de un esquema aceptable para el reprocesamiento y eliminación del combustible gastado. El procesamiento de sustancias que contienen silicio es muy difícil para Tecnología química. Por lo tanto, una vez que el combustible ingrese al reactor, se eliminará permanentemente del ciclo del combustible nuclear.
• Actualmente no hay completado tecnología Industrial producción de elementos combustibles a partir del plutonio, que está asociado a su química extremadamente compleja. Establecer tal producción requiere inversiones de capital comparables o incluso superiores a las inversiones en procesamiento de uranio en la historia. industria nuclear. Por lo tanto, la declaración sobre el uso de GT-MHR para la eliminación de plutonio apto para armas parece bastante dudosa. Al mismo tiempo, también hay que tener en cuenta que en el mundo solo se han acumulado unas 400 toneladas de plutonio, es decir, puede ser suficiente para ciclo vital un total de 10 unidades de potencia (4 reactores cada una).
• El uso de helio como refrigerante, porque en el caso de un accidente asociado con la despresurización del reactor, todo el refrigerante inevitablemente será reemplazado por aire más pesado.

Etapas principales

• 1995-1997 - diseño conceptual.
• 2000-2002 - diseño preliminar.
• 2003-2005 - proyecto técnico.
• 2005-2008 - puesta en marcha producción de combustible para el módulo prototipo.
• 2009-2010 - puesta en marcha del módulo prototipo GT-MGR.
• 2007-2011 - puesta en marcha de la producción de combustible para la unidad de potencia de 4 módulos AS GT-MGR.
• 2012-2015 - puesta en marcha de una unidad de potencia de 4 módulos AS GT-MG

EN actualmente se está realizando un desarrollo más detallado del proyecto.