BR112016005686B1 - Reator nuclear resfriado por metal líquido, sistema para monitorar a atividade termodinâmica de oxigênio em tais reatores e método para monitoramento de atividade termodinâmico de oxigênio - Google Patents
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Abstract
reator nuclear resfriado por metal líquido, sistema para monitorar a atividade termodinâmica de oxigênio em tais reatores e método para monitoramento de atividade termo-dinâmico de oxigênio. a invenção refere-se à engenharia de energia nuclear e pode ser usada em usinas com refrigerantes de metal líquido contendo chumbo e, particular-mente, em reatores de nêutrons rápidos. o reator nuclear proposto e o méto-do e sistema para monitoramento da atividade termodinâmica de oxigênio em um refrigerante, com sensores de atividade termodinâmica de oxigênio conti-nuamente operacionais nas zonas "quente" e "fria" do vaso do reator, e um sensor adicional intermitentemente operacional, tornam possível realizar um monitoramento contínuo a fim de manter valores de atividade termodinâmica estabelecidos de oxigênio em um refrigerante de metal líquido sob qualquer regime de operação prescrito.
Description
[001] A invenção refere-se à energia nuclear e pode ser usada em usinas com refrigerantes de metal líquido contendo chumbo, em particular em reatores de nêutrons rápidos com um refrigerante de metal líquido pesado (HLMC), liga eutética de 44,5% de Pb - 55,5% de Bi e chumbo, respectivamente, no circuito primário.
[002] A característica distintiva do HLMC é sua corrosividade bastante elevada em relação a materiais estruturais.
[003] A este respeito, os principais objetivos da tecnologia do refrigerante de metal líquido que contêm chumbo que surgem durante seu uso são os seguintes: - assegurar a resistência à corrosão dos materiais estruturais utilizados em contato com o refrigerante de metal líquido contendo chumbo; - fornecer a pureza necessária do refrigerante e as superfícies internas do equipamento do circuito circulante (para evitar aderência de resíduos em seções individuais da planta).
[004] Concentração de oxigênio dissolvido no HLMC afeta o comportamento de corrosão das superfícies do equipamento e tubulações que operam significativamente em contato com o HLMC.
[005] Devido à menor afinidade do chumbo e bismuto com o oxigênio em comparação com o ferro e cromo, filmes de óxido denso bastante finos (1-10 μm) com boa adesão ao substrato formam-se nas superfícies de aço em contato com chumbo ou banhos fundidos de chumbo-bismuto contendo oxigênio dissolvido. Quando tais filmes estão presentes, a resistência à corrosão dos materiais estruturais aumenta consideravelmente.
[006] Portanto, atualmente, o principal método para a proteção dos materiais estruturais em contato com o HLMC é a passivação por oxigênio (inibição) das superfícies, que consiste na formação e manutenção de filmes de óxido na superfície do material.
[007] Devido à natureza de óxido dos filmes, seu estado durante a operação da planta é largamente determinado pelo nível de atividade termodinâmica do oxigênio no refrigerante.
[008] Quando a concentração de oxigênio dissolvido no refrigerante (chumbo- bismuto, chumbo) encontra-se abaixo do valor crítico, uma proteção confiável à corrosão do aço estrutural não é oferecida.
[009] Por outro lado, uma quantidade significativa de oxigênio no refrigerante é indesejável, pois pode levar a uma acumulação inaceitável de óxidos de fase sólida no refrigerante.
[010] Tudo isto requer monitoramento contínuo de manutenção da atividade termodinâmica de oxigênio no refrigerante estabelecida em todos os modos de projeto de operação.
[011] Uma usina nuclear é conhecida por compreender um reator nuclear com um refrigerante de metal líquido, com o núcleo abaixo do nível do refrigerante, geradores a vapor, bombas de circulação e um sistema de monitoramento do estado do refrigerante de metal líquido por medições regulares da atividade termodinâmica de oxigênio com um elemento único de controle imerso no refrigerante e conectado à unidade de medição no vaso. [P.N. Martynov, R.Sh. Askhadullin, A.A. Simakov et al. Development of an Automated System of Monitoring, Forecasting and Control of the State of the Lead-Bismuth (Lead) Coolant and Surfaces of the Nuclear Power Plant Circuit, proceedings of the third interdisciplinary scientific and practical conference “Heavy Liquid Metal Coolants in Nuclear Technologies.” Obninsk. 15-19/Setembro/2008, 2 volumes. Obninsk: RF SSC-IPPE, 2010. V. 1. PP. 128-136]).
[012] Entretanto, estas conclusões nem sempre são objetivas, já que elas não fornecem valores verdadeiros de atividade termodinâmica de oxigênio em várias partes do circuito sob várias condições de processo, o que leva a aderência de resíduos e cristalização de fase de óxido nas partes "frias" de peças do circuito da usina nuclear e à destruição de revestimentos de óxido protetivo sobre as superfícies internas dos materiais estruturais em suas seções "quentes".
[013] Portanto, para a operação confiável e segura de usinas nucleares com um refrigerante de metal líquido circulante, é necessário manter a atividade termodinâmica de oxigênio no refrigerante em um certo nível e assim fornecer monitoramento confiável e preciso desse parâmetro.
[014] Além disso, é prática comum obter informações em tempo adequado sobre a atividade termodinâmica de oxigênio em função da temperatura ao alterar o modo de operação da toda a usina nuclear (mudança de sua potência, taxa de fluxo do refrigerante), o que é extremamente indesejável.
[015] A finalidade técnica desta invenção é assegurar o monitoramento confiável da atividade termodinâmica estabelecida de oxigênio no refrigerante de metal líquido e manter o mesmo sob quaisquer condições de operação de projeto da usina nuclear.
[016] O resultado técnico da invenção é uma maior confiabilidade de operação do reator devido à possibilidade de obter informações contínuas e confiáveis sobre os processos físicos e químicos no refrigerante de metal líquido no percurso de fluxo do reator.
[017] O resultado acima é obtido através da criação de um reator nuclear com um refrigerante de metal líquido composto por um vaso com o núcleo abaixo do nível do refrigerante, geradores a vapor, bombas de circulação e um sistema de monitoramento do estado do refrigerante de metal líquido que contém um elemento de controle posicionado no reator e conectado a unidade de medição, em que o elemento de controle do sistema inclui sensores de atividade termodinâmica de oxigênio posicionados no centro e periferia do vaso de pressão do reator, com elementos de detecção na camada do refrigerante de metal líquido, e um sensor de atividade termodinâmica de oxigênio adicional posicionado acima do nível do refrigerante de metal líquido projetado de modo a permitir sua imersão periódica no refrigerante.
[018] O número de sensores de atividade termodinâmica de oxigênio pode variar; o aumento de seu número aumenta a precisão da medição. Entretanto, sua instalação está associada à integridade prejudicada do vaso do reator, portanto, é preferível instalar pelo menos dois sensores de atividade termodinâmica de oxigênio cujos elementos de detecção estão na camada do refrigerante de metal líquido. Um deles se encontra na parte central "quente" do vaso do reator onde o refrigerante sai do núcleo, e o segundo se encontra na parte periférica "fria" do vaso.
[019] Já que um sensor de atividade termodinâmica de oxigênio adicional posicionado acima do nível do refrigerante opera intermitentemente, este é equipado com um dispositivo de movimento vertical para a imersão do elemento de detecção deste sensor na camada de refrigerante.
[020] É preferível que o sensor de atividade termodinâmica de oxigênio adicional deva situar-se acima do nível do refrigerante na parte central do vaso do reator.
[021] Preferencialmente, eletrólitos de estado sólido são utilizados como sensores de atividade termodinâmica de oxigênio.
[022] O resultado técnico da invenção é obtido através da criação de um sistema de monitoramento do estado do refrigerante de metal líquido do reator nuclear que contém um elemento de controle posicionado no reator conectado a uma unidade de medição, em que o elemento de controle inclui sensores de atividade termodinâmica de oxigênio posicionados no centro e periferia do vaso de pressão do reator, com elementos de detecção na camada do refrigerante de metal líquido e um sensor de atividade termodinâmica de oxigênio adicional posicionado acima do nível do refrigerante de metal líquido projetado de modo a permitir sua imersão periódica no refrigerante.
[023] É preferível instalar pelo menos dois sensores de atividade termodinâmica de oxigênio, cujos elementos de detecção estão na camada de refrigerante de metal líquido.
[024] É preferível que o sensor termodinâmico de oxigênio adicional posicionado acima do nível do refrigerante seja equipado com um dispositivo de movimento vertical.
[025] Também é preferível que o sensor de atividade termodinâmica de oxigênio adicional deva situar-se acima do nível do refrigerante na parte central do vaso do reator.
[026] Preferencialmente, eletrólitos de estado sólido são utilizados como sensores de atividade termodinâmica de oxigênio.
[027] Os sensores devem operar confiavelmente sob condições de impacto agressivo de banho fundido de Pb ou Pb-Bi a 350-650° C, sob pressões de até 1,5 MPa, choques térmicos de até 100° C/seg e à taxas de refrigerante de até 1,0 m/seg.
[028] Portanto, a operação de sensores de atividade termodinâmica de oxigênio usados na invenção se baseia no método eletroquímico com uma célula de concentração galvânica baseada no eletrólito de óxido sólido. Tais sensores são conhecidos e aplicados para determinar o teor de oxigênio em várias substâncias no campo da engenharia de energia, para monitorar o oxigênio em gases nas indústrias química e automotiva; e monitorar o oxigênio em banhos fundidos de metal na tecnologia de metalurgia e semicondutores.
[029] O requerente também defende um método para o monitoramento de atividade termodinâmica de oxigênio em um reator nuclear com refrigerante de metal líquido, de acordo com a reivindicação 1, através da medição da atividade termodinâmica de oxigênio no refrigerante e através da transferência de leituras para a unidade de medição, em que as medições são realizadas continuamente na parte central "quente" e na parte periférica "fria" do vaso do reator e a atividade termodinâmica de oxigênio é adicionalmente medida na parte central "quente" do reator em uma frequência intermitente.
[030] Medições adicionais de atividade termodinâmica de oxigênio são realizadas na parte central do reator 1 ou 2 vezes por mês.
[031] A invenção é ilustrada por desenhos, onde a Figura 1 mostra um reator nuclear com um sistema para o monitoramento de atividade termodinâmica de oxigênio no refrigerante de metal líquido, e a Figura 2 é um gráfico que mostra a dependência das leituras dos sensores de atividade termodinâmica de oxigênio (OAS) em relação a temperatura do refrigerante de chumbo-bismuto nas plantas BM-40A e OK-550.
[032] O reator nuclear com um refrigerante de metal líquido possui um vaso 1 com o núcleo 2 abaixo do nível do refrigerante, um tampão de blindagem 3 com um canal de sensor 4 posicionado acima do núcleo. O vaso do reator 1 também contém os geradores de vapor 5 e as bombas de circulação 6; o gás de proteção está posicionado na parte superior.
[033] O sistema para o monitoramento da atividade termodinâmica de oxigênio no refrigerante compreende um sensor de atividade termodinâmica de oxigênio permanente 7 equipado com um elemento de detecção 8 posicionado na camada de refrigerante de metal líquido na parte central "quente" do vaso do reator 1, no canal 4 do tampão de blindagem 3. O sensor 7 é conectado à unidade de medição comum (omitida no desenho).
[034] O sensor termodinâmico de atividade de oxigênio 9 do sistema de monitoramento possui um elemento de detecção 10 posicionado na camada de refrigerante de metal líquido na parte periférica "fria" do vaso do reator 1. O sensor 9 é conectado à unidade de medição comum (omitida no desenho).
[035] Um sensor de atividade termodinâmica de oxigênio adicional 11 do sistema de monitoramento está posicionado acima do nível do refrigerante de metal líquido e projetado de modo a permitir o movimento periódico de seu elemento de detecção 12, abaixo do nível de refrigerante, utilizando um dispositivo de movimento vertical 13 de qualquer projeto adequado para a finalidade. O sensor 11 também é conectado à unidade de medição comum (omitida no desenho).
[036] A frequência de medição da atividade termodinâmica de oxigênio pelo sensor adicional 11 é determinada experimentalmente em uma base de caso a caso e é de duas vezes por mês em média.
[037] O reator nuclear com um sistema de monitoramento de atividade termodinâmica de oxigênio opera, e um método de monitoramento é realizado da seguinte forma:
[038] Um refrigerante fundido aquecido no núcleo 3 é fornecido sob a pressão criada pelas bombas 6 para os geradores de vapor 5 e transfere o calor do núcleo ao vapor de água. Durante a operação do reator, valores numéricos de atividade termodinâmica de oxigênio nas áreas "quente" e "fria" do vaso do reator 1 são determinados usando os sensores de atividade termodinâmica de oxigênio 7 e 9. As medições são transmitidas para a unidade de medição única. Em seguida, a dependência da temperatura em relação à atividade termodinâmica de oxigênio é determinada e comparada com seus valores tabulados, o que permite chegar a uma conclusão sobre o estado do refrigerante de metal líquido, por exemplo, sobre a presença de impurezas no refrigerante como um resultado da interação com aço estrutural.
[039] Se os parâmetros medidos desviam-se dos valores estabelecidos, a concentração de oxigênio dissolvido no refrigerante é mantida pela dissolução de óxidos de componente do refrigerante, que são preliminarmente fornecidos no circuito ou formados pela cristalização a partir do refrigerante e acumulação no filtro.
[040] Assim, o monitoramento contínuo de manutenção da atividade termodinâmica estabelecida de oxigênio no refrigerante em todos os modos de projeto de operação é realizado.
[041] Como já mencionado acima, durante a operação da planta, a atividade termodinâmica de oxigênio no refrigerante deve estar dentro da faixa que, de um lado, preserva os filmes de passivação de óxido em superfícies de materiais estruturais, ou seja, sua resistência à corrosão e, por outro lado, evita depósitos de escória na superfície interna dos elementos de circuito do reator em todas as partes do circuito não-isotérmico.
[042] Durante a operação a longo prazo dos reatores nucleares com um circuito circulante com um refrigerante de metal líquido, o oxigênio dissolvido no refrigerante é continuamente consumido para a ligação das impurezas de material estrutural que se difundem no banho fundido (ferro, cromo) contendo uma maior afinidade com o oxigênio em comparação com os componentes do refrigerante.
[043] Isso pode levar a redução da concentração de oxigênio dissolvido até um valor quando os revestimentos de óxido protetivo começam a se degradar, o que significa um aumento acentuado da corrosão. Portanto, um dos mais importantes parâmetros que descrevem a qualidade de operação de circuitos de circulação com refrigerantes de metal líquido à base de chumbo é a atividade termodinâmica de oxigênio dissolvido no banho fundido a ser monitorada continuamente.
[044] De acordo com esta invenção, em caso de falha ou suspeita de falha de sensores permanentes, as medições são realizadas pelo sensor de atividade termodinâmica de oxigênio 11 (com as funções de monitoramento e de reserva). As medições são realizadas de modo intermitente, por exemplo, 1 a 2 vezes por mês, a fim de compará-las com as leituras dos sensores 7 e 9, ou para permitir a medição da atividade termodinâmica de oxigênio quando elas falharem.
[045] Assim, a maior confiabilidade de operação do reator nuclear e precisão das informações obtidas em processos físicos e químicos em seu percurso de fluxo são aumentadas. A instalação de sensores de atividade termodinâmica de oxigênio permanente nas partes "quentes" e "frias" do vaso de pressão do reator e a disponibilidade de um sensor de atividade termodinâmica de oxigênio adicional de operação intermitente também permitem obter dados em tempo real sem a prática comum de alteração do modo de operação do reator.
[046] A aplicação desta invenção permite estender a vida útil do circuito de circulação de aço do reator nuclear com um refrigerante de metal líquido, eliminar depósitos de resíduos e melhorar a eficiência das unidades de filtro aplicado nos circuitos.
[047] O gráfico que mostra a dependência das leituras dos sensores de atividade termodinâmica de oxigênio (OAS) em relação à temperatura do refrigerante chumbo-bismuto na Figura 2, demonstra leituras específicas dos sensores de atividade termodinâmica de oxigênio nos circuitos de circulação de chumbo- bismuto de diferentes usinas nucleares como uma ilustração para a descrição da invenção.
Claims (7)
1. “REATOR NUCLEAR COM UM REFRIGERANTE DE METAL LÍQUIDO” composto por um vaso (1) com o núcleo (2) abaixo do nível do refrigerante, geradores a vapor (5), bombas de circulação (6) e um sistema de monitoramento do estado do refrigerante de metal líquido contendo um elemento de controle localizado no reator e conectado a unidade de medição, caracterizado pelo fato de que o elemento de controle do sistema incluir sensores de atividade termodinâmica de oxigênio (7) e (9) posicionados no centro e na periferia do vaso de pressão do reator; os elementos de detecção (8) e (10) localizados na camada de refrigerante de chumbo líquido, e um sensor de atividade termodinâmica de oxigênio adicional (11) posicionado acima do nível do refrigerante de chumbo líquido ou chumbo-bismuto e projetado de modo a permitir sua imersão periódica no refrigerante.
2. “REATOR” de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por pelo menos dois sensores (7) e (9) de atividade termodinâmica de oxigênio, cujos elementos de detecção (8) e (10) são instalados na camada do refrigerante líquido chumbo ou chumbo-bismuto.
3. “REATOR” de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo sensor termodinâmico de oxigênio adicional (11), posicionado acima do nível do refrigerante, ser equipado com um dispositivo de movimento vertical (13).
4. “REATOR” de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo sensor termodinâmico de oxigênio adicional (7) ser posicionado na parte central do vaso do reator (1) .
5. “REATOR” de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelos eletrólitos de estado sólido serem usados como sensores de atividade termodinâmica de oxigênio.
6. “MÉTODO PARA MONITORAMENTO DE ATIVIDADE TERMODINÂMICA DE OXIGÊNIO EM UM REATOR NUCLEAR COM UM REFRIGERANTE DE METAL LÍQUIDO” de acordo com a reivindicação 1 caracterizado por a realização da medição da atividade termodinâmica de oxigênio no refrigerante e transferência de leituras de dados para a unidade de medição, serem realizadas continuamente na parte central "quente" e na parte periférica "fria" do vaso do reator (1) e a atividade termodinâmica de oxigênio ser adicionalmente medida na parte central "quente" do reator de modo intermitente.
7. “MÉTODO DE MONITORAMENTO” de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelas medições adicionais de atividade termodinâmica de oxigênio serem realizadas na parte central do reator (1) uma ou duas vezes por mês
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