HTHL

Vysokoteplotní heliová smyčka
Zkratka	HTHL
Pracovní médium	helium
Maximální teplota	900 °C
Maximální tlak	7 MPa
Průtok	38 kg/hod

Vysokoteplotní héliová smyčka (HTHL z anglického „High-Temperature Helium Loop“) je experimentální zařízení, postavené za účelem simulace chemických a fyzikálních podmínek chladiva budoucích typů plynem chlazených jaderných reaktorů (VHTR), spadajících do tzv. reaktorů 4. generace. Smyčka je určena hlavně pro dlouhodobé testy vzorků konstrukčních materiálů pro VHTR a také pro výzkum chemie a testování postupů čištění plynného chladiva pro tyto typy jaderných reaktorů.

Parametry

Schéma HTHL

Nejvyšší teplota ve smyčce dosahuje 900 °C v prostoru aktivního (ozařovacího) kanálu, kde budou umístěny vzorky testovaných materiálů. Tlak plynu je v celém zařízení cca. 7 MPa, průtok v hlavním okruhu max. 38 kg/hod. Aktivní kanál smyčky je možné umístit do aktivní zóny reaktoru LVR-15, která pak smyčce slouží jako zdroj neutronů a gama záření (tok tepelných neutronů je cca. 5•1018 n/m²s a tok rychlých neutronů cca. 2,5•1018 n/m²s).

Popis

Vysokoteplotní plynem chlazené tepelné jaderné reaktory by se oproti stávajícím typům měly vyznačovat vyšší účinností a bezpečností a měly by produkovat menší množství radioaktivních odpadů. VHTR je grafitem moderovaný a heliem chlazený reaktor s termálním neutronovým spektrem. Teplota chladiva na výstupu z aktivní zóny by měla dosahovat až 1000 °C, tlak chladiva se pohybuje do 10 MPa. Vysoké teploty a tlaky chladiva kladou značné nároky na konstrukční materiály a design komponent - je proto nutné tyto materiály velmi podrobně prozkoumat. Není bez zajímavosti, že reaktor typu VHTR je projektován jak pro výrobu elektřiny, tak pro neelektrárenské využití vysoké teploty chladiva např. při výrobě vodíku, zplyňování uhlí, v metalurgii, petrochemii, atd. Zejména pro výrobu vodíku je zapotřebí dosáhnout velmi vysoké teploty chladiva, protože účinnost celého procesu s teplotou prudce vzrůstá...

Experimentální možnosti

Účelem HTHL, jejíž výstavba byla mimo jiné financována z 6. rámcového programu EU a z úkolů MPO ČR, je simulace fyzikálních a chemických podmínek chladiva reaktorů VHTR a smyčka má sloužit k testování konstrukčních materiálů pro plynem chlazené reaktory a výzkumu chemie plynného chladiva.

Části HTHL

Primární okruh: aktivní kanál

Tlaková obálka v podobě trubky z nerez oceli o průměru 57 mm. Ve spodní části je navařena hlava kanálu (umožňuje vstup a výstup primárního media a zajištění prostup měřícím a topným kabelům), v horní části hlavy kompresor TK-1 (kryje tlakové ztráty AK a primárního okruhu + zajišťuje proudění He kanálem).

Celý kanál ve vytěsniteli, který zajišťuje polohu v mříži aktivní zóny reaktoru. 3,5mm vzduchová mezera mezi kanálem a stěnou vytěsnitele představuje tepelnou izolaci mezi stěnou tlakové obálky (400 °C) a reaktorovou vodou (cca 50 °C). Rozměry vytěsnitele jsou shodné s rozměry palivové buňky, pozice kanálu v aktivní zóně není fixní, může se měnit Vytěsnitel je trubka o průměru 70 mm, shodný s tvarem palivového článku.

Vnitřní vestavby kanálu je tvořena systémem koncentrických trubek, výměníku tepla a chladiče. Materiál 500+ °C ocel typu Inconel®, zbytek austenická nerez ocel.

Průběh teplot v aktivním kanále

V horní části kanálu v hlavě umístěn kompresor, helium o teplotě 300 °C vychází z kompresoru, je směrováno do první mezitrubkové štěrbiny kanálu, kde medium proudí po celé délce kanálu směrem ke dnu a plní funkci chladícího media. Vedle této trubky vedena ještě jedna, vzniklý mezitrubkový prostor vyplňuje statické helium, které funguje jako tepelný izolant. 20 mm nade dnem je konec obou trubek (Ø48 a Ø43), helium se obrací a pokračuje vzhůru mezitrubkovým prostorem vzniklým z trubek Ø43 a Ø40 (Ø40 opět izolační vrstva statického helia s Ø35).

50 mm od horní záslepky helium vstupuje do tepelného výměníku (31 kusů trubek Ø3 a 6 kusů Ø4). Ø4 určen k protažení kabelů měření a el. dotápění. Rozmístění trubek Ø3 do trojúhelníků, Ø4 nesymetrické.

Po výstupu z výměníku helium jde do sestavy elektrického dotápění, což jsou keramické segmenty, ohřívané topnými spirálami elektrického topení. Dále helium vstupuje do křížícího dílu (cílem je helium o dostatečné teplotě a tlaku posunout do střední části kanálu). Střední část kanálu (zkušební zóna) tvořena trubkou Ø32 o délce 500 mm, helium zde dosahuje teploty 900 °C a 7 MPa.

Po výstupu ze zkušební zóny se helium stáčí a vstupuje do mezitrubkového prostoru Ø35 a Ø32, pokračuje směrem nahoru až do křížícího dílu, tam do středu trubky Ø18, dále do výměníku tepla, kde prochází přímo trubičkami Ø3. Po výstupu z výměníku pokračuje do chladiče (trubky Ø8 stočené do spirály). Po průchodu chladičem se He vrací do kompresoru.

Sekundární okruh: systém čištění primárního média

Pohled na sekundární okruh

Při vysokých hodnotách tlaku a teploty mohou i malá množství nečistot způsobit korozní (resp. erozní) poškození zařízení primárního okruhu, proto existuje snaha udržet nečistoty na minimální koncentraci, navíc některé nečistoty jsou radioaktivní. Účelem čistící větve je udržování chemických parametrů média.

Zapojení systému čistění k aktivnímu kanálu je provedeno paralelně, vstup do smyčky čistění za výstupem kompresoru TK-1. Výstup ze smyčky připojen na sání TK-1, tlakový spád zajišťuje TK-1. He přivedeno na regeneračního výměníku, kde se zchladí z teploty 210 °C (výstup z aktivního kanálu) na 50 °C, poté He vchází na mechanických filtrech MF1/1,2, kde se zbavuje mechanických nečistot.

Na elektrickém ohříváku EO-2 je helium předehřáto na 250 °C, aby proběhla katalytická oxidace na oxidačním aparátu Cu-1, za Cu-1 je mechanický filtr MF-2 (zachycení korozních a oxidačních produktů ohříváků). Poté je helium v chladiči CH-3 zchlazeno na 50 °C a přivedeno na molekulové síto MS-1,2,3, (viz otázka #10) kde se zachytí produkty oxidace.

Příměsy nezachycené na MS-1 se zchladí na -70 °C (krátkodobě až na -160 °C) v mrazicím boxu MB-1 a zachytí se aktivním uhlím v aktivním adsorberu AS-1. Za ním elektrický ohřívák EO-3, ohřeje vyčištěné medium na 20 °C a před návratem do aktivního kanálu projde helium ještě mechanickým filtrem MF-3 a regeneračním výměníkem RV-2, kde se před vstupem do AK ohřeje na 180 °C.

Průběh teplot v systému čištění primárního média

  Mechanické filtry MF1/1,2

Na mechanických filtrech, které jsou tvořeny nerezovou vložkou SIKA-R 5 IS v provedení 9108/2 s přivařovací koncovkou zachycující nečistoty o velikosti větší než 5 µm se odstraní prachové částice, mechanické nečistoty a korozní produkty (⁶⁰Co, ⁵⁹Fe).

  Katalytická oxidace Cu-1

Při použití CuO nebo Cr₂O₃ v oxidačním aparátu, který pracuje za teploty cca 250 °C, se za přítomnosti kyslíku v okruhu odstraní H₂, T₂, HT a CO přeměnou na H₂O, T₂O, HTO a CO₂.

Molekulární síta a nízkoteplotní sorbent

  Molekulová síta MS-1,2,3

Molekulové síto (zeolit) je krystalický mikroporézní (póry < 2 nm) materiál. Struktura jeho pórů umožňuje separační proces. Produkty katalytické oxidace (H₂O, T₂O, HTO a CO₂) se zachytí na molekulových sítech za teploty 20 – 50 °C.

Zeolit je krystalický hydratovaný alumosilikát alkalických kovů a kovů alkalických zemin. Jedinečnost spočívá v tom, že prostorové uspořádání atomů vytváří kanálky a dutiny konstantních rozměrů. V těchto kanálcích se mohou zachytávat látky tuhého, kapalného i plynného skupenství. Vlastnosti zeolitu umožňují dehydrataci, výměnu iontů a absorbci molekul různé velikosti, aniž by došlo k jejich narušení, to umožňuje používat zeolit jako sorbent, molekulární síto a katalyzátor.

  Nízkoteplotní sorbent AS-1

Na nízkoteplotním adsorberu s aktivním uhlím se při teplotě -160 °C zachycuje CH₄, O₂, N₂ a malé množství vzácných plynů Kr a Xe.

Adsorbce je separační proces, jehož principem je hromadění plynné látky ze směsi plynů (nebo rozpuštění látky v kapalině), tzv. adsorbátu, na povrch pevné látky (adsorbentu) účinkem mezipovrchových přitažlivých sil. Po adsorbaci nutné adsorbent regenerovat opačným procesem – desorpcí, nebo adsorbent vyměnit.

Aktivní uhlí je produkt vyráběný z uhlí, dřeva nebo kokosových ořechů. Má pórovitou strukturu a velký vnitřní povrch. Může adsorbovat široké spektrum látek. V praxi se adsorpce aktivním uhlím používá při odstraňování organických látek, těžkých kovů z odpadních a pitných vod, dehydratace plynů…

Terciální okruh: chladící okruh

Odvádí přebytečné teplo ze sekundárního okruhu.

Cirkulaci zajišťují dvě oběhová čerpadla ČT-1,2 (jedno aktivní, druhé záskok). Na výtlaku obou čerpadel jsou umístěny zpětné ventily, zabráňující terciální vodě cirkulovat přes druhé čerpadlo.

Na hale reaktoru LVR-15 bude terciální okruh napojen na stávající otevřený systém s chladící mikrověží a zásobní nádrží chladící vody, v okruhu je nezbytná velmi čistá upravovaná voda z důvodu zanášení chladičů kotelním kamenem. Teplota vstupní vody se pohybuje v rozmezí 15 až 25 °C v závislosti na ročním období.

Turbokompresor TK-1

Kompresor TK-1

Turbokompresor TK-1 kryje tlakové ztráty celého aktivního kanálu a zajišťuje proudění helia kanálem. Je připevněn k přírubám na konci kanálu, při umístění v reaktoru bude nasávat radioaktivní helium z výstupu kanálu a čistící smyčky a vytlačovat je na jejich vstupy. Jmenovitý průtok TK-1 je 37,8 kg/hod při 98 000 ot./min.

Zajímavostí jsou dynamická plynem mazaná ložiska, dvě radiální a jedno axiální. Ložiska jsou mazána pracovním heliem, které vniká do prostoru ložisek z pracovního stupně kompresoru. Není zapotřebí přivádět mazací plyn z vnějšího prostředí. Použití plynových ložisek umožňuje poměrně jednoduše zabezpečit úplnou hermetičnost stroje.

Vyrobený firmou PBS Velká Bíteš a.s web.

Systém doplňování média a dávkování nečistot

K čistícímu okruhu je napojena baterie tlakových lahví s plyny, které se budou doplňovat do primárního okruhu aktivního kanálu (prostřednictvím čistící smyčky). Jsou to: He, CO, O2, H₂, CH₄, N_2.

Helium je do okruhu doplňováno přímo. Redukčním ventilem je nastaven tlak helia, to potom (s ohledem na aktuální tlak) pomocí regulačního ventilu doplňováno do smyčky.

Dávkování příměsi plynů (CO, O₂, H₂ a CH₄) do helia je řešeno z tlakových lahví pomocí dávkovací nádrže. Příměsy jsou napouštěny do zásobní nádrže ZN-1. Pomocí redukčních ventilů, tlaku v nádobě a jejího známého objemu je nastavena požadovaná koncentrace. Zásobní nádrž je k čistícímu okruhu připojena by-passem a uzavřením armatury mezi vstupem a výstupem je propláchnuta do okruhu.

Dusík slouží k udržování požadovaného tlaku v kompenzátoru objemu KO-1 sekundárního okruhu.

Destilovaná voda se do čistící smyčky vpravuje pomocí dávkovacího ventilu.

Nádoba barbotážní nádrže BN-1 a nádoba kompenzátoru KO-1 je napojena připojovacím místem na přívod chemicky upravené vody.