Плазменный комплекс по
имитации аварийных ситуаций на АЭС.

Пример нестандартной задачи в области плазменных технологий:

Назначение:

Плазменный комплекс по имитации аварийных ситуаций на АЭС (атомных электростанций), через имитацию остаточного энерговыделения в расплаве радиоактивного вещества в днище реактора.

Заказчик:

По заказу Ядерного центра Республики Казахстан «ЭПОС-Инжиниринг» разработал, и с его участием была введена в работу уникальная установка — плазменный комплекс по имитации аварийных ситуаций в ядерном реакторе типа чернобыльского, с системой управления для имитации аварий на АЭС.

Здесь применены плазмотроны, которые больше можно отнести к металлургическим, но решаемая задача уникальна, и потребовала уникальный комплекс рашений.

Оборудование создавалось в условиях конкуренции (параллельное решение задачи) с:

  1. Лос-Аламосской лабораторией- LANL (USA) (ведущая лаборатория в США по Hi-Tech технологиям)
  2. Фирмой «Марубени» — MARUBENIJapan, Япония (по заказу правительства)

Задача успешно РЕШЕНА БЫЛА ТОЛЬКО НАМИ, как образец сложнейшей инновационной наукоемкой задачи.

Комплекс снабжен плазменными системами «ЭПОС-Инжиниринг», и успешно функционирует. Здесь впервые применены запатентованные коаксиальные плазмотроны и плазменная схема, соответствующая условиям работы руднотермических и дуговых печей нового поколения. О применении их в металлургии мы расскажем в соответствующем разделе.

Проблема:

При аварии на Чернобыльской АЭС урановое топливо реактора с температурой свыше 2800С смешивалось с металлоконструкциями, которые оно расплавляло, и в условиях подъема температуры за счет внутреннего энерговыделения в делящемся веществе оксидного уранового топлива, продолжало движение и разрушения конструкции. Это явление необходимо было точно смоделировать, что нам и удалось реализовать в конструкции устройства.

Решение:

Решение достигается сочетанием достоинств косвенного дугового нагрева и особенностей руднотермических (или электрошлаковых) печей, в которых работают плазменные источники, и протекает трехфазная или многофазная система переменных токов в расплаве, шихте или шлаке.

В рабочем пространстве печи может быть неограниченное количество плазменных узлов, управляемых в соответствии с требованием технологического процесса.

Схема электрических подключений:

4

В конструкции применены 3 плазменных модуля и 6 плазменных энергоисточников, создающих имитацию остаточного энерговыделения в имитаторе днища реактора, предназначенных для нагрева и поддержания в расплавленном состоянии при заданной температуре (3000 С и более) кориума (смесь ядерного топлива и металлоконструкций), методом комбинированного электроплазменного и электродугового  (резистивного) нагревов тугоплавких металлов, оксидосодержащих и оксидных материалов

На рисунке снизу условно представлено рабочее пространство установки.

5
  1. Внешний электрод плазмотрона;
  2. Внутренний электрод;
  3. Переплавляемая шихта;
  4. Гарниссаж, зона плавления;
  5. Расплав (может занимать объем 3 и 4);
  6. Плазменная дуга в плазмотроне;
  7. Плазмотрон;
  8. Футерованный тигель для расплава;
  9. Плазменная дуга переменного или постоянного тока между плазмотронами.

Рис. 2.  Плазмотроны и форма плавильной зоны установки фирмы «ЭПОС-Инжиниринг».

Коаксиальный плазмотрон 1,7 может перемещаться в плавильном пространстве, и устанавливаться в заданном положении. Кроме того, что в плазмотроне работает дуга 6, плазменные дуги горят так же и между несколькими плазмотронами. 1,7 и т.д.

Фото плавильной зоны
7
8

Рис. 3,4,5. Фото плавильной зоны с имитатором днища реактора и установленными плазменными узлами.Плазменный стенд для имитации аварийных ситуаций на АЭС. Рабочая камера высокого давления ( удержание энергии пароводородных взрывов) и установленный в ней плазменный модуль конструкции «ЭПОС-Инжиниринг». Справа- продукт плавки (кориум на основе окислов урана).

Нагрев и плавление материала, доведение его температуры до необходимой по технологическому процессу может быть осуществлено с высокой равномерностью зоны нагрева (либо, если это необходимо, с заданным тепловым полем по поверхности и объему расплава), быстро, экономично и эффективно.

Каждый из плазмотронов может быть погружен в расплав на необходимую глубину, поднят над расплавом, может осуществлять перемешивание, в т.ч. барботажем, поддерживать заданную атмосферу над зеркалом расплава.

Применение технологической схемы с косвенным источником тепла (дуги постоянного или  переменного тока в плазмотронах) и прямыми источниками тепла (плазменная дуга переменного или постоянного тока, горящая на расплав, или токи прямой проводимости в расплаве) позволяет более гибко вести технологический процесс. Можно выключить или не включать внешнюю дугу переменного тока плазмотрона, подогревая шихту (расплав) мощностью косвенных плазменных дуг. Можно, наоборот, выключив дуги постоянного тока, вести процесс как дуговой или рудно-термический. Возможно совмещение косвенного и прямого нагрева, с перераспределением в рабочей зоне по определенному закону мощностей дуг постоянного и переменного тока.

Для управления комплексом была разработана оригинальная математическая модель управления, уникальный алгоритм и схема управления для задания необходимого энерговыделения по периметру и объему плавильной зоны, полностью имитирующий остаточное энерговыделение от делящегося ядерного топлива и реализована в алгоритмах работы САУ (Модель описана в статье «Оценка энеpговыделения в pабочей зоне совpеменных электpометаллуpгических агpегатов». Безpуков И. А., Бикеев P. А., Электрометаллургия. №7  2009 г. с. 27-33).

Система уравнений, отвечающая алгоритму управления данного комплекса, может быть представлена в виде, приведенном ниже.

9

Система уравнений, описывающая энерговыделение в расплаве делящегося вещества, в электрических параметрах, нацелена на обеспечение равномерности мощности  в каждом объеме рабочего пространства.

Система из двенадцати уравнений объединяет тридцать пять параметров. Из нее расчетным путем могут быть определены только двенадцать параметров, поэтому остальные двадцать три должны быть либо постоянными заданными и не изменяющимися, либо измеряемыми и изменяющимися. Очевидно, рассчитываемыми параметрами должны быть параметры, которые сложно или невозможно измерить:

— межфазные мощности в расплаве Pab, Pbc, Pca;
— модули и фазы межфазных токов в расплаве Iab, Ibc, Ica, jab, jbc, jca;
— фазы токов IA, IB, IC.

Двенадцать параметров (активные и  индуктивные сопротивления трансформаторов и короткой сети фаз) можем считать постоянно заданными.

Одиннадцать параметров (IA, IB, IC, Uab, Ubc, Uca, EA, EB, EC, jВ, jС) должны измеряться как величины, изменяющиеся в ходе ведения технологического процесса.

На основе разработанного алгоритма реализована АСУ ТП процесса.

Вывод:

На базе указанного комплекса может быть выполнена уникальная плавильная, восстановительная, рафинировочная система для любых (даже не электропроводных) материалов, без ограничения мощности и температуры (печи и технологии ДСП, РВП, ЭШП и т.д.)

Комплекс может быть использован в крупнотоннажных металлургических переделах.  Мощность косвенных плазменных дуг достигает до 6000 КВт  и более на комплекс, мощность многофазного комплекса может достигать 120-150 МВт. Диаметр единичного плазменного узла может составить до 1200 мм.

Устройство может быть успешно использовано для плавки неэлектропроводных  в исходном состоянии материалов – шлаков, стекла, а также нагрева растворов  химически агрессивных веществ, и т. д.

Технические решения, полученные в результате работы над комплексом и разработанные технологии и алгоритмы отлично подходят для создания высокоэффективных альтернативных руднотермических, дуговых и плазменных печей для производства ферросилиция, ферросиликомарганца, феррохрома и других ферросплавов

Эффективность таких агрегатов на 80 % выше классических, при аналогичной стоимости капитальных затрат (CAPEX), и на 50% меньшей стоимости операционных издержек (OPEX)