Система фильтрации потока теплоносителя бака-приямка системы аварийного охлаждения активной зоны
COOLANT FLOW FILTRATION SYSTEM OF THE SUMP TANK OF THE EMERGENCY CORE COOLING SYSTEM

Область техники
Изобретение относится к области атомной энергетики, а именно к обеспечению безопасности работы атомной электростанции (АЭС) при аварии за счет бесперебойной подачи охлаждающей жидкости внутрь защитной оболочки АЭС.
Предшествующий уровень техники
В вопросе обеспечения безопасности АЭС в аварийных режимах важную роль играют системы аварийно-планового расхолаживания активной зоны и отвода остаточных энерговыделений. Эти системы приспособлены как для планового расхолаживания ядерной энергетической установки при перегрузе топлива, так и для аварийного расхолаживания в случае утечки теплоносителя при серьезной аварии путем подачи в активную зону реактора резервного теплоносителя. В состав таких систем входят насосы подачи, раствора борной кислоты (РБК), подающие его через трубопроводы в активную зону, баки-приямки борированной воды, системы аварийного ввода бора, спринклерная система и теплообменники аварийно-планового расхолаживания. Одним из ключевых узлов являются баки-приямки, которые специально располагают внутри защитной оболочки реактора таким образом, чтобы в случае серьезной аварии вся жидкость, поступающая в контейнмент вследствие утечек (вода из разрывов контуров, вода из спринклерной системы, сконденсировавшийся пар и т.п.) собиралась в баках-приямках, расположенных внизу защитной оболочки, и отбор воды на насосы системы аварийного охлаждения активной зоны (САОЗ) и спринклерной системы осуществлялся непосредственно из них. Другим положительным эффектом от размещения баков-приямков под защитной оболочкой является возможность организации подачи воды в устройство локализации расплава в течение, как минимум, 72 часов без внешних источников энергоснабжения. В режиме нормальной эксплуатации баки-приямки содержат запас раствора борной кислоты, который в случае аварии с потерей теплоносителя подается системами аварийного впрыска в активную зону реактора, после израсходования этого запаса критически важной становится обеспечение возможности очистки жидкости, поступившей в баки-приямки, от осколков разрушенных при аварии систем (так называемого дебриса) для последующей подачи ее в активную зону для охлаждения.
В этих условиях важное значение для безопасности АЭС в аварийных режимах приобретает способность фильтрующих элементов баков-приямков задерживать дебрис и прочие посторонние примеси таким образом, чтобы не уменьшать поток теплоносителя, подаваемый насосами из баков-приямков в активную зону. При этом начальный поток теплоносителя при разрыве трубопроводов большого диаметра может быть очень большим и нести большое количество дебриса, что может привести к быстрому засорению фильтрующих элементов. Для решения этой задачи требуется разработать фильтрующую систему рециркуляции потока теплоносителя, обеспечивающую фильтрацию большого потока теплоносителя в пассивном режиме.
Для решения подобно задачи применялось несколько различных технических решений.
Известен способ очистки жидкости от загрязнений путем пропускания потока жидкости через слои фильтрующего коалесцентного материала, сформированного в блочно-модульный коалесцентный фильтр (патент РФ на изобретение № 2541544, опубл. 20.02.2015), в котором блочно-модульным коалесцентным фильтром разделяют поток на две разного объема зоны сепарации, первую зону грубой очистки и вторую зону финишной очистки; в первой, большей зоне первичной сепарации снижают скорость движения потока жидкости за счет расширения потока и направляют его для дальнейшего гашения энергии в коллекторы переменного сечения со щелевыми зазорами разного сечения, оснащенными внутренними дефлекторами разного размера и радиуса гиба, после чего поток разделяется за счет гравитации на фазы, которые отводят из зоны первичной сепарации; грубо очищенную жидкость с остатками нефтепродукта направляют через блочно-модульный коалесцентный фильтр в зону вторичной сепарации финишной очистки, где поток тоже разделяется за счет гравитации на фазы, которые отводят из зоны вторичной сепарации; при увеличении перепада давления на блочно-модульном коалесцентном фильтре поток жидкости автоматически отводят в зону вторичной сепарации в обход фильтра, через защитные устройства.
Недостатком такого способа является невозможность фильтрации большого потока теплоносителя в аварийном режиме.
Также известен способ очистки технологической жидкости от загрязняющих механических примесей и плавающей жидкой среды (патент РФ на изобретение № 2626833, опубл. 02.08.2017), в котором очищаемую технологическую жидкость направляют в проточный отстойник, очистка технологической жидкости от механических примесей и плавучей жидкой среды производится путем гравитационного осаждения механических примесей и всплытия плавающей жидкой среды из тонкого плоского слоя, образованного движущейся смесью очищаемой технологической жидкости и части очищенной технологической жидкости, при этом оба компонента смеси предварительно подают в смеситель (гомогенизатор), в котором струи очищаемой и части чистой технологической жидкости направлены навстречу друг другу с равным поперечным сечением в месте столкновения струй, а затем полученную смесь подают в проточный отстойник через горизонтальный щелевой диффузор шириной, равной внутренней ширине отстойника, и с высотой, обеспечивающей ламинарный режим течения тонкого плоского слоя.
Наиболее близким к заявленному изобретению является устройство для получения очищенной воды (патент РФ на полезную модель № 157474, опубл. 10.12.2015), содержащее корпус, разделенный по крайней мере одной вертикальной перегородкой на камеры, сообщающиеся между собой через перепускные отверстия в перегородках, из которых, по крайней мере, одна камера является рабочей, а другая - осадкоуплотнителем, причем рабочая камера оборудована расположенной в нижней ее части эжекционной системой, а в верхней части камер над перепускными отверстиями установлены погружные мембраны, связанные с трубопроводом отвода очищенной воды.
Недостатком такого технического решения, как и перечисленных выше, является невозможность фильтрации большого потока теплоносителя в аварийном режиме.
Раскрытие изобретения
Задачей настоящего изобретения является разработка системы фильтрации потока теплоносителя бака-приямка системы аварийного охлаждения активной зоны (САОЗ), обеспечивающей фильтрацию большого потока теплоносителя в пассивном режиме.
Техническим результатом настоящего изобретения является повышение безопасности АЭС в аварийных режимах за счет повышения эффективности фильтрации большого потока теплоносителя в пассивном режиме.
Технический результат достигается тем, что в известной системе фильтрации потока теплоносителя бака-приямка системы аварийного охлаждения активной зоны, содержащей бак-приямок, снабженный вертикальными разделительными барьерами, в крышке бака-приямка выполнены круглые отверстия для подачи теплоносителя, под ними вертикально расположены направляющие устройства, входное отверстие которых расположено под отверстием в крышке бака-приямка, а выходное отверстие - на уровне пола, в днище бака-приямка выполнены отверстия для отвода очищенного теплоносителя, разделительные барьеры расположены в помещении бака-приямка таким образом, что формируют максимальный путь теплоносителя от направляющих устройств до отверстий для отвода очищенного теплоносителя.
Технический результат также достигается тем, что разделительные барьеры выполнены в виде фильтрующих решеток, выполненных с возможностью задержки крупных кусков дебриса.
Технический результат также достигается тем, что направляющие устройства формируют канал выхода теплоносителя, при этом некоторые участки разделительных барьеров выполнены непроницаемыми для теплоносителя.
Краткое описание фигур чертежей
На фиг. 1 приведен общий вид фильтрующей системы рециркуляции теплоносителя АЭС.
На фиг. 2 представлены результаты предварительного гидравлического расчета течения в одной из секций корпуса системы.
Система фильтрации потока теплоносителя бака-приямка системы САОЗ состоит из бака-приямка 1, с вертикальными разделительными барьерами 2, в крышке бака выполнены круглые отверстия для подачи теплоносителя, под ними вертикально расположены направляющие устройства 3, входное отверстие которых расположено под отверстием в крышке бака-приямка 1, а выходное отверстие - на уровне пола бака-приямка 1, в днище бака-приямка 1 выполнены отверстия для отвода очищенного теплоносителя, разделительные барьеры 2 расположены в помещении бака-приямка 1 таким образом, что формируют максимальный путь теплоносителя от направляющих устройств 3 до отверстий для отвода очищенного теплоносителя.
Осуществление изобретения
Система фильтрации потока теплоносителя бака-приямка системы САОЗ работает следующим образом. При возникновении тяжелой аварии с разрывом трубопроводов большой поток теплоносителя с большим содержанием дебриса попадает на крышку бака-приямка 1, откуда через входные отверстия направляющих устройств 3 попадает внутрь бака-приямка 1 и через выходные отверстия направляющих устройств 3, расположенные на уровне пола бака-приямка 1 попадает на пол бака-приямка 1. Поскольку разделительные барьеры 2 расположены в помещении бака-приямка 1 таким образом, что формируют максимальный путь теплоносителя от отверстий в крышке бака-приямка 1 до отверстий 4 для отвода очищенного теплоносителя, поток теплоносителя на пути к отверстиям 4 успевает разнести дебрис по большой площади пола бака-приямка 1, что исключает засорение отверстий 4 для отвода очищенного теплоносителя дебрисом, обеспечивая тем самым сбор очищенного теплоносителя для последующей использования при охлаждении защитной оболочки. Отверстия 4 для отвода очищенного теплоносителя дополнительно могут быть снабжены фильтрами, обеспечивающими фильтрацию потока теплоносителя, однако важная роль настоящего изобретения заключается в том, что основная часть дебриса, в том числе наиболее крупные его куски, остаются на полу бака-приямка 1 и не засоряют фильтры, размещенные в отверстиях 4 для отвода очищенного теплоносителя.
Разделительные барьеры 2 в предпочтительном варианте изобретения выполнены в виде фильтрующих решеток, выполненных с возможностью задержки крупных кусков дебриса. Это позволяет уменьшить количество дебриса, остающегося на полу бака-приямка 1 посередине между разделительными барьерами 2 и тем самым дополнительно защитить фильтры в отверстиях 4 для отвода очищенного теплоносителя от дебриса. Кроме того, отдельные участки разделительных барьеров 2 могут быть выполнены непроницаемыми для теплоносителя с целью организации зон скопления дебриса, что также позволяет дополнительно защитить от дебриса отверстия 4 для отвода очищенного теплоносителя. Такие участки могут быть выбраны на основе численного моделирования потоков теплоносителя в зависимости от конфигурации направляющих устройств 3 и разделительных барьеров 2. Очищенный теплоноситель, таким образом, поступает в «чистую» зону бака-приямка 1 и кратчайшим путем подается к отверстиям 4 для отвода очищенного теплоносителя. Теплоноситель же с увеличенной концентрацией мусора направляется в периферийные зоны с организацией зон осаждения дебриса. В конечном итоге теплоноситель из периферийных зон также поступает к фильтрам отверстий 4 для отвода очищенного теплоносителя, однако при этом количество дошедшего до них дебриса существенно снижается.
Таким образом, разделительные барьеры 2 разделяют «чистую» и «грязную» зоны бака-приямка 1 и обеспечивает предварительное разделение потока на «чистый» и «грязный».
Разделительные барьеры 2 могут быть выполнены в виде самоочищающегося фильтра, выполненного из щелевой решетки. Очистка такого фильтра производится направленной струей воды, поступающей из направляющих устройств 3.
Направляющие устройства 3 могут быть выполнены в форме цилиндра с непроницаемыми боковыми стенками либо стенками, выполненными из фильтрующих решеток.
Кроме того, в предпочтительном варианте настоящего изобретения направляющие устройства 3 могут быть попарно соединены разделительными барьерами 2, при этом разделительные барьеры 2 формируют канал выхода теплоносителя из направляющего устройства 3, а соседние с каждым направляющим устройством 3 участки разделительных барьеров 2 выполнены непроницаемыми для теплоносителя. Такое решение позволяет, с одной стороны обеспечить длительный путь теплоносителя к отверстиям 4 отвода очищенного теплоносителя, а с другой стороны - формирование на выходе из направляющего устройства 3 канала теплоносителя таким образом (фиг. 1), чтобы обеспечить закручивание теплоносителя в направляющих устройствах 3 вокруг оси направляющего устройства 3, что обеспечивает максимальную скорость потока теплоносителя на выходе из направляющего устройства 3, что, в свою очередь, позволяет обеспечить отвод этим потоком дебриса на максимальное расстояние от направляющих устройств 3 для того, чтобы дебрис не блокировал выходные отверстия направляющих устройств 3.
Эффективность разделительных барьеров 2 определяется отношением количества воды, поступающей из «грязной» зоны в чистую, к количеству воды, поступившей в бак-приямок.
В качестве примера конкретной реализации настоящего изобретения может быть рассмотрена авария, например, с потерей теплоносителя в боксе парогенераторов.
Разрыв трубопровода большого диаметра приводит к залповому выбросу теплоносителя из первого контура АЭС.
Вода поступает из бокса парогенераторов через зазор между перекрытием и защитной оболочкой на крышку бака-приямка 1.
Максимальный расход воды в этом случае имеет место в течение не более 1 мин. После аварии расход снижается и стабилизируется примерно на уровне расхода систем безопасности (пассивная и активная часть САОЗ, спринклерная система).
3
При этом вода через направляющие устройства 3 диаметром до 2 м начинает поступать в бак-приямок 1. Общий объем воды при этом может составить до 240 м.
Затем уровень воды в «чистой» и «грязной» зоне бака-приямка 1 выравнивается за счет перетекания чистой воды через разделительные барьеры 2 и загрязненной воды через направляющие устройства 3 без фильтрующих барьеров. При этом при поступлении первой порции воды в бак-приямок 1 дебрис с высокой степенью вероятности не попадет в «чистую» зону.
3
После начала работы системы САОЗ и спринклерной системы устанавливается циркуляция с максимальным расходом в каждом баке-приямке 1 0,81 м/с
Результаты предварительного гидравлического расчета течения в одной секции бака-приямка, соответствующей нижней части фиг. 1, при подобном развитии ситуации представлены на фиг. 2. Представлены эпюры скоростей на различных уровнях (0,5; 1,0; 1,5 и 1,95 м от уровня пола) в баке-приямке при суммарном расходе теплоносителя 2000 кг/с (что характерно для начальной стадии аварии с потерей теплоносителя; максимальный расход при работе систем САОЗ составляет около 800 кг/с). В указанном расчете загрязнение сеток разделительных барьеров 2 не учитывалось, однако оценочные расчеты с частично загрязненными поверхностями показали похожую картину течения. Предварительный расчет показывает общее движение теплоносителя (показано на фиг. 2 стрелками) по максимальному пути от направляющих элементов 3 до отверстий 4 для отвода теплоносителя.
Промышленная применимость
Система фильтрации потока теплоносителя бака-приямка системы САОЗ позволяет повысить безопасность АЭС в аварийных режимах и может быть применена на атомных электростанциях различных типов.