СИСТЕМА ПАССИВНОГО ОТВОДА ТЕПЛА РЕАКТОРНОЙ УСТАНОВКИ
PASSIVE HEAT DISCHARGE SYSTEM OF THE REACTOR PLANT

Систем пассивного отвода тепла реакторной установки относится к области ядерной энергетики и представляет собой пассивную систему, предназначенную для отвода тепла от реактора и парогенератора при отключении энергоснабжения, включая аварийные источники, как в штатном, так и в аварийном режиме работы без потребления электроэнергии.
Известна система по патенту RU №150816 от 03.06.2014, которая содержит прямоточный парогенератор, паровая и водяная ветки которого подключены к емкости запаса воды, верхняя часть которой подводящим трубопроводом связана с теплообменником, паровая ветвь подключена к емкости запаса воды ниже уровня водяного объема, причем на подводящем участке трубопровода установлен струйный насос, который соединен по входу с емкостью запаса воды, а по выходу с теплообменником, который подключен отводящим трубопроводом, снабженным обратным клапаном, к нижней части емкости запаса воды, кроме того струйный насос по входу соединен дополнительной веткой с отводящим трубопроводом, расположенной между обратным клапаном и нижней частью емкости запаса воды, а между выходом струйного насоса и теплообменником подключена пусковая емкость, снабженная пусковым клапаном.
Недостатком данной системы является то, что открытие отсечного и пускового клапанов должно происходить одновременно, т.к. если пусковой клапан открывается позднее, то неизвестно через какой промежуток времени или по какому сигналу. Но при одновременном открытии этих клапанов в емкость запаса воды сначала вытесняется вода из гидрозатвора и только потом поступает горячая пароводяная смесь и начинается прогрев емкости запаса воды и ее парового объема.
Кроме того, известно, что струйные насосы имеют ограниченный диапазон режимных параметров и при значительном уменьшении расхода и давления пара отключаются. Между тем в системе аварийного отвода тепла по мере снижения мощности остаточных тепловыделений существенно уменьшаются паропроизводительность парогенератора и давление пара. Это приводит к остановке работы струйного насоса. Однако поскольку пусковая емкость в процессе первого запуска и продолжительной после этого работы будет полностью заполнена водой, то вторичный запуск циркуляции в системе после роста давления пара и аварийный отвод тепла будут невозможны.
Наиболее близким техническим решением является система аварийного отвода тепла по патенту RU №2732857 от 23.09.2020.
Система пассивного отвода тепла содержит прямоточный парогенератор, паровая ветка которого снабженная отсечным клапаном, подключена к пароводяному инжектору, а водяная ветка, также снабженная отсечным клапаном, подключена к нижней части емкости запаса воды, емкость запаса воды, размещенную выше прямоточного парогенератора, верхняя часть которой соединена дополнительной веткой с паровой веткой, а нижняя часть поделена перегородкой на два участка, участок запаса воды, соединенный с водяной веткой, и участок стабильного уровня воды, которые объединены в верхней части объема емкости запаса воды, пароводяной инжектор, размещенный на уровне верхней кромки перегородки емкости запаса воды, теплообменник, соединенный подводящим трубопроводом, снабженным обратным клапаном с выходом пароводяного инжектора, а отводящим трубопроводом с входом пароводяного инжектора, пусковую емкость, размещенную выше пароводяного инжектора и соединенную подводящей веткой с участком подводящего трубопровода теплообменника между пароводяным инжектором и обратным клапаном и отводящей веткой с подводящей веткой емкости запаса воды.
Недостатком данной системы является то, что охлаждающая среда в пусковой емкости находится под низким давлением, в результате чего возникает вероятность осушения парогенератора, количество воды в котором на момент расхолаживания может быть произвольным, поэтому в системе установлена промежуточная емкость запаса воды. Кроме того, пространственное расположение пусковой емкости зависит от положения парогенератора по высоте.
Техническим результатом предлагаемого устройства является повышение эффективности и надежности работы пассивной системы отвода тепла в процессе расхолаживания ядерной энергетической установки в экстремальной ситуации за счет оптимизации конструкции и обеспечения автономности функционирования системы использующей только внутреннюю энергию пара самой системы.
Технический результат достигается тем, что предлагаемая система содержит:
- парогенератор, паровая ветка которого снабжена двумя отсечными клапанами, один из которых невозвратный, подключена к пароводяному струйному аппарату, а водяная, также с установленными на ней двумя отсечными клапанами, соединена с подводящей ветвью теплообменника;
- пусковую емкость, которая двумя подводящими ветками, с установленными на каждой из них по одному отсечному клапану, соединена с системой газов высокого давления и с системой подпитки, а отводящей веткой, с установленными на ней двумя параллельно расположенными невозвратными клапанами, один из которых выполнен магнитным, соединена с отводящей веткой пароводяного струйного аппарата, имеющей невозвратный клапан;
- теплообменник, соединенный подводящей веткой с отводящей веткой пароводяного струйного аппарата, а отводящей веткой соединен со входом пароводяного струйного аппарата.
При этом в пусковой емкости объем воды находится под избыточным по отношению к парогенератору давлением, достаточным для его первичного заполнения водой. Начальный объем воды в пусковой емкости должен быть больше объема подключенного парогенератора на величину, необходимую для воспрепятствования попаданию газов высокого давления в пароводяной струйный аппарат и магистральные трубопроводы системы.
Уровень охлаждающей среды в пусковой емкости не поддерживается, он динамический так, как пусковая емкость работает в режиме компенсатора объемного расширения, но не непрерывного действия, а периодического действия и, что очень важно, месторасположение пусковой емкости конструктивно не связано с местом установки парогенератора.
Давление воздушной подушки в пусковой емкости, создаваемое газами высокого давления, составляет 15 МПа, что является достаточным для вытеснения воды из пусковой емкости и заполнения парогенератора при срабатывания аварийной защиты со штатной нагрузкой ядерного реактора.
В тракте ввода охлаждающей среды из пусковой емкости в пароводяной струйный аппарат установлены параллельно и противоположно направлены два невозвратных клапана, один из которых выполнен магнитным с конструктивно заданным гистерезисом для обеспечения работы системы в аварийном режиме второй клапан также может быть магнитного типа, при этом давление в пусковой емкости или несколько больше давления в системе из-за перепада давления на одном из них при расхолаживании пароводяным струйным аппаратом, или несколько меньше на величину конструктивного перепада открытия другого клапана перед перезапуском системы аварийного расхолаживания.
Установленные на паровой и водяной ветках парогенератора отсечные клапаны работают на отключение системы от парогенератора и при их открытии в аварийной и штатной ситуациях обеспечивают одновременный запуск пароводяного струйного аппарата и начало циркуляции воды через теплообменник без необходимости прогрева системы.
Предлагаемая система пассивного отвода тепла реакторной установки обеспечивает устойчивую циркуляцию теплоносителя через парогенератор без использования внешних источников энергии неограниченное по длительности время.
Особенностью данной системы является применение магнитного невозвратного клапана, имеющим конструктивно заложенный перепад давления для открытия, то есть при достижении заданного перепада давления на клапане - он открывается на максимальную пропускную способность, и закрытия, при уменьшении перепада до определенной величины - клапан полностью закрывается. Разница между перепадами давления открытия и закрытия определяет конструктивный гистерезис клапана. Дело в том, что тепловые процессы, происходящие на втором этапе расхолаживания - медленно текущие, и расход теплоносителя в пусковой емкости может оказаться не достаточным для самостоятельного запуска пароводяного струйного аппарата (ПВСА), поэтому для интенсификации запуска в систему необходимо внести некоторый дисбаланс или некоторую неустойчивость, обусловленную, например, запаздыванием открытия установленного магнитного невозвратного клапана с конструктивно заложенным гистерезисом. В случае применения клапана пружинного типа происходит медленное увеличение пропускной способности с увеличением перепада давления. Характеристика магнитного клапана имеет обратный характер -максимальное усилие соответствует запертому состоянию, при отрыве клапана от седла магнитное взаимодействие резко уменьшается, вызывая «лавинное» открытие клапана, интенсифицируя тем самым расход охлаждающей среды через ПВСА и облегчая его запуск.
В отличие от систем с естественной циркуляцией в пассивных системах отвода тепла в данном случае не имеет значения относительное расположение элементов системы в поле силы тяжести, т.к. не требуется обеспечения максимального движущего напора охлаждающей среды.
В системе также установлены дублирующие отсечные клапаны, что соответствует требованиям по безопасности работы установки.
Предлагаемое техническое решение представлено на:
Фиг. 1 - схема системы пассивного отвода тепла.
Система рассчитана на мощность 7% от номинальной мощности установки и объединяет парогенератор 1, отсечные клапаны 2, пароводяной струйный аппарат 3, пусковую емкость 4, водо-водяной теплообменник 5, дублирующие отсечные клапаны 6, невозвратные клапаны 7, 8, и 9, магнитный невозвратный клапан 10.
Система пассивного отвода тепла работает следующим образом. В исходном состоянии клапаны 2 закрыты, емкость 4 частично заполнена водой, причем начальный объем в пусковой емкости должен превышать объем воды при заполнении полностью пустого парогенератора на объем воды необходимый для воспрепятствования попаданию газов высокого давления в струйный аппарат и магистрали контура. Давление в емкости определяется давлением газовой подушки и составляет около 15 МПа. За счет размещения емкости 4 выше соединительных трубопроводов контура эти трубопроводы, теплообменник 5 и струйный аппарат 3 заполнены водой, которая осталась после проведения гидравлических испытаний при проверке работоспособности всех систем при вводе установки в действие. Система всегда находится в состоянии готовности.
По сигналу аварийной защиты парогенератора 1 клапаны 6 отсекают парогенератор от турбинной установки (ПТУ) и одновременно открываются клапаны 2 и система подключается к парогенератору 1. Клапан 8 закрыт и вода из емкости 4 поступает через открытые невозвратные клапаны 9 и 7 частично в теплообменник, с выхода которого затем на струйный аппарат, частично через клапан 2 по питательному трубопроводу поступает в парогенератор 1. Происходит заполнение парогенератора холодной водой и выравнивание давления в системе, при этом давление в пусковой емкости и остальном контуре также одинаково, а уровень воды в пусковой емкости будет соответствовать начальному уровню за минусом количества воды, поступившего в парогенератор. Перепад на клапане 10 отсутствует.
Первый этап процесса расхолаживания заканчивается после заполнения парогенератора и выравнивания давления в системе. Уровень воды в пусковой емкости 4 соответствует начальному уровню в емкости за вычетом количества воды, поступившего в парогенератор 1. Перепад на магнитном невозвратном клапане 10 - отрицательный, невозвратный клапан 9 закрывается из-за перепада давления.
За счет теплопередачи от теплоносителя основного контура реакторной установки температура воды в парогенераторе 1 увеличивается, начинается ее кипение. Невозвратный клапан 8 открывается, и пароводяная смесь из парогенератора 1 поступает через пароводяной струйный аппарат 3 и открытый магнитный невозвратный клапан 10 в пусковую емкость 4. Одновременно вода через клапан 7, теплообменник 5 направляется в приемное сопло пароводяного струйного аппарата 3. Постепенно влажность смеси уменьшается, т.е. на выходе из парогенератора 1 количество влаги уменьшается, а количество пара становится больше, происходит запуск пароводяного струйного аппарата 3 и начинается второй этап расхолаживания, который будет продолжаться до полного заполнения парогенератора 1 холодной (остывшей) водой. При этом первоначально, после запуска пароводяного струйного аппарата 3, уровень в пусковой емкости 4 может увеличиваться, если перепад давлений на парогенераторе 1 больше перепада, требуемого для открытия магнитного невозвратного клапана 10. Отбор пара от парогенератора 1 на конденсацию в контуре и подпитка парогенератора 1 холодной водой приведет к снижению давления в системе. При этом через клапан 9 пусковая емкость 4 будет "возвращать" воду в систему.
В случае, если пароводяной струйный аппарат 3 остановится, и циркуляция прекратится, то повторение процесса перезапуска произойдет уже на более низком давлении в контуре, но при том же конструктивно заданном перепаде на магнитном невозвратном клапане 10. При этом вода прокачивается через парогенератор 1 и через теплообменник 5 пароводяным струйным аппаратом 3, а пусковая емкость 4 выполняет роль компенсатора объема.
Если энергии, поступающей от теплоносителя первого контура недостаточно для полного испарения поступающей воды из системы, парогенератор 1 постепенно заполняется водой и при полном заполнении циркуляция в системе расхолаживания прекращается.
Конечное состояние системы - парогенератор 1 полностью заполнен водой, реактор холодный, все тепловыделение компенсируется теплопотерями в окружающую среду, циркуляции нет, в пусковой емкости 4 остается минимальный уровень воды, не допускающий попадания воздуха в магистрали системы.