СИСТЕМА ПОНИЖЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ И ОХЛАЖДЕНИЯ ДЛЯ ОБОЛОЧКИ АТОМНОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ
PRESSURE AND COOLING REDUCTION SYSTEM FOR NUCLEAR POWER PLANT SHELL

Настоящее изобретение относится к системе понижения давления и охлаждения для оболочки атомной электростанции.
Система понижения давления и охлаждения в соответствии с преамбулой пункта 1 формулы изобретения известна из документа предыдущего уровня техники WO 2014/019770 A1. Вся система в соединении с оболочкой также известна как оболочечная система защиты. Она облегчает понижение давления атмосферы в оболочке в случае чрезвычайного происшествия.
Следовательно, известная оболочечная защита содержит
,
выпускную линию для выходящего потока соединеннуюс оболочкой, с конденсатором пара, включенным в выпускную линию,
обратную линию для газовой части выходящего потока, ведущую от конденсатора пара к оболочке, с обратным компрессором, включенным в обратную линию, и
вторичное охлаждение конденсатора пара с помощью испарения жидкого азота.
Пар и конденсируемые газы, содержащиеся в выходящем потоке, конденсируются в конденсаторе пара. После этого, газовая часть выходящего потока при пониженном давлении вводится обратно в оболочку через обратную линию, в которую для преодоления градиента давления включен обратный компрессор. Конденсат, который аккумулируется в конденсаторе пара, может также вводиться обратно в оболочку сходным образом.
Во время работы, большие количества тепла могут собираться в конденсаторе пара, тем самым, уменьшая его способность действовать в качестве стока тепла и, таким образом, отрицательно влияя на процесс конденсации.
Известное вторичное охлаждение конденсатора пара посредством испарения жидкого азота требует больших количеств хранимого азота, что является дорогостоящим и требующим много места.
Целью настоящего изобретения является получение возможности для эффективного и надежного вторичного охлаждения конденсатора пара в системе понижения давления и охлаждения или в оболочечной системе защиты, указанной выше.
В соответствии с настоящим изобретением, эта цель достигается с помощью системы понижения давления и охлаждения с признаками пункта 1 формулы изобретения.
Преимущественные варианты осуществления указаны в зависимых пунктах формулы изобретения и в следующем далее подробном описании.
Следовательно, ключевым признаком заявляемой системы является самоподдерживающийся контур охлаждения, для вторичного охлаждения конденсатора пара, контур охлаждения предпочтительно содержит первый теплообменник, термически связанный с конденсатором пара, кроме того, он содержит детандер, компрессорный насос и второй теплообменник, термически связанный со стоком тепла, где детандер снабжает энергией компрессорный насос.
Таким образом достигается пассивное вторичное охлаждение конденсатора пара на основе принципа рекуперации и утилизации энергии, содержащейся в выходящем потоке. Контур охлаждения в целом работает автономным образом, даже при запуске.
В предпочтительном варианте осуществления, контур охлаждения содержит подогреватель в контуре охлаждения между первым теплообменником и детандером, где подогреватель термически связан с выпускной линией, так что он нагревается выходящим потоком. При этом, температура охлаждающей среды повышается перед тем, как она поступает в детандер, и таким образом, выход детандера повышается, с тем недостатком, что в контур охлаждения должно вводиться дополнительное тепло.
В конкретном преимущественном варианте осуществления, этот недостаток может компенсироваться включением вихревого охладителя или вихревой трубки в контур охлаждения между компрессорным насосом и первым теплообменником. Вихревая трубка представляет собой полностью пассивное охлаждающее устройство, предпочтительно, без подвижных деталей. В данном контексте, она удаляет избыток тепла, который поступает в контур охлаждения посредством подогревателя. Таким образом, повышается разница температур между холодной секцией и горячей секцией контура охлаждения и улучшается общая эффективность охлаждения.
В предпочтительном варианте осуществления, установка рекомбинатора включается в выпускную линию перед конденсатором пара. Установка рекомбинатора предпочтительно содержит пассивный автокаталитический рекомбинатор и облегчает беспламенную рекомбинацию водорода, содержащегося в выходящем потоке, с кислородом, с получением при этом водяного пара или пара. Альтернативно или в дополнение к этому, рекомбинатор может конфигурироваться для каталитической рекомбинации монооксида углерода с кислородом до диоксида углерода.
В преимущественном варианте осуществления, контур охлаждения конфигурируется для циркуляции охлаждающей среды в сверхкритическом состоянии.
Преимущественно, циркулирующая охлаждающая среда в контуре охлаждения имеет температуру кипения ниже 100°C, предпочтительно, ниже 80°C. Это поддерживает запуск и самоподдерживающуюся работу контура охлаждения даже если рабочая разность температур между источником тепла и стоком тепла сравнительно низкая.
Особенно пригодная для использования охлаждающая среда представляет собой диоксид углерода.
В предпочтительном варианте осуществления, детандер в контуре охлаждения представляет собой паровую турбину.
В другом предпочтительном варианте осуществления детандер и компрессорный насос механически соединены друг с другом, предпочтительно, с помощью общего вала.
Еще в одном предпочтительном варианте осуществления детандер также снабжает энергией воздуходувку, воздуходувка направлена на воздушный охладитель. Таким образом, способность к охлаждению воздушного охладителя улучшается.
Предпочтительно, детандер также снабжает энергией, по меньшей мере, частично, обратный компрессор.
Оболочечная система защиты в целом предпочтительно конструируется с нулевым высвобождением радиоактивных веществ в окружающую среду. Вместо этого, газовая часть, а предпочтительно, также и конденсировавшаяся жидкая часть выходящего потока, вводится обратно в оболочку. В противоположность существующим системам, выбросов в окружающую атмосферу по определению нет (но это может по-прежнему быть доступным в качестве возможности).
2
В общем, система понижения давления и охлаждения/оболочечная система защиты по настоящему изобретению облегчает удаление тепла ядерного распада после чрезвычайных происшествий и понижение давления оболочки без высвобождения продуктов радиоактивного деления в окружающую среду. Даже во время чрезвычайных происшествий, отрицательные воздействия атомной электростанции ограничиваются и нет воздействия (радиоактивного загрязнения) на окружающую среду. Содержание ядерной энергии оболочки (тепло распада), а также содержание энергии горючих газов (H, CO) используют для пассивного и самодостаточного процесса/системы для поддержания целостности оболочки в течение продолжительного времени без подачи извне энергии и охлаждающих сред. Пассивный цикл охлаждения с генерацией избытка энергии можно использовать для множества других применений, где требуется пассивное удаление тепла и охлаждение.
Иллюстративные варианты осуществления настоящего изобретения иллюстрируются далее со ссылками на прилагаемые чертежи.
Фиг.1 показывает упрощенную блок-схему первого варианта системы защиты атомной электростанции в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг.2 показывает второй вариант системы защиты атомной электростанции.
Фиг.3 показывает третий вариант.
Фиг.4 показывает схематическое представление термодинамического процесса, используемого в системе защиты атомной электростанции.
Рассматривая теперь более подробно Фиг.1, здесь, атомная электростанция 2, только часть которой видна на чертеже, содержит стенку 4 оболочки, которая заключает в себе корпус реактора высокого давления (не показан) и связанные с ним компоненты ядерного контура охлаждения. Стенка 4 оболочки конструируется так, чтобы она в любом случае удерживала внутри утечку радиоактивного пара или газа до максимального давления. Область внутри стенки 4 оболочки также известна как оболочка 6.
Если давление внутри оболочки 6 превышает критическое значение, как правило, в пределах от 1 до 3 бар по отношению к атмосферному давлению, оболочечная система 8 защиты делает возможным понижение давления. Для этого, оболочечная система 8 защиты содержит выпускную линию 10 для выходящего потока. Выпускная линия 10 содержит входное отверстие внутри оболочки 6, и она ведет через стенку 4 оболочки. При нормальной работе атомной электростанции 2, оно закрыто с помощью, по меньшей мере, одного отсечного клапана 12, который предпочтительно располагается сразу после стенки 4 оболочки. Чтобы сделать возможным понижение давления оболочки 6, отсечной клапан 12 открывается таким образом, что устанавливается выходящий поток под действием разности давлений между оболочкой 6 и частью низкого давления выпускной линии 12, где давление, по существу, равно атмосферному давлению. Массовая скорость потока выходящего потока, как правило, может достигать значений от 2 до 10 кг/сек, в зависимости от тепла распада после чрезвычайного происшествия в оболочке (примерно 10-20 МВт энергии тепла распада для атомной электростанции на 1000-1600 МВт).
Как правило, выходящий поток содержит водород (например, долю >4%), который в сочетании с кислородом может образовывать взрывоопасную газовую смесь и, следовательно, создавать риск для установки в целом. По этой причине, установка 14 рекомбинатора, предпочтительно, с рядом пассивных автокаталитических рекомбинаторов включается в выпускную линию 10 для преобразования водорода и кислорода в безопасный водяной пар или пар. Альтернативно или в дополнение к этому, имеются каталитические рекомбинаторы для преобразования монооксида углерода и кислорода в диоксид углерода. Благодаря экзотермической природе процесса рекомбинации, выходящий поток нагревается и, как правило, достигает температур в пределах от 400°C до 800°C. При этом, части пара, содержащиеся в выходящем потоке, перегреваются в приблизительно изобарическом процессе.
Установка 14 рекомбинатора может располагаться в секции выпускной линии 10 внутри оболочки 6, но предпочтительное положение находится снаружи оболочки 6, сразу после стенки 4 оболочки. Это устранит ненужные высокие температуры при прохождении через стенку 4 оболочки.
Пламегасители 16 на входе установки 14 рекомбинатора предотвращают распространение любого случайного воспламенения газовой смеси из оболочки 6 в оболочечную систему 8 защиты или наоборот.
Необязательно, контейнер-хранилище 18 для кислорода соединяется с выпускной линией 10 или с установкой 14 рекомбинатора через линию 20 подачи для обогащения уходящего потока кислородом, при необходимости в процессе рекомбинации полезном для последующей работы (смотри Фиг.3).
После установки 14 рекомбинатора, выходящий поток может проходить через (необязательный) узел 22 фильтра, например, фильтра для частиц и/или фильтра с сорбентом.
Еще дальше, выходящий поток поступает в конденсатор 24 пара, в котором часть пара в выходящем потоке конденсируется до жидкого состояния вещества. Имеется понижение давления, вовлеченное в конденсацию. Конденсатор 24 пара содержит контейнер 26, в котором жидкий конденсат аккумулируется в его нижней части. Поступающий выходящий поток предпочтительно инжектируется в жидкую фазу посредством некоторого количества инжекторных сопел 28 (дающих непосредственную конденсацию), так что устройство действует также в качестве моющего устройства или влажного скруббера для газообразных составляющих. В начале процесса удаления, когда еще нет конденсата, контейнер 26 может, по меньшей мере, частично наполняться начальным запасом (вспомогательной) охлаждающей жидкости.
Неконденсируемая газовая часть выходящего потока аккумулируется в газовом пространстве в верхней части контейнера 26 поверх жидкой фазы. Отсюда она поступает обратно в оболочку 6 через обратную линию 30, в которую включается обратный компрессор 32, для преодоления разности давлений.
Другая обратная линия 34, которая присоединена к нижней части контейнера 26, делает возможным введение жидкого конденсата обратно в оболочку 6 посредством обратного насоса 36.
Для цели вторичного охлаждения конденсатора 24 пара, имеется самоподдерживающийся контур 38 охлаждения, который содержит первый теплообменник 40, детандер 42, второй теплообменник 44 и компрессорный насос 46.
Первый теплообменник 40 термически связан с конденсатором 24 пара и действует в качестве нагревателя для охлаждающей среды/среды теплопереноса, которая циркулирует в контуре 38 охлаждения. Предпочтительно, первый теплообменник 40 располагается внутри контейнера 26 в области, которая во время операции выпуска/удаления оболочечной системы 8 защиты обычно заполнена жидкостью. Другим словами, первый теплообменник 40 предпочтительно погружен в жидкость, которая аккумулируется в конденсаторе 24 пара, и которая действует как источник тепла.
Детандер 42, который расположен после первого теплообменника 40 в контуре охлаждения 38, предпочтительно представляет собой паровую турбину. Нагреваемая охлаждающая среда расширяется в детандере 42, так что тепловая энергия преобразуется в механическую работу.
Еще дальше, имеется второй теплообменник 44, который в соединении с окружающей средой действует как охладитель для расширенной охлаждающей среды. Он предпочтительно реализуется как воздушный охладитель. То есть, избыток тепла, содержащийся в охлаждающей среде, переносится в окружающую атмосферу/окружающую среду, которая действует в качестве стока тепла.
Еще дальше, расширенная и повторно охлажденная охлаждающая среда проходит затем компрессорный насос 46, предпочтительно, турбокомпрессорного типа, который приводит в действие контур 38 охлаждения согласно принципу принудительной циркуляции.
Затем охлаждающая среда опять поступает в первый теплообменник 40 и, следовательно, в контур 38 охлаждения замыкается.
Таким образом контур 38 охлаждения образует замкнутый термодинамический цикл, который эффективно приводится в действие посредством разности температур между первым теплообменником 40, который термически связан с конденсатором 24 пара (типичная температура: 90°C), и вторым теплообменником 44, который термически связан с окружающей средой (типичная температура: 20-40°C).
В одной из возможных реализаций, контур 38 охлаждения представляет собой двухфазный контур, в котором первый теплообменник 40 (нагреватель) действует в качестве испарителя для охлаждающей среды, а второй теплообменник 44 (охладитель) действует в качестве конденсатора. В этом случае, охлаждающая среда предпочтительно имеет температуру кипения ниже 100°C, более предпочтительно, ниже 80°C, чтобы адаптироваться к типичному диапазону температур источника тепла в конденсаторе 24 пара.
2
Однако в предпочтительном варианте осуществления контур 38 охлаждения конструируется для циркуляции охлаждающей среды/текучей среды в сверхкритическом состоянии. Соответствующая охлаждающая среда для этой цели представляет собой, например, диоксид углерода (CO) с критической температурой 31,0°C и с критическим давлением 73,8 бар. То есть, контур 38 охлаждения должен конструироваться, чтобы выдерживать такие высокие давления, выше критического давления. Сверхкритический режим работы является преимущественным благодаря высокой плотности охлаждающей среды в этом состоянии, при соответствующей высокой способности к теплопереносу и высокой текучести в системе линий контура 38 охлаждения.
Лежащий в основе процесс Джоуля для сверхкритической текучей среды, здесь, для хладагента на основе диоксида углерода, визуализирован на диаграмме на Фиг.4, где давление p показано как функция энтальпии h (p-h диаграмма). Расширение текучей среды в детандере 42 и сжатие посредством компрессорного насоса 46 являются примерно изоэнтропийными процессами, в то время как нагрев и охлаждение в соответствующих теплообменниках 40, 44 являются примерно изобарическими процессами. Этот вид контроля процесса является особенно пригодным для использования пригодной для использования избыточной энергии с высоким выходом.
Обращаясь теперь к Фиг.1, здесь, для самоподдерживающейся работы контура 38 охлаждения, детандер 42 снабжает энергией компрессорный насос 46. Это предпочтительно достигается, когда детандер 42 и компрессорный насос 46 механически соединены друг с другом, предпочтительно, с помощью общего вала, а при необходимости с помощью передаточных шестерен между ними. Однако возможны также и другие варианты, например, с генерацией электрической энергии с помощью электрического генератора 48. Генерируемое электричество приводило бы затем в действие мотор компрессорного насоса 46. При необходимости, временное хранение электрической энергии может иметь место в соответствующих установках для хранения подобных аккумуляторам.
Для эффективной работы, дополнительный теплообменник 50 включается в контур охлаждения после первого теплообменника 40 и перед 38 детандером 42. На вторичной стороне теплообменник 50 соединен с горячей частью выпускной линии 10 между установкой 14 рекомбинатора и конденсатором 24 пара, так что ответвляющийся поток горячего выходящего потока служит в качестве нагревающей среды. Специальный дроссельный клапан 52 (смотри Фиг.2) в выпускной линии 10 и/или узел 22 фильтра (смотри Фиг.1), и/или другое устройство подобное паровой турбине 66 (смотри Фиг.3), действующее как дроссель, делает возможным обратное введение ответвляющегося потока в главный выходящий поток перед конденсатором 24 пара без активных приводных средств. Это означает, что линия 80 подачи для теплообменника 50 ответвляется от выпускной линии 10 перед дроссельной секцией, а возвратная линия 82 объединяется с выпускной линией 10 после дроссельной секции (если смотреть в направлении выходящего потока).
Таким образом, дополнительный теплообменник 50 действует в качестве рекуперационного подогревателя для охлаждающей среды, циркулирующей в контуре 38 охлаждения, перед поступлением в детандер 42. При этом, выход детандера 42 повышается, хотя и с потенциальным недостатком введения дополнительного тепла в контур 38 охлаждения.
В предпочтительном варианте осуществления, показанном на Фиг.2, вихревой охладитель 54 устанавливается после компрессорного насоса 46 для дальнейшего охлаждения охлаждающей среды перед тем, как она повторно поступает в первый теплообменник 40 в первичном источнике тепла. Вихревой охладитель 54 или вихревая трубка представляет собой механическое устройство без подвижных деталей, которое разделяет поток текучей среды на горячий и холодный разветвляющиеся потоки посредством вихревого потока. Затем холодный поток поступает в первый теплообменник 40 через линию 56 для холодной текучей среды, а горячий ответвляющийся поток повторно инжектируется в главный контур охлаждения, непосредственно перед подогревателем 50 или в нем, через линию 58 для горячей текучей среды. Обнаружено, что таким образом, рассмотренный выше недостаток может компенсироваться для или устраняться, и может быть улучшена общая эффективность охлаждения системы.
В вихревой трубке текучая среда высокого давления инжектируется по касательной в вихревую камеру 60 и ускоряется до высокой скорости вращения. Благодаря коническому соплу 62 на конце трубки, только наружный слой сжатой текучей среды получает возможность покинуть ее на этом конце. Остальная часть текучей среды принудительно возвращается во внутренний вихрь, уменьшенного диаметра внутри наружного вихря. Эффективность охлаждения устройства скорее низкое, но устройство является полностью пассивным без подвижных деталей.
В предпочтительном варианте осуществления, показанном на Фиг.1 и на Фиг.2, детандер 42 снабжает энергией также воздуходувка 64, которая направлена на второй теплообменник 44 (он же воздушный охладитель), для улучшения его эффективности охлаждения. Это может достигаться либо посредством механического соединения, либо опосредованно, с помощью электрической энергии, генерируемой генератором 48, как показано на фигурах.
Сходным образом, детандер 42 также может снабжать энергией, по меньшей мере, частично, обратный компрессор 32 и/или обратный насос 36.
Вариант оболочечной системы защиты, показанной на Фиг.3, отличается от того, что показан на Фиг.1, тем, что имеется паровая турбина 66, включенная в выпускную линию 10 между установкой 14 рекомбинатора и конденсатором 24 пара. Паровая турбина 66 преобразует часть тепловой энергии, содержащейся в выходящем потоке, в механическую работу (примерно изоэнтропийное расширение) для приведения в действие, по меньшей мере, частично, обратного компрессора 32 и/или обратного насоса 36. Это достигается, например, непосредственно, с помощью механического соединения паровой турбины 66 с обратным компрессором 32 и/или обратным насосом 36, и/или опосредованно, с помощью генерирования электрической энергии посредством электрического генератора 68. Можно также иметь установку турбина-компрессор-генератор на одном валу. При необходимости, может иметь место временное хранение электрической энергии в соответствующих устройствах для хранения, подобных аккумуляторам.
Кроме того, механическая и/или электрическая энергия, генерируемая паровой турбины 66, может использоваться для приведения в действие, по меньшей мере, частично, компрессорного насоса 46 и/или воздуходувки 64 контура 38 охлаждения.
Как правило, доступная избыточная энергия будет зависеть от части водорода, содержащейся в выходящем потоке, и от энергии, необходимой для обратного компрессора 32, которая, в свою очередь, зависит от разности давлений между оболочкой 6 и конденсатором 24 пара во время операции удаления.
В варианте осуществления в соответствии с Фиг.3, линия 80 подачи для подогревателя 50 присоединяется к выпускной линии 10 перед паровой турбиной 66, в то время как возвратная линия 82 присоединяется после нее.
Вихревой охладитель 54, известный из Фиг.2, может, разумеется, также использоваться таким же способом в варианте осуществления в соответствии с Фиг.3.
Если доступное пространство внутри оболочки 6 достаточно большое, вся оболочечная система 8 защиты или ее части могут устанавливаться внутри оболочки 6.
Части системы защиты 8 оболочки, которые направлены на понижение давления и охлаждение, также известны как система 90 понижения давления и охлаждения.
Как видно из предыдущего описания, различные аспекты каждой из фигур могут объединяться с различными аспектами других фигур.
Атомная электростанция может принадлежать к любому известному типу, такому как BWR (кипящий реактор), PWR (водо-водяной реактор), WWER (водо-водяной энергетический реактор), HWR (реактор на тяжелой воде), HTR (высокотемпературный реактор).
Список ссылочных номеров
2
атомная электростанция
4
стенка оболочки
6
оболочка
8
оболочечная система защиты
10
выпускная линия
12
отсечной клапан
14
установка рекомбинатора
16
пламегаситель
18
контейнер-хранилище
20
линия подачи
22
устройство фильтра
24
конденсатор пара
26
контейнер
28
сопла
30
обратная линия
32
обратный компрессор
34
обратная линия
36
обратный насос
38
контур охлаждения
40
первый теплообменник
42
детандер
44
второй теплообменник
46
компрессорный насос
48
генератор
50
теплообменник (подогреватель)
52
дроссельный клапан
54
вихревой охладитель
56
линия для холодной текучей среды
58
линия для горячей текучей среды
60
вихревая камера
62
коническое сопло
64
воздуходувка
66
паровая турбина
68
генератор
80
линия подачи
82
возвратная линия
90
система понижения давления и охлаждения