Система аварийного расхолаживания
EMERGENCY COOLING SYSTEM

Изобретение относится к области ядерной энергетики и может быть использовано в системах аварийного расхолаживания ядерных реакторов без потребления внешних источников энергии.
Известна система пассивного отвода тепла ядерных установок, в которой отвод остаточных тепловыделений осуществляется в атмосферный воздух через воздушный теплообменник и промежуточный контур, подключенный к парогенератору параллельно второму контуру (Патент RU №2002320 от 16.05.1991, по кл. G21C 15/18). Причем, во время штатной работы ядерной установки для предотвращения замерзания трубной системы воздушного теплообменника из-за попадания холодного воздуха через неплотности организуется естественная циркуляция в промежуточном контуре.
Недостатком данной системы является то, что она не может быть применена для ядерных установок с прямоточным парогенератором из-за большого гидравлического сопротивления прямоточного парогенератора при номинальном расходе питательной воды. Как следствие большого сопротивления напор питательного насоса превышает движущий напор естественной циркуляции промежуточного контура, что не позволяет организовать протечку через промежуточный контур при работе питательного насоса. Кроме того, воздушный теплообменник имеет большие габариты.
Известна система пассивного отвода тепла от парогенераторов ядерных установок, в которой отвод остаточных тепловыделений осуществляется через промежуточный контур в атмосферный воздух за счет выпаривания запасов воды (Патент RU №2050025 от 14.05.1992 по кл. G21C 15/18). Отвод тепла из промежуточного контура организован через теплообменник, который в несколько раз меньше воздушного теплообменника за счет высокой эффективности теплопередачи. Система является предвключенной и потери через промежуточный контур отсутствуют.
Недостатком такой системы является ограниченное время функционирования. Резерв времени такой системы определяется объемом запасенной воды.
Известна система аварийного расхолаживания ядерных реакторов (см., например, патент RU №52245 от 12.07.2005 по кл. G21C 15/18), в которой отвод остаточных тепловыделений от активной зоны осуществляется через промежуточный контур с воздушным теплообменником. Избыточное давление в промежуточном контуре поддерживается с помощью компенсационного баллона с газом, а остаточные тепловыделения отводятся последовательно через воздушный теплообменник, затем через водяной теплообменник. Замерзание воздушного теплообменника в режиме ожидания предотвращается его осушением со стороны промежуточного контура.
Недостатком такой системы является ограниченный диапазон работы по температуре первого контура. Система работает эффективно в двухфазном режиме (пар-вода) циркуляции промежуточного контура. При понижении температуры первого контура система переходит в режим однофазной циркуляции. При этом газ, имеющийся в промежуточном контуре, собирается в верхней части контура и разрывает циркуляцию, полностью прекращая отвод тепла.
Известна система аварийного расхолаживания ядерных реакторов (см., например, патент RU№109898 от 27.10.201 1 по кл. G21C 15/18), содержащая прямоточный парогенератор, имеющий паровую и водяную ветки, емкость запаса воды, водяной теплообменник, воздушный теплообменник, подключенный параллельно паровой ветке системы, имеющий теплопередающую поверхность, обеспечивающую отвод остаточных тепловыделений после исчерпания запасов воды на испарение, что позволяет существенно уменьшить размеры воздушного теплообменника и объем запасов воды, обеспечить устойчивый отвод тепла в пассивном режиме от прямоточного парогенератора неограниченное время в широком диапазоне температур первого контура и обеспечить отвод тепла в случае отказа воздушного теплообменника.
Недостатком такой системы является необходимость размещения водяного теплообменника, расположенного в баке с запасом выпариваемой воды выше парогенератора, с целью организации естественной циркуляции. Это усложняет проектирование, строительство, обслуживание, эксплуатацию и осуществление мероприятий по управлению авариями. При судовом исполнении данной системы повышается центр масс судна (плавучая АЭС, атомный ледокол и др.), что ухудшает его остойчивость и мореходность.
Наиболее близким техническим решением является система аварийного расхолаживания, содержащая прямоточный теплообменник, соединенный паровой и водяной ветками с емкостью запаса воды, водяной теплообменник, воздушный теплообменник подводящей веткой соединен с паровым объемом емкости запаса воды, отводящей веткой с водяным объемом последней, кроме того, на водяной ветке между емкостью запаса воды и теплообменником установлен запорный клапан, параллельно которому подключен дроссельный элемент, или емкость запаса воды соединена трубопроводом через запорную арматуру со вторым контуром парогенератора, при этом подводящий к парогенератору трубопровод второго контура связан с водяной веткой, а отводящий с паровой веткой (Патент RU №152416 от 29.04.2015 G21C 15/18).
Недостатком данной системы является необходимость размещения воздушного теплообменника, расположенного в тяговой воздушной трубе, что влечет необходимость применения мер по предотвращению замерзания шиберов тяговой трубы и теплоносителя внутри теплообменных труб.
Технической задачей данного изобретения является создание системы аварийного расхолаживания, позволяющей обеспечить устойчивый отвод тепла на поздних этапах развития аварийного процесса вплоть до расхоложенного состояния реакторной установки и поддержание ее в этом состоянии.
Решение поставленной задачи позволяет повысить надежность работы системы аварийного расхолаживания и, следовательно, реакторной установки в целом.
Задача решается тем, что в состав системы аварийного расхолаживания, содержащей автономный прямоточный парогенератор, водяной теплообменник-доохладитель, паровую и водяные ветки, запорную арматуру, введены водяной теплообменник-конденсатор, соединенный паровой веткой с прямоточным парогенератором, а водяной веткой с водяным теплообменником-доохладителем, а так же перемычка, соединяющая паровую и водяную ветки, с установленным на ней устройством предотвращения обратного тока, соединяющая выход автономного прямоточного парогенератора с входом водяного теплообменника-доохладителя, причем запорная арматура расположена на входе и выходе автономного прямоточного парогенератора.
На фиг. 1 схематично показана система аварийного расхолаживания.
Система состоит из автономного прямоточного парогенератора 1, водяного теплообменника-конденсатора 2, водяного теплообменника-доохладителя 3, запорной арматуры по воде 5 и пару 4, устройства предотвращающего обратный ток 6.
Автономный прямоточный парогенератор 1 соединен паровой веткой 7 с водяным теплообменником-конденсатором 2. Водяной теплообменник-конденсатор 2 соединен водяной веткой 8 с водяным теплообменником-доохладителем 3, последний, в свою очередь, соединен водяной веткой 9 с автономным прямоточным парогенератором 1. Так же имеется перемычка 10, соединяющая паровую ветку 7 с веткой, соединяющей водяные теплообменники 8, на которой расположено устройство, предотвращающее обратный ток 6.
Система аварийного расхолаживания работает следующим образом. Исходно система аварийного расхолаживания отключена от автономного прямоточного парогенератора 1 по пару и воде, и находится в режиме ожидания.
При возникновении аварийной ситуации происходит пуск системы посредством открытия отсечной арматуры по воде 5 и пару 4. В системе развивается естественная циркуляция через водяной теплообменник-конденсатор 2 за счет разности плотностей пара (пароводяной смеси), генерируемого в парогенераторе 1 и поступающего из парогенератора 1 в паровую ветку 7 и конденсата на выходе из водяного теплообменника-конденсатора 2.
Естественная циркуляция через водяной теплообменник-доохладитель 3 возникает за счет разности весов теплоносителя на опускном участке водяной ветки 8 и на соответствующем ей подъемном участке паровой ветки 7 контура. Отвод тепла в конечный поглотитель через водяной теплообменник-конденсатор 2 и водяной теплообменник-доохладитель 3 осуществляется параллельно.
На поздних этапах развития аварии, в случае прекращения циркуляции через водяной теплообменник-конденсатор 2, циркуляция продолжается через перемычку 10 и теплоотвод через водяной теплообменник-доохладитель 3 сохраняется.
Таким образом, предлагаемое решение позволяет обеспечить устойчивый отвод тепла на поздних этапах развития аварийного процесса вплоть до расхоложенного состояния реакторной установки и поддерживать ее в этом состоянии, в результате чего повышается надежность работы системы аварийного расхолаживания и реакторной установки в целом.