Система снижения давления в гермооболочке, подпитки реакторной установки и бассейна выдержки
SYSTEM FOR PRESSURE REDUCTION IN THE HERMETIC SHELL, RECHARGE OF THE REACTOR PLANT AND THE SPENT FUEL POOL

Изобретение относится к теплообменной технике, и может быть использовано в качестве системы нормального и аварийного отвода тепла из контайнмента атомной электростанции (далее - АЭС).
Известна спринклерная система [1] защитной оболочки (далее - ЗО) реактора, соединенная с резервуаром со сжатым воздухом. Указанный резервуар соединен со спринклером через нагнетательный водяной трубопровод и с водяным нагнетательным насосом через его впускное отверстие. Кроме того, спринклерная система содержит источник воды с выпусным каналом, при этом между резервуаром со сжатым воздухом и спринклером в нагнетательном водяном трубопроводе установлен запорный клапан. Сухой и влажный боксы ЗО реактора соединены посредством вентиляционного канала. К спринклерной системе подключена система пожаротушения, которая, при необходимости, может быть снабжена насосом. Водяной бак, из которого вода поступает в ЗО, резервуар со сжатым воздухом, в котором временно хранится вода для тушения пожара, установлены таким образом, что формируют контур между противопожарным насосом, спринклером ЗО реактора и ответвлением трубопровода. Впускной и выпускной клапаны резервуара со сжатым воздухом установлены на передних и задних трубах. По сигналу высокого давления, поступающего с датчика давления, установленного на резервуаре со сжатым воздухом, выпускной клапан открывается, а по сигналу низкого давления также открывает выпускной клапана. Спринклерная система ЗО реактора снабжена контроллером клапанов, который управляет работой клапанов, а также в системе установлен клапан, который перекрывает вышеустановленное оборудование от системы пожаротушения и спринклерной системы ЗО.
Одним недостатком системы является низкая надежность, обусловленная следующими причинами:
- в системе отсутствуют компоненты, обеспечивающие защиту элементов системы от внешних и внутренних воздействий,
- для системы характерна высокая степень разветвленности коммуникаций, обеспечивающих функционирование системы, что повышает вероятность отказа системы при появлении сигнала с автоматизированных систем управления технологическими процессами (далее АСУ ТП);
- в системе отсутствует функция резервирования системы управления на запуск системы в работу, т.к. основной сигнал на срабатывание поступает от емкости под давлением.
Еще одним недостатком системы является низкая автономность, обусловленная тем, что в ней используются насосные устройства, требующие наличия источников питания, в связи с чем, в случае недоступности таких источников (повреждение, выход из строя и т.д.), насосные устройства не могут быть приведены в действие.
Известна спринклерная система [2] здания реактора, содержащая первый бак хранения охлаждающей жидкости, первый питающий трубопровод, в котором установлен питающий насос, предназначенный для нагнетания давления охлаждающей воды, поступающей из первого бака хранения для последующего ее распыления внутри здания реактора, циркуляционный трубопровод, по которому циркулирует охлаждающая воды, расплыляемая внутрь здания реактора, второй питающий трубопровод, выходящий из первого питающего трубопровода и соединенный с переносным насосным ТС, при этом второй питающий насос образует контур, по которому дополнительная охлаждающая вода, поступающая с переносного насосного ТС, подается на первый питающий трубопровод в случае отказа спринклерного насоса, и второй бак хранения, соединенный с первым питающим трубопроводом и предназначенный для смешивания гидроксида натрия с охлаждающей водой в течение предварительно установленного времени после первого впрыска внутрь здания реактора охлаждающей воды из первого бака хранения.
Недостатком системы является низкая надежность, обусловленная следующими причинами:
- в системе отсутствуют компоненты, обеспечивающие защиту элементов системы от внешних и внутренних воздействий,
- для системы характерна высокая степень разветвленности коммуникаций, обеспечивающих функционирование системы, что повышает вероятность отказа системы при появлении сигнала с автоматизированных систем управления технологическими процессами (далее АСУ ТП);
- при отказе трубопроводов среды на всас насосов возникает возможность выноса продуктов деления из-под внутренней оболочки зоны локализации аварии.
Известна система [3] аварийного охлаждения ядерной энергетической установки и внутреннего объема противоаварийной оболочки, содержащая спринклерные форсунки, размещенные внутри герметичной противоаварийной оболочки, и углубление для сбора теплоносителя в полу противоаварийной оболочки, по меньшей мере один насос, соединенный с углублением всасывающим трубопроводом с установленными в нем теплообменником и отсекающим вентилем, и нагнетающие трубопроводы, соединяющие насосы со спринклерными форсунками и реактором ядерной энергетической установки, при этом в углублении установлена вертикальная шахта, в верхней части которой размещен реактор, а в нижней - устройство локализации расплава, вокруг нижней части шахты размещен водосборник, соединенный с насосами всасывающими трубопроводами, проходящими через, по меньшей мере, одну вентильную камеру, в которой размещены отсекающие вентили, а в стене нижней части шахты выполнено, по меньшей мере, одно отверстие с возможностью поступления теплоносителя к устройству локализации расплава.
Недостатком системы является низкая надежность, обусловленная следующими причинами:
- в системе отсутствуют компоненты, обеспечивающие защиту элементов системы от внешних и внутренних воздействий,
- для системы характерна высокая степень разветвленности коммуникаций, обеспечивающих функционирование системы, что повышает вероятность отказа системы при появлении сигнала с автоматизированных систем управления технологическими процессами (далее АСУ ТП);
- при отказе трубопроводов среды на всас насосов возникает возможность выноса продуктов деления из-под внутренней оболочки зоны локализации аварии.
Известна полностью пассивная система [4] охлаждения АЗ реактора после аварии на АЭС с ВВЭР, содержащая защитное здание, имеющее внешнюю стену и сквозное воздушное впускное отверстие, размещенное в верхней части внешней стены, водяной бак, расположенный в верхней части защитного здания, распределительный лист охлаждающей воды, расположенный над верхней частью контайнмента внутри защитного здания, распределительный трубопровод, расположенный внутри верхней части защитного здания и имеющий впускной водяной патрубок и выпускной водяной патрубок, при этом впускной водяной патрубок соединен с нижней частью водяного бака, а выпускной водяной патрубок проходит выше распределительного листа охлаждающей воды; и воздушный дефлектор, расположенный между защитным зданием и контайнментом, верхний конец которого соединен с внутренней частью верхней части защитного здания, при этом сверху защитного железобетонного здания размещена дымовая труба, при этом водяной бак размещен вокруг дымовой трубы, и верхняя часть защитного здания выполнена в виде двухслойной конструкции, при этом верхняя часть указанной двухслойной железобетонной конструкции сформирована на верхнем конце цилиндрической железобетонной конструкции, при этом сверху выполнен цилиндрический железобетонный воздушный канал, а двухслойная железобетонная верхняя часть образует водяной бак.
Недостатком системы является низкая надежность, обусловленная следующими причинами:
- в системе отсутствуют компоненты, обеспечивающие защиту элементов системы от внешних и внутренних воздействий,
- в системе отсутствует возможность использования запасов воды в баках для локализации пожаров внутри контайнмента и подпидки реакторной установки (далее - РУ) и бассейна выдержки (далее - БВ) при течах;
- в системе отсутствует возможность проверки и подтверждения ее характеристик при сооружении, вводе в эксплуатацию и эксплуатации энергоблока АЭС из-за невозможности имитации режимов разрывов полным сечением высокоэнергетических трубопроводов РУ.
Известна пассивная спринклерная система [5] контайнмента, содержащая бак хранения распылительной жидкости, которая соединена с контайнментом, в котором размещен корпус реактора, и обеспечивает равномерность давления с контайнментом, распылительный трубопровод, установленный внутри контайнмента таким образом, что в случае аварии, охлаждающая жидкость, подаваемая из бака хранения, впрыскивается в контайнмент через спринклерный трубопровод из-за повышения давления внутри контайнмента, и соединительный трубопровод, один конец которого введен в бак хранения для формирования канала течения охлаждающей жидкости, а другой конец соединен со спринклерным трубопроводом для подачи охлаждающей жидкости пассивным способом в спринклерный трубопровод, в случае повышения давления в контайнменте при аварии, в результате чего осуществляется поток охлаждающей жидкости.
Недостатком системы является низкая надежность, обусловленная следующими причинами:
- в системе отсутствует возможность использования запасов воды в баках для локализации пожаров внутри контайнмента и подпитки РУ и БВ при течах;
- в системе отсутствуют компоненты, обеспечивающие снижение давления в контайнменте при резком росте давления;
- в системе отсутствует возможность проверки и подтверждения ее характеристик при сооружении, вводе в эксплуатацию и эксплуатации энергоблока АЭС из-за невозможности имитации режимов разрывов полным сечением высокоэнергетических трубопроводов РУ.
Известна пассивная спринклерная система [6] охлаждения контайнмента, содержащая бак хранения охлаждающей жидкости, первый и второй теплообменники, установленные внутри и снаружи контайнмента, соединенные друг с другом через циркуляционный трубопровод и обеспечивающие циркуляцию охлаждающей жидкости, подаваемой из бака хранения при условии, если давление в контайнменте поднимается выше установленного давления, для снижения давления в контайнменте, спринклер, установленный в контайнменте, который предназначен для распыления охлаждающей жидкости, подаваемой из бака хранения в контайнмент при повышении давления выше установленного давления, и распределительный трубопровод, один конец которого введен в бак хранения и предназначен для подачи охлаждающей жидкости в первый теплообменник, второй теплообменник, и спринклер, а второй конец соединен с первым теплообменником. Распределительный трубопровод соединен с распылителем и разведен между одним концом и другим концом спринклера.
Недостатком системы является низкая надежность, обусловленная следующими причинами:
- спринклер системы имеет ограниченный объем емкости;
- запасы воды в спринклере и баках хранения охлаждающей жидкости для подпитки РУ и БВ не могут быть использованы при наличии течей в указанных компонентах;
- спринклер установлен под куполом ЗО, что снижает возможность устранения неисправностей спринклера при эксплуатации энергоблока АЭС на мощности;
- функционирование системы зависит от функционирования другой системы безопасности;
- в системе отсутствует возможность проверки и подтверждения ее характеристик при сооружении, вводе в эксплуатацию и эксплуатации энергоблока АЭС.
Известно пассивное спринклерное устройство [7] контайнмента, содержащее спринклерный блок, соединенный с кольцеобразной спринклерной головкой посредством трубопровода подачи воды, и кольцеобразный спринклерный коллектор. Спринклерная головка (трубопровод) размещена выше купола, при этом между трубопроводом подачи воды и кольцеобразной спринклерной головкой установлена группа клапанов.
Недостатком системы является низкая надежность, обусловленная следующими причинами:
- в системе отсутствуют компоненты, обеспечивающие защиту элементов системы от внешних и внутренних воздействий,
- в системе отсутствует возможность использования запасов воды в баках для локализации пожаров внутри контайнмента и подпитки РУ и БВ при течах;
- для системы характерна высокая степень разветвленности коммуникаций, обеспечивающих функционирование системы, что повышает вероятность отказа системы при появлении сигнала с автоматизированных систем управления технологическими процессами (далее АСУ ТП);
- в системе отсутствует возможность проверки и подтверждения ее характеристик при сооружении, вводе в эксплуатацию и эксплуатации энергоблока АЭС.
Технический результат заявленного изобретения заключается в повышении надежности РУ и защитной оболочки АЭС.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание системы снижения давления в гермооболочке, обеспечивающей снижение давления в контайнменте за счет использования пассивных элементов, не требующих подключения к источникам питания, а также резервирование систем и средств, предназначенных для устранения пожаров в контайнменте и расхолаживания реакторной установки и бассейна выдержки при авариях с течами.
Поставленная задача решается за счет того, что в системе снижения давления в гермооболочке, содержащей внешнюю защитную оболочку, внутреннюю защитную оболочку с размещенной в ней системой распыления охлаждающей среды, соединенной посредством трубопроводов и арматуры с емкостью запаса хладоносителя и контрольно-измерительными приборами, согласно изобретению, емкость запаса хладоносителя выполнена в форме нескольких труб, соединенных между собой общим коллектором, трубы размещены на опорных устройствах или консолях, установленных на внутренней поверхности внешней защитной оболочки или на внешней поверхности внутренней защитной оболочки, при этом трубы, опорные устройства или консоли установлены параллельно или под углом или перпендикулярно к плоскости основания внешней и внутренней защитных оболочек и снабжены демпфирующими устройствами.
Дополнительно, в системе снижения давления в гермооболочке, согласно изобретению, внешняя и внутренняя защитные оболочки выполнены из бетона или металла.
Существенным признаком заявленного изобретения является то, что емкости запаса хладоносителя выполнены в форме труб, размещены между внутренней и внешней защитными оболочками и соединены с ними посредством демпфирующих устройств. Такая конструкция позволяет обеспечить высокую прочность защитной оболочки АЭС за счет того, что трубы, формирующие емкость запаса хладоносителя, размещены между внутренней и внешней защитными оболочками и соединены с ними посредством демпфирующих устройств и выполняют функцию силового каркаса, который воспринимает на себя ударные нагрузки и одновременно с этим сохраняет работоспособность за счет демпфирования от демпфирующих устройства. Ввиду того, что трубы емкости запаса хладоносителя размещены между внешней и внутренней защитными оболочками, увеличивается возможность запаса хладоносителя, что позволяет повысить автономность и длительность расхолаживания реакторной установки и бассейна выдержки. Ввиду того, что трубы емкости запаса хладоносителя соединены с системой распыления, это позволяет дополнительно использовать систему для устранения пожара.
Дополнительно, внешняя и внутренняя защитные оболочки могут быть выполнены из бетона или металла в зависимости от условий эксплуатации АЭС.
На фиг. 1 изображена система снижения давления в гермооболочке, выполненная в соответствии с заявленным изобретением, в которой трубы емкости запаса хладоносителя, опорные устройства или консоли установлены параллельно к плоскости основания внешней и внутренней защитных оболочек.
На фиг. 2 изображена система снижения давления в гермооболочке, выполненная в соответствии с заявленным изобретением, в которой трубы емкости запаса хладоносителя, опорные устройства или консоли установлены под углом к плоскости основания внешней и внутренней защитных оболочек.
На фиг. 3 изображена схема соединения труб емкости запаса хладоносителя с общим коллектором.
Как показано на фиг. 1, система снижения давления в гермооболочке содержит внешнюю защитную оболочку (3) и внутреннюю защитную оболочку (4). Внутри внутренней защитной оболочки (4) размещена система (5) распыления хладоносителя. Система (5) распыления хладоносителя соединена посредством трубопроводов (6) и запорных устройств (7) с емкостью (8) запаса хладоносителя. Емкость (8) запаса хладоносителя выполнена в форме нескольких кольцевых труб и соединена с реакторной установкой (1) и бассейном (2) выдержки через запорные устройства (9). Трубы соединены между собой общим коллектором (10) и установлены на опорных устройствах или консолях (11). Опорные устройства или консоли (11) установлены на внутренней поверхности внешней защитной оболочки (3) или на внешней поверхности внутренней защитной оболочки (4). Трубы, опорные устройства или консоли (11) установлены параллельно плоскости (13) основания внешней и внутренней защитных оболочек (3), (4) и снабжены демпфирующими устройствами (12). Для подпитки и создания пускового давления в емкости (8) запаса хладоносителя и/или поддержания требуемого водно-химического режима охладителя используются баллон и/или группа баллонов (14) под давлением газа или воздуха, имеющего ограничения по содержанию кислорода.
Заявленное изобретение реализуется следующим образом. На строительной площадке сооружают гермооболочку, внутри которой размещена реакторная установка (1) и бассейн (2) выдержки. Бассейн (2) выдержки может быть размещен за пределами гермооболочки. Гермооболочка представляет собой сооружение, состоящее из внутренней защитной оболочки (3) и внешней защитной оболочки (4). Указанные защитные оболочки представляют собой стеновые конструкции, которые могут быть выполнены из бетона или металла. В целом, внутреннюю и внешнюю защитные оболочки (3), (4) выполняются с применением общеизвестных строительных технологий. Внешнюю и внутреннюю защитные оболочки (3), (4) размещают таким образом, что между указанными оболочками образуется свободное пространство. Перекрытие, размещенное в верхней части защитной оболочки, может быть выполнено в куполообразной форме, либо прямоугольной форме. С внутренней стороны внутренней защитной оболочки (4) на ее боковых стенах, а также на перекрытии размещают элементы системы (5) распыления хладоносителя. В качестве элементов распыления хладоносителя могут быть использованы форсунки, спринклерные распылители и другие аналогичные устройства. Элементы распыления хладоносителя соединяют посредством трубопроводов (6) и запорных устройств (7) с емкостью (8) запаса хладоносителя. Емкость (8) запаса хладоносителя выполняют из нескольких кольцевых труб. Указанные кольцевые трубы с общим коллектором (10) могут быть установлены, по меньшей мере, в трех положениях: параллельно плоскости (13) основания внутренней и внешней защитных оболочек (3), (4), под углом относительно плоскости (13) основания внутренней и внешней защитных оболочек (3), (4), перпендикулярно плоскости (13) основания внутренней и внешней защитных оболочек (3), (4). Кольцевые трубы устанавливают на консолях (11), которые соединены с внутренней поверхностью внешней защитной оболочки (3). Для обеспечения циркуляции хладоносителя в трубах, указанные трубы снабжают коллектором (10). Коллектор (10) может быть также выполнен в форме кольцевой трубы. Дополнительно, кольцевые трубы закрепляют на внутренней поверхности внешней защитной оболочки (3) через демпфирующие устройства (12). Демпфирующие устройства (12) закрепляют параллельно плоскости (13) основания внутренней и внешней защитных оболочек (3), (4).
В случае повышения давления внутри гермооболочки или снижения уровня воды в реакторной установке (1) и бассейне (2) выдержки, зафиксированного посредством контрольно-измерительных приборов, автоматизированная система управления формирует сигналы, которые передаются на запорные устройства (7) на трубопроводах. Запорные устройства (7) открываются и хладоноситель из емкости (8) под действием давления газа (воздуха) подается либо на элементы системы (5) распыления, либо в реакторную установку (1), либо в бассейн (2) выдержки через запорную арматуру (9) для выполнения функций снижения давления в гермооболочке и/или подпитки реакторной установки (1) и/или бассейна (2) выдержки при разгерметизации.
Источники информации:
1. Заявка Японии JPH 09105795, МПК G21C 15/18, приоритет от 12.10.1995;
2. Патент Кореи KR 102062955, МПК G21C 15/18, приоритет от 30.08.2017;
3. Патент РФ RU 2721384, МПК G21C 15/18, приоритет от 01.07.2019;
4. Патент США US 9570204, МПК G21C 15/18, приоритет от 31.12.2013;
5. Патент США US 10319481, МПК G21C 15/18, приоритет от 07.05.2014;
6. Патент Кореи KR 101502395, МПК G21C 15/18, приоритет от 28.04.2014;
7. Патент КНР CN103489490, МПК G21C 15/18, приоритет от 13.06.2012.