ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА, СОДЕРЖАЩАЯ СИСТЕМУ ФИЛЬТРУЕМОГО СБРОСА ДАВЛЕНИЯ ИЗ ЗАЩИТНОЙ ОБОЛОЧКИ РЕАКТОРА
NUCLEAR POWER PLANT CONTAINING SYSTEM OF FILTERED PRESSURE RELEASE FROM REACTOR CONTAINMENT

Изобретение относится к ядерной энергетической установке с защитной оболочкой реактора и системой фильтруемого сброса давления из защитной оболочки реактора.
2
В документе уровня техники US 2016/0019987 А1, принадлежащем компании AREVA GmbH, раскрыта система фильтруемого сброса давления из защитной оболочки реактора (FCVS) для защитной оболочки 4 ядерного реактора (см. фигуру). Она включает линию 28 сброса давления, ведущую изнутри защитной оболочки реактора наружу. У входа в линию 28 сброса давления (также называемую «сбрасывающей линией») имеется каталитический рекомбинатор 96 для удаления водорода (Н). Далее по потоку и еще внутри защитной оболочки реактора линия сброса давления ведет в мокрый скруббер 36 с промывочной жидкостью, содержащейся в нижней части, и газовым куполом над ней. Газовый купол герметичен относительно защитной оболочки реактора, так что во время операции сброса давления имеется градиент давления от атмосферы защитной оболочки реактора к газовому куполу и к внешней среде, делающий возможной операцию сброса давления. От газового купола линия 28 сброса давления проходит через стенку защитной оболочки реактора, дроссельный клапан 64 и к выпуску в трубу 68.
Если промывочная жидкость в мокром скруббере 36 опускается ниже критического уровня вследствие испарения, автоматически выполняется повторное заполнение или пополнение. Воду из сборника 100 защитной оболочки реактора подают в мокрый скруббер 36 по линии 72 подачи. Благодаря превалирующим градиентам давления это происходит в пассивном режиме.
Однако, поскольку в условиях крупной аварии в мокрый скруббер может поступить большое количество тепла из атмосферы защитной оболочки реактора и экзотермической реакции в каталитическом рекомбинаторе, пополнение через линию подачи может быть недостаточно быстрым для того, чтобы исключить временную работу мокрого скруббера всухую и отрицательные последствия в отношении удерживания радиоактивных частиц.
Следовательно, задачей настоящего изобретения является обеспечение системы фильтруемого сброса давления из защитной оболочки реактора ядерной энергетической установки указанного выше типа, включающей мокрый скруббер для сбрасываемого потока, которая надежным образом предотвращает риск взрывов водорода, и которая исключает риск работы мокрого скруббера всухую во время операции сброса давления.
Эта задача достигается посредством ядерной энергетической установки с признаками по п. 1 формулы изобретения.
Таким образом, настоящее изобретение обеспечивает ядерную энергетическую установку, включающую защитную оболочку и систему фильтруемого сброса давления из защитной оболочки, причем
- система фильтруемого сброса давления из защитной оболочки реактора включает линию сброса давления, ведущую из внутреннего пространства защитной оболочки наружу,
- на впуске (12) линии (10) сброса давления или сразу за ним расположен каталитический рекомбинатор (20) для удаления водорода и дополнительно ниже по потоку в линию сброса давления включен мокрый скруббер ,
- причем мокрый скруббер расположен внутри защитной оболочки реактора и включает отсек промывочной жидкости для промывочной жидкости в нем и газовый купол над ним, так что во время операции сброса давления сбрасываемый поток промывается промывочной жидкостью и затем поступает в газовый купол,
- газовый купол герметичен относительно атмосферы защитной оболочки реактора,
причем отсек промывочной жидкости является частью более крупного резервуара, расположенного внутри защитной оболочки реактора, и причем отсек промывочной жидкости проточно сообщается с остальной частью резервуара так, что промывочная жидкость, утраченная в отсеке промывочной жидкости из-за испарения, автоматически пополняется жидкостью из резервуара.
Благодаря размещению каталитического рекомбинатора на входе линии сброса давления исключается наличие критических концентраций водорода далее по потоку. В отличие от мокрого скруббера с закрытым баком для промывочной жидкости в описываемой конфигурации, в которой мокрый скруббер реализован в форме отсека более крупного резервуара, испарившаяся промывочная жидкость автоматически восполняется быстро и, если нужно, в большом количестве из остальной части резервуара. Этот механизм надежно реализуется даже тогда, когда сбрасываемый поток содержит перегретые порции, вызывающие относительно быстрое испарение промывочной жидкости.
Предпочтительно, резервуар расположен в сборнике защитной оболочки реактора.
3
3
Предпочтительно, объем жидкости в резервуаре составляет по меньшей мере 50 м, более предпочтительно, по меньшей мере 100 м.
Предпочтительно, стенка, ограничивающая отсек промывочной жидкости и газовый купол, имеет форму колпака или (перевернутой) чаши или колокола, частично погружающейся в находящуюся в резервуаре жидкость.
Предпочтительно, отношение А1/А2, устанавливающее связь между площадью А2 поверхности промывочной жидкости в отсеке промывочной жидкости и площадью А1 жидкости в остальной части резервуара, находится в диапазоне от 2 до 10. При таком отношении возможен массовый расход сбрасываемого потока, инжектируемого в отсек промывочной жидкости, в диапазоне от 0,2 до 20 кг/с при скорости потока в сбрасывающей линии в диапазоне от 0,1 до 20 м/с.
Предпочтительно, глубина погружения стенки отсека в жидкость внутри резервуара находится в диапазоне от 1,5h до 2h, где h представляет собой глубину погружения в жидкость линии сброса давления, измеренную у выходного сопла.
Предпочтительно, ядерная энергетическая установка включает линию рециркуляции, расположенную параллельную каталитическому рекомбинатору, рециркулирующую часть сбрасываемого потока из выпуска каталитического рекомбинатора в его впуск. Этот признак служит для разбавления сбрасываемого потока, поступающего в каталитический рекомбинатор по отношению к водороду, чтобы ограничить термическую нагрузку на последующие компоненты FCVS.
Предпочтительно, для повторной инжекции рециркулируемой части в сбрасываемый поток имеется струйный насос, приводимый в действие сбрасываемым потоком.
Предпочтительно, ниже по потоку от мокрого скруббера расположен дроссельный клапан, включенный в линию сброса давления, предназначенный для работы в режиме критического расширения для облегчения достижения постоянного объемного расхода. Эта концепция более подробно поясняется в DE 10328773 В3, включенном в настоящий документ по ссылке.
Предпочтительно, ниже по потоку от мокрого скруббера и выше по потоку от упомянутого дроссельного клапана расположен фильтрующий узел с молекулярным ситом или подобным адсорбирующим фильтром, включенный в линию сброса давления, главным образом, с целью удаления йода.
Предпочтительно, ядерная энергетическая установка включает отводную линию, ответвляющуюся от линии сброса давления, проведенную с термическим контактом вдоль молекулярного сита для упрощения нагревания молекулярного сита.
Предпочтительно, ниже по потоку от мокрого скруббера имеется центробежный сепаратор или ламельный сепаратор, включенный в линию сброса давления.
Предпочтительно, мокрый скруббер включает некоторое число сопел Вентури, погружающихся по меньшей мере частично в промывочную жидкость.
Таким образом, настоящим изобретением, помимо прочих, обеспечиваются следующие преимущества:
- Процесс сброса давления может быть начат даже тогда, когда в атмосфере защитной оболочки реактора имеются значительные порции перегретого газа или пара, приводящие к значительному подводу тепла к FCVS. Такие состояния перегрева в атмосфере защитной оболочки реактора могут возникать, например, когда активная зона в сосуде высокого давления реактора ядерной энергетической установки работает всухую и начинает взаимодействовать с окружающими бетонными конструкциями.
- В FCVS интегрирована полностью пассивная система охлаждения, в которой в качестве теплопоглотителя используются существующие, в других отношениях не используемые большие резервуары с жидкостью, такие как сборник защитной оболочки реактора.
- Жидкость в резервуаре также выполняет роль достаточного вместилища радиоактивных частиц.
- В FCVS отсутствует риск воспламенения или детонации со стороны входа каталитического рекомбинатора. Это справедливо уже для самого начала процесса сброса давления, когда сбрасываемый поток еще не инертирован паром, или когда инертирование паром ослаблено из-за конденсации пара в FCVS.
- Вся совокупность средств фильтрации и удерживания радиоактивных частиц может находиться в защитной оболочке реактора.
- Кроме того, вся часть высокого давления FCVS, включая дроссельный клапан для сдвига давления путем расширения, может находиться в защитной оболочке реактора.
- Нет необходимости в громоздком герметичном контейнере для мокрого скруббера, напротив, достаточно намного более компактного колпака/чаши, погруженного в резервуар.
- Данная FCVS может быть использована для модернизации существующих ядерных энергетических установок.
Эти и другие преимущества, связанные с изобретением, а также конструкционные и функциональные особенности, станут более понятны и последующего подробного описания.
Примерные варианты осуществления изобретения описаны со ссылкой на прилагаемые чертежи.
На фиг. 1 схематично представлен общий вид первого варианта системы фильтруемого сброса давления из защитной оболочки ядерной энергетической установки.
На фиг. 2 показан второй вариант.
Аналогичные технические элементы на обеих фигурах обозначены одинаковыми номерами позиций.
На фиг. 1 схематично показана система (FCVS) 2 фильтруемого сброса давления из защитной оболочки реактора ядерной энергетической установки 4. Ядерная энергетическая установка 4 включает стенку 6 защитной оболочки реактора, которая охватывает защитную оболочку 8 реактора, таким образом, защитная оболочка 8 реактора герметична относительно окружающей среды. В случае крупной аварии с выбросом пара и условиями перегрева внутри защитной оболочки реактора FCVS 2 призвана обеспечить сброс давления в атмосфере 110 защитной оболочки реактора путем выпуска ее части в окружающую среду. В ходе операции сброса давления, которая также именуется продувкой, фильтры, встроенные в FCVS 2, обеспечивают задержание аэрозолей, йода, соединений йода и других радиоактивных частиц, присутствующих в сбрасываемом потоке.
FCVS 2 включает линию 10 сброса давления, также именуемую сбрасывающей линией, идущей от впуска 12 внутри защитной оболочки 8 реактора к выпуску 14 снаружи, проходя посредством этого через стенку 6 защитной оболочки реактора в проходной втулке 16. При нормальной работе ядерной энергетической установки 4 линия 10 сброса давления закрыта рядом изолирующих клапанов 18, распложенных, предпочтительно, непосредственно после стенки 6 защитной оболочки реактора при взгляде вдоль направления сбрасываемого потока, показанного стрелками. В ходе операции сброса давления изолирующие клапаны 18 открыты, так что и выпускаемый поток проходит по линии 10 сброса давления от впуска 12 до выпуска 14, приводимый в движение (только) преобладающим перепадом давления.
Сразу за впуском 12, у самого начала линии 10 сброса давления находится каталитический рекомбинатор 20, также известный как пассивный автокаталитический рекомбинатор (PAR), включенный в линию 10 сброса давления. Каталитический рекомбинатор 20 предназначен для беспламенной каталитической рекомбинации водорода и кислорода, присутствующих в сбрасываемом потоке. Задачей каталитического рекомбинатора 20 в данной точке является предотвращение наличия критической концентрации воспламеняющихся газовых смесей в последующих сегментах FCVS 2 независимо от состояния и состава атмосферы 110 защитной оболочки.
Кроме этого, имеется линия 22 рециркуляции, расположенная параллельно каталитическому рекомбинатору 20, ответвляющаяся от линии 10 сброса давления у выпуска 24 каталитического рекомбинатора и идущая снова к его впуску 26. При такой конструкции часть сбрасываемого потока с относительно низкой концентрацией водорода, выходящего из выпуска 24 каталитического рекомбинатора 20, рециркулируется во впуск 26, где смешивается с входящим сбрасываемым потоком с относительно высокой концентрацией водорода, поступающим из впуска 12 линии 10 сброса давления. Рециркулируемая часть сбрасываемого потока, предпочтительно, пассивно возвращается в сбрасываемый поток при помощи струйного насоса 28, приводимого в действие (основным) сбрасываемым потоком. То есть, струйный насос 28 включен в линию 10 сброса давления по потоку выше каталитического рекомбинатора 20, при этом, линия 22 рециркуляции соединена со всасывающим отверстием 32 струйного насоса. В качестве альтернативы, может быть достаточного простого соединения линий со стороны впуска каталитического рекомбинатора 20. Чтобы компенсировать разные величины давления на впуске 26 и выпуске 24 каталитического рекомбинатора 20, имеется дроссельный клапан 30, включенный в линию 22 рециркуляции.
Таким образом, сбрасываемый поток разбавляется в отношении концентрации водорода перед поступлением в каталитический рекомбинатор 20. Это делается для ограничения концентрации водорода в каталитическом рекомбинаторе 20 и, следовательно, термической нагрузки на каталитический рекомбинатор 20 и подвода тепла к последующим компонентам FCVS 2 ниже по потоку.
Далее, ниже по потоку, может находиться отводная линия 34, ответвляющаяся от линии 10 сброса давления в соединении 38, при этом, дроссельный клапан 40 предотвращает обратный поток. Горячая текучая среда, перемещающаяся по отводной линии 34, может быть использована для рекуперативного нагревания других компонентов FCVS 2, таких как молекулярное сито (как описано ниже).
Еще ниже по потоку может находиться контейнер 42 для хранения химического реагента 44, соединенный с линией 10 сброса давления посредством нагнетательной линии 46. Путем подачи в сбрасываемый поток (или, в качестве альтернативы, непосредственно в мокрый скруббер 48) надлежащего реагента может быть выгодным образом отрегулирована величина рН промывочной жидкости в мокром скруббере 48 еще ниже по потоку (см. далее), благодаря чему улучшается задержание, в частности, йода и/или соединений йода.
Далее, ниже по потоку, линия 10 сброса давления входит в мокрый скруббер 48. Мокрый скруббер 48 расположен внутри защитной оболочки 8 реактора и включает отсек 50 промывочной жидкости и газовый купол 52 над ним. Отсек 50 промывочной жидкости заполнен промывочной жидкостью 54, в предпочтительном варианте осуществления изобретения, в основном, водой. Газовый купол 52 герметизирован относительно атмосферы 110 защитной оболочки реактора куполообразной крышкой 56. Линия 10 сброса давления входит в отсек 50 промывочной жидкости, где сбрасываемый поток эжектируется в промывочную жидкость 54 через некоторое число выходных сопел 58, установленных параллельно. В предпочтительном варианте осуществления изобретения выходные сопла 58 имеют конструкцию сопел Вентури, каждое из них имеет сужающуюся входную часть 60, среднюю часть 62 и расширяющуюся выходную часть 64, при этом, выпуск 66, предпочтительно, направлен вниз в промывочную жидкость 54. Узкая средняя часть 60 может включать некоторое число впускных отверстий для промывочной жидкости 54, захватываемой сбрасываемым потоком. Другими словами, в данной конструкции в ходе операции сброса давления газообразная часть эжектируемого сбрасываемого потока смешивается с промывочной жидкостью 54 и промывается ею благодаря эжекционным соплам 58, погруженным в промывочную жидкость 54, затем пузырьки газа поднимаются вверх по промывочной жидкости 54 и поступают в газовый купол 52. Предпочтительно, выходные сопла 58 расположены в центральной части отсека 50 промывочной жидкости.
В альтернативном варианте осуществления изобретения выходные сопла 58 могут располагаться так, чтобы эжекция сбрасываемого потока осуществлялась вверх, либо в промывочную жидкость 54, либо в газовый купол 52 над ней. В этом случае средняя часть 60 трубы сопла, предпочтительно, включает некоторое число впускных отверстий для промывочной жидкости 54, захватываемой сбрасываемым потоком и смешивающейся с ним.
3
3
3
Отсек 50 промывочной жидкости является частью более крупного резервуара 68, расположенного внутри защитной оболочки 8 реактора, при этом, промывочная жидкость 54, содержащаяся в отсеке 50 промывочной жидкости, проточно сообщается с жидкостью 70, содержащейся в остальной части резервуара 68 (следовательно, промывочная жидкость 54 и жидкость 70 являются практически одной и той же жидкостью). Предпочтительно, резервуар 68 расположен в сборнике защитной оболочки реактора, предпочтительно, общий объем жидкости 70 в резервуаре составляет от 50 до 300 м, в частности, по меньшей мене 100 м, тогда как объем промывочной жидкости 54 в отсеке 50 промывочной жидкости обычно лежит в диапазоне от 10 до 150 м. При такой конструкции гарантируется, что любая убыль промывочной жидкости 54 в отсеке 50 промывочной жидкости из-за испарения во время операции сброса давления почти немедленно восполняется жидкостью 70, притекающей из остальной части резервуара 68. Благодаря большому объему жидкости 70 в резервуаре 68 снижение уровня 71 жидкости в резервуаре 68 и, таким образом, в отсеке 50 промывочной жидкости пренебрежимо мало даже после нескольких часов операции сброса давления. Заметим, что во время операции сброса давления уровень жидкости в отсеке 50 промывочной жидкости обычно несколько выше уровня 71 жидкости снаружи из-за более низкого давления в газовом куполе 52 по сравнению с давлением атмосферы 110 защитной оболочки реактора (см. ниже). Однако при последующем рассмотрении этой разницей можно пренебречь.
В одном из предпочтительных вариантов осуществления изобретения стенка или крышка 56, ограничивающая отсек 50 промывочной жидкости и газовый купол 54, имеет форму чаши 74, частично погруженной в жидкость 70 в резервуаре 68. Предпочтительно, проточное сечение между отсеком 50 промывочной жидкости и остальной частью резервуара 68, которое представляет собой периферийную область между нижним краем 76 чаши 74 и дном 78 резервуара 68, характеризуется промежутком 79 с высотой, лежащей в диапазоне от 1 до 5 м. Следовательно, глубина 80 погружения стенки отсека или чаши 74 в жидкость 70 внутри резервуара 68, предпочтительно, несколько больше, чем глубина погружения h выходных сопел 58 в промывочную жидкость 54. Предпочтительно, глубина 80 погружения лежит в диапазоне от 1,5h до 2h.
Следовательно, с одной стороны, промежуток между нижним краем 76 чаши 74 и дном 78 резервуара 68 достаточно большой, что реализовать описанное выше проточное сечение. С другой стороны, глубина 80 погружения чаши 74 достаточно большая для того, чтобы гарантировать, что большая части пузырьков эжектированного газа будет собираться в газовом куполе 52, и что чаша 74 будет оставаться погруженной, когда уровень 71 жидкости в резервуаре 70 снизится из-за испарения до величины в диапазоне, например, от 0,2 до 1,5 м. Такой тип жидкостного затвора (уловителя) существенен для сохранения герметичности газового купола 52 относительно атмосферы 110 защитной оболочки, чтобы, при этом, во время операции сброса давления поддерживался градиент давления от атмосферы 110 защитной оболочки реактора к газовому куполу 52 и, далее, к атмосфере снаружи. Благодаря этому градиенту давления операция сброса давления происходит пассивно, без необходимости в применении активных насосов и т.п.
Далее по потоку промытый и охлажденный сбрасываемый поток выходит из газового купола 52 и проходит через последующие части линии 10 сброса давления. В начале этой части линии может быть предусмотрено наличие центробежного сепаратора 82 и/или ламельного сепаратора для удаления из сбрасываемого потока капель жидкости и тумана. Отделенную жидкость возвращают в мокрый скруббер 48 по возвратной линии 84. Еще ниже по потоку в линию 10 сброса давления может быть включен фильтр 86 аэрозоля.
Еще ниже по потоку от мокрого скруббера 48 может находиться дроссельный клапан 88, включенный в линию 10 сброса давления с целью расширительной сушки сбрасываемого потока в связи с относительно небольшим падением давления.
Далее по потоку, но, предпочтительно, все еще внутри защитной оболочки 8 реактора, может находиться фильтр 90 йода, включенный в линию 10 сброса давления, который, предпочтительно, включает молекулярное сито 92. Как отмечалось выше, молекулярное сито 92, предпочтительно, нагревают путем отведения части сбрасываемого потока из линии 10 сброса давления выше по потоку через теплообменник 93 для предотвращения конденсации сбрасываемого потока. Это нужно для того, чтобы под действием капель и влажности не повреждались чувствительные материалы фильтра.
Еще ниже по потоку относительно мокрого скруббера 48 и (необязательного) фильтра 90 йода, предпочтительно, внутри защитной оболочки 8 реактора имеется дроссельный клапан 94, включенный в линию 10 сброса давления, предназначенный для работы в режиме критического расширения (в режиме скользящего давления) для облегчения достижения постоянного объемного расхода.
Оставшаяся часть низкого давления линии 10 сброса давления наконец проходит через стенку 6 защитной оболочки реактора в проходной втулке 16, после чего достигает выпуска 14, обычно представляющего собой выводную трубу 96.
Вариант осуществления изобретения, показанный на фиг. 2, отличается от показанного на фиг. 1, главным образом, тем, что в нем имеется дополнительный мокрый скруббер 98, включенный в линию 10 сброса давления снаружи защитной оболочки 8 реактора. Этот дополнительный мокрый скруббер 98 включает замкнутый контейнер 100, в котором имеется на дне - промывочная жидкость 102, а над ней - газовый купол 104, некоторое число выходных сопел 106, предпочтительно, сопел Вентури, эжектирующих сбрасываемый поток в промывочную жидкость 102 или газовый купол 104, и фильтр 108 частиц, находящийся в газовом куполе 104. Задачей мокрого скруббера 48 в защитной оболочке 8 реактора является, главным образом, охлаждение или «гашение» горячего сбрасываемого потока, тогда как основной задачей второго мокрого скруббера 98 является промывка охлажденного сбрасываемого потока и, тем самым, задержание радиоактивных частиц в промывочной жидкости 102.
В варианте осуществления изобретения, соответствующем фиг. 2, первый мокрый скруббер 48 размещен так же, как показано на фиг. 1, и обеспечивает быстрое и надежное восполнение испарившейся промывочной жидкости из окружающего резервуара 70 или бассейна. Конструкция выходных сопел 58 может быть несколько проще, чем показано на фиг. 1. Благодаря начальному охлаждению в первом мокром скруббере 48 скорость испарения во втором мокром скруббере 98 относительно небольшая. Следовательно, может отсутствовать необходимость в обеспечении средства восполнения для второго мокрого скруббера 98.
Другим отличием по сравнению с фиг. 1 является то, что в варианте осуществления изобретения, соответствующем фиг. 2, дроссельный клапан 94, предназначенный для критического расширения, размещен в конце линии 10 сброса давления ниже по потоку от второго мокрого скруббера 98.
Молекулярное сито на фиг. 2 не показано, однако, также может присутствовать, предпочтительно, в сегменте линии 10 сброса давления, расположенном ниже по потоку от мокрого скруббера 98. Другие компоненты, показанные на фиг. 1, такие как средство подачи химического реагента или фильтр аэрозоля, также могут присутствовать в системе, соответствующей фиг. 2, хотя на фигуре и не показаны.
Список позиций на чертежах
2 FCVS (система фильтруемого сброса давления из защитной оболочки)
4 Ядерная энергетическая установка
6 Стенка защитной оболочки реактора
8 Защитная оболочка реактора
10 Линия сброса давления
12 Впуск
14 Выпуск
16 Проходная втулка
18 Изолирующий клапан
20 Каталитический рекомбинатор
22 Линия рециркуляции
24 Выпуск
26 Впуск
28 Струйный насос
30 Дроссельный клапан
32 Всасывающее отверстие
34 Отводная линия
36 Соединение
38 Соединение
40 Дроссельный клапан
42 Контейнер для хранения
44 Химический реагент
46 Нагнетательная линия
48 Мокрый скруббер
50 Отсек промывочной жидкости
52 Газовый купол
54 Промывочная жидкость
56 Крышка
58 Выходное сопло
60 Входная часть
62 Средняя часть
64 Выходная часть
66 Выпуск
68 Резервуар
70 Жидкость
71 Уровень жидкости
74 Чаша
76 Край
78 Дно
79 Промежуток
80 Глубина погружения
82 Центробежный сепаратор
84 Возвратная линия
86 Фильтр аэрозоля
88 Дроссельный клапан
90 Фильтр йода
92 Молекулярное сито
93 Теплообменник
94 Дроссельный клапан
96 Выводная труба
98 Мокрый скруббер
100 Контейнер
102 Промывочная жидкость
104 Газовый купол
106 Сопло
108 Фильтр частиц
110 Атмосфера защитной оболочки реактора
h Глубина погружения выходных сопел 58