СИСТЕМА ПАССИВНОГО ОТВОДА ТЕПЛА РЕАКТОРНОЙ УСТАНОВКИ

Техническое решение относится к области ядерной энергетики, предназначено для отвода тепла от реакторной установки и может быть использовано в системах отвода остаточных тепловыделений активной зоны без потребления внешних источников энергии.
Известна система (Патент RU №2037893 от 19.06.1995), которая содержит теплообменник и контур циркуляции теплоносителя ядерной энергоустановки, параллельно которому подключен струйный насос в виде инжектора-конденсатора. Вход струйного насоса по инжектируемой среде соединен с выпускным каналом теплообменника, впускной канал которого соединен с теплоисточником - водным объемом парогенератора. На выходном трубопроводе струйного насоса установлен обратный клапан, между которым и струйным насосом помещен конденсационный модуль, с помощью которого осуществляется запуск системы. Вода из теплоисточника (парогенератора или реактора) поступает в теплообменник, охлаждается в нем за счет испарения подпиточной воды и подается в сопло инжектируемого потока струйного насоса. Недостатком такой системы является ограниченность времени ее действия объемом выпариваемых запасов воды подпитки. Кроме того, поскольку при первом запуске конденсационный модуль заполняется полностью, то в случае прерывания циркуляции повторный запуск системы и продолжение отвода тепла невозможны.
Наиболее близким техническим решением является система аварийного отвода тепла по патенту RU №150816 от 03.06.2014.
Система 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 клапанов отсечного и пускового, 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.
Однако, при одновременном открытии пускового клапана за счет разности давлений в емкости запаса воды и пусковой емкости через струйный насос в пусковую емкость будет поступать непрогретая среда по двум параллельным веткам: одной по подводящему трубопроводу теплообменника и другой, состоящей последовательно из подключенного к емкости запаса воды отрезка отводящего трубопровода и дополнительной (байпасной) ветке. Поскольку температура поступающих сред одинакова, то конденсация пара в струйном насосе будет невозможна, движущий напор циркуляции в системе не возникнет.
В случае открытия пускового клапан после прогрева емкости запаса воды (неизвестно по какому сигналу) в струйный насос также будут поступать среды (вода и пар) по тем же веткам и при одинаковой температуре, т.е. конденсация пара также будет невозможна, т.к. циркуляция воды через теплообменник при отсутствии движущего напора еще не происходит и холодная вода в струйный насос по дополнительной (байпасной) ветке еще не поступает.
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.
Техническим результатом является создание системы пассивного отвода тепла, позволяющей обеспечить надежный отвод подводимых к парогенератору остаточных тепловыделений через теплообменник в пассивном режиме неограниченное время при отсутствии внешних источников энергии.
Технический результат достигается тем, что предлагаемая полезная модель системы 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 с подводящей веткой емкости запаса воды.
Разделение емкости запаса воды на два участка организует в системе два самостоятельных циркуляционных тракта, а именно прямоточный парогенератор и часть запаса воды емкости запаса воды, установленной выше прямоточного парогенератора, создают тракт естественной циркуляции воды через прямоточный парогенератор, а другой - циркуляционный тракт, включающий пароводяной инжектор и теплообменник и соединенный с емкостью запаса воды, имеет постоянный уровень воды в уравнительной части емкости запаса воды. При этом изменение уровня воды в участке запаса воды вследствие поступления запасов воды в прямоточный парогенератор не влияет на уровень воды в нем и тем самым не влияет на работу пароводяного инжектора.
Кроме того, появляется возможность ограничить объем воды, предназначенной для подачи в прямоточный парогенератор на парообразование, а размещение пароводяного инжектора на одном уровне с уровнем верхней кромки перегородки емкости запаса воды обеспечивает наличие воды в камере смешения пароводяного инжектора (как в сообщающихся сосудах) и способствует конденсации поступающего пара и создает условия для надежного первичного и последующих запусков работы пароводяного инжектора.
Установка отсечных клапанов на паровой и водяной ветках отключает систему от парогенератора и при их открытии в аварийной ситуации способствует одновременному запуску пароводяного инжектора и началу циркуляции через теплообменник без необходимости прогрева системы и емкости запаса воды.
Установка обратного клапана на подводящем трубопроводе теплообменника предотвращает при запуске поступление воды из емкости запаса воды по ее подводящей ветке в напорный патрубок пароводяного инжектора.
Размещение пусковой емкости выше пароводяного инжектора позволяет сливать из нее накопившийся конденсат в емкость запаса воды и тем самым освобождать объем пусковой емкости для последующих запусков работы пароводяного инжектора.
Система пассивного отвода тепла может быть снабжена обратным клапаном, размещенным на отводящей ветке пусковой емкости, что предотвращает при росте давления пара поступление воды в пусковую емкость из емкости запаса воды и тем самым исключает уменьшение необходимого для запуска системы объема пусковой емкости.
Выполнение пусковой емкости с возможностью внешнего охлаждения повысит эффективность конденсации поступающего в нее пара, снизит давление в пусковой емкости и улучшит условия для последовательных неоднократных запусков циркуляции в системе.
Предлагаемая система пассивного отвода тепла реакторной установки позволяет обеспечить как надежную естественную циркуляцию воды через прямоточный парогенератор, так и принудительную циркуляцию воды с отводом тепла остаточных тепловыделений неограниченное по длительности время к конечному поглотителю через теплообменник, размещенный ниже прямоточного парогенератора и охлаждаемый в качестве конечного поглотителя тепла водой внешнего водоема или забортной водой (для плавучих реакторных установок), запасы которых неограниченны.
Сущность технического решения поясняется чертежами: где
на фиг. 1 - представлена схема выполнения системы пассивного отвода тепла реакторной установки (СПОТ);
на фиг. 2 - система пассивного отвода тепла с обратным клапаном на отводящей ветке пусковой емкости.
Система (фиг. 1) состоит из прямоточного парогенератора 1, пароводяного инжектора 5, теплообменника 4, размещенного ниже прямоточного парогенератора 1, пусковой емкости 15, размещенной выше пароводяного инжектора 5 и емкости запаса воды 3, размещенной с превышением над прямоточным парогенератором 1 и разделенной перегородкой 13 на два участка: участок запаса воды и участок уравнительный, при этом прямоточный парогенератор 1 соединен паровой веткой 2, с размещенным на ней отсечным клапаном 10, с пароводяным инжектором 5, который размещен на уровне верхней кромки перегородки 13 и соединен по выходу подводящим трубопроводом 6, с установленным на нем обратным клапаном 12, с теплообменником 4, который в свою очередь соединен отводящим трубопроводом 7 с пароводяным инжектором 5 по входу. Участок запаса воды емкости запаса воды 3 соединен водяной веткой 9, с размещенным на ней отсечным клапаном 11, с прямоточным парогенератором 1, уравнительный участок соединен подводящей веткой 8 с подводящим трубопроводом теплообменника 6, а верхняя часть емкости запаса воды 3 соединена дополнительной веткой 14 с паровой веткой 2.Верхняя часть пусковой емкости 15 подключена веткой 16 к участку трубопровода 6 между пароводяным инжектором 5 и обратным клапаном 12, а нижняя часть пусковой емкости 15 подключена веткой 17, на которой установлен обратный клапан 18 (фиг. 2), к ветке 8.
Система пассивного отвода тепла работает следующим образом.
Исходно система пассивного отвода тепла находится в состоянии ожидания и отключена от прямоточного парогенератора закрытыми отсечными клапанами 10 и 11. Система заполнена конденсатом до уровня верхней кромки перегородки 13 емкости запаса воды 3. Давление в системе ниже давления в парогенераторе.
В момент запуска парогенератор подключается к системе путем открытия отсечных клапанов 10 и 11. В систему по ветке 2 поступает пар из парогенератора, давление в системе растет и приближается к давлению в парогенераторе. В парогенератор из части запаса воды емкости запаса воды 3 по ветке 9 начинает поступать вода. По замкнутому тракту емкость запаса воды 3-5 парогенератор 1 возникает естественная циркуляция за счет разности плотностей среды на опускной водяной ветке 9 и подъемной паровой ветке 2 с отводом тепла паром из парогенератора в систему. Пар из прямоточного парогенератора 1 поступает в пароводяной инжектор 5 и движется через него в пусковую емкость 15. Поскольку пароводяной инжектор 5 размещен на одном уровне с верхней кромкой перегородки 13, то в камере смешения пароводяного инжектора 5 присутствует вода. Поступающий пар смешивается с водой, конденсируется и в нагнетательной камере пароводяного инжектора 5 возникает повышенное давление смешанной среды, создающее циркуляцию воды по трубопроводам 6 и 7 через теплообменник 4. Циркуляция воды через водяной теплообменник 4 происходит за счет разности давлений в напорном патрубке пароводяного инжектора бив его камере смешения. При этом часть расхода воды по ветке 8 поступает в уравнительную часть емкости запаса воды 3 и через кромку перегородки 13 переливается в часть запаса воды для компенсации потерь запаса воды на парообразование.
При запуске часть пара по ветке 16 проходит в пусковую емкость 15 и конденсируется. Так как пусковая емкость 15 размещена выше пароводяного инжектора 5 и емкости запаса воды 3, то образовавшийся конденсат по отводящей ветке 17 и ветке 8 поступает в емкость запаса воды 3.
Поскольку потоки воды в системе не регулируются, то в любой момент времени количество тепла поступающего в прямоточный парогенератор 1 и количество тепла отводимого через теплообменник 4 не равны и система не может работать в стационарном режиме, т.е. все процессы нестационарны и протекают в динамике.
При наличии эффективных процессов циркуляции по каждому циркуляционному тракту и отвода тепла через теплообменник 4 количество тепла поступающего в прямоточный парогенератор 1 может быть меньше количества тепла отводимого через теплообменник 4. Такие условия возникают в процессе снижения во времени остаточных тепловыделений в реакторной установке и количества тепла поступающего с теплоносителем в прямоточный парогенератор.
При таких условиях парообразование в прямоточном парогенераторе 1 уменьшается, давление пара в системе снижается, поступление пара по паровой ветке 2 уменьшается вплоть до прекращения и работа пароводяного инжектора 5 срывается. Циркуляция воды по трубопроводам 6, 7 и 8 прекращается.
При этом из-за отсутствия расхода пара по ветке 2 давления пара в прямоточном парогенераторе 1, пароводяном инжекторе 5, емкости запаса воды 3 и пусковой емкости 15 выравниваются.
Если при этом уровень конденсата в ветке 17 и пусковой емкости 15 выше уровня воды в уравнительной части емкости запаса воды 3, то под действием нивелирного напора вода из пусковой емкости 15 будет поступать по веткам 17 и 8 в водный объем емкости запаса воды 3 до выравнивания уровней воды в них. При этом объем пусковой камеры 15 освобождается от конденсата.
Далее поскольку в прямоточном парогенераторе 1 подвод тепла продолжается и растет парообразование, а отвод пара и его конденсация в пароводяном инжекторе отсутствует, то начинает расти давление пара в ветке 2 и в емкости запаса воды 3. Пар начинает поступать по ветке 2 в пароводяной инжектор 5 и происходит его очередной запуск.
Возобновляются циркуляция воды в системе и отвод тепла через теплообменник 4. Процесс отвода тепла продолжится до очередного снижения давления пара в системе и срыва работы пароводяного инжектора 5. Т.е. все процессы повторяются. При наличии подвода тепла к прямоточному парогенератору 1 возникает цикличность работы системы без ограничения по длительности работы и при надежном отводе через теплообменник 4 всего подводимого к системе тепла.
Предлагаемое техническое решение позволяет отводить тепло остаточных тепловыделений через теплообменник, размещенный ниже прямоточного парогенератора и охлаждаемый конечным поглотителем. При наличии неограниченного количества конечного поглотителя (морской воды или воды внешнего водоема) процесс отвода тепла будет продолжаться при наличии тепловыделений неограниченно долго.