СИСТЕМА ПАССИВНОГО ОТВОДА ТЕПЛА ИЗ ВНУТРЕННЕГО ОБЪЕМА ЗАЩИТНОЙ ОБОЛОЧКИ

Полезная модель относится к области атомной энергетики и может быть использована в системе безопасности атомных электростанций (далее - АЭС) с реакторными установками, снабженными герметичной защитной оболочкой реакторного помещения.
Защитная оболочка реактора - техническое средство, предусмотренное для предотвращения выхода недопустимых количеств радиоактивных веществ из ядерного реактора в окружающую среду даже при авариях проектных и запроектных, включая тяжелые.
Большинство современных ядерных энергетических установок имеют в своем составе большое число сосудов, соединенных трубопроводами: сосуд реактора, парогенераторы, компенсатор давления, ионообменные фильтры, теплообменники и т.д.
Аварийные ситуации, связанные, в частности, с разрывами трубопроводов, соединяющих вышеперечисленное оборудование, сопровождаются выбросом больших объемов газа и пароводяной смеси в объем защитной оболочки. В результате аварийной ситуации давление внутри защитной оболочки возрастает. Это создает опасность нарушения целостности защитной оболочки и возможности выхода радиоактивных веществ в окружающую среду.
Из уровня техники известна система отвода тепла из герметичного ограждения, содержащая спринклерное устройство, размещенное внутри гермообъема (см. О.Б.Самойлов и др. «Безопасность ядерных энергетических установок» М.: Энергоатомиздат, 1989, стр.84-87).
Данная система обеспечивает отвод тепла от парогазовой смеси, конденсацию пара и охлаждение неконденсирующихся газов внутри герметичного ограждения на холодных струях и каплях воды за счет работы спринклерного устройства.
Недостатком известной системы является то, что для ее функционирования требуется подача холодной воды в спринклерное устройство, забор нагретой воды из приямков или настилов внутри защитной оболочки и отвод тепла конечному поглотителю (например, окружающей среде) и, следовательно, работа активных устройств, использующих электроэнергию.
Известна также система отвода тепла из защитной оболочки ядерной энергетической установки, включающая теплообменники, размещенные внутри защитной оболочки (контейнмента), соединенные подводящими и отводящими трубопроводами с теплообменником, размещенным вне защитной оболочки (см. патент US №5612982, G21C 15/18, 1997).
В указанной системе внешний теплообменник охлаждается технической водой с дальнейшим сбросом тепла в атмосферу или путем охлаждения через теплообменники проточной речной водой. Для снабжения контура циркуляции системы охлаждения контейнмента водой за пределами защитной оболочки размещена подпиточная емкость, соединенная с подводящим и отводящим трубопроводами.
Недостатками данной системы являются:
- наличие активного устройства - циркуляционного насоса;
- термическое сопротивление внешнего теплообменника, снижающее эффективность отвода тепла из защитной оболочки;
- ограниченный объем контура циркуляции и возможность кипения теплоносителя в теплообменниках, размещенных внутри защитной оболочки;
- вероятность возникновения гидроударов при попадании холодного теплоносителя из подпиточной емкости в трубопровод отвода горячего теплоносителя от теплообменника.
Одним из перспективных направлений развития современных АЭС является создание систем безопасности, работающих на пассивных принципах, то есть без использования активных элементов, таких как насосы, электрически управляемые задвижки и клапаны и т.п.
Известна система отвода тепла от стальной герметичной оболочки, включающая контур естественной циркуляции, образованный между баком аварийного отвода тепла и каналами охлаждения оболочки (см. В.В.Безлепкин. «Разработка проблемно-ориентированных подходов к обеспечению безопасности новых проектов АЭС с ВВЭР». Автореферат докторской диссертации, Санкт-Петербург, 2003, стр.10-17).
В этой системе каналы охлаждения представляют собой короба прямоугольной формы, размещенные на внешней поверхности стальной защитной оболочки. После повышения температуры среды внутри защитной оболочки тепло отводится через стенку металлической оболочки к воде коробов, и начинается естественная циркуляции воды через короба и бак аварийного отвода с ее последующим кипением. Таким образом, система обеспечивает отвод тепла от защитной оболочки в пассивном режиме, то есть без участия персонала и источников энергии.
Недостатками данной системы являются значительное термическое сопротивление стальной стенки, а также малая поверхность теплообмена, ограниченная размерами охлаждаемой части. Все это накладывает ограничения на мощность системы отвода тепла в целом.
Известна система отвода тепла из защитной оболочки, содержащий теплообменник (внутренний испаритель) и сепаратор, размещенные внутри защитной оболочки (см. Н.Liu, N.E.Todreas, M.J.Driscoll, «An experimental investigation of a passive cooling unit for nuclear plant containment», Издательство Elsevier Science BV, журнал «Nuclear Engineering and Design», vol.199, PP.243-255, 2000).
В данной конструкции пар, генерируемый в теплообменнике, поступает в сепаратор. Насыщенная вода из сепаратора поступает обратно в теплообменник, а пар выбрасывается в атмосферу. Подпитка контура «теплообменник-сепаратор» осуществляется из бака с запасом воды.
Недостатком данной системы является кипение охлаждающей воды практически по всей поверхности теплообменника, что обусловливает, особенно при низком давлении, межвитковые пульсации расхода в параллельных трубных пучках теплообменника, а также колебания уровня теплоносителя в сепараторе. Поскольку средняя температура кипящей воды в теплообменнике высока и составляет не менее 100°С, это снижает тепловую эффективность теплообменника и системы с целом. Кроме того, для эффективного расхода выпариваемой воды, в данной конструкции необходимо иметь внутри герметичной оболочки сепараторы большого объема.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению является система для пассивной диссипации тепла из внутреннего объема защитной конструкции ядерного реактора (см. патент RU №2125744, G21C 15/18, G21C 9/012, 1999).
Система содержит контур циркуляции теплоносителя, включающий теплообменник внутри защитной оболочки, трубопроводы и резервуар, заполненный водой до заданного уровня и установленный вне защитной оболочки выше теплообменника.
Система также включает теплообменник, размещенный вне защитной оболочки, который погружен в резервуар.
Движение теплоносителя осуществляется пассивным способом (естественная циркуляция) по замкнутому контуру за счет разности высотных отметок теплообменника внутри защитной оболочки и теплообменника в резервуаре. При этом внешний теплообменник охлаждается водой резервуара, а после ее выкипания, воздухом за счет специально организованного вытяжного воздушного канала.
Недостатками данной системы являются:
- термическое сопротивление внешнего теплообменника, снижающее эффективность отвода тепла из защитной оболочки, при этом на поддержание давления внутри защитной оболочки в необходимых пределах требуется создание сильно развитой теплообменной поверхности внешнего теплообменника;
- ограниченный объем контура циркуляции и возможность кипения теплоносителя в теплообменнике, размещенном внутри защитной оболочки.
Технической задачей полезной модели является создание надежной и эффективной системы пассивного отвода тепла из защитной оболочки реакторного помещения при аварийных ситуациях на АЭС.
Технический результат заявляемого решения заключается в повышении устойчивости циркуляции теплоносителя, как в элементах теплообменника, так и по контуру охлаждения за счет снижения воздействия на систему конденсационных гидроударов.
Для достижения указанного технического результата в системе пассивного отвода тепла из внутреннего объема защитной оболочки, содержащей контур циркуляции теплоносителя, включающий, по крайней мере, один теплообменник, размещенный внутри объема защитной оболочки, и емкость с запасом теплоносителя, установленную выше теплообменника вне объема защитной оболочки, соединенные между собой подводящим и отводящим трубопроводами, согласно предложению, система дополнительно снабжена пароприемным устройством, установленным в емкости с запасом теплоносителя, гидравлически связанным с последней и соединенным с отводящим трубопроводом.
Также согласно предложению, на отводящем трубопроводе установлено предохранительное устройство, а емкость с запасом теплоносителя снабжена трубопроводом подпитки, соединенным с внешним источником теплоносителя.
Для подтверждения технического результата был создан экспериментальный стенд, на котором была испытана полномасштабная модель заявляемой системы, включающей как модель теплообменника-конденсатора, расположенного в емкости - модели защитной оболочки, так и пароприемное устройство, помещенное в бак-испаритель с запасом воды.
Основной целью проведения испытаний являлось экспериментальное обоснование эффективности работы системы при отводе тепла от защитной оболочки в условиях естественной циркуляции и низкого давления в контуре охлаждающего теплоносителя. Мощность теплосъема исследуемого контура охлаждения и параметры парогазовой среды в емкости были максимально приближены к реальным условиям возможной аварии.
Эксперименты показали, что система позволяет исключить возможность возникновения гидравлических ударов от попадания холодного теплоносителя из емкости с запасом теплоносителя в отводящий трубопровод системы. Для этого в емкость с запасом теплоносителя установлено пароприемное устройство, соединенное с отводящим трубопроводом. Пароприемное устройство размещено в емкости с учетом того, что на выходе из теплообменника создается избыточное давление, которое превышает атмосферное давление на высоту Н гидростатического столба воды над теплообменником, то есть
атм
Р=Р+p·g·Н где:
атм
Р - атмосферное давление;
р - плотность воды емкости с запасом воды;
g - ускорение свободного падения;
Н - высота гидростатического столба воды над теплообменником.
В частном случае в качестве теплоносителя используется вода.
В зависимости от количества тепла, отводимого теплообменником, расход воды по контуру охлаждения системы рассчитывается так, чтобы температура на выходе из теплообменника на протяжении режима прогрева воды в емкости с запасом теплоносителя до уровня температур линии насыщения при атмосферном давлении не превышала температуру насыщения в теплообменнике.
Данный расход воды может быть обеспечен за счет минимизации гидравлического сопротивления всего контура охлаждения, что в свою очередь обеспечивается выбором определенных проходных сечений подводящего и отводящего трубопроводов и проходного сечения теплообменника.
Высота Н гидростатического столба воды над теплообменником необходима для создания избыточного давления в системе, которое удовлетворяет указанному условию
атм
Р=Р+p·g·H
Таким образом, давление на входе в теплообменник и на выходе из теплообменника превышает атмосферное на величину гидростатического столба воды над теплообменником, следовательно, температура кипения в нем выше, чем температура кипения в емкости с запасом теплоносителя.
При использовании в качестве теплоносителя системы воды расход воды по контуру охлаждения рассчитывается по формуле:
вых
, и удовлетворяет условию в теплообменнике i<i′ где:
G - расход по контуру охлаждения;
N - мощность теплообменника;
вых
i - энтальпия воды на выходе из теплообменника;
атм
i′ - энтальпия воды на линии насыщения при Р=Р+р·g·Н
вх
i - энтальпия воды на входе в теплообменник.
Применение предлагаемой системы пассивного отвода тепла из защитной оболочки обеспечивает устойчивость циркуляции теплоносителя, как в элементах теплообменника, так и по контуру охлаждения, что в свою очередь обеспечивает высокую эффективность теплообменника и отсутствие конденсационных гидравлических ударов в теплообменнике и трубопроводах контура охлаждения системы пассивного отвода тепла из защитной оболочки.
Сущность предложения поясняется чертежами, где на фиг.1 показана принципиальная схема системы пассивного отвода тепла из защитной оболочки, на фиг.2 представлен график зависимости мощности контура циркуляции от параметров среды под защитной оболочкой.
Следует учесть, что на чертежах представлены только те детали, которые необходимы для понимания существа предложения, а сопутствующее оборудование, хорошо известное специалистам в данной области, на чертежах не представлено.
Система пассивного отвода тепла из внутреннего объема защитной оболочки включает теплообменник 1, размещенный внутри защитной оболочки (на чертеже показана условно). Теплообменник 1 подключен к емкости 2 с запасом теплоносителя по подводящему 3 и отводящему 4 трубопроводам с запорно-регулирующей арматурой. Для предохранения контура охлаждения от переопрессовки на отводящем трубопроводе 4 может быть установлено предохранительное устройство 5, например предохранительный клапан или мембрана.
Система также включает пароприемное устройство 6, установленное на выходе из отводящего трубопровода 4 в емкости 2 с запасом теплоносителя. Для пополнения запаса теплоносителя емкость 2 может быть оборудована трубопроводом подпитки 7.
Устройство работает следующим образом.
Исходно система пассивного отвода тепла находится в режиме ожидания. При возникновении аварийной ситуации, связанной с появлением парогазовой среды внутри защитной оболочки при авариях связанных с течью теплоносителя первого или второго контура, отвод тепла от парогазовой смеси обеспечивается за счет одного или нескольких теплообменников 1.
При поступлении парогазовой смеси в объем защитной оболочки на поверхности теплообменника 1 происходит конденсация пара с передачей тепловой энергии охлаждающей среде системы пассивного отвода тепла. В результате в контуре системы возникает естественная циркуляция с отводом тепла к воде емкости 2 и от нее в атмосферу.
Охлаждающей средой для теплообменника 1 является вода, запасы которой размещены в емкости 2 (или в емкостях) вне защитной оболочки. Вода из емкости 2 по подводящему трубопроводу 3 поступает в теплообменник 1, где нагревается и далее в виде жидкости, пароводяной смеси или пара поступает по отводящему трубопроводу 5 в пароприемное устройство 6.
В пароприемном устройстве 6 дополнительно осуществляется сепарация пара или пароводяной смеси: вода поступает в емкость 2, а паровая фаза частично или полностью конденсируется в емкости 2. Несконденсированная часть пара поступает из емкости 2 в атмосферу, которая является конечным поглотителем тепла.
Установка пароприемного устройства 6 исключает или, по меньшей мере, снижает заброс холодной воды из емкости 2 в отводящий трубопровод 4, поскольку вода в пароприемном устройстве 6 прогревается до уровня температур близких к линии насыщения значительно быстрее, чем вода в емкости 2. Это значительной степени снижает вероятность воздействия на систему конденсационных гидроударов.
Циркуляция по охлаждаемой и охлаждающей средам осуществляется с помощью естественных гравитационных сил, возникающих за счет разности плотностей теплоносителей на участках контуров. После выпаривания воды из емкости 2 она подпитывается водой по трубопроводу подпитки 7 от внешних источников запаса воды (на чертеже не показаны).
Таким образом, заявляемая система пассивного отвода тепла из внутреннего объема защитной оболочки позволяет исключить гидроудары за счет следующих конструктивных особенностей: конструкции пароприемного устройства; проходных сечений отводящих и подводящих трубопроводов; высотных отметок трубопроводов и емкости с запасом теплоносителя.