ЯДЕРНАЯ ТЕХНИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА С ЗАЩИТНОЙ ОБОЛОЧКОЙ И СИСТЕМОЙ СБРОСА ДАВЛЕНИЯ
NUCLEAR ENGINEERING UNIT WITH PROTECTIVE SHELL AND PRESSURE DROP SYSTEM

Изобретение относится к ядерной технической установке, содержащей защитную оболочку и по меньшей мере один выведенный из защитной оболочки, закрываемый с помощью запорного клапана трубопровод сброса давления, через который может проходить поток сброса давления в режиме разгрузки при открытом запорном клапане.
В случаях неисправности или аварии на атомных электростанциях могут высвобождаться сравнительно большие количества водорода и окиси углерода, а также пара в называемых также противоаварийными или защитными оболочками защитных резервуарах, которые герметично отделяют атмосферу во внутреннем пространстве от окружающей среды.
Без мер защиты возможно скопление горючих газов в атмосфере защитной оболочки с образованием способных к детонации смесей. Кроме того, в частности, при выбросе пара из охлаждающего циркуляционного контура могут возникнуть избыточные давления, которые превышают допустимое для защитной оболочки давление.
В многочисленных атомных электростанциях уже установлены различные системы для разложения водорода и ограничения избыточного давления и уменьшения давления в защитной оболочке в аварийных ситуациях. Как правило, такие системы проектируются, выполняются и регулируются во время работы независимо друг от друга.
2
2
2
2
2
2
В этой связи из уровня техники известны, например, каталитические элементы, в зависимости от конструкции называемые также каталитическими рекомбинаторами, которые содержащийся в газовом потоке водород (Н) рекомбинируют с кислородом (О) в рамках каталитической экзотермической реакции без образования пламени в водяной пар (НО). Это же относится к рекомбинации окиси углерода (СО) с кислородом (О) в диоксид углерода (СО). Для эффективного уменьшения количества Н/СО и для предотвращения недопустимых, локально критических концентраций, как правило, несколько рекомбинаторов расположены с распределением во всей защитной оболочке.
Кроме того, известны также так называемые отводные системы, с помощью которых обеспечивается возможность предотвращения состояний избыточного давления посредством, как правило, фильтрованного выпуска атмосферы защитной оболочки в окружающую среду. При этом предпочтительными являются пассивные системы, которые приводятся в действие самостоятельно за счет имеющегося в защитной оболочке избыточного давления. Однако имеются также варианты выполнения, в которых поток сброса давления из защитной оболочки активируется или поддерживается с помощью вентилятора с электрическим приводом или подобного.
Для различных вариантов выполнения общим является наличие проходящих через защитную оболочку трубопроводов сброса давления, которые при нормальной работе ядерной установки закрыты с помощью по меньшей мере одного запорного клапана. Для желаемого сброса давления открывается соответствующий запорный клапан, так что находящаяся под избыточным давлением смесь газов и пара может выходить из внутреннего пространства защитной оболочки через трубопровод сброса давления наружу, где она обычно после многоступенчатой фильтрации, очистки и сушки для разложения радиоактивных жидкостей, частиц и аэрозолей, выпускается в окружение.
2
2
В определенных сценариях возможен значительный выброс Н и/или СО в комбинации с соответствующим нарастанием давления, так что требуется заблаговременный сброс давления в защитной оболочке. На основании этого заблаговременного сброса давления возможно, что меры по разложению Н/СО в защитной оболочке еще не проявили свою эффективность.
2
Таким образом, в наиболее неблагоприятных случаях необходимо исходить из того, что в потоке сброса давления, который может называться также потоком отвода газа или отводимым потоком, имеются способные к воспламенению концентрации Н/СО в паровоздушной атмосфере. Если этот отводимый газ направляется через не темперированные трубопроводы и фильтры, то за счет происходящей конденсации пара происходит дальнейшее повышение, например удвоение концентрации горючих газов. В результате могут образовываться способные к воспламенению или даже способные к детонации смеси, которые при воспламенении вызывают значительные ускорения пламени, которые создают опасность для целостности отводных и сдерживающих устройств и тем самым могут приводить в случае возникновения к сильно нежелательным облучениям и загрязнениям окружающей среды.
2
2
2
2
3
3
Поэтому отводные системы, например, для предотвращения пусковой конденсации постоянно подогреваются или предназначаются для приведения в действие лишь после уже выполненного разложения Н в защитной оболочке. В соответствии с этим системы рекомбинаторов в защитной оболочке выполнены относительно производительности так, что с помощью множества рекомбинаторов осуществляется заблаговременное удаление Н и тем самым перед запуском сброса давления во множестве предполагаемых аварийных сценариев может достигаться максимально свободная от Н атмосфера. Дополнительно к этому, рекомбинаторы до настоящего времени располагались преимущественно в путях основной конвекции. Обычно предусмотрено большое количество рекомбинаторов, например 20-100 или больше, что приводит к общей пропускной способности рекомбинаторов, равной, например, 0,3-0,6 или больше общего объема атмосферы защитной оболочки в час, называемой здесь коэффициентом смены воздуха. Таким образом, например, при объеме защитной оболочки от 50000 до 70000 м требуется пропускная способность рекомбинаторов от 15000 до 40000 м/час или больше. Несмотря на это, в указанных критических сценариях разложение Н обеспечивается не при всех обстоятельствах перед инициированием отвода.
Поэтому в основу данного изобретения положена задача создания ядерной установки указанного в начале вида, которая выполнена для особенно надежного управления критическими сценариями, при которых одновременно с высвобождением водорода и/или окиси углерода происходит значительное увеличение давления внутри защитной оболочки. При этом должно предотвращаться, в частности, возникновение или накапливание взрывчатых газовых смесей, которые могут приводить к быстрым дефлаграциям или даже детонациям в выходящих из защитной оболочки трубопроводах сброса давления и в соединенных с ними аппаратах и вспомогательных системах.
Эта задача решена согласно изобретению с помощью признаков пункта 1 формулы изобретения.
В соответствии с этим предусмотрено, что перед соответствующим трубопроводом сброса давления на стороне входа включено находящееся внутри защитной оболочки устройство обработки газового потока, которое имеет окруженный боковой наружной поверхностью, каминообразный проточный канал с нижним входным отверстием и верхним входным и выходным отверстием, при этом выше или в зоне нижнего входного отверстия в проточном канале расположена первая группа каталитических элементов, соответственно рекомбинаторов, для разложения водорода и/или окиси углерода, и при этом трубопровод сброса давления имеет впускное отверстие, которое расположено в боковой поверхности выше первой группы каталитических элементов и ниже верхнего входного и выходного отверстия, так что в случае аварии с высвобождением водорода и/или окиси углерода в защитной оболочке в предшествующем режиму сброса давления режиме конвекции при закрытом запорном клапане через проточный канал по принципу естественной конвекции проходит снизу вверх поток имеющейся в защитной оболочке газовой смеси, а в режиме сброса давления поток газовой смеси по принципу принудительного перетекания проходит снизу и предпочтительно также сверху в проточный канал и в виде потока сброса давления уходит через трубопровод сброса давления.
Понятия газовый поток и газовая смесь включают также случай, когда в нем содержатся достойные упоминания доли пара или жидкости, т.е. охватывают общий случай смеси газа и пара или потока текучей среды. Эта условность справедлива также для приведенного ниже описания. Понятие запорный клапан применяется для обозначения запорной арматуры любого вида.
2
Изобретение исходит из понимания того, что возникновение или скопление взрывчатых газовых смесей в трубопроводе сброса давления и в соединенных с ним аппаратах необходимо последовательно предотвращать по возможности уже в начале. Для обеспечения возможности максимального отказа от противодействующего образованию конденсата в этих компонентах системы, склонного к неисправностям и затратного нагревания, необходимо уже в зоне входа трубопровода сброса давления иметь соответственно низкие концентрации Н и СО в потоке сброса давления (потоке отвода), а именно по возможности уже в начале разгрузочного режима. Неожиданным образом это просто удается тем, что предназначенные для каталитического разложения водорода и/или окиси углерода рекомбинаторы, в частности так называемые пассивные автокаталитические рекомбинаторы (PAR), располагаются указанным образом непосредственно перед называемым также отводным соединением впускным отверстием трубопровода сброса давления.
2
2
2
При этом за счет расположения и формы расположенного перед впускным отверстием трубопровода сброса давления проточного канала поддерживаются два различных рабочих режима и переход между этими режимами особенно целесообразным образом: а именно в предшествующей непосредственно разгрузочному режиму рабочей фазе в проточном канале устанавливается при еще закрытом трубопроводе сброса давления под действием каминной тяги и за счет повышенной на нижнем конце камина вследствие экзотермической реакции рекомбинации температуры катализатора, при увеличивающейся концентрации Н/СО, направленный снизу вверх поток естественной конвекции. За счет этого рекомбинаторы в определенной степени предварительно нагреваются до желательной в последующем разгрузочном режиме рабочей температуры. Кроме того, за счет конвекции поддерживается циркуляция атмосфера внутри зоны установки, тем самым также локальное разложение Н. Разгрузочный режим инициируется посредством открывания запорного клапана в трубопроводе сброса давления. За счет имеющейся разницы давлений между пространством в защитной оболочке и наружным окружением имеющаяся в защитной оболочке газовая смесь обычно в виде принудительного перетекания (вынужденная концепция) входит с обоих концов камина, т.е. снизу и сверху, в проточный канал и оттуда в трубопровод сброса давления. При этом боковая наружная поверхность камина образует барьер против проходящих наклонно сверху или горизонтально нисходящих потоков внутри защитной оболочки с повышенной концентрацией Н/СО, так что предотвращается их непосредственный вход во впускное отверстие трубопровода сброса давления.
В одном специальном случае исполнения характеристики потоков в разгрузочном режиме могут быть сбалансированы так, что, несмотря на открытое верхнее входное отверстие каминообразного проточного канала, вследствие устанавливающегося в верхней зоне давления подпора вход потока в трубопровод сброса давления происходит по существу лишь снизу через нижнее входное отверстие. Однако обычно в разгрузочном режиме части потока входят с обоих концов в трубопровод сброса давления.
В целом, за счет указанных признаков пассивным и автоматическим образом, т.е. без подачи внешней энергии, соответственно электрической вспомогательной энергии и без сложных регулировочных мер, при внезапном отводе и выпуске газа из защитной оболочки, также во время переходной фазы запуска, может предотвращаться критическая концентрация способных взрываться газов в трубопроводе сброса давления и в соединенных с ним сдерживающих и очистительных устройствах. Вызванное за счет отвода спонтанное изменение потоков в каминообразном проточном канале из конвективного в режим принудительного течения, не оказывает больше влияния на катализ, поскольку катализаторы в камине имеют уже оптимальную рабочую температуру за счет опережающего в подготовительной фазе режима.
2
В первом предпочтительном варианте выполнения данного изобретения выше впускного отверстия трубопровода сброса давления и ниже или в зоне верхнего входного и выходного отверстия проточного канала в проточном канале расположена вторая группа каталитических элементов для разложения водорода и/или окиси углерода. Другими словами, другая зона каталитических элементов расположена над соединением для отвода атмосферы защитной оболочки вблизи верхнего каминного выхода. За счет этого в разгрузочном режиме за счет принудительного течения достигается, что входящие с обеих сторон, сверху и снизу, в шахту камина газы перед входом в трубопровод сброса давления подвергаются обработке с помощью соответствующих предусмотренных каталитических рекомбинаторов, за счет чего обеспечивается особенно эффективное обеднение способных к возгоранию составляющих частей. Кроме того, это расположение приводит в предшествующем конвективном режиме к усилению потока конвекции и к особенно эффективному разложению Н/СО (меньшему укрытию) в устройстве обработки газового потока.
В другом предпочтительном варианте выполнения в трубопроводе сброса давления имеются средства ограничения расхода, которые относительно производительности рекомбинации каталитических рекомбинаторов отрегулированы так, что в разгрузочном режиме концентрация водорода и/или окиси углерода в зоне впускного отверстия трубопровода сброса давления составляет меньше 50%, предпочтительно меньше 30% соответствующей концентрации в зоне нижнего входного отверстия проточного канала. В качестве альтернативного решения также концентрацию у верхнего входного и выходного отверстия проточного канала можно применять в качестве опорной величины, однако в качестве приближения необходимо исходить из того, что при предпочтительной высоте прохождения проточного канала примерно 1-2 м обе концентрации в большинстве случаев приблизительно одинаковы, и тем самым нет существенного различия.
2
Этот второй вариант выполнения можно комбинировать с первым вариантом выполнения, однако он является пригодным как раз также в случае, когда на верхнем конце проточного канала нет дополнительных рекомбинаторов, с целью предотвращения в разгрузочном режиме чрезмерного обратного всасывания/обратного потока богатой Н/СО окружающей атмосферы через верхнее входное и выходное отверстие во впускное отверстие трубопровода сброса давления.
2
2
Значительное обеднение Н/СО отводного газа до меньше 50%, предпочтительно меньше 30% исходной концентрации предотвращает даже при запуске холодных, установленных снаружи защитной оболочки устройств фильтрации/очистки возможность возникновения при конденсации пара критических концентраций Н/СО, которые могут представлять опасность для устройств фильтрации/очистки. Это имеет большое значение для предотвращения взрыва при запуске, а также при непрерывной работе.
2
В соответствии с указанными выше основными принципами исполнения средства ограничения расхода предпочтительно отрегулированы так и геометрия проточного канала выбрана так, что в разгрузочном режиме имеющийся в трубопроводе сброса давления массовый поток составляет максимально 100%, предпочтительно меньше 80% имеющегося в режиме конвекции массового потока в проточном канале. Эта мера также служит для предотвращения обратного всасывания богатой Н/СО окружающей атмосферы в трубопровод сброса давления, которое в противном случае может возникать за счет попадания на катализаторы потока, превышающего максимально возможную производительность рекомбинации.
В другом предпочтительном варианте выполнения по уже названной причине средства ограничения расхода отрегулированы так и геометрия проточного канала выбрана так, что скорость набегания потока на каталитические элементы, соответственно рекомбинаторы, в разгрузочном режиме составляет меньше 5 м/с, предпочтительно меньше 3 м/с.
Для ограничения расхода в трубопроводе сброса давления может иметься, в частности, по меньшей мере один дроссель. Дроссель может быть расположен также непосредственно во впускном отверстии трубопровода сброса давления или непосредственно перед ним. Дополнительно к этому или в качестве альтернативного решения включенные в трубопровод сброса давления компоненты, такие как фильтровальное устройство, устройства промывки, запорные клапаны или отдельные участки трубопровода, могут способствовать соответственно выполнять желаемое дроссельное действие.
На характер течения потока в расположенном выше по потоку проточном канале (камине) можно оказывать влияние с учетом указанных целей исполнения с помощью его геометрических параметров, таких как высота, площадь поперечного сечения, величина и расположение входных и выходных отверстий, а также с помощью направляющих поток, соответственно оказывающих влияние на поток встроенных элементов.
К встроенным элементам, геометрия и расположение которых оказывают влияние на конвекционный поток, а также принудительное течение в проточном канале, относятся, в частности, каталитические элементы, которые обычно образованы с помощью нескольких пластинчатых элементов. Каталитические элементы предпочтительно открыты в атмосферу, ориентированы преимущественно вертикально, по существу параллельно и расположены на различной высоте (ступенчато), с целью создания между элементами и зонами элементов подъемной силы. Кроме того, расстояние между находящимися в потоке элементами установлено >5 мм, при высоте в более чем 10 раз превышающей расстояние между ними и соотношение раскрыва отверстия >50%. При этом соотношение раскрыва отверстия обозначает отношение свободно пропускающей поток площади поперечного сечения между элементами к перекрываемой в целом элементами площади поперечного сечения в проточном канале. В одном возможном варианте выполнения каталитические элементы могут быть расположены непосредственно во входном/выходном отверстии или вблизи него проточного канала.
Каминообразный проточный канал может быть также реализован в трубчатом исполнении с распределенными по окружности, открытыми в атмосферу каталитическими зонами. При этом может быть предусмотрено несколько параллельно пропускающих поток трубных ветвей.
2
Называемое также соединением отвода в атмосферу впускное отверстие трубопровода сброса давления предпочтительно позиционируется различно в зависимости от расположения каталитических рекомбинаторов в проточном канале. Так, лишь при одной лежащей глубоко каталитической зоне, соответственно секции, соединение отвода предпочтительно выполнено в нижней части проточного канала, однако выше лежащей глубоко каталитической зоны, с целью затруднения за счет сравнительно длинного верхнего пути прохождения потока вхождения богатой Н/СО газовой смеси через верхнее входное/выходное отверстие проточного канала в трубопровод сброса давления. При предусмотрении двух каталитических зон, а именно одной глубоко лежащей и одной высоко лежащей зоны, соединение отвода предпочтительно расположено в середине или в нижней части проточного канала.
В целом во время работы вследствие экзотермической реакции желательны и достигаются постоянно повышенные температуры катализаторов предпочтительно выше 100°С - 900°С. В предпочтительном варианте выполнения каталитические рекомбинаторы выполнены относительно их рабочей температуры в разгрузочном режиме так, что они при концентрации водорода в приходящей газовой смеси больше 7 объемн.% действуют в качестве воспламенителей. То есть происходит превентивное воспламенение набегающей газовой смеси, когда имеется способная к воспламенению концентрация водорода, например 7-10 объемн.%, за счет высоких температур поверхности, предпочтительно свыше 700°С, каталитических элементов. Преимущество превентивного воспламенения состоит в том, что воспламенение и последующее сгорание происходит контролируемо и умеренно по типу дефлаграции с еще небольшими ускорениями пламени и объемными сдвигами по сравнению с детонацией. Таким образом, за счет воспламенения на каталитическом элементе перед входом в собственно систему отвода достигается также в рабочих фазах с высокой концентрацией горючих газов в защитной оболочке эффективное ограничение концентрации в системе отвода, так что надежно обеспечивается безопасность в системе отвода во всех рабочих случаях.
Предпочтительно соответствующие устройства обработки газового потока и соответствующее соединение отвода расположены относительно общей высоты защитной оболочки в нижней трети, предпочтительно в нижней четверти, и тем самым ниже основных путей конвекции в защитной оболочке.
Особенно предпочтительно, когда имеется несколько, например 5 или больше, расположенных относительно общей высоты защитной оболочки в нижней трети, соответственно в нижней четверти устройств обработки газового потока сброса давления, а также несколько лежащих над ними, не воздействующих непосредственно на поток сброса давления, дополнительных каталитических рекомбинаторов для разложения водорода и/или окиси углерода, при этом каталитические рекомбинаторы, непосредственно взаимодействующие с системой отвода устройств обработки газового потока, дают совместно менее 20% имеющейся в распоряжении общей производительности рекомбинации. Дополнительные каталитические рекомбинаторы, в свою очередь, предпочтительно распределены так, что в верхней половине защитной оболочки предоставляется по меньшей мере 70% имеющейся в распоряжении общей производительности рекомбинации.
За счет этого расположения и распределения устройств обработки газового потока в защитной оболочке, в частности, также в лежащих вне основных путей конвекции местах установки, предпочтительно обеспечивается возможность, за счет использования возникающей стратификации водорода по высоте защитной оболочки, дополнительного систематического ограничения концентрации водорода в отводимом газовом потоке значением от меньше ¼ до максимально ½ средней концентрации в защитной оболочке.
Расположение устройств обработки газового потока предпочтительно осуществляется в участках пространства защитной оболочки, которые лежат вне основных путей конвекции. В частности, наиболее предпочтительными являются места установки в самой нижней трети защитной оболочки, которые имеют частично закрытые крышки и/или днища (в частности, без защитных фоторелейных завес) и стенки и в идеальном случае выполнены в виде глухих пространств. За счет такого выбора мест установки в идеальном случае используется прогнозируемая стратификация водорода внутри верхних участков защитной оболочки (а именно, в верхних двух третях высоты защитной оболочки), так что обеспечивается возможность дополнительного систематического ограничения концентрации водорода в отводимом газовом потоке до значения от меньше ¼ до максимально ½ средней концентрации в защитной оболочке.
2
Кроме того, происходит преобразование Н/СО с помощью других каталитических рекомбинаторов, которые расположены распределенно в защитной оболочке, предпочтительно более плотно в средней по высоте трети (например, >50% общего количества), а также в верхней трети защитной оболочки. За счет этого расположения в основных путях конвекции и областях с более высокой концентрацией (за счет стратификации) дополнительно повышается производительность разложения водорода каждым рекомбинатором.
3
2
За счет этого нового расположения в комбинации с функцией отвода может быть неожиданным образом уменьшена подлежащая установке общая производительность рекомбинации с расходом рекомбинации 15000-40000 м/ч или больше в настоящее время и с коэффициентами смены воздуха в защитной оболочке L<0,3-0,6 час или больше, до 2/3 - ½ рассматриваемого в настоящее время в качестве необходимого значения, соответственно до достижимого теперь коэффициента смены воздуха в защитной оболочке L<0,3-0,1 час или меньше. Это достигается за счет того, что в высоколежащей зоне высокой концентрации, в большинстве случаев в инертной за счет пара атмосфере, очень эффективно происходит разложение Н. Одновременно лежащая глубоко зона в случае отвода защищена с помощью новых устройств и их расположения относительно концентрации так, что предшествующее режиму отвода уменьшение концентрации, с целью обеспечения вообще надежного отвода, больше не требуется.
В другом предпочтительном варианте выполнения в трубопровод сброса давления включено находящееся по меньшей мере внутри защитной оболочки охлаждающее устройство для потока сброса давления.
При этом может быть предусмотрено также разветвление потока сброса давления на несколько параллельных частичных потоков, из которых по меньшей мере часть охлаждаются.
За счет комбинирования устройства отвода потока сброса давления с расположенным за ним, снова пассивно работающим охлаждением уменьшается температура нагретого за счет каталитической реакции отводимого газа с, например, 400-500°С до примерно 150-300°С. За счет этого может быть предотвращена также в зоне прохода через защитную оболочку и последующих устройств недопустимая температурная нагрузка выше расчетных значений.
Охлаждающее устройство предпочтительно установлено внутри защитной оболочки в направлении потока непосредственно перед проходом через защитную оболочку или в зоне внутренних фильтров. Охлаждающее устройство предпочтительно охлаждается посредством конвекции с помощью окружающей атмосферы защитной оболочки или за счет испарения жидкости. Другими словами, охлаждающее устройство предпочтительно предназначено для обратного охлаждения с помощью находящейся в защитной оболочке газовой смеси и/или охлаждения за счет улетучивания/испарения.
При расположении охлаждающих элементов в зоне отстойника или в зоне массивных бетонных структур отвод тепла может быть более интенсивным за счет непосредственного или опосредованного контакта с этими массами (охлаждающей среды или бетона), и тем самым возможно уменьшение устройства при остающейся одинаковой мощности охлаждения. За счет пассивного смачивания охлаждающих поверхностей с помощью стекающего из защитной оболочки конденсата обеспечивается очистка и одновременное увеличение эффективности охлаждающего устройства. За счет выполнения охлаждающих поверхностей в виде отталкивающих загрязнения гладких поверхностей со стойкими относительно облучения покрытиями или же в виде гладких поверхностей из нержавеющей стали, которые, возможно, подвергнуты дополнительной обработке (например, полированы, электрополированы и т.д.), обеспечивается возможность также в случае тяжелых аварий длительного эффективного переноса тепла. Дополнительно к этому может быть значительно повышена рабочая безопасность за счет расположения за стенками защиты от обломков.
В зоне прохода через защитную оболочку трубопровод сброса давления предпочтительно снабжен тепловой изоляцией в виде теплозащитной обшивки, так что также здесь возможны температуры отводимого газа свыше расчетных проходных температур, например 150-200°С или больше. Это приводит к значительному уменьшению охлаждающего устройства.
Соответствующее охлаждающее устройство предпочтительно содержит открытую к защитной оболочке теплообменную часть за счет облучения и теплообменную часть за счет конвекции.
Перенос тепла от отводимого потока в окружающую охлаждающую среду может осуществляться, например, с помощью
пластинчатых охлаждающих элементов с открытыми к окружающему воздуху охлаждающими каналами,
трубных охлаждающих элементов возможно с ребристыми трубами,
галерейных охлаждающих элементов, которые могут быть особенно хорошо согласованы в своей форме с бетонными структурами, и/или
других теплообменных конструкций.
При этом в принципе предпочтительными являются максимально открытые, безнапорные конструкции с плоскими камерами, с целью минимизации конструктивных расходов. При этом возможна также модульная конструкция за счет стыковки нескольких предварительно изготовленных модулей. Особенно предпочтительной является конструкция, в которой каминообразный проточный канал с каталитическими рекомбинаторами образует первый модуль, и охлаждающее устройство образует второй модуль, при этом оба модуля предпочтительно установлены непосредственно рядом друг с другом, в частности стенка к стенке.
Дополнительно к этому путь прохождения отводимого газа внутри охлаждающего устройства предпочтительно закрыт в предшествующем разгрузочному режиму состоянии готовности разрывными мембранами, которые после открывания запорного клапана в трубопроводе сброса давления (пассивно) открываются на основании прикладываемого разностного давления.
Каталитические элементы рекомбинаторов предпочтительно выполнены с применением каталитически активных благородных металлов палладий (Pd), и/или платина (Pt), и/или ванадий (V) на керамических подложках или металлических подложках с керамическим покрытием. Можно использовать монометаллические базовые материалы или смеси этих благородных металлов, которые, возможно, легированы другими металлами, например медью (Cu) или никелем (Ni).
Для обеспечения возможности надежной работы при самых трудных аварийных условиях предусмотрены высокие, относительно всего катализатора, включая подложки, доли благородных металлов >0,2 масс. % керамической подложки, предпочтительно >0,5 масс. % керамической подложки.
При этом каталитические элементы могут быть расположены, например, в частности, также в виде слоистой структуры
на металлических или керамических подложках,
в виде засыпки внутри открытой подложки и/или
в виде решетки или сот и т.п.
При этом предпочтительно устанавливается структура с открытыми порами с соотношением раскрыва отверстия >50%, предпочтительно >90%, так что надежно обеспечивается возможность предотвращения блокирования аэрозолями.
За счет этой комбинации могут быть компенсированы эффекты старения, вызванные за счет использования в атмосфере защитной оболочки, например, за счет сорбции углеводородов и сварочных паров, действия аэрозолей и т.д., без возникающей иначе после короткого времени резервного режима потери важной для безопасности функции самозапуска, в течение длительного времени работы в несколько лет (>5 лет, предпочтительно >10 лет), и тем самым значительно повышается безопасность и одновременно снижается стоимость, поскольку предотвращается цикличная замена в рамках работ по техническому обслуживанию и контролированию.
Наконец, в целесообразном варианте выполнения в находящемся снаружи защитной оболочки участке трубопровода сброса давления расположены фильтры и/или промыватели для очистки потока сброса давления и для сдерживания радиоактивности. В частности, при этом можно применять известные скрубберы типа скрубберов Вентури, которые при правильно установленной скорости прихода потока обеспечивают возможность особенно эффективного сдерживания аэрозолей, в частности, относительно содержащих йод составляющих частей.
2
Достигаемые с помощью изобретения преимущества состоят, в частности, в том, что за счет правильной комбинации каталитических элементов, соответственно рекомбинаторов с устройством для отвода газового потока в смысле хорошо согласованной корреляции относительно пространственного расположения и условий прохождения потока, в частности, при подходящей установке скоростей потоков и массовых расходов, несмотря на соответствующие концентрации H/CO, обеспечивается возможность раннего сброса давления защитной оболочки, без создания опасности для расположенных далее устройств фильтрации и очистки, и дополнительно к этому может быть также уменьшена подлежащая предусмотрению в защитной оболочке производительность рекомбинации. Вся система сброса давления, за исключением запорных клапанов, работает полностью пассивно без подвода электрической вспомогательной энергии и по существу без подвижных частей. Таким образом, достигается существенное повышение безопасности в ядерных технических установках в тяжелых аварийных условиях.
Ниже приводится более подробное пояснение различных примеров выполнения изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых схематично и сильно упрощенно изображено:
фиг. 1 - часть ядерной технической установки с защитной оболочкой и с системой сброса давления для защитной оболочки в первом рабочем состоянии;
фиг. 2 - часть согласно фиг. , во втором рабочем состоянии системы сброса давления; и
фиг. 3 - частичный разрез снабженного каталитическими рекомбинаторами обрабатывающего устройства и расположенного далее охлаждающего устройства для потока сброса давления в качестве составляющих частей системы сброса давления, согласно фиг. 1 и 2, в изометрической проекции.
Одинаковые или одинаково действующие части обозначены на всех фигурах одинаковыми позициями.
Показанная частично на фиг. 1 ядерная техническая установка 1 является атомной электростанцией, в частности, с водо-водяным реактором, или с кипящим водо-водяным реактором. Ядерная техническая установка 2 имеет защитную оболочку 4, в данном случае в виде изображенной лишь на некоторых участках куполообразной стальной оболочки. Защитная оболочка 4 герметично экранирует ядерные и неядерные компоненты системы во внутреннем пространстве 6 от окружающей среды во внешнем пространстве 8.
Для обеспечения возможности уменьшения возникающего вследствие выброса пара и газа чрезмерного давления во внутреннем пространстве 6 через защитную оболочку 4 проходит трубопровод 10 сброса давления. Трубопровод 10 сброса давления образует составляющую часть системы 12 сброса давления. При нормальной работе ядерной технической установки 2 трубопровод 10 сброса давления закрыт с помощью двух расположенных снаружи защитной оболочки 4, включенных последовательно запорных клапанов 14. Для инициирования сброса давления открывают оба запорных клапана 14, так что поток сброса давления вследствие разницы давлений может проходить от расположенного на стороне входа конца трубопровода 10 сброса давления внутри защитной оболочки 4 к концу, расположенному на выходной стороне снаружи защитной оболочки 4, в данном случае в камине 16. За счет этого вызывается желаемое уменьшение давления во внутреннем пространстве 6 защитной оболочки 4.
Для удерживания загрязнения окружающей среды продуктами радиоактивного распада в разгрузочном режиме в допустимых пределах осуществляется фильтрация и очистка потока сброса давления с помощью соответствующих фильтровальных и/или очистительных устройств 18, которые предусмотрены по потоку после запорных клапанов 14 снаружи защитной оболочки 4 в трубопроводе 10 сброса давления. Например, могут быть предусмотрены скрубберы типа скрубберов Вентури, которые обеспечивают высоко эффективное удерживание увлекаемых в потоке сброса давления носителей радиоактивности, например, в виде частиц или аэрозолей. Наряду с этим могут иметься также сухие фильтры и каталитические очистительные устройства или т.п.
2
Система 12 сброса давления предназначена для управления критическими аварийными случаями, при которых происходит одновременно сильное повышение давления, значительный выброс водорода H и/или окиси углерода СО во внутреннем пространстве, так что без инициирования контрмер могут возникать локально или даже глобально способные к воспламенению/детонации газовые смеси.
2
2
2
2
2
Для предотвращения этого во внутреннем пространстве 6 защитной оболочки 4 само по себе известным образом расположены каталитические рекомбинаторы 20, которые при притоке окружающей атмосферы рекомбинируют содержащийся в ней водород H с кислородом O без воспламенения в воду (водяной пар) НО, и/или соответственно окись углерода СО с кислородом О в диоксид углерода СО, который действует инертизирующим образом внутри защитной оболочки 4.
2
Однако в критическом случае неисправности, соответственно аварии (включая сценарии расплавления активной зоны) требуется короткое время для достижения рекомбинаторами 20 их предусмотренной рабочей температуры и значительное время, пока за счет проектной производительности рекомбинаторов может быть достигнуто значительное уменьшение концентрации H. Поэтому может возникнуть проблема, что при одновременном сильном повышении давления в защитной оболочке 4 необходим называемый также отводом сброс давления в сравнительно ранний интервал времени развития неисправности, в котором распределенные в здании каталитические рекомбинаторы 20 еще не проявили свою полную эффективность.
2
Поэтому при таких сценариях может происходить вход воспламеняемых смесей газа и пара в трубопровод 10 сброса давления. За счет по меньшей мере частичной конденсации содержащегося газа в первоначально сравнительно холодных участках трубопровода в наружном пространстве 8 может даже повышаться концентрация критических для безопасности составляющих частей водород H и окись углерода CO на дальнейшем пути транспортировки. За счет этого в наиболее неблагоприятном случае могут быть превышены пределы способности к детонации с отрицательными последствиями для целостности фильтровальных и/или очистительных устройств 18. Для надежного исключения их разрушения при таких событиях требуется соответственно дорогостоящая и требующая больших затрат труда массивная и защищенная конструкция.
2
Для предотвращения этого в системе 12 сброса давления согласно фиг. 1 впускное отверстие 22, называемое также соединением отвода, трубопровода 10 сброса давления особенно защищено относительно критических значений концентрации водорода H и/или окиси углерода CO во входящем газовом потоке. Для этого перед впускным отверстием 22 относительно направления потока расположено устройство 24 обработки газового потока, которое подходящим образом кондиционирует входящую газовую смесь относительно ее состава.
Для этого устройство 24 обработки газового потока содержит выполненный в виде камина, ориентированный по существу вертикально проточный канал 26, который ограничен по сторонам, например, стенными элементами или образованной другими компонентами системы боковой поверхностью 28, которая по существу непроницаема для набегающего газа. На нижнем конце проточный канал 26 имеет расположенное здесь в качестве примера с торцевой стороны входное отверстие 30, и на верхнем конце имеется соответствующее входное и выходное отверстие 32. Впускное отверстие 22 трубопровода 10 сброса давления расположено относительно общей высоты проточного канала 26 примерно в середине боковой поверхности 28. Вместо по существу точечного впускного отверстия 22 может быть также предусмотрена проходящая вокруг окружности боковой поверхности 28 или по меньшей мере по ее части кольцевая щель или т.п. в качестве впуска в трубопровод 10 сброса давления. Также относительно своей собственной высоты впускное отверстие 22 может быть выполнено более высоким, чем показано на фиг. 1, при условии, что входящий газовый поток сначала проходит через каталитически активные зоны (как будет пояснено ниже).
2
2
2
2
Несколько выше входного отверстия 30 и ниже впускного отверстия 22 трубопровода 10 сброса давления расположено с распределением несколько каталитических элементов, соответственно рекомбинаторов 34 для рекомбинации водорода H с кислородом O в воду (водяной пар) и/или окиси углерода СО и кислорода О в диоксид углерода СО в поперечном сечении проточного канала 26 и/или у края по внутренней окружности боковой поверхности 28. Эти выполненные, например, в виде пластин и расположенные параллельно друг другу в вертикальном направлении элементы образуют совместно первую (нижнюю) каталитическую зону 36 на нижнем конце проточного канала 26. Вторая (верхняя) каталитическая зона 38 этого вида расположена у верхнего конца проточного канала немного ниже входного и выходного отверстия 32 и выше впускного отверстия 22 трубопровода 22 сброса давления и содержит каталитические рекомбинаторы 40.
В не изображенном здесь альтернативном варианте выполнения имеется лишь нижняя каталитическая зона 38. Впускное отверстие 22 трубопровода 10 сброса давления должно быть предпочтительно расположено глубже в нижней зоне проточного канала 26, но еще выше каталитических рекомбинаторов 34.
По потоку после впускного отверстия 22, снаружи проточного канала 26 и еще внутри защитной оболочки 4 расположено охлаждающее устройство 42 для устанавливающегося в разгрузочном режиме потока сброса давления в трубопровод 10 сброса давления. Охлаждающее устройство 42 предназначено для преимущественно конвективного обратного охлаждения с помощью имеющейся в защитной оболочке 4 атмосферы и поддерживается возможно за счет испарительного охлаждения и/или отдачи тепла посредством излучения в окружение.
Для этого охлаждающее устройство 42 предпочтительно образует также каминообразный, однако в противоположность проточному каналу 26 устройства 24 обработки газового потока частично открытый в окружение проточный канал 44, через который проходит по меньшей мере один участок трубопровода 10 сброса давления с целью отдачи тепла в проходящую атмосферу. В отклонение от схематично показанного на фиг. 1 внутри охлаждающего устройства 42 или уже дальше ниже по потоку может быть выполнено разветвление трубопровода 10 сброса давления на несколько частичных трубопроводов, соответственно частичных потоков, которые, однако, перед проходом 46 через защитную оболочку 4 целесообразно снова сводятся вместе. Для реализации испарительного охлаждения может иметься не изображенное здесь устройство распыления жидкости, например, с соединением по потоку с коллектором для конденсата или т.п.
В зоне прохода 46 вплоть до первого запорного клапана 14 трубопровод 10 сброса давления в показанном примере выполнения снабжен выполненной в виде кожуха теплозащитной обшивкой 48.
Кроме того, в трубопроводе 10 сброса давления образованы один или несколько элементов, неподвижно расположенные или, не обязательно, устанавливаемые соответственно, регулируемые элементы для ограничения расхода (ограничения количества) отводимого потока. В показанном примере выполнения это, в частности, первый дроссельный клапан 50 на участке трубопровода между охлаждающим устройством 42 и проходом 46 через защитную оболочку 4, и второй дроссельный клапан 52 на участке трубопровода между вторым запорным клапаном 14 и расположенными по потоку за ним фильтровальными и/или очистительными устройствами 18. Однако в принципе такое ограничение расхода может быть образовано также в другом месте трубопровода 10 сброса давления, например, за счет соответствующего выполнения и без того имеющихся направляющих поток компонентов, или за счет взаимодействия различных компонентов.
Принцип действия системы 12 сброса давления состоит в следующем.
При нормальной работе ядерной технической установки 2 оба запорных клапана 14 в трубопроводе 10 сброса давления закрыты, так что поток сброса давления не может выходить, в крайнем случае в начальный участок трубопровода 10 сброса давления может входить очень небольшое количество газа, пока давления подпора не остановит дальнейшее вхождение. За исключением возникающей на основе распределения температуры в защитной оболочке 4 естественной конвекции еще не происходит достойное упоминания прохождение потока через устройство 24 обработки газового потока.
2
Это изменяется в случае неисправности с высвобождением водорода H и/или окиси углерода СО в защитной оболочке 4. За счет начала действия каталитических элементов, соответственно рекомбинаторов 30, 40 первой (нижней), соответственно второй (верхней) зоны и вызванного этим повышения температуры, поддерживается каминный эффект проточного канала 26 и усиливается имеющаяся в нем естественная конвекция. То есть через проточный канал 26 проходит снизу вверх нагревающийся газовый поток, при этом одновременно происходит указанная реакция рекомбинации, и каталитические рекомбинаторы 34, 40 внутри самого короткого промежутка времени принимают свою оптимальную рабочую температуру. Это состояние показано на фиг. 1, при этом соотношения потоков обозначены с помощью соответствующих стрелок потока.
2
Если одновременно во внутреннем пространстве 6 создается большое чрезмерное давление, то лишь после короткой фазы естественной конвекции с предварительным нагреванием рекомбинаторов 34, 40, например, меньше 20 минут, может инициироваться сброс чрезмерного давления за счет открывания запорных клапанов 14 в трубопроводе 10 сброса давления. Этот разгрузочный режим (режим отвода) показан на фиг. 2 относительно преобладающих условий прохождения потоков. А именно за счет входа газового потока в трубопровод 10 сброса давления и последующего выхода через камин 16 устанавливаются измененные относительно предшествующей естественной конвекции соотношения потоков, которые можно характеризовать коротко как принудительное течение. Теперь атмосфера защитной оболочки входит как снизу, так и сверху в проточный канал 26, обедняется в нижней каталитической зоне 36 и, если имеется, в верхней каталитической зоне 38 относительно составляющих частей водород H и окись углерода СО с уменьшением их концентрации, и выходит после такой предварительной обработки через впускное отверстие 22 в трубопровод 10 сброса давления.
В расположенном ниже по потоку охлаждающем устройстве 42 нагретый вследствие реакции рекомбинации в каталитических рекомбинаторах 34, 40 поток сброса давления охлаждается указанным выше образом за счет преимущественно конвективной отдачи тепла в атмосферу защитной оболочки с примерно 400-500°С на входной стороне до 150-300°С на выходной стороне. Этот процесс приводит, в свою очередь, к поддерживаемому каминной тягой перемешиванию за счет естественной конвекции атмосферы защитной оболочки в наружной зоне охлаждающего устройства 42, как показано на фиг. 2 с помощью стрелок потоков.
2
С помощью дроссельных клапанов 50, 52 массовый поток через трубопровод 10 сброса давления ограничивается так, что он предпочтительно составляет меньше 80% имеющегося в режиме естественной конвекции на фиг. 1 массового потока через проточный канал 26. Одновременно скорость проходящего через каталитические рекомбинаторы 34, 40 нижней каталитической зоны 36 и, если имеется, верхней каталитической зоны 38 газового потока устанавливается с помощью установки подходящих контуров путей прохождения потока на значение меньше 5 м/с. В соответствии с этим достигается, что концентрация водорода H и окиси углерода СО в зоне впускного отверстия 22 трубопровода 10 сброса давления составляет меньше 50%, предпочтительно меньше 30% соответствующей концентрации в зоне нижнего входного отверстия 30 проточного канала, при измерении в направлении потока еще перед каталитическим рекомбинаторами 34. За счет этого, несмотря на охлаждение потока сброса давления в охлаждающем устройстве 42 и в последующих компонентах системы и несмотря на возможно связанную с этим частичную конденсацию содержащихся составляющих частей пара, предотвращается скопление в лежащих ниже по потоку участках трубопровода 10 сброса давления, способных к детонации критических взрывчатых газовых смесей. За счет этого предотвращается, в частности, опасность целостности расположенных снаружи защитной оболочки фильтровальных и очистительных устройств 18.
Несколько устройств 24 обработки газового потока и соответствующих трубопроводов 10 сброса давления системы 12 сброса давления предпочтительно расположены в нижней трети защитной оболочки 4. Несколько трубопроводов 10 сброса давления, как схематично показано на фиг. 1 и 2, могут быть сведены вместе еще внутри защитной оболочки 4, с целью уменьшения количества проходов 46. Дополнительные не воздействующие непосредственно на поток сброса давления каталитические рекомбинаторы 20 предпочтительно расположены на большей высоте внутри защитной оболочки 4, в частности, в средней, а также в верхней трети.
2
На фиг. 3 показан вариант выполнения устройства 24 обработки газового потока вместе с расположенным за ним охлаждающим устройством 42, которое имеет модульную конструкцию. Изображенные стрелки потоков характеризуют поле потоков в разгрузочном режиме. Между обоими модулями находится имеющий форму короба входной коллектор 54, который распределяет входящий через впускное отверстие 22 из проточного канала 26 с каталитическими рекомбинаторами, обедненный относительно концентрации H/CO газовый поток по включенным параллельно трубопроводам 55 охлаждающего устройства 42. Трубопроводы 55 могут быть выполнены в виде ребристых труб или могут быть снабжены предназначенными для пропускания потока пластинчатыми элементами и т.п., как показано в окруженных линией разрыва частях. Соответственно, параллельные частичные потоки затем снова объединяются с помощью коробообразного выходного коллектора 56. Образующееся в верхней зоне охлаждающего устройства 42 излучающее тепло поле, с помощью которого, наряду с конвективным переносом тепла через атмосферу в защитной оболочке, также отводится тепло от проходящего в трубопроводах 56 отводимого газового потока, изображено с помощью волнистых стрелок. Ограничение потока через обозначенный в целом позицией 10 трубопровод сброса давления реализовано здесь с помощью выполненного в виде кольцевого экрана 58 дроссельного клапана 50, который расположен в переходе от выходного коллектора 56 к отходящему, ведущему к проходу в защитной оболочке участку трубопровода.
ПЕРЕЧЕНЬ ПОЗИЦИЙ
2 Ядерная техническая установка
4 Защитная оболочка
6 Внутреннее пространство
8 Наружное пространство
10 Трубопровод сброса давления
12 Система сброса давления
14 Запорный клапан
16 Камин
18 Фильтровальное и очистительное устройство
20 Каталитический рекомбинатор
22 Впускное отверстие
24 Устройство обработки газового потока
26 Проточный канал
28 Боковая поверхность
30 Входное отверстие
32 Входное и выходное отверстие
34 Каталитический элемент
36 Нижняя каталитическая зона
38 Верхняя каталитическая зона
40 Каталитический элемент
42 Охлаждающее устройство
44 Проточный канал
46 Проход
48 Теплозащитная обшивка
50 Дроссельный клапан
52 Дроссельный клапан
54 Входной коллектор
55 Трубопровод
56 Выходной коллектор
58 Кольцевой экран
СО Окись углерода
2
СО Диоксид углерода
2
Н Водород
2
НО Вода
2
О Кислород