СИСТЕМА ПАССИВНОГО ОТВОДА ТЕПЛА РЕАКТОРНОЙ УСТАНОВКИ
SYSTEM FOR PASSIVE HEAT REMOVAL OF REACTOR PLANT

Изобретение относится к области ядерной энергетики, в частности, для отвода тепла от реакторной установки и может быть использовано в системах аварийного расхолаживания активных зон ядерных реакторов без потребления внешних источников энергии.
Известна система по патенту 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, на которую выдан патент 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, так как 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 повышение надежности работы системы отвода тепла подводимых к парогенератору остаточных тепловыделений в пассивном режиме неограниченное время при отсутствии внешних источников энергии и, как следствие, увеличение безопасности работы реакторной установки в целом.
Технический результат достигается тем, что в состав системы пассивного отвода тепла содержащей прямоточный парогенератор с паровой веткой, пароводяной инжектор, теплообменник, размещенный ниже прямоточного парогенератора и соединенный подводящим трубопроводом с выходом пароводяного инжектора, а отводящим трубопроводом ко входу пароводяного инжектора, емкость запаса воды установленную выше прямоточного парогенератора и подключенную к нему водяной веткой с размещенным на ней отсечным клапаном и пусковую емкость введена установленная выше емкости запаса воды компенсирующая емкость, которая подключена подводящей веткой к подводящему трубопроводу теплообменника, ее верхний объем подключен паровой веткой к паровой ветке прямоточного парогенератора с установленным на ней отсечным клапаном, а отводящая ветка компенсирующей емкости расположена на боковой поверхности на уровне, соответствующем уровню установки пароводяного инжектора, и подключена к емкости запаса воды, а также на подводящем трубопроводе теплообменника установлен обратный клапан, причем пусковая емкость, размещена выше пароводяного инжектора и верхней частью подключена к подводящему трубопроводу теплообменника, а отводящей веткой подключена к подводящей ветке компенсирующей емкости.
Прямоточный парогенератор и размещенные выше него компенсирующая емкость и емкость запаса воды создают тракт естественной циркуляции воды через прямоточный парогенератор. Другой циркуляционный тракт, включающий пароводяной инжектор и теплообменник и соединенный с компенсирующей емкостью, имеет постоянный уровень воды в компенсирующей емкости.
Установка пароводяного инжектора на одном уровне с уровнем воды в компенсирующей емкости обеспечивает наличие воды в камере смешения пароводяного инжектора (как в сообщающихся сосудах), способствует конденсации поступающего пара и создает условия для надежного первичного и последующих запусков работы пароводяного инжектора.
Установка отсечных клапанов на паровой и водяной ветках парогенератора 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 компенсирующей емкости.
Установка обратного клапана на подводящем трубопроводе теплообменника предотвращает при запуске поступление воды из компенсирующей емкости по ее подводящей ветке в напорный патрубок пароводяного инжектора.
Установка пусковой емкости выше пароводяного инжектора позволяет сливать из нее накопившийся конденсат в компенсирующую емкость 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. Это 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 повышает эффективность конденсации поступающего в нее пара, снижает давление в пусковой емкости и улучшает условия для последовательных неоднократных запусков циркуляции в системе.
Предлагаемая система пассивного отвода тепла реакторной установки обеспечивает 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 которой неограничены.
На фиг. 1 схематично показана система пассивного отвода тепла реакторной установки (СПОТ).
На фиг. 2 схематично показана СПОТ реакторной установки с обратным клапаном на отводящей ветке пусковой емкости..
Система (фиг. 1) состоит из прямоточного парогенератора 1, теплообменника 4, размещенного ниже прямоточного парогенератора 1, компенсирующей емкости 3, размещенной с превышением над прямоточным парогенератором 1 и емкостью запаса воды 13, размещенной ниже компенсирующей емкости 3 и выше прямоточного парогенератора 1, пароводяного инжектора 5, размещенного на уроне воды в компенсирующей емкости 3 и пусковой емкости 15, размещенной выше пароводяного инжектора 5.
Прямоточный парогенератор 1 соединен паровой веткой 2 с размещенным на ней отсечным клапаном 10 с пароводяным инжектором 5. Пароводяной инжектор 5 соединен по выходу подводящим трубопроводом 6 с размещенным на нем обратным клапаном 12 с теплообменником 4. Теплообменник 4 соединен отводящим трубопроводом 7 с пароводяным инжектором 5 по входу.
Нижняя часть емкости запаса воды 13 соединена водяной веткой 9 с размещенным на ней отсечным клапаном 11 с прямоточным парогенератором 1, а ее верхняя часть подключена отводящей веткой 18 к компенсирующей емкости 3 на одном уровне с пароводяным инжектором 5.
Нижняя часть компенсирующей емкости 3 соединена подводящей веткой 8 с подводящим трубопроводом теплообменника 6, верхняя часть компенсирующей емкости 3 соединена паровой 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 19 (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 1 закрытыми отсечными клапанами 10 и 11. Система заполнена конденсатом до уровня подключения отводящей ветки 18 к боковой части компенсирующей емкости 3. Давление в системе ниже давления в парогенераторе.
В момент ввода системы в действие 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 1 из емкости запаса воды 13 по водяной ветке 9 начинает поступать вода. По замкнутому тракту емкость запаса воды 13 - парогенератор 1 - компенсирующая емкость 3 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 уровнем воды в компенсирующей емкости 3, 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 компенсирующую емкость 3 и по ветке 18 переливается в емкость запаса воды 13 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 компенсирующей емкости 3, то образовавшийся конденсат по отводящей ветке 17 и ветке 8 поступает в компенсирующую емкость 3.
Поскольку движение воды в системе через теплообменник 4 не регулируется, 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 соответственно количества тепла поступающего с теплоносителем в прямоточный парогенератор 1.
При таких условиях количество воды, поступающей с напора пароводяного инжектора 5 последовательно по веткам 6, 8, 18 и 9 в парогенератор 1 превышает количество воды необходимое для парообразования при текущей мощности РУ. В результате 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, компенсирующей емкости 3 и пусковой емкости 15 выравниваются. Если при этом уровень конденсата в ветке 17 и пусковой емкости 15 выше уровня воды в компенсирующей емкости 3, то под действием нивелирного напора вода из пусковой емкости 15 будет поступать по веткам 17 и 8 в водный объем компенсирующей емкости 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, а поступление воды с напора пароводяного инжектора 5 прекратилось, то начинает возрастать парообразование в парогенераторе 1, увеличивается выход пара в систему, возрастает давление пара в ветке 2 и в компенсирующей емкости 3.
Пар начинает поступать по ветке 2 в пароводяной инжектор 5, через него в пусковую емкость 15 и происходит очередной запуск циркуляции.
Возобновляются циркуляция воды в системе, отвод тепла через теплообменник 4 и поступление воды в парогенератор 1.
Процесс отвода тепла продолжится до очередного снижения давления пара в системе и срыва работы пароводяного инжектора 5. Т.е. все процессы повторяются. При наличии непрерывного 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 обеспечивает отвод тепла остаточных тепловыделений реакторной установки через теплообменник, размещенный ниже прямоточного парогенератора и охлаждаемый конечным поглотителем (морской воды или воды внешнего водоема), при неограниченном количестве которого процесс отвода тепла при наличии тепловыделений может продолжаться неограниченно долго вплоть до полного расхолаживания реакторной установки.