ГИДРОЁМКОСТЬ ДЛЯ ПАССИВНОЙ СИСТЕМЫ АВАРИЙНОГО ЗАЛИВА ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА

Полезная модель относится к атомной энергетике и может быть использовано на атомных электрических станциях (АЭС) с водо-водяными реакторными установками в качестве оптимизированной системы аварийного залива и охлаждения активной зоны реактора.
Для обеспечения залива активной зоны водо-водяных реакторных установок (РУ) при аварийных течах в реакторных установках, наряду с активными насосными системами аварийного охлаждения зоны, на атомных электрических станциях предусмотрены пассивные системы гидроемкостей (ТЕ) с запасом теплоносителя, например, водным раствором борной кислоты.
Для длительной подачи теплоносителя в зону реактора при крупных течах, протекающих с наложением потери источников переменного тока на АЭС, предусматриваются системы гидроемкостей с большим запасом теплоносителя, имеющие сравнительно низкое рабочее давление среды. Подача теплоносителя из них происходит за счет гидростатического столба. Включение этих систем гидроемкостей в работу происходит пассивным образом.
Такого рода система гидроемкостей описана в патенте РФ №2108630 «Энергетическая установка" (МПК G21C 15/18, опубликован 10.04.1998). Согласно описанию гидроаккумулирующая емкость этой системы сообщается с реактором двумя патрубками. А именно, через нижний сливной патрубок, предназначенный для подачи теплоносителя в реактор, и через верхний входной патрубок, который трубопроводом связан с главным циркуляционным трубопроводом реакторной установки на участке выхода из парогенератора.
На трубопроводах, соединяющих гидроемкость с реактором, установлены обратные клапаны.
Обратный клапан, установленный на трубопроводе, соединяющий верхний патрубок гидроемкости с реакторной установкой, является клапаном типа невозвратно-открываемого. Он открывается при снижении давления в реакторной установке ниже заданной для системы величины. Защита гидроемкости от повторного давления осуществляется за счет установки предохранительных клапанов на трубопроводах.
Для изменения расхода теплоносителя из гидроемкости по мере ее опорожнения внутри гидроемкости установлен коллектор, профилирующий расход, который представляет собой перфорированный по высоте цилиндр. Такая конструкция коллектора создает трудности в работе по настройке или изменению расходной характеристики гидроемкости.
Также известен патент РФ №2247434 (МПК G21C 15/18, опубликован 27.05.2005) - гидроемкость для пассивной системы аварийного залива реактора, имеющая верхний входной патрубок для пара и нижние сливные трубы для теплоносителя разной высоты, нижние наружные концы которых сообщены между собой, а наименьшая по высоте труба является нижним сливным патрубком. Изменение расхода из гидроемкости происходит следующим образом.
В начале работы гидроемкости теплоноситель вытекает по всем трубам, и этим обеспечивается максимальный суммарный расход. По мере снижения уровня теплоносителя в гидроемкости число труб, по которым вытекает теплоноситель, ступенчато уменьшается, что создает ступенчато снижающийся расход теплоносителя из гидроемкости в реактор.
Недостатками устройства являются: 1) наличие периодов времени, когда расход воды, обеспечиваемый данной системой ГЕ, меньше требуемого исходя из текущей мощности активной зоны; 2) неоптимальное использование располагаемого запаса воды (в том числе, за счет капельного уноса теплоносителя в течь при его избыточном уровне в реакторе).
Техническим результатом предлагаемого устройства является повышение эффективности работы гидроемкости за счет обеспечения изменения подачи охлаждающей воды в реактор в соответствии с изменением текущей мощности активной зоны и за счет этого продление времени работы гидроемкости вследствие оптимального использования запаса воды в ней.
Для достижения указанного результата предложена гидроемкость для пассивной системы аварийного залива ядерного реактора с верхним входным патрубком для парогазовой смеси и нижними основным и дополнительным сливными патрубками для воды, нижние наружные концы которых сообщены между собой, с установленным внутри корпуса гидроемкости устройством для бесступенчатого профилирования расхода, выполненным в виде вертикальной перегородки по всей высоте корпуса емкости с отверстием для прохода воды, площадь проходного сечения которого уменьшается сверху вниз, при этом нижние сливные патрубки расположены по разные стороны от перегородки.
Кроме того:
- больший объем корпуса емкости, разделенной перегородкой, соединен с верхним входным патрубком для парогазовой смеси и дополнительным нижним сливным патрубком, а меньший объем корпуса емкости соединен с основным нижним сливным патрубком,
- в нижнем дополнительном сливном патрубке между корпусом гидроемкости и местом соединения нижних наружных концов сливных патрубков установлена диафрагма,
- отверстие для прохода воды в перегородке представляет собой вертикальную щель переменной профилированной ширины,
- перегородка может быть выполнена составной,
- отверстие для прохода воды может быть образовано за счет зазоров между корпусом гидроемкости и перегородкой переменной ширины,
- отверстие для прохода воды представляет собой множество отверстий, суммарная площадь которых уменьшается по высоте перегородки сверху вниз,
- отверстия могут быть произвольной формы.
На фиг. 1 представлены расходы охлаждающей воды - требуемый исходя их текущего уровня остаточного энерговыделения активной зоны и соответствующий проектной характеристике ГЕ по патенту РФ №2247434.
На фиг. 2 - дана принципиальная схема предлагаемого устройства, где:
1 - входной патрубок для парогазовой смеси;
2 - корпус гидроемкости;
3 - перегородка;
4 - отверстие в перегородке, выполненное в виде щели;
5 - дополнительный нижний сливной патрубок;
6 - основной нижний сливные патрубок;
7 - одиночное отверстие (диафрагма);
8 - трубопровод к реактору (активной зоне);
9 - система отверстий.
На фиг. 3 и 4 показано расположение перегородки 3 в корпусе гидроемкости 2.
На фиг. 5 показан вариант выполнения отверстия в перегородке 3 в виде щели 4.
На фиг. 6 и 7 показаны варианты выполнения отверстия в перегородке 3 в виде системы отверстий 9 разной формы.
На фиг. 8 дана зависимость требуемого и профилируемого расходов предлагаемой ГЕ - от времени.
На фиг. 9 дано сравнение результатов расчетов расходов ГЕ по патенту №2247434 (проектное и расчетное значения) и предлагаемой ГЕ.
Устройство работает следующим образом.
Гидроемкость представляет собой герметичный корпус 2, в верхней части которого расположен входной патрубок для парогазовой смеси 1, внутри корпуса 2 расположена вертикальная перегородка 3, разделяющая корпус на две части - большего и меньшего объема. В перегородке 3 имеется в общем случае отверстие с уменьшающейся площадью проходного сечения сверху вниз, размеры которого рассчитываются. Это может быть продольная щель 4, обеспечивающая гидравлическую связь между большим объемом, содержащим рабочий запас воды, и меньшим, играющим вспомогательную роль коллектора струи (струй) воды, поступающей из основного объема. Из меньшего объема вода вытекает по нижнему основному сливному патрубку 6 с профилированным расходом воды.
од. отв.
Для того, чтобы со снижением уровня воды в гидроемкости до ее дна значение расхода не уменьшалось плавно до нуля, а поддерживалось на некотором, хотя и уменьшающемся значении, необходим дополнительный нижний сливной патрубок 5 с одиночным отверстием (диафрагмой) 7, расположенным ниже дна гидроемкости но выше отметки врезки соединительного трубопровода 8 в корпус реактора, обеспечивающей конечное значение расхода G (фиг. 8) на конец работы гидроемкости (конец периода "стабилизации" величины остаточного энерговыделения активной зоны и соответствующего расхода).
Оба сливных трубопровода - основной 6 и вспомогательный 5 - присоединены к трубопроводу 8, подключающему гидроемкость к корпусу реактора.
Бесступенчатое профилирование расхода воды из ГЕ в данном случае достигается непрерывностью (сплошностью) по высоте проходного сечения продольной щели (или эквивалентной системы отверстий) 4 и изменением ее ширины по высоте гидроемкости. За счет этого в профиле зависимости расхода воды ГЕ от времени (характеристике) отсутствуют резкие изменения расхода, и он плавно отслеживает изменение мощности активной зоны реактора. Отверстие для прохода воды может быть образовано за счет зазоров между корпусом гидроемкости 2 и перегородкой переменной ширины.
Текущее значение расхода ГЕ определяется изменением ширины щели по всей высоте гидроемкости в привязке к текущему уровню воды в ней, так как величина расхода истекающей из сосуда жидкости при прочих равных является функцией нивелирного напора и площади проходного сечения устройства истечения.
Использование идеи монотонно уменьшающейся по высоте гидроемкости ширины вертикальной щели (площади проходных сечений системы отверстий) оказывается возможным в силу монотонно убывающей со временем (по экспоненциальному закону) величины остаточных энерговыделений активной зоны.
При работе ГЕ уровни воды в ее большем и меньшем объемах отличаются, так как после начала слива воды меньший объем достаточно быстро опорожняется, уровень в нем уменьшается до баланса между расходом воды в него из большего объема и расходом в трубопровод, подключенный к реактору (поз. 8).
Таким образом, по мере слива воды из гидроемкости, происходит уменьшение уровня воды в ней и, соответственно, нивелирного напора (перепада высот) водяного столба между большим и меньшим объемами. Уменьшается и площадь проходного сечения гидравлической связи между ними. В целом, по сложному математическому закону из-за снижения уровня воды и уменьшения площади проходного сечения щели, занятого истекающей через нее водой, происходит уменьшение во времени расхода воды из ГЕ. Для обеспечения соответствия расхода воды из ГЕ остаточному энерговыделению в активной зоне реактора (а.з.) была оценочно рассчитана с помощью компьютерных программ функция изменения ширины щели f(h) по высоте согласно системе уравнений, приведенной ниже:
где (фиг. 2):
2
2
искомая расчетная функция f(h) (м) - ширина щели на высоте h (м) от днища гидроемкости, так что dF(h)=f(h)dh (м) - прирост площади щели на высоте h, или ΔF(h) (м) - площадь отверстий на высоте h в случае системы отверстий;
од. отв. - индекс, относящийся к параметрам одиночного отверстия 7, определяющего расход в конечной стадии ("стабилизации") работы гидроемкости;
сист. отв. - индекс, относящийся к параметрам системы отверстий (щели);
общ. - индекс, относящийся к параметрам всей системы;
G (кг/с) - расход жидкости;
µ - безразмерный коэффициент расхода отверстия;
3
ρ (кг/м) - плотность жидкости в гидроемкости;
2
g (м/с) - ускорение свободного падения;
t (с) - текущее время;
Н (t) (м) - высота уровня жидкости в гидроемкости;
од. отв.
Н (м) - высотная отметка одиночного отверстия;
од. отв.
2
F (м) - площадь проходного сечения одиночного отверстия;
дн.
H (м) - высотная отметка днища гидроемкости;
h (м) - переменная интегрирования по уровню жидкости в гидроемкости;
запас
К - безразмерный коэффицент запаса;
треб.
G (кг/с) - требуемый расход из одной гидроемкости, определяемый остаточным энерговыделением а.з. (фиг. 8).
бак
2
F (м) - площадь поперечного (относительно продольной - высотной - оси) сечения гидроемкости;
1
2
G  (кг/с), С (1/с) - коэффициенты в функции, определяющей величину остаточного энерговыделения а.з. (зависят от начальной мощности а.з., изотопного состава топлива, глубины выгорания и т.д.) (фиг. 8);
ж.
М (кг) - масса жидкости в гидроемкости;
верх.
Н (м) - высотная отметка верха гидроемкости;
Т (с) - полное планируемое время истечения жидкости из гидроемкости, или время работы гидроемкости.
После нахождения предварительной оценки функции f(h) ее необходимо уточнить за счет математического моделирования всей системы ГЕ с помощью специализированных компьютерных программ для расчета теплогидравлических процессов.
Проведенные расчеты (см. фиг. 9) для характеристик проекта АЭС-2006 с реактором ВВЭР-1000 и ГЕ показывают, что данное устройство бесступенчатого изменения расхода охлаждающей воды позволит рационально использовать располагаемый запас воды ГЕ и продлить ее работу по охлаждению активной зоны реактора до 130000 с, тогда как проектное время работы ГЕ составляет 86400 с.