Система аварийного охлаждения ядерной энергетической установки
NUCLEAR POWER PLANT EMERGENCY COOLING SYSTEM

Область техники
Изобретение относится к области ядерной энергетики и предназначено для использования на атомных электростанциях (АЭС) с устройством локализации расплава (УЛР).
Предшествующий уровень техники
На всех современных АЭС герметичное ограждение реакторной установки (РУ) выполняется в виде противоаварийной оболочки.
При этом противоаварийная оболочка выполнена в виде совокупности элементов блока АЭС, включая строительные конструкции, которые, ограждая пространство вокруг РУ, препятствуют распространению радиоактивных веществ и ионизирующего излучения в окружающую среду в количествах, превышающих установленные пределы. Данные требования в настоящее время прямо установлены различными нормами в области использования атомной энергии (Общие положения обеспечения безопасности атомных станций. Федеральные нормы и правила в области использования атомной энергии. НП-001-15. М: ФБУ «НТЦ ЯРБ», 2016, с. 56).
Для отвода тепла от РУ при проектных авариях с разрывом трубопроводов контура теплоносителя РУ современные АЭС имеют систему аварийного охлаждения, которая обычно включает в себя систему, отводящую тепло и предотвращающую повышение давления во внутреннем объеме противоаварийной оболочки, что часто достигается распылением теплоносителя во внутреннем объеме противоаварийной оболочки через форсунки (сопла) этой системы. Такие форсунки называют спринклерными, а часть системы аварийного охлаждения, обеспечивающую подачу теплоносителя к спринклерным форсункам - спринклерной системой.
При этом осуществляется сбор теплоносителя с дальнейшей подачей его через трубопроводы в РУ и на спринклерные форсунки.
Известны технические решения (Маргулова Т.Х. Атомные электрические станции:
Учебник для вузов. - 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Высшая школа, 1978, с. 360 с ил.), в которых для сбора теплоносителя, попадающего на пол герметичной оболочки, при авариях с разрывом конура теплоносителя РУ, используется бак-приямок, в котором осуществляется также хранение аварийного запаса теплоносителя. Таким образом, аварийный запас теплоносителя возвращается в место его хранения. При аварии теплоноситель подается к РУ и к спринклерным форсункам насосами из бака-приямка, стекает на пол противоаварийной оболочки и самотеком поступает обратно в бак-приямок, который располагается ниже уровня пола противоаварийной оболочки в фундаментной плите, после чего процесс повторяется. Недостатком такого решения является то, что длительное хранение теплоносителя в баке-приямке требует выполнения дополнительных требований к его конструкции, т.к. он входит в контур герметизации противоаварийной оболочки. Кроме этого, необходимо постоянно поддерживать и контролировать качество теплоносителя в баке-приямке в течение всего срока службы АЭС, что требует установки дополнительного оборудования, обслуживания этого оборудования и, следовательно, дополнительных эксплуатационных расходов.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является энергетическая установка (патент RU 2102800 С1, МПК G21C 15/18, приоритет 15.08.1996, опубл. 20.01.1998), содержащая установленные в противоаварийной (защитной) оболочке водяной реактор, подсоединенный циркуляционными трубопроводами для горячего и охлажденного теплоносителя к парогенератору, спринклерную систему, бассейн выдержки топлива с аварийным запасом теплоносителя, приямок, обратный клапан и систему аварийного и/или нормального расхолаживания, состоящую из теплообменника и насоса расхолаживания, всасывающий трубопровод которого подсоединен через отключающие задвижки к сливному патрубку бассейна выдержки топлива, приямку и циркуляционному трубопроводу для горячего теплоносителя, а нагнетающий трубопровод подсоединен с обратному клапану, энергетическая установка снабжена двумя струйными насосами большей и меньшей производительности, входные участки форсунок (или сопел) которых сообщены между собой и подсоединены к обратному клапану нагнетательного трубопровода насоса расхолаживания, всасывающие патрубки обоих струйных насосов через обратные клапаны соединены с всасывающим трубопроводом насоса расхолаживания, при этом диффузор струйного насоса большей производительности подсоединен к циркуляционным трубопроводам для горячего и охлажденного теплоносителя, а диффузор струйного насоса меньшей производительности к патрубку для залива в бассейн выдержки топлива.
Система аварийного охлаждения такой энергетической установки позволяет обеспечить сбор теплоносителя, попадающего на пол защитной оболочки при авариях с течью теплоносителя РУ и по любой другой причине, а также длительное охлаждение РУ и внутреннего объема противоаварийной оболочки. При этом приямок предлагается использовать только для сбора жидкости, вытекающей при авариях с течью первого контура, а необходимый аварийный запас теплоносителя находится в бассейне выдержки.
Существенными признаками этого технического решения являются:
Размещение вне противоаварийной оболочки отсекающих вентилей системы аварийного охлаждения.
Наличие приямка нижней части противоаварийной оболочки для сбора жидкости, охлаждающей реактор и внутренний объем противоаварийной оболочки при авариях с разрывом конура теплоносителя РУ.
Недостатком такого технического решения является то, что:
- отсекающие вентили размещены вне противоаварийной оболочки, что при разрыве трубопроводов системы аварийного охлаждения за пределами противоаварийной оболочки, может привести к потере всего теплоносителя, поступающего в приямок, несмотря на наличие отсекающих вентилей, и, как следствие этого, проектная авария может перейти в тяжелую аварию с расплавлением активной зоны реактора;
- не предусмотрена возможность установки под реактором УЛР, поэтому установка УЛР повлекла бы за собой существенное увеличение высоты здания реактора, что снизило бы его устойчивость, особенно в отношении сейсмических воздействий;
- отсутствуют устройства очистки теплоносителя, поступающего из приямка в систему аварийного охлаждения и в спринклерную систему.
Задачей настоящего изобретения является разработка системы аварийного охлаждения ядерной энергетической установки и внутреннего объема противоаварийной оболочки, позволяющей обеспечить повышенную безопасность АЭС за счет использования устройства локализации расплава без существенного увеличения высоты здания реактора и обеспечения возможности охлаждения устройства локализации расплава в пассивном режиме.
Техническим результатом настоящего изобретения является повышение безопасности АЭС за счет применения устройства локализации расплава без существенного увеличения высоты здания реактора и обеспечения возможности охлаждения устройства локализации расплава в пассивном режиме, а также за счет возможности фильтрации теплоносителя и безопасного размещения отсекающих вентилей трубопроводов.
Технический результат достигается тем, что в известной системе аварийного охлаждения ядерной энергетической установки, содержащей контур герметизации, спринклерные форсунки, размещенные внутри герметичной противоаварийной оболочки, и углубление для сбора теплоносителя в полу противоаварийной оболочки, по меньшей мере, один насос, соединенный с углублением всасывающим трубопроводом с установленным в нем теплообменником и отсекающим вентилем, и нагнетающие трубопроводы, соединяющие насосы со спринклерными форсунками и реактором ядерной энергетической установки, в углублении дополнительно установлена вертикальная шахта, в верхней части которой расположен реактор, а в нижней - устройство локализации расплава, вокруг нижней части шахты расположен водосборник, соединенный с насосами всасывающими трубопроводами, проходящими через, по меньшей мере, одну вентильную камеру, в которой размещены отсекающие вентили, а в стене нижней части шахты выполнено, по меньшей мере, одно отверстие с возможностью поступления теплоносителя к устройству локализации расплава.
Рационально снабдить систему резервуаром с запасом теплоносителя, соединенным с всасывающим трубопроводом.
Предпочтительно в качестве резервуара с запасом теплоносителя использовать бассейн выдержки отработавшего ядерного топлива.
Предпочтительно выполнить вентильные камеры с возможностью доступа сверху через шахты с уровня выше максимально возможного уровня теплоносителя.
Рекомендуется снабдить водосборник фильтрующими устройствами, объединенными в единое целое коллектором, соединенным с всасывающими трубопроводами.
Краткое описание фигур чертежей
Изобретение поясняется чертежами, где:
на Фиг. 1 представлена система аварийного охлаждения ядерной энергетической установки в предпочтительном варианте в ситуации максимального уровня теплоносителя при аварии.
на Фиг. 2 представлен план-разрез, поясняющий расположение системы аварийного охлаждения ядерной энергетической установки в одном из вариантов изобретения.
на Фиг. 3 представлен вид системы аварийного охлаждения ядерной энергетической установки в разрезе 1-1, показанном на Фиг. 2.
На Фиг. 1, 2, 3 приведены следующие обозначения:
1 - реактор;
2 - устройство локализации расплава;
3 - шахта;
4 - отверстия в стене шахты;
5 - водосборник;
6 - вентильные камеры
7 - стены шахты вентильных камер;
8 - блоки фильтрующих модулей;
9 - коллектор;
10 - контур герметизации противоаварийной оболочки;
11 - всасывающие трубопроводы с отсекающими вентилями;
12 - пол противоаварийной оболочки;
13 - противоаварийная оболочка;
14 - спринклерные форсунки;
15 - насос;
16 - теплообменник;
17 - бассейн выдержки.
Реактор 1 располагается в шахте 3 в противоаварийной оболочке 13.
Под реактором 1 в шахте 3 расположено устройство локализации расплава 2.
Здесь же, в противоаварийной оболочке 13 находится система аварийного охлаждения.
Под реактором 1 в противоаварийной оболочке 13 выполнено углубление, в котором вертикально установлена шахта 3, в верхней части которой расположен реактор 1, а в нижней - устройство локализации расплава 2.
Вокруг нижней части шахты 3 расположены водосборник 5 и две отдельные вентильные камеры 6 с всасывающими трубопроводами с отсекающими вентилями 11. Как показано на фиг. 1, вентильные камеры 6 не заполняются теплоносителем ни при какой аварии, поскольку доступ к ним осуществляется сверху через шахты с уровня выше максимально возможного аварийного уровня теплоносителя.
Водосборник 5 содержит в предпочтительном варианте блоки фильтрующих модулей 8 и коллектор 9, соединяющийся всасывающим трубопроводом 11 с насосом 15, подающим теплоноситель к спринклерным форсункам 14. Всасывающие трубопроводы 11 с отсекающими вентилями соединены с теплообменниками 16, служащими для охлаждения теплоносителя.
В одном из вариантов изобретения водосборник 5 и, по меньшей мере, две вентильные камеры 6 расположены вокруг шахты 3 так, что стена шахты 3 реактора 1 является одновременно внутренней стеной водосборника 5 и вентильных камер 6 и разделяет их, как показано на фиг. 2. Использование двух и более вентильных камер 6 повышает надежность работы системы аварийного охлаждения за счет обеспечения работы системы при выходе из строя одного из всасывающих трубопроводов 11. В этом случае перекрывают отсекающие вентили в соответствующей вентильной камере 6, продолжая подачу теплоносителя через сохранившие работоспособность всасывающие трубопроводы 11. В настоящее время в используемых системах аварийного охлаждения всасывающие трубопроводы и насосы дублируют, при этом спринклерная система разделена на два независимых канала, что при использовании заявленной системы аварийного охлаждения также требует использования двух вентильных камер 6.
На полу водосборника 5 в предпочтительном варианте установлены блоки фильтрующих модулей 8, а в вентильных камерах 6 отсекающие вентили и всасывающие трубопроводы 11, соединяющие коллектор 9 с насосами 15. В предпочтительном варианте в шахте 3 имеются отверстия 4, соединяющие помещение водосборника 5 с внутренней частью шахты реактора 3, где установлено устройство локализации расплава 2.
Система аварийного охлаждения в предпочтительном варианте содержит не менее одного резервуара с теплоносителем, соединенного с всасывающим трубопроводом 11 с отсекающими вентилями, выполненным с возможностью подачи теплоносителя к реактору 1 и к спринклерным форсункам 14 для охлаждения ядерной энергетической установки в случае аварии. В предпочтительном варианте в качестве одного из таких резервуаров используется бассейн выдержки 17 отработавшего ядерного топлива.
Контур герметизации противоаварийной оболочки 10 проходит внутри стен водосборника 5 и вентильных камер 6.
Уровень стен шахт вентильных камер 7 и уровень верхнего края устройства локализации расплава 2, как показано на фиг. 1, превышают максимальный уровень залива теплоносителем нижней части противоаварийной оболочки при любой аварии, поэтому теплоноситель не может попасть в вентильные камеры 6 и устройство локализации расплава 2. При авариях теплоноситель находится снаружи устройства локализации расплава 2 и при тяжелой аварии охлаждает его в пассивном режиме.
Предпочтительный вариант осуществления изобретения
Описание и прилагаемые чертежи представляют собой иллюстрации изобретения, которые не должны рассматриваться как ограничивающие его объем.
Различные конкретные детали описываются для того, чтобы содействовать всестороннему пониманию изобретения. Однако в некоторых случаях хорошо известные или традиционно используемые детали не описываются, чтобы не загромождать описание.
Если не указано иное, все технические и научные термины, используемые в настоящем описании, имеют значения, которые приняты среди специалистов в области техники, к которой относится настоящее изобретение.
При работе АЭС на мощности жидкость в водосборнике 5 отсутствует, и заполняется он теплоносителем только при аварии.
Система аварийного охлаждения подает в контур РУ раствор борной кислоты концентрацией достаточной для поддержания подкритичности активной зоны ядерного энергетического ректора 1 на всех этапах аварии с течью конура теплоносителя РУ.
На начальном этапе аварий с течами контура теплоносителя РУ используются аварийные запасы теплоносителя, в частности, из бассейна выдержки 17. После поступления аварийных запасов теплоносителя в водосборник 5 предусмотрена организация рециркуляции (длительностью до 30 дней) теплоносителя из водосборника 5.
При повышении давления и/или температуры во внутреннем объеме противоаварийной оболочки 13 происходит автоматическое включение в работу спринклерных форсунок 14. Затем распыленный теплоноситель охлаждает внутренний объем противоаварийной оболочки 13 и понижает давление в нем, после чего самотеком попадает в водосборник 5.
Рециркуляция теплоносителя осуществляется следующим образом. После попадания в реактор 1 и во внутренний объем противоаварийной оболочки 13 теплоноситель стекает на пол противоаварийной оболочки 13, откуда самотеком поступает в водосборник 5, расположенный ниже уровня пола 12 противоаварийной оболочки. Затем через блоки фильтрующих модулей 8, выполненных с возможностью очистки теплоносителя от дебриса, теплоноситель поступает в коллектор 9, а оттуда во всасывающие трубопроводы 11 с отсекающими вентилями. Далее теплоноситель поступает в теплообменники 16, в которых производится его охлаждение, и насосами 15 снова подается в реактор 1 и, в случае необходимости, к спринклерным форсункам 14.
Кроме этого, попавший в водосборник 5 теплоноситель через отверстия 4 в стене шахты поступает в шахту 3 реактора 1, что позволяет обеспечить охлаждение устройства локализации расплава 2 с внешней стороны в пассивном режиме при тяжелой аварии с расплавлением активной зоны, что дополнительно повышает безопасность АЭС.
В случае разрыва трубопроводов системы аварийного охлаждения за пределами противоаварийной оболочки 12 дефектный участок может быть отключен одним из отсекающих вентилей, которые расположены в каждой вентильной камере 6, при этом теплоноситель не будет потерян.
Технико-экономический эффект изобретения состоит в следующем:
1. Повышается безопасность АЭС в целом.
2. Повышается устойчивость здания реактора к опрокидыванию за счет уменьшения высоты здания реактора, что снижает стоимость противоаварийной оболочки и здания реактора в целом за счет уменьшения количества материалов и объема работ, необходимых для их возведения.
3. Повышается сейсмостойкость здания реактора за счет уменьшения высоты здания реактора.
4. Сокращается число герметичных элементов контура герметизации противоаварийной оболочки за счет установки водосборника целиком в герметичной противоаварийной оболочке. Стоимость негерметичных конструкций, их монтаж, контроль и обслуживание значительно ниже, чем герметичных.
Промышленная применимость
Система аварийного охлаждения ядерной энергетической установки может быть применена в атомных электростанциях, снабженных устройством локализации расплава, и позволяет повысить их безопасность при сейсмических воздействиях, проектных и тяжелых авариях.