ПАССИВНАЯ СИСТЕМА СНИЖЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ ДЛЯ ЕМКОСТЕЙ ПОД ДАВЛЕНИЕМ В ЯДЕРНЫХ РЕАКТОРАХ
PASSIVE DEPRESSURISATION SYSTEM FOR PRESSURISED VESSELS IN NUCLEAR REACTORS

Настоящее изобретение относится к системе для снижения давления для емкостей под давлением, в основном, для аккумуляторов инъекций борированной воды, которые, как правило, установлены в качестве системы безопасности в ядерном реакторе.
Предпосылки создания изобретения
Ядерный реактор вырабатывает тепло, даже после того, как прошло долгое время после остановки ядерной реакции внутри. Это остаточное тепло должно быть удалено с помощью специальных систем охлаждения для поддержания их целостности. В случае, если это тепло не может быть удалено, температура повышается до достаточного уровня для создания взрывоопасной атмосферы водорода и последующего расплавления ядра реактора, что создает предпосылки для выброса радиоактивных веществ в окружающую среду.
В случае полной потери электроэнергии, единственный способ поддержания охлаждения ядра осуществляется с помощью процесса, который называется "естественная циркуляция". Это физический процесс, который создает потоки в охлаждающих трубах котла под действием разности температур между выходящей из реактора водой и водой, возвращаемой из трубок парогенератора. Парогенератор - это место, где происходит обмен тепла от ядра и где оно выводится наружу в виде чистого пара. Этот пар может быть выделен в окружающую среду, избегая прямой связи между ядром и внешней средой.
Системы, предназначенные для борьбы с последствиями несчастных случаев, как правило, включают в себя, среди прочего, систему закачивания борированной воды в реактор. Их задача состоит в восстановлении уровня воды в реакторе для поддержания его охлаждения и, кроме того, поддержке концентрации бора в воде, чтобы обеспечить достаточный запас выключения, который будет способен удержать реактор от достижения критического уровня.
Эта система состоит из одного или более аккумуляторов, содержащих определенное количество борированной воды, которые нагнетают азот при заданном давлении. Эти аккумуляторы соединены с реактором через запорный клапан (открывается по умолчанию) и обратный клапан.
В нормальных условиях давление в реакторе выше, чем давление в аккумуляторе. В этих условиях, невозвратный клапан остается закрытым и закачка не выполняется. В случае аварии и снижения давления, когда давление в реакторе падает под давлением внутри аккумулятора, этот азот под давлением начинает закачивать борированную воду в реактор до полного опорожнения борированной воды. После того как он опустеет, оператор должен закрыть запорный клапан и остановить эту закачку.
Когда авария сопровождается более серьезными последствиями, такими как полная потеря электроэнергии, контроль оборудования закачки становится невозможен. Это означает, что, когда давление в реакторе продолжает падать до определенного значения, находящийся под давлением азот проходит внутрь системы охлаждения реактора.
Этот азот внутри системы охлаждения не имеет никакого отрицательного влияния на химическую или радиологическую деятельность реактора. Тем не менее, азот является неконденсируемым газом, который, в конце концов, переходит в более высокие части системы, в основном, в верхнюю часть труб парогенератора. Это накопление неконденсируемого газа приводит к нарушению естественного потока рециркуляции, который является ЕДИНСТВЕННЫМ доступным способом для выброса тепла наружу. Этот азот значительно усложняет последующее охлаждение ядра и существенно увеличивает вероятность его расплавления.
Для предотвращения этого, могут быть приняты только две стратегии.
Первая стратегия состоит в том, чтобы закрыть клапан, соединяющий аккумулятор и реактор, когда впрыск воды заканчивается. Эта стратегия имеет ряд недостатков: Эти клапаны обычно открыты и выключены, чтобы избежать ложного закрытия. Необходимо подключить и закрыть их. Таким образом, во время возможной аварий без электроэнергии, это сделать невозможно. Даже если можно провести эту операцию с помощью портативных систем, изоляция может быть сделана либо слишком рано, так что выброс борированной воды не произойдет полностью, либо слишком поздно, когда азот достигнет реактора.
Вторая стратегия состоит в том, чтобы выбросить азот в окружающую среду с помощью предохранительных клапанов. Этот подход страдает от тех же недостатков, как и описанные выше.
Таким образом, очевидна потребность в какой-то автоматической системе, которая предотвращает попадание нежелательного азота в реактор, не требуя внешней энергии для своей работы. Кроме того, система должна автоматически распознавать подходящее время для начала работы. Это позволяет, с одной стороны, обойтись без обслуживающего персонала, а с другой стороны, максимизировать эффект выброса охлаждающей воды в реактор. Это также должно гарантировать, что азот не войдет внутрь системы реактора.
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В этом описании делается ссылка на используемую в атомной электростанции систему безопасности, которая включает и настоящее изобретение. Следует отметить, что эта система снижения давления может быть использована и на других объектах.
В соответствии со схемой настоящего изобретения, система снижения давления для емкостей под давлением содержит главный клапан, снабженный открывающей пружиной и пневматическим приводом, который может быть подключен с одной стороны к изобарической таре, заполненной газом, а с другой стороны имеет выход в окружающую среду. Эта открывающая пружина задает предопределенный уровень механического давления, так что, когда давление внутри емкости под давлением выше, чем заданное механическое давление, главный клапан остается закрытым, и, когда давление внутри емкости под давлением ниже, чем механическое давление, предопределенное пружиной, то главный клапан открывается и позволяет выполнить сброс давления емкости в окружающую среду.
Система снижения давления для емкостей под давлением, в соответствии с настоящим изобретением, предпочтительно может также включать в себя электромагнитный клапан, присоединенный между емкостью под давлением и главным клапаном, а также может содержать ручной клапан, присоединенный между емкостью под давлением и главным клапаном.
Также желательно, чтобы система снижения давления для емкостей под давлением содержала пневматическую линию, соединяющую выход этого главного клапана с пневматическим двигателем, направленным механизмом изолирующего клапана и соединенным с выходом этого сосуда под давлением, для того, чтобы иметь возможность закрыть клапан с отработанным газом и предотвратить проникновение газа в систему.
Альтернативным вариантом, со значительными эксплуатационными преимуществами по сравнению с базовой системой, может быть главный клапан со внутренней схемой, которая включает:
- подключение к емкости под давлением;
- камеру нагнетания, в которой накапливается газ из емкости под давлением;
- запорный элемент, поддающийся воздействию давления в газовой камере нагнетения и который связан с раскрывающей пружиной; а также
- по меньшей мере один выход для газа, чтобы, в случае если давление внутри камеры давления превысит заданное механическое давление, запорный элемент закроет сообщение между камерой давления и выпускным отверстием для газа, преодолевая действие открывающей пружины. В случае если давление внутри камеры давления меньше, чем заранее определенное механическое давление пружины, напорная камера будет находиться в сообщении с выходным отверстием газа, что позволит газу из камеры давления выйти в окружающую среду.
Предпочтительно, чтобы камера давления содержала плавучий механизм, который закрывал бы связь с выходом сосуда для - газа под высоким давлением, в случае наличия жидкости в камере давления.
Система снижения давления для емкостей под давлением, в соответствии со схемой настоящего изобретения, может также включать в себя поршень, связанный со второй закрывающей пружиной, который замыкает связь сосуда под давлением с выходом газа, посредством нагнетания воздуха через первое входное отверстие. Система также может содержать открывающий поршень, связанный с третьей пружиной, которая связывает емкость под давлением с выходным отверстием газа путем подачи воздуха через второй отток.
Кроме того, система снижения давления емкостей под давлением настоящего изобретения предпочтительно содержит резьбовой диск, связанный с запорным элементом и раскрывающей пружиной. Его положение относительно запорного элемента определяет заранее заданное пружиной механическое давление.
Предпочтительно, чтобы система снижения давления также содержала множество частей, расположенных внутри корпуса, а также некоторые винты, размещенные в резьбовых отверстиях между этими частями. Эти винты должны иметь возможность регулировать относительное положение этих частей друг с другом, с расстояния, кратного используемой нити.
Система снижения давления, в соответствии со схемой настоящего изобретения, имеет по меньшей мере следующие преимущества:
- Она не требует внешнего источника питания для своей основной работы, что позволяет ей выполнять надлежащим образом свою роль в аварийных ситуациях даже при полной потере электроэнергии;
- Выполняет свое действие в нужное время и только тогда, когда запас всей борированной воды заканчивается, а также предотвращает попадание газа в корпус реактора, выполняя это действие автоматически, без участия человека;
- Во время обычной работы, удаленный контроль позволяет открывать или закрывать главный клапан с помощью внешнего давления воздуха, принимая во внимание, что этот клапан может быть установлен в труднодоступном месте;
- Когда сжатый воздух не доступен, ручной функция позиционирования остается по-прежнему доступной, с помощью простого дополнительного механизма ею можно открыть или закрыть поршни;
- Его простота и прочная конструкция, особенно в альтернативном варианте реализации, приводит к высокой надежности ее компонентов, которая необходима для систем безопасности в атомной электростанции;
- Эта простая конструкция также облегчает техническое обслуживание устройства, так как оно легко может быть разобрано на составные части для их проверки. Следует отметить и его простую настройку и проверку работы;
- Его простой способ установки на существующих объектах, потому что его необходимо только подключить к выходному ручному дренажному клапану, который обычно устанавливается в этих аккумуляторах. Кроме того, в соответствии со схемой настоящего изобретения, система имеет низкий объем и вес. Эти переменные следует принимать во внимание в любых сейсмологических исследованиях, проводимых в ядерном секторе.
Краткое описание схемы
Для лучшего понимания того, что было описано выше, к документу прикреплены некоторые чертежи, где схематично и только в качестве примера предъявляются два практических случая варианта реализации.
На фиг. 1 представлена схема системы выброса аккумулятора безопасности, как правило, используемого в атомной электростанции и включенного в настоящее изобретение в соответствии с первым вариантом реализации.
На фиг. 2 представлена схема системы выброса аккумулятора безопасности, как правило, используемого в атомной электростанции и включенного в настоящее изобретение в соответствии со вторым вариантом реализации, и
На фиг. 3 показан вид разреза - корпуса в соответствии со вторым вариантом реализации. В его внутренней части выделен главный клапан.
Описание первого варианта реализации.
Как видно на фиг. 1, система, где установлена система снижения давления, в соответствии со схемой настоящего изобретения, включает в себя напорный бак 1, называемый также аккумулятором, который представляет собой сосуд, содержащий борированную воду, под давлением газа, например, азота. Эта схема также содержит предохранительный клапан избыточного давления 2 в накопителе 1; запорный клапан 3 между аккумулятором 1 и реактором (не показано на чертеже); обратный клапан 4, который предотвращает поток охлаждающей текучей среды в противоположном направлении от реактора к аккумулятору 1; и один клапан 5 для приема / отдачи - газа в аккумуляторе 1.
Следует отметить, что эти вышеупомянутые элементы показаны на чертежах и описаны здесь, чтобы улучшить понимание функционирования системы, согласно схеме настоящего изобретения, в своем обычном контексте. Эти элементы не являются частью настоящего изобретения.
В соответствии со схемой настоящего изобретения, система снижения давления содержит главный клапан 8 с приводом, или поршнем, а также с раскрывающей пружиной, регулируемой механическим давлением (не показана на чертеже), так что, когда давления в приводе нет, клапан автоматически открывается.
Система снижения давления в настоящем изобретении также включает в себя предпочтительно трехходовой электромагнитный клапан 7, так что, когда этот соленоид 7 находится под напряжением, жидкость течет между точками а и с, а с соленоидом 7 не под напряжением, жидкость течет между точками b и с. Дополнительный электромагнитный клапан может быть добавлен, чтобы можно было открывать или закрывать клапан по требованию. Соленоид также может быть заменен непосредственно трубкой между точками b и с.
Система снижения давления настоящего изобретения также предпочтительно содержит два ручных отсечных клапана 6а и 6b, чтобы изолировать систему снижения давления от основной линии питания.
Для дополнительной функциональности, можно также установить пневматическую линию 9 для подачи газа на пневматический двигатель М с механизмом клапана 3, что позволит обеспечить аварийное закрытие этого клапана.
Действие первого варианта реализации.
Функционирование системы фокусируется на клапане 8, в частности, между пневматическим приводом и раскрывающей пружиной. Необходимо следующее условие: пружина имеет заданную механическую силу Fa, которой пытается открыть клапан. Против этого действия, привод оказывает закрывающую силу Fc, которая зависит, среди других переменных, от давления, при котором ее производят. Если это давление выше определенного значения, значит, что Fc>Fa, и клапан будет оставаться на неопределенное время закрытым.
В аварийных условиях, и после начала инъекции с аккумулятора 1, давление газа будет постепенно уменьшаться по мере того, как борированная вода его покидает. Давление достигнет более низкого значения, когда инъекция будет завершена и борированной воды в аккумуляторе 1 не останется.
Затем, давление должно подчиняться Fa>Fc и, следовательно, отверстие пружины начинает открывать клапан 8. Сразу после начала открытия, положительная обратная связь полностью откроет главный клапан 8, так как чем больше открыт клапан, тем меньше сила привода и пружина имеет больше силы, чтобы открыть клапан.
Их действие состоит в полном сбросе давления аккумулятора 1, предотвращая достижение газом систем охлаждения реактора. При наличии пневматического двигателя М на клапане 3, выброшенного газа может быть достаточно даже для закрытия отсечного клапана 3, что позволит системе быть в более безопасном положении.
Электромагнитный трехходовой клапан 7 необходим, чтобы восстановить первоначальную конфигурацию после полного сброса давления аккумулятора. В этих условиях главный клапан 8 остается открытым и не дает аккумулятору 1 наполниться через клапан 5.
Чтобы закрыть главный клапан 8, необходимо подключить соленоид 7 и открыть газ через притоки а-с к исполнительному механизму. Таким образом, главный клапан 8 снова закроется, и аккумулятор 1 может находиться под давлением через клапан 5. Это также может быть достигнуто путем закрытия вручную клапана 6b.
После того, как рабочее давление в аккумуляторе восстановится, то обесточивание соленоида 7 выравнивает притоки b-с и система готова к повторному использованию.
Описание второго варианта реализации.
На фиг. 2 и 3 показан второй вариант реализации системы снижения давления в соответствии со схемой настоящего изобретения.
В этом варианте, главный клапан 8 находится внутри корпуса 80, как это можно видеть на фиг. 3, и, как описано ниже.
Этот корпус 80 установлен за запорным клапаном 6b и таким же образом, как показано на фиг. 1. В этом варианте реализации электромагнитный клапан больше не нужен, а на его месте может быть простая трубка между приводом клапана 5 и первый входом воздуха 200 в корпусе 80. Это соединение означает, что, когда впускной клапан 5 открыт, главный клапан 8, который находится в корпусе 80, закрыт, как это описано ниже. Независимое управление (в отличие от клапана 5), может быть проведено с помощью дополнительного соленоида.
На фиг. 3 подробно показаны элементы внутри этого корпуса 80.
Этот корпус 80 включает в себя соединение с аккумулятором 100, который позволяет впуск газа в камеру 20 давления. Эта камера 20 давления поддерживает то же внутреннее давление, что и аккумулятор 1.
На верхней стороне и по центру вокруг оси, находится закрывающий цилиндр 60 и запорный элемент 30, которые закрывает камеру с помощью О-образного кольца между ними. За областью закрытия запорный элемент 30 имеет несколько небольших отверстий, ведущих к центральной трубе.
Закрывающий цилиндр 60 также управляет запорным элементом 30 и служит в качестве уплотнительной поверхности поршня 70. Дополнительно он может также работать в качестве предельного конца отсечного элемента 30.
В этом варианте реализации, можно считать, что запорный элемент 30, отверстие пружины 10 и регулировочный диск 90 выполняют ту же функцию, что и главный клапан 8 в первом варианте реализации. Этот диск 90 связан через резьбовое зацепление с запорным элементом 30.
На схеме также показан элемент 110, который является основой и корпусом для открытия пружины 10. Эта пружина 10 бьет регулировочный диск 90 и запорный элемент 30. Эта часть 110 удерживается частями 120 и 130, которые заблокированы винтами 140. Выбор их размера и расположение должен учитывать возможность создать оптимальную рабочую точку открывающей пружины 10 и место для открытия хода запорного элемента 30.
Как видно на фиг. 3, корпус 80 содержит верхний корпус 170, прикрепленный к центральному телу 210 нитью между обоими. Таким образом, верхний корпус 170 играет роль защиты внутренних элементов системы.
Внутри элемента 170 имеется поршень, который используется для автоматического открытия запорного элемента 30. В нижней части элемента 210 есть другой поршень, чтобы автоматически закрыть запорный элемент 30.
Корпус 80 также включает в себя нижний корпус 220, соединенный с основным корпусом 210. Нижняя часть тела 220 находится внутри напорной камеры 20. Соединение между нижней частью корпуса 220 и основным корпусом 210 может быть выполнено различными способами, однако предпочтение отдается материализации через уплотнительное кольцо и достаточно винтов между корпусом, как, например, фланцевым уплотнением. Эти винты и уплотнительное кольцо не показаны на фиг. 3.
В нижней части камеры 20 давления находится плавающее устройство 40, полое или заполненное материалом с низкой плотностью и высокой прочностью. В нижней части камеры 20 давления имеется резьбовая продувочная пробка 50 с соответствующей уплотнительным кольцом, которое может быть использовано для сброса давления в камере 20 и может быть точкой подачи испытательного давления во время калибровки системы.
Действие второго варианта реализации
Функционирование системы снижения давления, в соответствии со вторым вариантом реализации, объясняется следующим образом. В то время как в камере 20 давления имеется достаточное давление, это давление провоцирует силу Fc на запорном элементе 30, чтобы противодействовать и преодолеть Fa, оказываемую весом запорного элемента 30 и установочного диска 90, и силу, оказываемую пружинами 10. Пока Fc>Fa, более высокое давление в камере 20 давления держит клапан закрытым на неопределенный срок.
В аварийных условиях, так как аккумулятор 1 опустошается от борированной воды, газ будет расширяться и давление будет уменьшаться внутри аккумулятора 1. Когда вся борированная вода оставит аккумулятор 1, он будет оставаться под остаточным давлением. Это остаточное давление не может противодействовать силе открывающей пружины 10, позволяя смещение к нижней части запорного элемента 30. Следовательно, газ будет проходить через их отверстия и центральные полости, и, наконец, через выходные порты 180, до тех пор, пока общий сброс давления аккумулятора 1 не достигнет атмосферного давления.
Достигнув этого состояния, запорный элемент 30 остается в своем нижнем положении, оставляя систему открытой. Этот запорный элемент 30 может вернуться в заднее положение только путем повторного повышения давления в камере 20 давления, а также приведением в действие поршня 70, вводящего сжатый воздух через первый вход 200, или с помощью другого механического толчка. Затем поршень 70 скользит вверх и толкает регулировочный диск 90, потянув запорный элемент 30 до его верхнего положения, закрывая клапан.
Закрывающий поршень 70 возвращается в исходное состояние с помощью второй пружины 80 и после снижения давления первого входа 200.
Открывающий поршень 150 может автоматически открыть клапан и разгерметизировать аккумулятор 1, когда, по техническому обслуживанию или другим эксплуатационным причинам, ему будет дана такая команда. Это может быть достигнуто, если сжатый воздух подается через второй вход 190. Затем этот поршень 150 прижимает элемент 110, открывающую пружину 10, диск 90 и запорный элемент 30, просто открыв путь из камеры 20 давления к дефлекторам 180.
После снижения давления третья пружина 160 возвращает поршень 150 в положение по умолчанию. Того же самого эффекта открытия можно достичь механическим способом, когда вместо давления воздуха, поршень 150 проталкивается простым резьбовым винтом с достаточной длиной или другим толкающим элементом из того же входа 190.
Относительное положение между запорным элементом 30, и регулировочным диском 90, которое достигается путем вращения первого над вторым, определяет механическое давление в открывающей пружине 10, и, таким образом, давление камеры 20 давления при системе в действии.
Для облегчения относительного позиционирования частей 120 и 130, а также основного корпуса 210, некоторые резьбовые болты 140 расположены между резьбовыми частями 120 и 130 и основным корпусом 210. Этот способ фиксации позволяет точно позиционировать эти элементы между собой на расстояниях, которые являются кратными длины используемой нити.
Наконец, плавающее устройство 40 имеет задачу закрыть клапан в случае сбоев в невозвратном клапане 4. После приведения в действие снижения давления, этот открытый клапан может стать местом утечки охладителя реактора.
Работа плавающего устройства 40 осуществляется автономным и автоматическим путем простой флотацией над вытекающим хладагентом. После того, как верхний предел разницы давлений внутри и снаружи удержит клапан закрытым, создастся полость в верхней части плавучего устройства, способная поддержать весь запорный элемент 30 в открытом положении.
Несмотря на то что мы делаем ссылку на конкретную материализацию изобретения, специалисту в данной области техники должно быть очевидно, что описанная система снижения давления допускает множество вариаций и модификаций, а также, что все упомянутые детали могут быть заменены другими технически эквивалентными, не выходя за пределы объема заданной схемы, определяемого дизайном изобретения.