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

Изобретение относится к области атомной энергетики и может быть использовано в системах пассивного отвода тепла реакторных установок.
Известна система пассивного отвода тепла (СПОТ) ядерного реактора (Патент RU №2002319 от 30.10.1993), которая включает трубчатый теплообменник аварийного расхолаживания, соединенный греющим трактом с парогенератором, а охлаждающим трактом - с атмосферным баком. Входная полость теплообменника охлаждающего тракта соединена с водяным объемом атмосферного бака, а выходная полость охлаждающего тракта соединена с атмосферным баком так, что выходной конец трубопровода сброса направлен в атмосферный бак. Недостатком такой системы является ограниченность ее действия во времени вследствие ограниченных запасов выпариваемой воды, определяемых емкостью атмосферного бака. Кроме того, выделение промежуточного теплообменника из атмосферного бака и добавление охлаждающего его тракта приводит к усложнению системы вследствие увеличения количества элементов системы, а также к снижению высоты циркуляции греющего тракта, что уменьшает движущий напор естественной циркуляции в греющем тракте.
Известна система (Патент 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 для запуска 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.
Известна система аварийного расхолаживания, в которой отвод остаточных тепловыделений происходит через промежуточный контур за счет выпаривания запасов воды (Патент RU №111336 от 10.12.2011). Отвод остаточных тепловыделений от реактора происходит через промежуточный контур, теплообменник-конденсатор которого размещен в цистерне запаса воды, выпариваемой в атмосферу. После осушения цистерны водяной затвор в цистерне исчезает и теплообменник-конденсатор работает в режиме воздушного теплообменника. Недостатком такой системы является ограниченность времени ее эффективного действия в пассивном режиме запасами воды в цистерне, а также то, что по мере выпаривания воды уменьшаются поверхность теплообменника-конденсатора, охлаждаемая водой и эффективность теплопередачи. Отвод остаточных тепловыделений после выпаривания запасов воды может быть недостаточным вследствие низкой эффективности теплоотдачи к воздуху.
Известна система пассивного отвода тепла от водоводяного энергетического реактора через парогенератор (патент RU №2595640 от 04.12.2014). Система включает контур циркуляции теплоносителя, содержащий парогенератор и секционный теплообменник, размещенный выше парогенератора внутри емкости запаса охлаждающей воды и соединенный с парогенератором посредством подводящего и отводящего трубопроводов. Теплообменник включает нижний и верхний коллекторы, соединенные теплообменными трубками, а на отводящем трубопроводе установлены пусковые клапаны разного проходного сечения. При включении системы в работу пар из парогенератора поступает в теплообменник, в котором конденсируется, а конденсат сливается обратно в парогенератор. При этом поверхность теплообменника охлаждается водой, запасенной в емкости запаса охлаждающей воды. В результате вода в емкости нагревается до кипения, испаряется, и пар сбрасывается в атмосферу. Данная система обладает эффективным теплоотводом. Однако недостатком такой системы является ограниченность времени ее действия в пассивном режиме объемом выпариваемых запасов воды, поскольку для пополнения запасов воды требуются активные действия. Кроме того, по мере выпаривания воды снижается ее уровень в емкости и вследствие этого может уменьшаться охлаждаемая водой поверхность теплообменника, что снижает эффективность теплообмена. Кроме того, поскольку емкость с запасом большого количества воды на выпаривание необходимо размещать выше парогенератора, то усложняются, укрепляются и удорожаются строительные конструкции здания реакторной установки.
Наиболее близким техническим решением является система пассивного отвода тепла реакторной установки (патент RU №155932 от 02.12.2014). Система содержит контур циркуляции теплоносителя с теплообменником, герметичную емкость с запасом воды, содержащую устройство ограничения давления, пароводяной инжектор, соединенный паровой веткой с паровым объемом герметичной емкости с запасом воды, атмосферную емкость с запасом воды. В водном объеме атмосферной емкости с запасом воды установлен водяной теплообменник, соединенный веткой с герметичной емкостью с запасом воды. Пароводяной инжектор соединен веткой с водяным объемом герметичной емкости с запасом воды вблизи ее днища, и отводящей веткой по пару с водным объемом атмосферной емкости с запасом воды. Подводящая ветка пароводяного инжектора соединена с отводящей веткой водяного теплообменника, а атмосферная емкость с запасом воды выполнена с возможностью соединения с расположенным на одном уровне с ней внешним водоемом. Недостатком данной системы является необходимость слива части запаса воды в герметичной емкости при периодических запусках системы в действие, а также невозможность работы системы при повышении давления в герметичной емкости, т.к. система не герметична.
Технической задачей является создание системы пассивного отвода тепла, позволяющей обеспечить надежный отвод тепла в пассивном режиме неограниченное время и исключающей возможность потери запасов воды в герметичной емкости.
Решение поставленной задачи позволяет осуществлять аварийное охлаждение реакторной установки в пассивном режиме в течение длительного времени с отводом всего выделяемого тепла через размещенный ниже герметичной емкости с запасом воды водяной теплообменник, охлаждаемый в качестве конечного поглотителя тепла водой внешнего водоема или забортной водой (для плавучих реакторных установок), в которых запасы охлаждающей воды не ограничены.
Технический результат достигается тем, что в системе пассивного отвода тепла, содержащей контур теплоносителя, герметичную емкость с запасом воды с размещенным в ней теплообменником, пароводяной инжектор, размещенный выше уровня воды в герметичной емкости с запасом воды и соединенный подводящей паровой веткой с паровым объемом герметичной емкости с запасом воды и отводящей веткой с водным объемом герметичной емкости с запасом воды, а также водяной теплообменник, размещенный ниже герметичной емкости с запасом воды и подключенный отводящей веткой к пароводяному инжектору, а подводящей веткой - к герметичной емкости с запасом воды или к отводящей ветке пароводяного инжектора (для варианта 2), установлена пусковая емкость, размещенная выше пароводяного инжектора и соединенная подводящей и отводящей ветками с отводящей веткой пароводяного инжектора.
Включение в систему пусковой емкости, расположенной выше пароводяного инжектора и соединенной подводящей и отводящей ветками с отводящей веткой пароводяного инжектора, позволяет сливать из нее накопившийся конденсат при отсутствии циркуляции в системе и тем самым освобождать ее объем для поступления пара и улучшать условия для последующего запуска работы пароводяного инжектора.
Система пассивного отвода тепла может быть снабжена обратным клапаном, размещенным на отводящей ветке пароводяного инжектора, а также обратным клапаном, размещенным на отводящей ветке пусковой емкости ниже уровня воды в герметичной емкости.
Включение в систему обратных клапанов улучшает условия запуска системы, т.к. они предотвращают поступление при этом под действием давления в герметичной емкости воды в верхнюю часть отводящей ветки пароводяного инжектора и пусковую емкость. Поступление воды в верхнюю часть отводящей ветки пароводяного инжектора будет препятствовать прохождению пара в пусковую емкость и затруднять запуск циркуляции. Заполнение при запуске пусковой емкости водой из герметичной емкости, находящейся в состоянии насыщения, уменьшит ее объем и ухудшит условия для конденсации поступающего пара.
Пусковая емкость может быть выполнена с возможностью внешнего охлаждения. Выполнение пусковой емкости с возможностью внешнего охлаждения повысит эффективность конденсации поступающего в нее пара и улучшит условия для последовательных неоднократных запусков циркуляции в системе.
Сущность технического решения поясняется чертежами. На фиг. 1 схематично показана система пассивного отвода тепла, содержащая герметичную емкость с запасом воды с размещенным в ней теплообменником контура циркуляции теплоносителя, пароводяной инжектор, соединенный отводящей веткой с водяным объемом герметичной емкостью, а подводящими ветками - с паровым объемом герметичной емкости и с выходом водяного теплообменника, который подводящей веткой соединен с водным объемом герметичной емкости. Пусковая емкость размещена выше пароводяного инжектора и соединена подводящей и отводящей ветками с отводящей веткой пароводяного инжектора (вариант 1).
На фиг. 2 схематично показана система пассивного отвода тепла, в которой на отводящей ветке пароводяного инжектора и на отводящей ветке пусковой емкости размещены обратные клапаны (вариант 1).
На фиг. 3 схематично показана система пассивного отвода тепла, содержащая герметичную емкость с запасом воды с размещенным в ней теплообменником контура циркуляции теплоносителя, пароводяной инжектор, соединенный подводящими ветками с выходом водяного теплообменника и с паровым объемом герметичной емкости с запасом воды, а его отводящая ветка соединена с водным объемом герметичной емкости и с подводящей веткой водяного теплообменника. Пусковая емкость размещена выше пароводяного инжектора и соединена подводящей и отводящей ветками с отводящей веткой пароводяного инжектора (вариант 2).
На фиг. 4 схематично показана система пассивного отвода тепла, в которой на отводящей ветке пароводяного инжектора и на отводящей ветке пусковой емкости размещены обратные клапаны (вариант 2).
Предложено два варианта выполнения системы пассивного отвода тепла, в которых решается одна техническая задача и достигается один и тот же результат.
На фигуре 1 представлена схема выполнения системы пассивного отвода тепла реакторной установки (СПОТ). Представлены только те элементы, которые необходимы для понимания основной цели предложения. Оборудование, хорошо известное специалистам в данной области, на схеме не показано.
В первом варианте система состоит из герметичной емкости с запасом воды 1 с размещенным в ней теплообменником 2, пароводяного инжектора 3, размещенного выше уровня воды в герметичной емкости 1, водяного теплообменника 4, размещенного ниже герметичной емкости 1, и пусковой емкости 9, размещенной выше пароводяного инжектора 3. Пароводяной инжектор 3 соединен паровой веткой 5 с паровым объемом герметичной емкости 1, а отводящей веткой 6 соединен с водяным объемом герметичной емкости 1. Водяной теплообменник 4 соединен подводящей веткой 7 с герметичной емкостью 1, а отводящей веткой 8 - с пароводяным инжектором 3. Верхняя часть пусковой емкости 9 подключена подводящей веткой 10 к части ветки 6, расположенной выше уровня воды в герметичной емкости 1, а нижняя часть пусковой емкости 9 подключена отводящей веткой 11 к части ветки 6, расположенной ниже уровня воды в герметичной емкости 1. На ветке 11 между пусковой емкостью 9 и веткой 6 может быть установлен обратный клапан 12, размещенный ниже уровня воды в герметичной емкости 1. На отводящей ветке 6 между пароводяным инжектором 3 и точкой подключения ветки 11 может быть установлен обратный клапан 13 (фиг. 2).
Во втором варианте (фиг. 3) система состоит из герметичной емкости с запасом воды 1 с размещенным в ней теплообменником 2, пароводяного инжектора 3, размещенного выше уровня воды в герметичной емкости 1, водяного теплообменника 4, размещенного ниже герметичной емкости 1, и пусковой емкости 9, размещенной выше пароводяного инжектора 3. Пароводяной инжектор 3 соединен паровой веткой 5 с паровым объемом герметичной емкости 1, а отводящей веткой 6 - с водным объемом герметичной емкости 1. Водяной теплообменник 4 соединен подводящей веткой 7 с отводящей веткой 6, а отводящей веткой 8 - с пароводяным инжектором 3. Верхняя часть пусковой емкости 9 подключена подводящей веткой 10 к части ветки 6, расположенной выше уровня воды в герметичной емкости 1, а нижняя часть пусковой емкости 9 подключена отводящей веткой 11 к части ветки 6, расположенной ниже уровня воды в герметичной емкости 1. На отводящей ветке 6 между пароводяным инжектором 3 и точкой подключения ветки 7 может быть установлен обратный клапан 13. На ветке 11 между пусковой емкостью 9 и веткой 6 может быть установлен обратный клапан 12 (фиг. 4), размещенный ниже уровня воды в герметичной емкости 1.
Система пассивного отвода тепла работает следующим образом.
Исходно система пассивного отвода тепла находится в состоянии ожидания при отсутствии поступления теплоносителя от источника тепла в теплообменник 2. Уровни воды в герметичной емкости 1 и ветках 6, 8 и 11 одинаковы.
В первом варианте исполнения при возникновении аварийной ситуации в теплообменник 2 поступает теплоноситель от источника тепла. При поступлении тепла от теплообменника 2 вода в герметичной емкости 1 нагревается и закипает. Поступление пара в паровой объем герметичной емкости 1 увеличивает давление в ней. Образовавшийся пар по паровой ветке 5 поступает к пароводяному инжектору 3 и по ветке 10 выходит в пусковую емкость 9, в которой конденсируется. Образовавшийся конденсат поступает в нижнюю часть пусковой емкости 9 и заполняет отводящую от нее ветку 11 водой, уровень которой может быть выше уровня воды в герметичной емкости 1. При движении пара по паровой ветке 5 вследствие ее гидравлического сопротивления и частичной конденсации пара в камере смешения пароводяного инжектора 3 давление в камере смешения пароводяного инжектора 3 будет меньше давления в герметичной емкости 1. При этом, как в сообщающихся сосудах (герметичной емкости 1 и ветке 8), уровень воды в ветке 8 поднимается, и вода поступает в камеру смешения пароводяного инжектора 3.
В результате в камере смешения пароводяного инжектора 3 происходит конденсация поступающего пара и его смешение с поступающей водой. При этом в нагнетательной камере пароводяного инжектора 3 возникает повышенное давление смешанной среды, создающее циркуляцию среды по ветке 6. Так как при конденсации пара в камере смешения пароводяного инжектора 3 давление в ней меньше давления в герметичной емкости 1, то возникает движение воды из герметичной емкости к пароводяному инжектору 3 по тракту, включающему ветку 7, водяной теплообменник 4 и ветку 8. При этом тепло отводится из герметичной емкости 1 через водяной теплообменник 4 к конечному поглотителю тепла.
Поскольку потоки воды в системе не регулируются, то в любой момент времени количество тепла, поступающего в герметичную емкость 1, и количество тепла, отводимого из нее через водяной теплообменник 4, не равны и система не может работать в стационарном режиме, т.е. все процессы нестационарны и протекают в динамике следующим образом.
При наличии в системе циркуляции и отвода тепла через водяной теплообменник 4 количество тепла, поступающего в герметичную емкость 1, может быть меньше количества тепла, отводимого из нее через водяной теплообменник 4. Такие условия возникают в процессе снижения во времени остаточных тепловыделений в реакторной установке и соответственно количества тепла, поступающего по контуру теплоносителя в герметичную емкость 1.
При таких условиях парообразование в герметичной емкости 1 уменьшается, давление пара в ней снижается, поступление пара по паровой ветке 5 уменьшается вплоть до прекращения и работа пароводяного инжектора 3 останавливается. Циркуляция воды по веткам 6, 7 и 8 прекращается.
При этом из-за отсутствии расхода пара по ветке 5 давления в герметичной емкости 1, пароводяном инжекторе 3 и пусковой емкости 9 выравниваются. Если при этом уровень конденсата в ветке 11 и пусковой емкости 9 выше уровня воды в герметичной емкости 1, то под действием нивелирного напора вода из пусковой емкости 9 будет возвращаться по веткам 11 и 6 в водный объем герметичной емкости 1. При этом объем пусковой емкости 9 освобождается от конденсата.
Далее поскольку в герметичной емкости 1 подвод тепла по контуру теплоносителя продолжается, а его отвод через теплообменник 4 отсутствует, то вода вновь нагревается. Возникает парообразование и увеличивается давление пара. Пар поступает по ветке 5 в пароводяной инжектор 3 и пусковую емкость 9, поднимается уровень воды в ветке 8, вода поступает в камеру смешения пароводяного инжектора 3. В камере смешения пар перемешивается с водой, конденсируется и возникает повышенное давление на выходе пароводяного инжектора 3. Вследствие этого возобновляется циркуляция воды по тракту ветка 6, через герметичную емкость 1, ветка 7, теплообменник 4 и ветка 8. Возобновляется и процесс отвода тепла, который продолжится до очередного снижения давления пара в герметичной емкости 1 и прекращения работы пароводяного инжектора 3. Т.е. все процессы повторяются. При наличии подвода тепла в герметичной емкости 1 возникает цикличность работы системы без ограничения по длительности работы по мере снижения мощности тепловыделений и без уменьшения запасов воды в герметичной емкости 1.
Размещение на ветках 6 и 11 соответственно обратных клапанов 13 и 12 предотвращает поступление воды в эти ветки в процессе запуска пароводяного инжектора 3, т.к. появление воды в верхней части ветки 6 создаст препятствие движение пара в пусковую емкость при запуске.
Во втором варианте исполнения аналогично первому варианту при возникновении аварийной ситуации в теплообменник 2 поступает теплоноситель от источника тепла. При поступлении тепла от теплообменника 2 вода в герметичной емкости 1 нагревается и закипает. Поступление пара в паровой объем герметичной емкости 1 увеличивает давление в ней. Образовавшийся пар по паровой ветке 5 поступает к пароводяному инжектору 3 и по ветке 10 выходит в пусковую емкость 9, в которой конденсируется. Образовавшийся конденсат поступает в нижнюю часть пусковой емкости 9 и заполняет отводящую от нее ветку 11 водой, уровень которой может быть выше уровня воды в герметичной емкости 1.
При движении пара по паровой ветке 5 вследствие ее гидравлического сопротивления и частичной конденсации пара в камере смешения пароводяного инжектора 3 давление в камере смешения пароводяного инжектора 3 будет меньше давления в герметичной емкости 1. При этом, как в сообщающихся сосудах (герметичной емкости 1 и ветке 8, соединенных через ветки 6, 7 и теплообменник 4), уровень воды в ветке 8 поднимается и вода поступает в камеру смешения пароводяного инжектора 3. В результате в камере смешения пароводяного инжектора 3 происходит конденсация поступающего пара. При этом в нагнетательной камере пароводяного инжектора 3 возникает повышенное давление, создающее циркуляцию воды по тракту ветки 6, 7, теплообменник 4 и ветка 8 до пароводяного инжектора 3.
В системе по варианту 2 тепло из герметичной емкости 3 отводится только с паром по ветке 5 и далее после смешения с водой в пароводяном инжекторе 3 через теплообменник 4. По ветке 6 в герметичную камеру 3 поступает вода в количестве, достаточном для компенсации расхода воды на парообразование. Поэтому при стабильном подводе тепла и отводе его через теплообменник 4 процессы парообразования и циркуляции не прекращаются. Величина расхода воды в системе и количество отводимого через теплообменник 4 тепла зависят от мощности тепловыделений и уменьшаются при их снижении. Уменьшается и давление пара. Если расход и давление пара настолько малы, что не могут поддерживать циркуляцию, то она прекращается. При этом прекращается и отвод тепла из герметичной емкости 1. Но так как подвод тепла от источника продолжается, то давление пара начинает возрастать и процесс возобновления циркуляции происходит по аналогии с процессами по варианту 1, т.е. становится циклическим.
Предлагаемое решение позволяет отводить тепло остаточных тепловыделений через водяной теплообменник, размещенный ниже герметичной емкости и охлаждаемый конечным поглотителем. При наличии неограниченного количества конечного поглотителя (морской воды или воды внешнего водоема) процесс отвода тепла будет продолжаться при наличии тепловыделений неограниченно долго. Кроме того, данное решение позволяет уменьшить массу воды в размещаемых выше парогенератора герметичных емкостях запаса воды и тем самым уменьшить массу строительных конструкции, а также поскольку в процессе работы уровень воды в герметичных емкостях запаса воды не снижается, то сохраняется эффективность теплообмена теплообменника в течение всего времени работы системы.