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

Изобретение относится к области ядерной энергетики, предназначено для отвода тепла от реакторной установки, в частности, в системах аварийного расхолаживания активных зон ядерных реакторов без потребления внешних источников энергии.
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, 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 по патенту RU №186261 от 15.01.2019, которая содержит:
- прямоточный парогенератор, паровая ветка которого снабжена отсечным клапаном и подключена к пароводяному инжектору, а водяная ветка, также с отсечным клапаном, подключена к нижней части емкости запаса воды;
- емкость запаса воды, размещенную выше прямоточного парогенератора, верхняя часть которой соединена дополнительной веткой с паровой веткой, а нижняя часть поделена перегородкой на два участка: участок запаса воды, соединенный с водяной веткой, и участок стабильного уровня воды, которые объединены в верхней части объема емкости запаса воды;
- пароводяной инжектор, размещенный на уровне верхней кромки перегородки емкости запаса воды,
- теплообменник, соединенный подводящим трубопроводом, снабженным обратным клапаном, с выходом пароводяного инжектора, а отводящим трубопроводом с входом пароводяного инжектора,
- пусковую емкость, размещенную выше пароводяного инжектора и соединенную подводящей веткой с участком подводящего трубопровода теплообменника между пароводяным инжектором и обратным клапаном и отводящей веткой с подводящей веткой емкости запаса воды
Недостатком данной системы является то, что при наличии расхода пара в паровой ветке давление пара в емкости запаса воды будет выше давления в камере смешения пароводяного инжектора на величину гидравлического сопротивления участка паровой ветки от точки подключения к ней дополнительной ветки до пароводяного инжектора. Поскольку емкость запаса воды и камера смешения пароводяного инжектора представляют собой сообщающиеся сосуды, то возникнет переток воды из емкости запаса воды в пароводяной инжектор, произойдет переполнение водой объема камеры смешения пароводяного инжектора и следующего за ним трубопровода, что затруднит проход пара в пусковую емкость и запуск работы пароводяного инжектора в циклических режимах работы системы.
Кроме того, при значительном гидравлическом сопротивлении участка паровой ветки от парогенератора до точки подключения дополнительной ветки в фазе запуска системы возможно поступление воды из парогенератора в емкость запаса воды, ее переполнение с повышением уровня воды и соответственно переполнение водой объема пароводяного инжектора, что по аналогии с предыдущим случаем затруднит запуск системы.
Техническим результатом системы пассивного отвода тепла (СПОТ) является повышение уровня надежности отвода подводимых к парогенератору остаточных тепловыделений в пассивном режиме неограниченное время при отсутствии внешних источников энергии и повышение безопасности работы реакторной установки.
Для достижения технического результата предлагаемый состав системы пассивного отвода тепла содержит:
- парогенератор с паровой веткой, с размещенным на ней отсечным клапаном,
- теплообменник, соединенный подводящим трубопроводом, снабженным обратным клапаном с выходом пароводяного инжектора, а отводящим трубопроводом с входом пароводяного инжектора,
- емкость запаса воды, установленную выше парогенератора и подключенную к нему водяной веткой с размещенными на ней отсечным клапаном и, установленным выше него обратным клапаном, подводящей веткой к подводящему трубопроводу теплообменника, а ее верхний объем подключен дополнительной веткой к паровой ветке парогенератора в точке подключения паровой ветки к пароводяному инжектору, причем водяная ветка парогенератора подключена к боковой поверхности емкости запаса воды в точке на уровне, соответствующем горизонтальному уровню размещения пароводяного инжектора,
- пусковую емкость, размещенную выше пароводяного инжектора и соединенную подводящей веткой с участком подводящего трубопровода теплообменника между пароводяным инжектором и обратным клапаном и отводящей веткой с подводящей веткой емкости запаса воды.
Парогенератор и размещенная выше него емкость запаса воды соединенные паровой и водяной ветками создают тракт естественной циркуляции пара и воды через парогенератор.
Циркуляционный тракт, включающий пароводяной инжектор, теплообменник, подводящие и отводящие трубопроводы теплообменника и соединенный с емкостью запаса воды, имеет постоянный уровень воды в емкости запаса воды.
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 емкости запаса воды.
Установка обратного клапана на подводящем трубопроводе теплообменника предотвращает при запуске поступление воды из емкости запаса воды по ее подводящей ветке в напорный патрубок пароводяного инжектора.
Установка пусковой емкости выше пароводяного инжектора позволяет сливать из нее накопившийся конденсат в емкость запаса воды и тем самым освобождать объем пусковой емкости для последующих запусков работы пароводяного инжектора.
Подключение водяной ветки парогенератора к боковой поверхности емкости запаса воды, определяющее уровень воды в емкости запаса воды, в точке на уровне, соответствующем горизонтальному уровню размещения пароводяного инжектора, обеспечивает тем самым наличие воды на том же уровне в камере смешения пароводяного инжектора (как в сообщающихся сосудах), что способствует конденсации пара поступающего в камеру смешения и создает условия для надежного первичного и последующих запусков работы пароводяного инжектора.
Подключение дополнительной ветки к паровой ветке парогенератора в точке подключения паровой ветки к пароводяному инжектору обеспечивает даже при наличии движения пара по паровой ветке равенство давлений паровой среды в емкости запаса воды и в камере смешения пароводяного инжектора. Это обеспечивает равенство уровней воды в них, что способствует конденсации пара в камере смешения и запуску работы пароводяного инжектора.
Установка обратного клапана на водяной ветке парогенератора выше отсечного клапана предотвращает поступление воды из парогенератора в емкость запаса воды.
Система пассивного отвода тепла может быть снабжена обратным клапаном, размещенным на отводящей ветке пусковой емкости, что 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 повысит эффективность конденсации поступающего в нее пара, снизит давление в пусковой емкости и улучшит условия для последовательных неоднократных запусков циркуляции в системе.
Предлагаемая система пассивного отвода тепла реакторной установки позволяет обеспечить как надежную естественную циркуляцию воды через парогенератор, так и принудительную циркуляцию воды с отводом тепла остаточных тепловыделений неограниченное по длительности время к конечному поглотителю через теплообменник, размещенный ниже парогенератора и охлаждаемый в качестве конечного поглотителя тепла водой внешнего водоема или забортной водой (для плавучих реакторных установок), запасы которой неограниченны.
Сущность технического решения поясняется чертежами:
фиг. 1 - схема система пассивного отвода тепла (СПОТ) реакторной установки.
фиг. 2 - схема СПОТ реакторной установки с обратными клапанами на водяной ветке парогенератора и на отводящей ветке пусковой емкости.
Система (фиг. 1) состоит из парогенератора 1, теплообменника 4, размещенного ниже парогенератора 1, емкости запаса воды 3, размещенной с превышением над парогенератором 1, пароводяного инжектора 5, горизонтальная ось которого соответствует линии уровня воды в емкости запаса воды 3, и пусковой емкости 15, размещенной выше пароводяного инжектора 5.
Парогенератор 1 соединен паровой веткой 2 с установленным на ней отсечным клапаном 10 с пароводяным инжектором 5.
Пароводяной инжектор 5 соединен по выходу подводящим трубопроводом 6, с установленным на нем обратным клапаном 16, с теплообменником 4. Теплообменник 4 соединен отводящим трубопроводом 7 с пароводяным инжектором 5 по входу.
Нижняя часть емкости запаса воды 3 соединена подводящей веткой 8 с подводящим трубопроводом теплообменника 6, верхний объем емкости запаса воды 3 подключен дополнительной веткой 14 к паровой ветке 2 в точке подключения паровой ветки 2 к пароводяному инжектору 5, а водяная ветка 9 с размещенным на ней отсечным клапаном 11 подключена к боковой поверхности емкости запаса воды 3 на уровне соответствующем горизонтальному уровню размещения пароводяного инжектора 5.
На водяной ветке 9 установлен обратный клапан 17 (фиг. 2) с превышением над отсечным клапаном 11.
Верхняя часть объема пусковой емкости 15 подключена веткой 12 к трубопроводу 6 между выходом пароводяного инжектора 5 и обратным клапаном 16, а нижняя часть объема подключена веткой 13 с установленным на ней обратным клапаном 18 (фиг. 2) к ветке 8.
Система пассивного отвода тепла работает следующим образом.
Исходно система пассивного отвода тепла находится в состоянии ожидания и отключена от парогенератора 1 закрытыми отсечными клапанами 10 и 11.
Система заполнена конденсатом до уровня подключения ветки 9 к боковой части емкости запаса воды 3. Давление в системе ниже давления в парогенераторе 1.
В момент ввода системы в действие парогенератор 1 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.
Пар из 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 емкости запаса воды 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 теплообменник 4 с отводом тепла к внешней среде происходит за счет разности давлений в напорном патрубке пароводяного инжектора бив его камере смешения. При этом часть расхода воды по ветке 8 поступает в емкость запаса воды 3 и по водяной ветке 9 поступает в парогенератор 1 для компенсации расхода пара на парообразование.
При запуске часть пара по ветке 12 проходит в пусковую емкость 15 и конденсируется. Так как пусковая емкость 15 размещена выше пароводяного инжектора 5 и емкости запаса воды 3, то образовавшийся конденсат по отводящей ветке 13 и ветке 8 поступает в емкость запаса воды 3.
Поскольку движение воды в системе через теплообменник 4 не регулируется, то в любой момент времени количество тепла поступающего в 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 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 парогенератор 1.
При таких условиях количество воды, поступающей с напора пароводяного инжектора 5 последовательно по веткам 6, 8 и 9 в парогенератор 1 превышает количество воды необходимое для парообразования при текущей мощности РУ. В результате парообразование в 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 парогенераторе 1, пароводяном инжекторе 5, емкости запаса воды 3 и пусковой емкости 15 выравниваются. Если при этом уровень конденсата в ветке 13 и пусковой емкости 15 выше уровня воды в емкости запаса воды 3, то под действием нивелирного напора вода из пусковой емкости 15 будет поступать по веткам 13 и 8 в водный объем емкости запаса воды 3 до выравнивания уровней воды в них. При этом объем пусковой емкости 15 освобождается от конденсата.
Далее поскольку в парогенераторе 1 подвод тепла продолжается, а поступление воды в парогенератор 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 емкости запаса воды 3.
Пар начинает поступать по ветке 2 в пароводяной инжектор 5, через него в пусковую емкость 15 и происходит очередной запуск циркуляции 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 парогенератору 1 возникает цикличность работы системы без ограничения по длительности работы и при надежном отводе через теплообменник 4 всего подводимого к системе тепла.
Предлагаемое решение позволяет отводить тепло остаточных тепловыделений через теплообменник, размещенный ниже парогенератора и охлаждаемый конечным поглотителем. При наличии неограниченного количества запасов конечного поглотителя (морской воды или воды внешнего водоема) процесс отвода тепла будет продолжаться при наличии тепловыделений неограниченно долго вплоть до состояния, при котором мощность тепловыделений будет равна потерям тепла в окружающую среду.