СПОСОБ И СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ГАЗОВОЙ СИСТЕМОЙ И ЯДЕРНАЯ РЕАКТОРНАЯ УСТАНОВКА
METHOD AND SYSTEM FOR CONTROL OF GAS SYSTEM AND NUCLEAR REACTOR PLANT

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области ядерной энергетики и ядерных реакторных установок, в частности, к ядерным реакторным установкам с жидкометаллическими теплоносителями. В то же время настоящее изобретение также может применяться и в реакторных установках различного рода, не являющихся ядерными.
Уровень техники
Одной из основных проблем ядерных реакторных установок с жидкометаллическими теплоносителями является коррозия конструкционных материалов, из которых выполнен реактор. Для предотвращения коррозии может применяться метод формирования защитных оксидных покрытий, от целостности которых зависит коррозионная стойкость материалов, из которых выполнен реактор, например, стали.
Отметим, что указанная проблема также может появляться как в ядерных реакторных установках с теплоносителями, не являющимися жидкометаллическими, так и в реакторных установках, не являющихся ядерными. Хотя настоящее изобретение описано по отношению к ядерным реакторным установкам с жидкометаллическими теплоносителями, оно также может применяться как в ядерных реакторных установках с теплоносителями, не являющимися жидкометаллическими, так и в реакторных установках, не являющихся ядерными.
Для формирования оксидных пленок может применяться кислород. В патенте RU 2246561 (опубликован 20.02.2005) раскрыт способ увеличения концентрации кислорода в теплоносителе путем ввода (эжекции) газообразного кислорода непосредственно в теплоноситель или подачи кислорода на поверхность теплоносителя, например, в газовую камеру около теплоносителя - в последнем случае кислород будет проникать в теплоноситель путем диффундирования. Ввиду того, что железо, хром и другие компоненты конструкционных материалов имеют большее химическое сродство к кислороду, чем компоненты теплоносителя, такие как свинец и/или висмут, кислород, введенный в жидкометаллический теплоноситель в виде оксидов компонентов теплоносителя, будет окислять компоненты конструкционных материалов и при соответствующей концентрации кислорода образовывать защитные оксидные пленки на поверхности стенок реактора. Для обеспечения такого эффекта концентрация кислорода в теплоносителе должна поддерживаться в соответствующих пределах, зависящих от конструкции реактора и использованных в ней конструкционных материалов, а также от вида и состава теплоносителя.
В том случае, если концентрация кислорода в теплоносителе будет иметь чрезмерно высокое значение, может начаться кислородная коррозия конструкционных материалов, что приводит к снижению срока эксплуатации реактора, появлению риска протечки теплоносителя, повышенному накоплению в теплоносителе твердофазных отложений и т.п. Для снижения чрезмерно высокой концентрации кислорода в теплоносителе, к которой могла привести, например, разгерметизация реактора и проникновение внутрь него атмосферного воздуха или выполнения регламентных работ, в ходе которых было допущено чрезмерное повышение концентрации кислорода в теплоносителе, или для проведения очистки теплоносителя возможно использовать газообразный водород, вводимый в теплоноситель. Подобное решение и устройство для его реализации представлены в патенте RU 2247435 (опубликован 27.02.2005). В этом патенте описан способ, при котором водород подается в объем около теплоносителя (в частности, над поверхностью теплоносителя) и далее из объема вводится (эжектируется) в теплоноситель.
При вводе в теплоноситель водорода концентрация кислорода снижается вследствие взаимодействия кислорода с водородом и образования паров воды. В том случае, если концентрация кислорода в теплоносителе принимает чрезмерно низкое значение, а это может произойти как вследствие чрезмерного объема водорода, введенного в теплоноситель, так и диффундирования компонентов конструкционных материалов в теплоноситель и их взаимодействия с растворенным в теплоносителе кислородом, может произойти растворение защитных оксидных покрытий, что резко усилит коррозию конструкционных материалов реактора компонентами теплоносителя. Для предотвращения коррозии и повышения концентрации кислорода вновь могут быть использованы вышеуказанные способ и устройство по патенту RU 2246561.
Таким образом, для надлежащего регулирования концентрации кислорода достаточно применения двух способов, в частности, повышения концентрации в теплоносителе кислорода и повышения концентрации в теплоносителе водорода, при котором концентрация кислорода в теплоносителе снижается. Однако для устройств, реализующих эти способы, известных из уровня техники, характерна проблема, заключающаяся в возможности совместного выполнения этих способов, что приводит, с одной стороны, к невозможности изменения концентрации кислорода в таком совместном режиме осуществления способов, а значит к сохранению риска коррозии конструкционных материалов реактора, а с другой стороны, одновременное наполнение объема около теплоносителя в реакторе кислородом и водородом приводит к образованию гремучего газа (смеси газообразных кислорода и водорода). Гремучий газ имеет склонность к быстрому сгоранию и детонации (взрыву) с образованием воды. Для запуска реакции достаточно небольшой искры с энергией менее 20 микроджоулей.
Ввиду того, что в теплоносителе происходит ядерная реакция с выделением большого количества энергии, в объем около теплоносителя, заполненный гремучим газом, могут вылетать продукты радиоактивного распада (ионы, элементарные частицы, фотоны), обладающее энергией существенно большей, чем необходимо для запуска реакции сгорания гремучего газа, находящегося, к тому же, при повышенных температурах и часто при повышенном давлении. В таких условиях наблюдается значительная взрывоопасность гремучего газа, а поскольку гремучий газ может образовываться внутри реактора, то реализация этого риска может привести к его разгерметизации и выносу радиоактивных веществ из реактора во внешнюю среду и/или к повреждению оборудования реактора, расположенного в объеме около теплоносителя, где может образоваться гремучий газ, или в теплоносителе или газовой системе за счет переноса ударной волны теплоносителем и/или газом в газовой системе. Таким образом, недостатки уровня техники приводят к снижению безопасности и сроков эксплуатации реакторных установок, в которых для регулирования концентрации кислорода в теплоносителе и, тем самым, обеспечения коррозионной стойкости реактора применяются газообразные кислород и водород.
Раскрытие изобретения
Задачей настоящего изобретения является обеспечение способа и устройства регулирования концентрации водорода и/или кислорода в реакторной установке, в частности, в теплоносителе ядерной реакторной установки, не имеющих недостатков, присущих уровню техники. В частности, задачей настоящего изобретения предотвращение формирования гремучего газа (смеси газообразных водорода и кислорода) в реакторе. В связи с этим перед изобретением стоит задача предотвращения одновременной подачи кислорода и водорода из газовой системы в реактор в объем около теплоносителя. Дополнительной задачей настоящего изобретения является предотвращение подачи кислорода из газовой системы в реактор в объем около теплоносителя, в котором находится водород, а также предотвращение подачи водорода из газовой системы в реактор в объем около теплоносителя, в котором находится кислород.
Задача настоящего изобретения решается с помощью способа управления газовой системой, предназначенного для обеспечения подачи из газовой системы в реактор газа, содержащего кислород, и газа, содержащего водород. Указанный способ имеет следующие шаги: перед подачей газа, содержащего кислород, проверяют, подают ли и/или прекратили ли подачу в реактор газа, содержащего водород, и/или прекращают подачу газа, содержащего водород; подают газ, содержащий кислород, в том случае, если в реактор не подают газ, содержащий водород; перед подачей газа, содержащего водород, проверяют, подают ли и/или прекратили ли подачу в реактор газа, содержащего кислород, и/или прекращают подачу газа, содержащего кислород; подают газ, содержащий водород, в том случае, если в реактор не подают газ, содержащий кислород.
Перед подачей в реактор газа, содержащего водород, в некоторых вариантах осуществления могут проверять содержание в газе в реакторе кислорода и/или выводить из реактора имеющийся в нем газ и/или подавать в реактор газ, не содержащий кислород и/или нейтральный к водороду и/или уменьшающий содержание кислорода. Газ, выводимый из реактора, предпочтительно пропускают через реакционную камеру, в которой осуществляют химическое связывание содержащегося в газе кислорода.
Кроме того, перед подачей в реактор газа, содержащего кислород, в некоторых вариантах осуществления могут проверять содержание в газе в реакторе водорода и/или выводить из реактора имеющийся в нем газ и/или подавать в реактор газ, не содержащий водород и/или нейтральный к кислороду и/или уменьшающий содержание водорода. Газ, выводимый из реактора, предпочтительно пропускают через реакционную камеру, в которой осуществляют химическое связывание содержащегося в газе водорода.
Задачу настоящего изобретения также решает способ регулирования концентрации кислорода и/или водорода в теплоносителе реакторной установки, имеющей в своем составе реактор, теплоноситель, размещенный в реакторе, газовую систему, имеющую выход в реактор в объем около теплоносителя, устройство ввода газа в теплоноситель (например, диспергатор), установленныое частично в теплоносителе и частично в объеме около теплоносителя и выполненное с возможностью подачи газа из объема около теплоносителя в теплоноситель, и датчик концентрации кислорода в теплоносителе.
Способ содержит следующие шаги: оценивают концентрацию кислорода в теплоносителе на основании данных от датчика концентрации кислорода в теплоносителе; сравнивают оценку концентрации кислорода в теплоносителе с верхним и нижним допустимыми значениями; в том случае, если оценка концентрации кислорода в теплоносителе больше верхнего допустимого значения, проверяют, подают ли и/или прекращена ли подача в реактор газа, содержащего кислород, и/или прекращают подачу газа, содержащего водород, и/или подают сигнал о необходимости прекращения его подачи, а из газовой системы в реактор подают газ, содержащий водород и/или активируют устройство ввода газа в теплоноситель, в том случае, если в реактор не подают газ, содержащий кислород; в том случае, если оценка концентрации кислорода в теплоносителе меньше нижнего допустимого значения, проверяют, подают ли и/или прекращена ли подача в реактор газа, содержащего водород, и/или прекращают подачу газа, содержащего водород, и/или подают сигнал о необходимости прекращения подачи газа, содержащего водород, а из газовой системы в реактор подают газ, содержащий кислород и/или активируют устройство ввода газа в теплоноситель, в том случае, если в реактор не подают газ, содержащий водород.
Перед подачей в реактор газа, содержащего водород, преимущественно проверяют содержание в газе в реакторе кислорода и/или выводят из реактора имеющийся в нем газ и/или подают в реактор газ, не содержащий кислород и/или нейтральный к водороду и/или уменьшающий содержание кислорода. Газ, выводимый из реактора, возможно пропускать через реакционную камеру, в которой осуществляют химическое связывание содержащегося в газе кислорода.
Перед подачей в реактор газа, содержащего кислород, преимущественно проверяют содержание в газе в реакторе водорода и/или выводят из реактора имеющийся в нем газ и/или подают в реактор газ, не содержащий водород и/или нейтральный к кислороду и/или уменьшающий содержание водорода. Газ, выводимый из реактора, возможно пропускать через реакционную камеру, в которой осуществляют химическое связывание содержащегося в газе водорода.
На решение задачи настоящего изобретения направлена система управления газовой системой для подачи в реактор газа, содержащего кислород, и газа, содержащего водород. Система имеет в своем составе следующие модули: модуль управления подачей газа, содержащего кислород, выполненный с возможностью управления газовой системой с обеспечением подачи в реактор газа, содержащего кислород, в том случае, если в реактор не подают газ, содержащий водород, и модуль управления подачей газа, содержащего водород, выполненный с возможностью управления газовой системой с обеспечением подачи в реактор газа, содержащего водород, в том случае, если в реактор не подают газ, содержащий кислород.
Модуль управления подачей газа, содержащего кислород, может быть выполнен с возможностью получения из модуля управления подачей газа, содержащего водород, информации о подаче и/или о прекращении подачи в реактор газа, содержащего водород. Кроме того, модуль управления подачей газа, содержащего кислород, может быть выполнен с возможностью передачи в модуль управления подачей газа, содержащего водород, информации о необходимости прекращения подачи в реактор газа, содержащего водород, а модуль управления подачей газа, содержащего водород, может быть выполнен с возможностью обеспечения прекращения подачи в реактор газа, содержащего водород, при получении из модуля управления подачей газа, содержащего кислород, информации о необходимости прекращения подачи в реактор газа, содержащего водород.
Модуль управления подачей газа, содержащего водород, может быть выполнен с возможностью получения из модуля управления подачей газа, содержащего кислород, информации о подаче и/или о прекращении подачи в реактор газа, содержащего кислород. Кроме того, модуль управления подачей газа, содержащего водород, может быть выполнен с возможностью передачи в модуль управления подачей газа, содержащего кислород, информации о необходимости прекращения подачи в реактор газа, содержащего кислород, а модуль управления подачей газа, содержащего кислород, может быть выполнен с возможностью обеспечения прекращения подачи в реактор газа, содержащего кислород, при получении из модуля управления подачей газа, содержащего водород, информации о необходимости прекращения подачи в реактор газа, содержащего кислород.
Система также может содержать модуль управления подачей вспомогательного газа, выполненный с возможностью управления газовой системой с обеспечением подачи в реактор газа, не содержащего кислород и/или водород и/или нейтрального к кислороду и/или водороду и/или уменьшающего содержание кислорода и/или водорода, причем модуль управления подачей газа, содержащего кислород, может быть выполнен с возможностью управления газовой системой с обеспечением подачи в реактор газа, содержащего кислород, после подачи в реактор газа, не содержащего водород и/или нейтрального к кислороду и/или уменьшающего содержание водорода, и/или модуль управления подачей газа, содержащего водород, может быть выполнен с возможностью управления газовой системой с обеспечением подачи в реактор газа, содержащего водород, после подачи в реактор газа, не содержащего кислород и/или нейтрального к водороду и/или уменьшающего содержание кислорода.
Задачу настоящего изобретения также решает система регулирования концентрации кислорода и/или водорода в теплоносителе реакторной установки, имеющей в своем составе реактор, теплоноситель, размещенный в реакторе, газовую систему, имеющую выход в реактор в объем около теплоносителя, устройство ввода газа в теплоноситель (например, диспергатор), установленное частично в теплоносителе и частично в объеме около теплоносителя и выполненное с возможностью подачи газа из объема около теплоносителя в теплоноситель, и датчик концентрации кислорода в теплоносителе.
Система регулирования содержит следующие модули: модуль оценки концентрации кислорода в теплоносителе, выполненный с возможностью получения данных от датчика концентрации кислорода в теплоносителе, оценки на основании полученных данных концентрации кислорода в теплоносителе и передачи оценки концентрации кислорода в теплоносителе в модуль сравнения оценки концентрации кислорода в теплоносителе с допустимым значением; модуль сравнения оценки концентрации кислорода в теплоносителе с допустимым значением, выполненный с возможностью получения оценки концентрации кислорода в теплоносителе из модуля оценки концентрации кислорода в теплоносителе и сравнения ее с верхним и нижним допустимыми значениями; модуль управления подачей газа, содержащего кислород, выполненный с возможностью управления газовой системой с обеспечением подачи в реактор газа, содержащего кислород, в том случае, если оценка концентрации кислорода в теплоносителе меньше нижнего допустимого значения и если в реактор не подают газ, содержащий водород; модуль управления подачей газа, содержащего водород, выполненный с возможностью управления газовой системой с обеспечением подачи в реактор газа, содержащего водород, в том случае, если оценка концентрации кислорода в теплоносителе выше верхнего допустимого значения и если в реактор не подают газ, содержащий кислород; и модуль управления устройством ввода газа в теплоноситель, выполненный с возможностью активации устройства ввода газа в теплоноситель в том случае, если оценка концентрации кислорода в теплоносителе меньше нижнего допустимого значения и если в реактор подан и/или подают газ, содержащий кислород, и/или в том случае, если оценка концентрации кислорода в теплоносителе выше верхнего допустимого значения и если в реактор подан и/или подают газ, содержащий водород.
Система регулирования также может содержать модуль формирования сигнала предупреждения, выполненный с возможностью формирования сигнала предупреждения о необходимости прекращения подачи в реактор газа, содержащего кислород и/или подачи в реактор газа, не содержащего кислород и/или нейтрального к водороду и/или уменьшающего содержание кислорода, если оценка концентрации кислорода в теплоносителе выше верхнего допустимого значения и осуществляется подача в реактор газа, содержащего кислород, и/или с возможностью формирования сигнала предупреждения о необходимости прекращения подачи в реактор газа, содержащего водород, и/или подачи в реактор газа, не содержащего водород и/или нейтрального к кислороду и/или уменьшающего содержание водорода, если оценка концентрации кислорода в теплоносителе меньше нижнего допустимого значения и в реактор подают газ, содержащий водород.
Модуль управления подачей газа, содержащего кислород, может быть выполнен с возможностью получения из модуля управления подачей газа, содержащего водород, информации о подаче и/или о прекращении подачи в реактор газа, содержащего водород, и/или с возможностью обеспечения прекращения подачи в реактор газа, содержащего кислород, в том случае, если оценка концентрации кислорода в теплоносителе становится равной или выше нижнего и/или верхнего допустимого значения.
Модуль управления подачей газа, содержащего кислород, может быть выполнен с возможностью передачи в модуль управления подачей газа, содержащего водород, информации о необходимости прекращения подачи в реактор газа, содержащего водород, а модуль управления подачей газа, содержащего водород, может быть выполнен с возможностью обеспечения прекращения подачи в реактор газа, содержащего водород, при получении из модуля управления подачей газа, содержащего кислород, информации о необходимости прекращения подачи в реактор газа, содержащего водород.
Модуль управления подачей газа, содержащего водород, может быть выполнен с возможностью получения из модуля управления подачей газа, содержащего кислород, информации о подаче и/или о прекращении подачи в реактор газа, содержащего кислород, и/или с возможностью прекращения подачи в реактор газа, содержащего водород, в том случае, если оценка концентрации кислорода в теплоносителе становится равной или ниже верхнего и/или нижнего допустимого значения.
Модуль управления подачей газа, содержащего водород, может быть выполнен с возможностью передачи в модуль управления подачей газа, содержащего кислород, информации о необходимости прекращения подачи в реактор газа, содержащего кислород, а модуль управления подачей газа, содержащего кислород, может быть выполнен с возможностью обеспечения прекращения подачи в реактор газа, содержащего кислород, при получении из модуля управления подачей газа, содержащего водород, информации о необходимости прекращения подачи в реактор газа, содержащего кислород.
Система может содержать модуль управления подачей вспомогательного газа, выполненный с возможностью управления газовой системой с обеспечением подачи в реактор газа, не содержащего кислород и/или водород и/или нейтрального к кислороду и/или водороду и/или уменьшающего содержание кислорода и/или водорода, причем модуль управления подачей газа, содержащего кислород, может быть выполнен с возможностью управления газовой системой с обеспечением подачи в реактор газа, содержащего кислород, после подачи в реактор газа, не содержащего водород и/или нейтрального к кислороду и/или уменьшающего содержание водорода, и/или модуль управления подачей газа, содержащего водород, может быть выполнен с возможностью управления газовой системой с обеспечением подачи в реактор газа, содержащего водород, после подачи в реактор газа, не содержащего кислород и/или нейтрального к водороду и/или уменьшающего содержание кислорода.
Задачу настоящего изобретения также решает газовая система, содержащая трубопроводы, запорную арматуру и/или оборудование перемещения газовой среды, и имеющая выход в реактор, выполненная с возможностью подачи из газовой системы в реактор газа, содержащего кислород, и газа, содержащего водород, в соответствии со способом по любому из вышеописанных вариантов и/или с помощью системы по любому из вышеописанных вариантов.
На решение задачи настоящего изобретения также направлена ядерная реакторная установка, имеющая в своем составе: реактор, теплоноситель, размещенный в реакторе, газовую систему, имеющую выход в реактор в объем около теплоносителя, устройство ввода газа в теплоноситель (например, диспергатор), установленное частично в теплоносителе и частично в объеме около теплоносителя и выполненное с возможностью подачи газа из объема около теплоносителя в теплоноситель, и датчик концентрации кислорода в теплоносителе. Газовая система в соответствии с изобретением может быть выполнена с возможностью подачи из газовой системы в реактор газа, содержащего кислород, и газа, содержащего водород, в соответствии со способом по любому из вышеописанных вариантов и/или с помощью системы по любому из вышеописанных вариантов и/или реакторная установка может быть выполнена с возможностью управления концентрацией водорода в теплоносителе в соответствии со способом по любому из вышеописанных вариантов и/или с помощью системы по любому из вышеописанных вариантов.
Благодаря настоящему изобретению удается обеспечить способ и устройство (систему) регулирования концентрации водорода и/или кислорода в реакторной установке, в частности, в теплоносителе ядерной реакторной установки, не имеющих недостатков, присущих уровню техники. Достигается такой технический результат, как предотвращение формирования в реакторе и/или газовой системе гремучего газа. В частности, предотвращается одновременная подача в реактор и/или газовую систему кислорода и водорода. Это позволяет повысить безопасность, надежность и срок эксплуатации реакторной установки.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 представлен схематичный вид реакторной установки в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг. 2 показан возможный вариант реализации газовой системы.
На фиг. 3 показана блок-схема способа управления газовой системой в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг. 4 показан пример выполнения реакционной камеры.
На фиг. 5 показан вариант выполнения диспергатора.
На фиг. 6 показан вариант выполнения датчика концентрации кислорода в теплоносителе.
На фиг. 7 показана блок-схема способа регулирования концентрации водорода и кислорода в теплоносителе в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг. 8 показана структурная схема одного из вариантов выполнения устройства регулирования концентрации водорода и кислорода в теплоносителе в соответствии с настоящим изобретением.
Осуществление изобретения
Настоящее изобретение применимо в реакторной установке (например, ядерной реакторной установке), имеющей в своем составе, как показано в одном из примеров в схематичном виде на фиг. 1, реактор 101, в котором размещен теплоноситель 104, соединенный с газовой системой посредством труб 108 и 114, имеющих запорную арматуру 109 и 115, соответственно. Кроме того, в реакторе также расположены диспергатор 112 с выводом 113 питания и управления, и датчик 110 концентрации кислорода в теплоносителе 104 с выводом 111.
Реактор 101 представляет собой емкость, стенки 102 которой выполнены из конструкционных материалов, обладающих достаточной механической, термической, радиационной и другими видами стойкостей, необходимых для безопасной работы реакторной установки, например, таких как сталь. Безопасность работы реакторных установок имеет особое значение ввиду того, что в реакторе 101 в активной зоне 103 располагаются радиоактивные материалы, которые в ходе радиоактивного деления высвобождают энергию. По меньшей мере, часть этой энергии в виде тепла передается в теплоноситель 104, имеющийся в реакторе и контактирующий с активной зоной (то есть, радиоактивные материалы преимущественно располагаются в теплоносителе), и далее переносится в теплообменник 107, в котором тепловая энергия передается другим материалам (например, воде, пару или другим теплоемким материалам), в некотором удалении от источника радиоактивного излучения. Теплообменник может представлять собой в некоторых вариантах парогенератор, предназначенный для производства пара, который может использоваться далее для нагрева других сред или для приведения в действие турбин. Далее, после теплообменника 107 в коммуникациях за пределами реактора, тепловая энергия передается без опасности радиационного заражения, которая, таким образом, концентрируется в пределах реактора. В связи с этим, ввиду тяжелых, нежелательных и длительных последствий радиоактивного заражения окружающих территорий прочности и безопасности эксплуатации реактора придается особое значение. Для обеспечения продолжительного и эффективного процесса передачи тепла из активной зоны 103 в теплообменник 107 в реакторе предпочтительно осуществляют циркуляцию теплоносителя в реакторе 101 - в контуре, охватывающем активную зону и теплообменник. Для обеспечения циркуляции могут использоваться насосы (на фиг. 1 не показаны).
Одним из важных факторов сохранения прочности реактора 101 во времени является предотвращение или ослабление до допустимого уровня коррозии конструкционных материалов, из которых выполнены его стенки 102 и арматурные, крепежные, прочностные и другие элементы реактора 101. Указанный фактор должен учитываться и в том случае, если в качестве теплоносителя 104 используется теплоноситель из жидких металлов, таких как натрий, литий, свинец, висмут и т.п.Тяжелые металлы (свинец, висмут) имеют преимущество перед легкими ввиду их повышенной безопасности, в частности, по критерию пониженной пожароопасности.
Кроме того, теплоносители, выполненные с использованием тяжелых металлов, имеют также такое преимущество, как устойчивость их свойств при попадании в них воды. Естественно, что физико-химический свойства такого теплоносителя будут изменяться при попадании в него воды, однако такие изменения будут незначительными и позволят продолжать эксплуатацию и далее. Это может быть полезно для повышения безопасности реакторной установки ввиду возможных аварий или протечек оборудования, в котором находится или протекает вода в жидком виде или в виде пара - например, такого оборудования, как теплообменники или парогенераторы. Даже если теплообменник или парогенератор будет иметь неисправность в виде течи, то реакторная установка может эксплуатироваться далее до того момента, когда настанет удобный момент для ремонта или замены неисправного (протекающего) оборудования, поскольку теплоноситель с использованием тяжелых металлов допускает такой режим работы в силу незначительной (некритичной) зависимости своих физико-химических свойств от привнесения воды в жидком или парообразном виде.
Для уменьшения коррозионного воздействия на конструкционные материалы реактора перспективным считается создание оксидных пленок на границе теплоносителя и конструкционного материала, например, с помощью подачи на поверхность теплоносителя (с последующим диффундированием кислорода в теплоноситель) или в теплоноситель кислорода, который может быть перенесен теплоносителем к стенкам реактора, где кислород может вступить в химическое соединение с конструкционным материалом (которым может быть, например, сталь) и образовать оксид в форме оксидной пленки на поверхности конструкционного материала. Дополнительным преимуществом использования такой защиты от коррозии является снижение интенсивности теплообмена между теплоносителем и стенками реактора за счет пониженной теплопроводности оксидов. Ввод кислорода в теплоноситель и повышение его концентрации могут быть обеспечены с помощью подачи в реактор из газовой системы газообразного кислорода или газа, содержащего кислород, в объем около теплоносителя и/или их эжекции в теплоноситель.
В том случае, если концентрация кислорода в теплоносителе будет иметь чрезмерно высокое значение, может начаться кислородная коррозия конструкционных материалов, что приводит к снижению срока эксплуатации реактора, появлению риска протечки теплоносителя, повышенному накоплению в теплоносителе твердофазных отложений и т.п. Для снижения чрезмерно высокой концентрации кислорода в теплоносителе, к которой могла привести, например, разгерметизация реактора и проникновение внутрь него атмосферного воздуха или выполнения регламентных работ, в ходе которых было допущено чрезмерное повышение концентрации кислорода в теплоносителе, или для проведения очистки теплоносителя возможно использовать газообразный водород или газ содержащий водород, подаваемые в объем около теплоносителя или вводимые в теплоноситель. При вводе в теплоноситель газообразного водорода концентрации кислорода в теплоносителе снижается благодаря взаимодействию водорода с кислородом в теплоносителе и/или восстановлению оксидов компонентов теплоносителя. Снижение повышенной концентрации кислорода в теплоносителе представляет собой важный для безопасности реактора процесс ввиду того, что слишком высокая концентрация кислорода влечет за собой опасность кислородной коррозии стенок реактора.
Кислород и водород могут подаваться в объем около теплоносителя с помощью входящей в состав реакторной установки газовой системы, имеющей выход в реактор 101 в объем 106 около теплоносителя 104 (в предпочтительном варианте, показанном на фиг. 1, над теплоносителем) посредством трубы 108. Теплоноситель 104 занимает только часть емкости реактора для снижения опасности разгерметизации реактора ввиду теплового расширения теплоносителя при разогреве. Верхняя часть 106 емкости реактора, находящаяся над поверхностью 105 («уровнем») теплоносителя 104, для предотвращения коррозии и нежелательных химических реакций обычно заполняется газом, представляющим собой инертный газ (Не, Ne, Ar) или смесь инертных газов. Для подачи газа в реактор (в объем над теплоносителем, как это показано на фиг. 1, или около теплоносителя, который в некоторых вариантах может представлять собой отдельный объем от емкости, в которой находится теплоноситель) и предусмотрена труба 108 газовой системы. Кроме того, газовая система содержит трубу 114, снабженную вентилем 115, для вывода газа из реактора в газовую систему. Назначение труб (трубопроводов) 108 и 114 - подача или вывод газа в/из реактора - может меняться на обратное. Кроме того, в реакторной установке могут быть предусмотрены и другие трубы (трубопроводы) для подачи/вывода газа из реактора.
Газовая система, более подробно представленная на фиг. 2, может содержать трубопроводы (трубы) 108, 114, 226 и другие, смесители/распределители 204-208, запорную арматуру 109, 114, 211-220, 225 (вентили, клапаны и т.п.), фильтры, насосы 209 и 223, измерительную камеру 210 с датчиками 221 и 222 содержания в газе кислорода и водорода, соответственно, реакционную камеру 224 и прочее оборудование, не показанное на фиг. 2, обычно применяемое в газовых системах и известное из уровня техники. Газовая система может быть соединена с источниками 201-203 кислорода, инертных газов и водорода, соответственно, или включать их в себя, и может осуществлять смешивание газов в смесителях 204 и 205. Подача газов из источников 201-203 в смесители 204 и 205 регулируется с помощью запорной арматуры 211-214, соответственно.
Источниками 201-203 газов, предназначенных для подачи в реактор или для использования в газовой системе, могут быть установки по производству и очистке газов, например, установка электролиза воды на кислород и водород. Источниками 201-203 также могут быть газовые магистрали или газовые баллоны или системы баллонов, содержащие сжатый газ. Подача газа может происходить благодаря высокому давлению внутри газовых баллонов или могут быть предусмотрены насосы, побуждающие подачу газа из емкостей, в которых он хранится. На фиг. 2 схематично представлены газовые баллоны, содержащие в себе под высоким давлением газ глубокой степени очистки. На выходе из источников 201-203 или внутри них могут быть предусмотрены газовые фильтры, предназначенные для очистки газов от частиц различного размера, которые в отсутствие таких фильтров могли бы повредить газовую систему и/или реактор, а также загрязнить газ и/или теплоноситель.
Для регулирования перемещения газов по трубам, трубопроводам, смесителям/распределителям и разнообразному оборудованию газовой системы в ней предусмотрена запорная арматура 109, 115, 211-220, 225. Запорная арматура может быть выполнена с использованием вентилей, клапанов, переключателей, кранов, задвижек, запоров и других видов оборудования, которое может быть использовано для регулирования потока газа/жидкости. В преимущественных вариантах выполнения запорная арматура выполнена с возможностью дистанционного управления - например, с помощью электрических, гидравлических, рычажных или других приводов. Благодаря дистанционному управлению обеспечивается безопасность персонала, обслуживающего реактор и осуществляющего на нем регламентные работы или его эксплуатацию. Кроме того, дистанционное управление позволяет управлять множеством оборудования запорной арматуры из одного места, например, с пульта, позволяя тем самым отслеживать ситуацию в целом и оперативно реагировать на изменяющуюся обстановку, обеспечивая возможность проведения ряда работ, предусматривающих осуществление сложных последовательностей режимов работы, и повышая безопасность реактора в целом.
Смесители/распределители 204-208 представляют собой соединение нескольких труб/трубопроводов, по которым могут подаваться различные газы для смешивания и/или распределения в различные трубы/трубопроводы и разнообразное оборудование. Смешивание может осуществляться непосредственно в месте соединения труб/трубопроводов ввиду высокой диффузионной способности газов к проникновению друг в друга и смешиванию, или же в специально предназначенной для смешивания емкости, к которой подводятся трубы/трубопроводы. Результат смешивания газов может отводиться одним или более трубопроводом/трубой, то есть отводиться в одно место назначения или распределяться в несколько. Кроме того, один и тот же газ может подаваться из одного или нескольких трубопроводов и подаваться в несколько трубопроводов, отводящих газ к соответствующим потребителям или местам назначения - в таком случае реализуется распределение газа. В некоторых случаях смеситель/распределитель может работать в режиме обычной трубы/трубопровода, в котором газ подается в одну трубу и выводится из другой. Режим работы регулируется запорной арматурой, состояние которой (открыто/закрыто, величина расхода и т.п.) определяет направление протекания газов.
Например, смеситель 204 может выполнять функции подачи кислорода из источника 201 в трубу 108, имеющую выход в объем 106 около теплоносителя через стенку 102 реактора. Для этого открываются вентили 211, 215 и 109, а остальная арматура закрыта. Для подачи в объем 106 инертного газа из источника 202 необходимо открыть вентили 212, 215 и 109, в то время как остальные вентили должны быть закрыты. Для подачи водорода из источника 203 через смесители 205 и 204 должны быть открыты вентили 213, 214, 215 и 109 при закрытых остальных вентилях
В другом варианте смеситель 204 может подавать в объем 106 смесь газов. Например, для подачи смеси кислорода с инертным газом в смеситель подаются кислород из источника 201 и инертный газ из источника 202, для чего открываются вентили 211, 212, 215 и 109, а остальные закрываются. Для подачи смеси водорода с инертным газом открываются вентили 212, 213, 214, 215 и 109, а остальные закрываются.
В том случае, если необходимо определять состав подаваемого в объем 106 газа (газовой смеси), результат смешивания газов может подаваться через смесители 205 и 207 в измерительную камеру 210 с датчиками 221 и 222 и далее через смеситель 208 и трубу 114 в объем 106. Соответственно, для подачи смеси инертного газа с кислородом необходимо открыть вентили 211, 212, 214, 216, 219 и 115, а для подачи смеси инертного газа с водородом должны быть открыты вентили 212-214, 216, 219 и 115. При указании того, что необходимо или должны быть открыты определенные вентили (запорная арматура) подразумевается, что остальные вентили (запорная арматура) закрыта, если не указано или для обеспечении выполнения функций не требуется другое.
Таким образом, газовая система может подавать в реактор инертный газ (смесь инертных газов, нейтральный газ или т.п.), кислород, водород или смесь инертного газа с кислородом или водородом. Для обеспечения коррозионной стойкости в реактор в объем около теплоносителя может подаваться газ, содержащий кислород, или газ, содержащий водород. Газ, содержащий кислород, может представлять собой, например, газовую смесь инертного газа или иного нейтрального газа (в некоторых случаях это может быть и водяной пар) с кислородом (кислород в чистом виде может создавать опасность чрезмерно быстрого и неконтролируемого повышения концентрации кислорода в теплоносителе и, как следствие, кислородной коррозии конструкционных материалов реактора). Газ, содержащий водород, может представлять собой, например, газовую смесь инертного газа или иного нейтрального газа (в некоторых случаях это также может быть и водяной пар) с водородом (водород в чистом виде может создавать опасность чрезмерно быстрого и неконтролируемого снижения концентрации кислорода в теплоносителе и разрушения оксидных пленок, что также приводит к коррозии, но в данном случае коррозия вызывается теплоносителем). Газовые смеси могут содержать различные доли кислорода или водорода, например, от 1/3 до 1/5 (или меньше) от своего объема - в таком соотношении наблюдается достаточная активность кислорода или водорода, содержащегося в газе, без излишних рисков резкого повышения или понижения концентрации кислорода в теплоносителе и начала коррозии конструкционных материалов.
Вследствие того, что смешивание кислорода с водородом приводит к образованию гремучего газа, который вследствие весьма низкой энергии инициации сгорания (менее 20 мкДж) является веществом, склонным к детонации (взрыву), одновременная подача кислорода и водорода как в реактор, в емкость 106, так и в саму газовую систему, должна предотвращаться. Даже в том случае, когда в реактор подаются смеси газов, например, кислорода с инертным газом и водорода с инертным газом, опасность детонации и взрыва по-прежнему остается, поскольку энергия инициации сгорания мала, а газы могут находится под высоким давлением и при высоких температурах, что сохраняет опасность цепной реакции молекул кислорода и водорода по всему объему и, соответственно, детонации и взрыва.
Для предотвращения смешивания кислорода и водорода, например, в случае, изображенном на фиг. 2, при подаче кислорода из источника 201 подача водорода из источника 203 должна быть предотвращена или остановлена. То есть в том случае, если открыт вентиль 211, вентиль 213 должен быть закрыт. При подаче водорода, соответственно, должна предотвращаться или останавливаться подача кислорода, то есть, если открыт вентиль 213, должен быть закрыт вентиль 211. В некоторых случаях возможна одновременная подача кислорода и водорода, но при этом они должны подаваться и использоваться в раздельных и не соединяющихся оборудовании, трубопроводах, смесителях/распределителях и т.п. Например, если кислород подается в объем 106, могут быть открыты вентили 211, 215 и 109. Водород же может подаваться в реакционную камеру 224, для чего открывают вентили 214, 216, 219, 220 и 226. Для предотвращения смешивания кислорода с водородом в подобном режиме работы все или часть вентилей/арматуры, которые установлены на трубопроводах, прохождение газов по которым может привести к попаданию кислорода и водорода в один объем, емкость или трубу, должны быть в закрытом положении. Например, в газовой системе на фиг. 2 для предотвращения смешивания кислорода с водородом обязательно должны быть перекрыты вентили 214, 217 и/или 218, а также 115.
В то же время в ходе эксплуатации реактора в зависимости от состояния реактора и режимов его работы может требоваться подача в реактор как кислорода, так и водорода (по отдельности, попеременно). В связи с этим для предотвращения одновременной подачи в реактор и/или в какой либо элемент или оборудование газовой системы может использоваться способ, представленный на фиг. 3. Далее речь идет о подаче или предотвращении подачи газов в реактор, однако этот же метод при необходимости может использоваться для предотвращения одновременной подачи и смешивания кислорода и водорода в газовой системе (в частности, в ее трубах/трубопроводах, смесителях/распределителях, насосах и другом оборудовании).
После начала осуществления способа на шаге 301 проверяют, необходимо ли подавать в реактор кислород или газ, содержащий кислород (далее при упоминании терминов «кислород» или «водород» под этими обозначениями также понимаются и «газ, содержащий кислород» или «газ, содержащий водород», соответственно, если не сказано обратное). Данный шаг может быть заменен ожиданием поступления команды на подачу кислорода. В том случае, если необходимо подавать кислород, то перед подачей кислорода в реактор на шаге 302 проверяют, осуществляется ли подача водорода.
Проверка подачи водорода в реактор также может обозначаться как проверка того, что в реактор не подается водород, или того, что в реактор предотвращена подача водорода. Суть этих действий сводится к определению того, осуществляется или нет подача водорода в реактор. Это определение может быть выполнено путем проверки состояния запорной арматуры и/или оборудования газовой системы на предмет того, обеспечивает ли текущее состояние арматуры/оборудования возможность или невозможность подачи водорода в реактор. Кроме того, в трубах/трубопроводах газовой системы могут быть установлены датчики давления/расхода/состава газа, позволяющие определить протекание потока газа через трубы/трубопроводы газовой системы, а также, если необходимо, состав газа.
В том случае, если на шаге 302 определено, что в реактор подают водород, то на шаге 303 осуществляют прекращение подачи водорода. Для этого перекрывают запорную арматуру, через которую может проходить или проходит водород, и/или отключают/деактивируют оборудование, осуществляющее подачу водорода (например, насосы). После этого переходят к шагу 304.
К шагу 304 переходят и в том случае, если в ходе проверки подачи водорода на шаге 302 было определено, что водород в реактор не подается. В соответствии с этим, на шаге 304 осуществляется подача в реактор кислорода только в том случае, если в реактор не подается водород. Подача кислорода осуществляется путем открытия запорной арматуры или активации оборудования газовой системы, которые позволили бы кислороду поступать из источника в реактор.
В том случае, если подача кислорода не требуется (на шаге 301 было определено отсутствие такой необходимости или команда на подачу кислорода не поступила), на шаге 305 осуществляют проверку того, требуется ли подача водорода. Данный шаг может быть заменен ожиданием поступления команды на подачу водорода. В том случае, если необходимо подавать кислород, то перед подачей водорода в реактор на шаге 306 проверяют, осуществляется ли подача кислорода.
Проверка подачи кислорода в реактор также может обозначаться как проверка того, что в реактор не подается кислород или того, что в реактор предотвращена подача кислорода. Суть этих действий сводится к определению того, осуществляется или нет подача кислорода в реактор. Это определение может быть выполнено путем проверки состояния запорной арматуры и/или оборудования газовой системы на предмет того, обеспечивает ли текущее состояние арматуры/оборудования возможность или невозможность подачи кислорода в реактор. Кроме того, в трубах/трубопроводах газовой системы могут быть установлены датчики давления/расхода/состава газа.
В том случае, если на шаге 306 определено, что в реактор подают кислород, то на шаге 307 осуществляют прекращение подачи кислорода. Для этого перекрывают запорную арматуру, через которую может проходить или проходит кислород, и/или отключают/деактивируют оборудование, осуществляющее подачу кислорода (например, насосы). После этого переходят к шагу 308.
К шагу 308 переходят и в том случае, если в ходе проверки подачи кислорода на шаге 306 было определено, что кислород в реактор не подается. В соответствии с этим, на шаге 308 осуществляется подача в реактор водорода только в том случае, если в реактор не подается кислород. Подача водорода осуществляется путем открытия запорной арматуры или активации оборудования газовой системы, которые позволили бы водороду поступать из источника в реактор.
После осуществления шагов 304 и 308, а также в том случае, если на шаге 305 было определено, подача водорода не требуется (или не поступила такая команда), осуществляется переход к началу на шаг 301. Шаги 301 и 305 могут быть заменены ожиданием команды на подачу кислорода или водорода, в таком случае такие команды будут соответствовать ветвям «Да» шагов 301 и 305, соответственно. Выполнение шагов 304 и 308 может иметь заранее заданную длительность или продолжаться до тех пор, пока не поступит команда прекратить выполнение этих шагов.
Помимо показанных на фиг. 3 шагов способ регулирования (управления) газовой системы может содержать и другие шаги. Например, перед подачей на шаге 304 в реактор газа, содержащего кислород, могут проверить содержание в газе в реакторе водорода. Для этого могут быть использованы датчики содержания водорода в газе, установленные в реакторе или в газовой системе. Размещение датчиков в газовой системе, как это показано на фиг. 2, является предпочтительным вариантом, поскольку в этом случае продлевается срок службы датчиков ввиду исключения разрушительного воздействия радиации, высокой температуры и давления, которые наблюдаются в реакторе. Для того, чтобы определить концентрацию водорода в газе, находящемся в реакторе (в частности, в объеме около теплоносителя), указанный газ может быть выведен через трубу 114 в газовую систему с помощью насоса 209 и далее, например, возвращен в объем 106 реактора через трубу 108. Для этого должны быть открыты вентили 115, 219, 218, 217 и 109, а остальные закрыты. Насос 209 активируется, газ начинает циркулировать и проходить в том числе через измерительную камеру 210, установленную между вентилями 218 и 219, в которой находятся датчики 221 кислорода и 222 водорода.
В том случае, если с помощью датчика определяют, что газ в реакторе не содержит водород, в реактор может безопасно подаваться кислород. Если же определяют, что в реакторе содержится водород в чистом виде или в смеси, то в реактор может быть, например, подан газ, уменьшающий содержание водорода в несвязанном виде, например, путем образования с водородом химических соединений. Если при подаче кислорода образованный в результате смешивания газ является невзывоопасным, то достигается технический результат настоящего изобретения, заключающийся в предотвращении образования гремучего газа.
В другом варианте имеющийся в реакторе газ, как с определенным содержанием водорода, так и с неизвестным составом может быть выведен из реактора. Это может быть выполнено с применением насоса 223, показанного на фиг. 2. Для этого должны быть открыты вентили 115, 220 и 225, а вентиль 219 должен быть перекрыт (или может быть оставлен открытым, если одновременно замеряется состав газа). Насос 223 выводит газ в выпускной трубопровод 226, который может выходить в воздух или в емкость для хранения или переработки газа. Кроме того, газ с водородом может проходить через реакционную камеру 224, в которой может осуществляться химическое связывание содержащегося в газе водорода.
В других вариантах в реактор может быть подан газ, не содержащий водород и/или нейтральный к кислороду, который заместит или вытеснит из реактора газ, содержащий водород или уменьшит концентрацию водорода до безопасного предела. Подаваемым газом могут быть инертные газы, водяной пар и т.п. Такой способ позволяет исключить необходимость применения насоса для вывода водородосодержащего газа из реактора.
С другой стороны, перед подачей на шаге 308 в реактор газа, содержащего водород, могут проверить содержание в газе в реакторе кислорода. Для этого могут быть использованы датчики содержания кислорода в газе, установленные в реакторе или в газовой системе. Размещение датчиков в газовой системе, как это показано на фиг. 2, является предпочтительным вариантом, поскольку в этом случае продлевается срок службы датчиков ввиду исключения разрушительного воздействия радиации, высокой температуры и давления, которые наблюдаются в реакторе. Для того, чтобы определить концентрацию кислорода в газе, находящемся в реакторе (в частности, в объеме около теплоносителя), указанный газ может быть выведен через трубу 114 в газовую систему с помощью насоса 209 и далее, например, возвращен в объем 106 реактора через трубу 108. Для этого должны быть открыты вентили 115, 219, 218, 217 и 109, а остальные закрыты. Насос 209 активируется, газ начинает циркулировать и проходить в том числе через измерительную камеру 210, установленную между вентилями 218 и 219, в которой находятся датчики 221 кислорода и 222 водорода.
В том случае, если с помощью датчика определяют, что газ в реакторе не содержит кислород, в реактор может безопасно подаваться водород. Если же определяют, что в реакторе содержится кислород в чистом виде или в смеси, то в реактор может быть, например, подан газ, уменьшающий содержание кислорода в несвязанном виде, например, путем образования с кислородом химических соединений. Если при подаче водорода образованный в результате смешивания газ является невзывоопасным, то достигается технический результат настоящего изобретения, заключающийся в предотвращении образования гремучего газа.
В другом варианте имеющийся в реакторе газ, как с определенным содержанием кислорода, так и с неизвестным составом может быть выведен из реактора. Это может быть выполнено, как уже отмечалось по отношению к водороду, с применением насоса 223, показанного на фиг. 2. Для этого должны быть открыты вентили 115, 220 и 225, а вентиль 219 должен быть перекрыт (или может быть оставлен открытым, если одновременно замеряется состав газа). Насос 223 выводит газ в выпускной трубопровод 226, который может выходить в воздух или в емкость для хранения или переработки газа. Кроме того, газ с кислородом может проходить через реакционную камеру 224, в которой может осуществляться химическое связывание содержащегося в газе кислорода.
В других вариантах в реактор может быть подан газ, не содержащий кислород и/или нейтральный к водороду, который заместит или вытеснит из реактора газ, содержащий кислород или уменьшит концентрацию кислорода до безопасного предела. Подаваемым газом могут быть инертные газы, водяной пар и т.п. Такой способ позволяет исключить необходимость применения насоса для вывода кислородосодержащего газа из реактора.
Указанные возможные дополнительные шаги способа, не показанные на фиг. 3, дополнительно увеличивают безопасность реакторной установки, поскольку предотвращают образование гремучего газа в реакторе и/или газовой системе не только в результате одновременной подачи водорода и кислорода, но и устраняет возможность образования гремучего газа в результате подачи газа, содержащего кислород или водород, в реактор, в котором еще находится газ, содержащий водород или кислород, соответственно (то есть тот дополнительный компонент, который необходим для образования гремучего газа). Таким образом, благодаря дополнительным шагам способа предотвращается возможность образования гремучего газа и в случае исключенной одновременной подачи водорода и кислорода путем устранения из реактора газа, находившегося там до подачи вновь подаваемого газа. Благодаря этому обеспечивается еще большая степень безопасности.
Кроме того, в дополнительных шагах способа предусматривается химическое связывание кислорода и/или водорода, выводимых из реактора. Это предотвращает образование гремучего газа вне реакторной установки и, соответственно, газовой системы, а также предотвращает загрязнение окружающей среды радиоактивными изотопами водорода и кислорода.
Для химического связывания может использоваться реакционная камера 224 на фиг. 2. Один из возможных вариантов выполнения реакционной камеры показан на фиг. 4. Реакционная камера может содержать корпус, состоящий из боков 401, дна 402 и верхней части 403. В дне 402 и верхней части 403 предусмотрены отверстия для соединения с выводящей трубой 408 и подводящей трубой 407. В камере может находиться реакционный материал, например, в форме гранул 405, что повышает эффективность взаимодействия пропускаемого газа с реакционным материалом. Реакционный материал может располагаться в кассетах 404, благодаря которым газ, поступающий в камеру, распределяется по большему объему и взаимодействует с большим количеством реакционного материала. В частности, газ, поступающий в реакционную камеру из трубы 407, проходит внутрь кассет 404 через отверстия в середине кассет и через боковые стенки отверстий поступает в камеры, выходит к бокам 401 камеры и выходит в трубу 408. Для повышения эффективности взаимодействия газа и его составляющих с реакционным материалом внутреннее пространство камеры может нагреваться через ее стенки с помощью нагревателей 406.
При пропускании через реакционную камеру газа, содержащего водород, он может взаимодействовать с реакционным материалом, обеспечивающим связывание водорода. Таким материалом могут быть разнообразные оксиды, при восстановлении которых одним из продуктов реакции будет вода, представляющая собой связанный кислородом водород. Вода в виде водяного пара или в жидком виде будет уходить в трубу 408, где она далее может собираться в емкости для такой воды. Благодаря такому связыванию водорода предотвращается его выброс в атмосферу, где он может образовывать гремучий газ, вследствие чего улучшается экологическая безопасность реакторной установки, поскольку предотвращается выброс в окружающую среду радиоактивных изотопов водорода, которые могут образоваться при нахождении водорода в реакторе, в котором происходят реакции радиоактивного распада.
При пропускании через реакционную камеру газа, содержащего кислород, он может взаимодействовать с реакционным материалом, обеспечивающим связывание кислорода. Таким материалом могут быть разнообразные материалы, допускающие их окисление, то есть формирование оксидов. Прореагировавший реакционный материал (связавший кислород) может быть заменен новым материалом. В другом варианте для восстановления свойств реакционного материала через реакционную камеру может пропускаться водород, который будет взаимодействовать с оксидами, восстанавливая реакционный материал. При восстановлении реакционного материала одним из продуктов реакции будет вода, представляющая собой связанный кислородом водород. Вода в виде водяного пара или в жидком виде будет уходить в трубу 408, где она далее может собираться в емкости для такой воды. Благодаря такому связыванию кислорода предотвращается его выброс в атмосферу, вследствие чего улучшается экологическая безопасность реакторной установки, поскольку предотвращается выброс в окружающую среду радиоактивных изотопов кислорода, которые могут образоваться при нахождении кислорода в реакторе, в котором происходят реакции радиоактивного распада.
В одном из вариантов в качестве реакционного материала может использоваться металл, который допускает многократный цикл окисления-восстановления, что упрощает и удлиняет эксплуатацию реакционной камеры без необходимости замены реакционного материала. В некоторых случаях в качестве металла могут использоваться металлы, входящие в состав теплоносителя. Это позволит повторно использовать газ и продукты реакции, поскольку они не будут загрязняться примесями, вредными для теплоносителя.
Для управления газовой системой реактора может применяться система управления газовой системой в соответствии с настоящим изобретением, обеспечивающая подачу в реактор газа, содержащего кислород, и газа, содержащего водород, и при этом предотвращающая одновременную подачу этих газов. Такая система имеет в своем составе модуль управления подачей газа, содержащего кислород, и модуль управления подачей газа, содержащего водород.
Модуль управления подачей газа, содержащего кислород, управляет газовой системой так, чтобы обеспечивать подачу в реактор газа, содержащего кислород, в том случае, если в реактор не подают газ, содержащий водород. Для этого он соединен с исполнительными механизмами, такими как электроприводы или гидроприводы, управляющими состоянием (открыто, закрыто, величина отверстия) запорной арматуры газовой системы, а также с оборудованием газовой системы, таким как, например, насосы. Модуль управления подачей газа, содержащего кислород, управляет работой исполнительных механизмов или оборудования газовой системы таким образом, чтобы в газовой системе создавалась конфигурация, при которой газ, содержащий кислород, поступает в реактор (описания подобных конфигураций газовой системы и ее оборудования можно найти по отношению к фиг. 2).
Для получения технического результата настоящего изобретения модуль управления подачей газа, содержащего кислород, может получать информацию о том, что газ, содержащий водород, подается или не подается в реактор (или о том, что подача прекращена или начата), из модуля управления подачей газа, содержащего водород, или непосредственно на основе данных состояния арматуры и/или оборудования газовой системы, для чего в модуле может быть предусмотрен дополнительный модуль оценки подачи газа, содержащего водород.
Модуль управления подачей газа, содержащего кислород, также может управлять газовой системой так, чтобы обеспечивать прекращение подачи в реактор газа, содержащего кислород. В некоторых вариантах осуществления модуль управления подачей газа, содержащего кислород, также может управлять газовой системой так, чтобы обеспечивать прекращение подачи в реактор газа, содержащего водород, в том случае, если необходимо подавать кислород, но в текущий момент времени подается водород. Однако этот вариант не очень предпочтителен ввиду того, что это может создавать конфликты с действиями и командами модуля управления подачей газа, содержащего водород.
Для исключения этого модуль управления подачей газа, содержащего кислород, может в некоторых вариантах осуществления передавать в модуль управления подачей газа, содержащего водород, информацию о необходимости прекращения подачи в реактор газа, содержащего водород, а модуль управления подачей газа, содержащего водород, может в ответ на получение из модуля управления подачей газа, содержащего кислород, информации о необходимости прекращения подачи в реактор газа, содержащего водород, прекращать подачу в реактор газа, содержащего водород. Благодаря этому обеспечивается достижение технического результата настоящего изобретения даже в том случае, когда при необходимости подачи в реактор кислорода происходит подача водорода. При появлении такой необходимости подача водорода может быть прекращена и в реактор может быть подан кислород без одновременной подачи в реактор кислорода и водорода, что привело бы к образованию гремучего газа.
Модуль управления подачей газа, содержащего водород, управляет газовой системой так, чтобы обеспечивать подачу в реактор газа, содержащего водород, в том случае, если в реактор не подают газ, содержащий кислород. Для этого он соединен с исполнительными механизмами, такими как электроприводы или гидроприводы, управляющими состоянием (открыто, закрыто, величина отверстия) запорной арматуры газовой системы, а также с оборудованием газовой системы, таким как, например, насосы. Модуль управления подачей газа, содержащего водород, управляет работой исполнительных механизмов или оборудования газовой системы таким образом, чтобы в газовой системе создавалась конфигурация, при которой газ, содержащий водород, поступает в реактор (описания подобных конфигураций газовой системы и ее оборудования можно найти по отношению к фиг. 2).
Для получения технического результата настоящего изобретения модуль управления подачей газа, содержащего водород, может получать информацию о том, что газ, содержащий кислород, подается или не подается в реактор (или о том, что подача прекращена или начата), из модуля управления подачей газа, содержащего кислород, или непосредственно на основе данных состояния арматуры и/или оборудования газовой системы, для чего в модуле может быть предусмотрен дополнительный модуль оценки подачи газа, содержащего кислород.
Модуль управления подачей газа, содержащего водород, также может управлять газовой системой так, чтобы обеспечивать прекращение подачи в реактор газа, содержащего водород. В некоторых вариантах осуществления модуль управления подачей газа, содержащего водород, также может управлять газовой системой так, чтобы обеспечивать прекращение подачи в реактор газа, содержащего кислород, в том случае, если необходимо подавать водород, но в текущий момент времени подается кислород. Однако этот вариант не очень предпочтителен ввиду того, что это может создавать конфликты с действиями и командами модуля управления подачей газа, содержащего кислород.
Для исключения этого модуль управления подачей газа, содержащего водород, может в некоторых вариантах осуществления передавать в модуль управления подачей газа, содержащего кислород, информацию о необходимости прекращения подачи в реактор газа, содержащего кислород, а модуль управления подачей газа, содержащего кислород, может в ответ на получение из модуля управления подачей газа, содержащего водород, информации о необходимости прекращения подачи в реактор газа, содержащего кислород, прекращать подачу в реактор газа, содержащего кислород. Благодаря этому обеспечивается достижение технического результата настоящего изобретения даже в том случае, когда при необходимости подачи в реактор водорода происходит подача кислорода. При появлении такой необходимости подача кислорода может быть прекращена и в реактор может быть подан водород без одновременной подачи в реактор кислорода и водорода, что привело бы к образованию гремучего газа.
Система управления газовой системой в соответствии с настоящим изобретением также может содержать модуль управления подачей вспомогательного газа. Модуль управления подачей вспомогательного газа управляет газовой системой так, чтобы обеспечивать подачу в реактор газа, не содержащего кислород и/или водород и/или нейтрального к кислороду и/или водороду и/или уменьшающего содержание кислорода и/или водорода. Таким вспомогательным газом могут быть инертные газы, водяной пар и другие газ, нейтральные к кислороду и/или водороду. Уменьшение содержания кислорода и/или водорода в реакторе в объеме около теплоносителя может происходить за счет химического взаимодействия с компонентами вспомогательного газа или за счет их вытеснения или разбавления вспомогательным газом. Кроме того, вспомогательным газом, уменьшающим содержание кислорода и/или водорода, может быть газ, способствующим растворению кислорода и/или водорода в теплоносителе, поскольку при этом будет уменьшаться содержание этих газов в объеме около теплоносителя. В целом кислород и/или водород имеют склонность к проникновению (диффундированию) в теплоноситель из объема около теплоносителя, поэтому в некоторых случаях для предотвращения образования гремучего газа в объеме около теплоносителя при наличии там одного из его компонентов (кислорода или водорода) может оказаться достаточным перед подачей второго компонента (водорода или кислорода, соответственно) просто подождать, пока компонент, который уже находится в объеме около теплоносителя, не растворится в теплоносителе (или не будет туда введен, например, с помощью диспергатора или эжектора), хотя на реализацию такого способа и придется затратить некоторое время. Для ускорения этих процессов и производится вывод газа из реактора или его замещение или уменьшение его содержания.
Соответственно, модуль управления подачей газа, содержащего кислород, в некоторых вариантах осуществления может обеспечивать подачу в реактор газа, содержащего кислород, после того, как в реактор был подан газ, не содержащий водород и/или нейтральный к кислороду и/или уменьшающий содержание водорода. Модуль управления подачей газа, содержащего водород, в некоторых вариантах осуществления также может обеспечивать подачу в реактор газа, содержащего водород, после того, как в реактор был подан газ, не содержащий кислород и/или нейтральный к водороду и/или уменьшающий содержание кислорода.
Как уже отмечалось, в том случае, когда газ, содержащий кислород или водород, подается в объем реактора около теплоносителя, кислород или водород могут диффундировать в теплоноситель, окислять составляющие теплоносителя или наоборот, связываться с кислородом или восстанавливать оксиды составляющих теплоносителя, например, висмута или свинца. Кислород или водород, частично продиффундировавшие в теплоноситель, за счет конвекции или циркуляции теплоносителя в реакторе могут уноситься в глубь реактора, где они также могут окислять составляющие теплоносителя или компоненты конструкционных материалов или же наоборот, связываться с кислородом или восстанавливать оксиды составляющих теплоносителя. Образующиеся молекулы воды могут испаряться с поверхности теплоносителя в объем над ним. В некоторых случаях для того, чтобы предотвратить разрушительное воздействие кислорода или водорода на теплоноситель и защитные оксидные пленки на поверхности стенок реактора, в газ, содержащий кислород или водород, могут добавляться пары воды (например, при помощью увлажнителя), которые при попадании в теплоноситель будут создавать дополнительные водород и кислород, предохраняющий оксидные пленки от взаимодействия с водородом.
Описанный способ пассивного насыщения теплоносителя кислородом или водородом для повышения недостаточной и снижения излишней концентрации кислорода и, тем самым, предотвращения коррозии может применяться, например, в стационарных режимах, когда требуемая скорость повышения или снижения концентрации кислорода невысока и поступающий через поверхность теплоносителя из объема около теплоносителя кислород или водород достаточен для этого (реализация такого способа регулирования концентрации водорода и кислорода в теплоносителе может учитываться регулирующей системой реакторной установки). Однако такой способ обладает такими недостатками, как инерционность и малая управляемость процессом вследствие незначительной эффективности пассивного проникновения кислорода или водорода из газа в жидкий теплоноситель. Таким образом, ввод кислорода или водорода в теплоноситель за счет диффундирования через поверхности теплоносителя является не очень точным, медленным и неуправляемым. В то же время в некоторых случаях, например, при пассивации конструкционных материалов кислородом или при проведении водородной очистки теплоносителя от твердофазных оксидов конструкционных материалов или при избыточно высокой концентрации кислорода в теплоносителе, создающей риск кислородной коррозии, требуется управляемый и более быстрый способ повышения концентрации водорода в теплоносителе.
Для обеспечения такого способа повышения концентрации кислорода или водорода в теплоносителе с указанными свойствами осуществляется ввод газа в теплоноситель из объема над теплоносителем. Для ввода газа в теплоноситель в реакторе предусмотрено устройство ввода в теплоноситель, установленное частично в теплоносителе и частично в объеме над теплоносителем. Устройство обеспечивает возможностью подачи газа из объема над теплоносителем в теплоноситель благодаря тому, что в нем есть отверстия, соединенные между собой каналом и расположенные одно в объеме над теплоносителем, а другое в теплоносителе. В одном из вариантов это может быть трубка, имеющая внутри канал, соединяющий отверстия на концах трубки, причем один конец которой находится над теплоносителем, а другой в теплоносителе. В другом варианте подобная трубка может быть снабжена насосом, закачивающим газ из объема над теплоносителем в трубку и, тем самым, в теплоноситель. Устройство ввода газа в теплоноситель может быть выполнено в виде диспергатора, устройство и принцип действия которого описан далее, или же комбинацией этих или других устройств (также как и другим устройством), обеспечивающих возможность ввода газа в теплоноситель.
Газ может быть введен в теплоноситель, например, двумя способами. Во-первых, для того, чтобы газ попадал в теплоноситель, в объеме над теплоносителем может создаваться повышенное давление по сравнению с давлением внутри теплоносителя (например, в том случае, если газ в объеме над теплоносителем давит не на всю поверхность теплоносителя, и/или если теплоноситель может перетекать в объем, в котором отсутствует повышенное давление, создаваемое газом в объеме над теплоносителем), которое может приводить к вынужденному проникновению газа в теплоноситель, обладающий меньшим внутренним давлением, через устройство ввода газа в теплоноситель. Величина давления может определяться датчиками давления в этом объеме или имеющим с ним соединение трубопроводом газовой системы, или по количеству закачанного в этот объем газа, которое может быть определено с помощью расходомеров. Недостатком подобного способа является склонность устройства ввода газа в теплоноситель к засорению выпускного отверстия (отверстий), находящихся в теплоносителе, вследствие образования пленок и твердофазных частиц или из-за проникновения твердофазных примесей, пыли из газа над теплоносителем в устройство ввода газа в теплоноситель. Для того, чтобы выпускное отверстие (отверстия) устройства ввода газа в теплоноситель не засорялось, оно преимущественно выполнено на движущихся элементах устройства ввода газа в теплоноситель, устанавливаемых в теплоносителе, например, на нижнем конце вращающегося элемента устройства ввода газа в теплоноситель.
Во-вторых, ввод газа в теплоноситель может обеспечиваться за счет создания в теплоносителе локальной зоны низкого давления, например, около устройства ввода газа в теплоноситель (увлечения газа теплоносителем). Например, это может быть сделано с помощью вращающихся или перемещающихся в теплоносителе элементов устройства ввода газа в теплоноситель. В одном из вариантов это могут быть, в том числе, диски в нижней части диспергатора, которые могут иметь лопасти и при вращении создают область пониженного давления в теплоносителе за счет центробежных сил. Применение диспергатора имеет ряд преимуществ по сравнению с использованием пассивного устройства ввода газа в теплоноситель (т.е. устройства, обеспечивающего ввод газа только при повышенном давлении газа в объеме над теплоносителем) или другого активного устройства. Далее настоящее изобретение описано в отношении диспергатора, однако он может быть заменен на общий термин «устройство ввода газа в теплоноситель» и наоборот.
В соответствии с вариантом реализации изобретения, показанным на фиг. 1, в реакторе 101 установлен диспергатор 112, который также обеспечивает управляемый способ повышения концентрации кислорода или водорода в теплоносителе 104 с помощью ввода газа, который может содержать кислород или водород, из объема 106 над поверхностью 105 теплоносителя 104 в теплоноситель 104. Для этого диспергатор 112 устанавливают частично в теплоносителе 104 и частично в объеме около теплоносителя 104. Газ, содержащий кислород или водород, может вводиться в теплоноситель непосредственно из трубопровода газовой системы, однако в этом случае указанный трубопровод должен быть опущен в теплоноситель, что может привести к засорению и забиванию трубопровода и, тем самым, к снижению безопасности и срока реакторной установки.
В преимущественном варианте, показанном на фиг. 1, диспергатор 112 устанавливается вертикально, поскольку в этом случае возможно использовать в качестве объема около теплоносителя объем 106 над теплоносителем 104 (в связи с чем не требуются дополнительные меры по организации отдельного объема для газа), а диспергатор 112 находится в положении, продлевающим срок его эксплуатации, так как теплоноситель и имеющиеся в нем твердофазные оксиды не проникают в диспергатор (что потребовало бы их перемещения вверх) и не приводят к засорению диспергатора, что продлевает срок его эксплуатации. Поскольку диспергатор обладает возможностью подачи газа из объема около теплоносителя в теплоноситель, газ, захватываемый через отверстие в верхней части диспергатора, находящейся в частном случае в объеме над теплоносителем, проходит через канал в диспергаторе (например, в вале) сверху вниз и выпускается нижней частью диспергатора, находящейся в теплоносителе (при других видах расположения диспергатора названия направлений меняются соответственно).
Для того, чтобы газ попадал в теплоноситель, в объеме около теплоносителя может создаваться повышенное давление, которое приводило бы к вынужденному проникновению газа в теплоноситель, обладающий меньшим внутренним давлением, через диспергатор. Величина давления может определяться датчиками давления в этом объеме или имеющим с ним соединение трубопроводом газовой системы, или по количеству закачанного в этот объем газа, которое может быть определено с помощью расходомеров. Для того, чтобы выпускное отверстие (отверстия) диспергатора не засорялись, они преимущественно выполнены на движущихся элементах диспергатора, устанавливаемых в теплоносителе, например, на нижнем конце вращающегося диспергатора.
Помимо создания повышенного давления газа в объеме около теплоносителя ввод газа в теплоноситель может обеспечиваться за счет создания в теплоносителе локальной зоны низкого давления, например, около диспергатора (увлечения газа теплоносителем). Например, это могут быть сделано с помощью дисков в нижней части диспергатора, которые могут иметь лопасти и при вращении создают область пониженного давления в теплоносителе за счет центробежных сил. В указанную область пониженного давления и устремляется газ, проходящий из объема над теплоносителем через продольный канал в нижние отверстия около дисков. Благодаря градиенту скорости теплоносителя около диспергатора, в частности, дисков, то есть ситуации, когда теплоноситель около диспергатора движется быстрее, чем в отдалении от него, газ, поступающий в теплоноситель в виде пузырьков, дробится на более мелкие пузырьки, образуя тем самым мелкодисперсную двухкомпонентную взвесь газ-теплоноситель. В том случае, когда газ содержит водород, образуются условия для эффективного повышения концентрации водорода в теплоносителе. Благодаря тому, что диспергатор имеет движущиеся (вращающиеся) элементы, обеспечивается перемещение (омывание) теплоносителя около поверхностей диспергатора, благодаря чему твердые частички и оксидные пленки смываются с диспергатора и таким образом осуществляется его автоматическое самоочищение. Это свойство повышает срок службы как самого диспергатора, так и срок и безопасность эксплуатации реакторной установки в целом.
В предпочтительном варианте, показанном на фиг. 5, диспергатор может иметь два диска, один из которых вращается, а другой нет - благодаря такой комбинации между дисками образуется область пониженного давления теплоносителя, в которую из отверстий в валу или одном или двух дисках может поступать газ. Поскольку между дисками возможно обеспечить достаточно малое расстояние, а один из дисков вращается относительно другого, давление снижается сильнее, чем в том случае, когда вращаются оба диска. Благодаря этому повышается эффективность ввода газа в теплоноситель и газовые пузырьки становятся еще меньше, то есть повышается эффективность растворения газа, в частности, кислорода или водорода, в теплоносителе и, тем самым, повышение концентрации кислорода или водорода.
Управление вводом кислородосодержащего или водородосодержащего газа в теплоноситель, и тем самым регулирование концентрации кислорода или водорода в теплоносителе, достигается благодаря возможности управления работой газовой системы, которая может подавать необходимый газ в объем около теплоносителя и/или создавать повышенное давление в объеме около теплоносителя, и благодаря возможности управления работой диспергатора, который в пассивном состоянии (без вращения диска) не вводит газ из объема над теплоносителем в теплоноситель, а в активном состоянии (с вращением диска) вводит в теплоноситель кислородосодержащий газ из объема над теплоносителем, и скорость (эффективность) ввода газа в теплоноситель может зависеть от скорости вращения диска. Применение диспергаторов с вращающимися дисками более привлекательно, поскольку для обеспечения ввода газа из объема около теплоносителя в теплоноситель не требуется создавать в этом объеме повышенное давление, а достаточно привести в действие (активировать) диспергатор, что упрощает и тем самым повышает надежность работы системы регулирования.
Для приведения в действие («активации») диспергатора требуется приведение во вращение валов и дисков (или одного из валов и одного из дисков). Это возможно сделать с помощью, например, электродвигателя. Для снижения разрушительного воздействия высоких температур и паров теплоносителя на электродвигатель и, соответственно, продления срока его службы, он предпочтительно располагается снаружи реактора (хотя в некоторых вариантах может быть расположен и внутри). Для приведения во вращение частей диспергатора через стенку реактора от электродвигателя может проходить вал, для чего в стенке должно быть выполнено отверстие. Однако в предпочтительном варианте для повышения конструкционной прочности реактора и, тем самым, безопасности его эксплуатации возможна передача вращения от электродвигателя элементам диспергатора с помощью магнитной муфты, части которой установлены преимущественно напротив друг друга с разных сторон стенки реактора. Магнитное поле, формируемое одной магнитной полумуфтой, может передавать усилие вращение другой полумуфте, расположенной с другой стороны стенки реактора, тем самым приводя в действие диспергатор. При расположении двигателя диспергатора снаружи реактора управление им может осуществляться через провод (кабель) 113, показанный на фиг. 1 и предназначенный для подведения электроэнергии к электродвигателю, путем подачи/неподачи питающего напряжения или изменения его параметров.
Приведение в действие диспергатора, достигаемое с помощью электродвигателя, в настоящем изобретении обозначается как «активация» диспергатора, а остановка электродвигателя, при которой диспергатор прекращает свою работу, в настоящем изобретении называется «деактивация» диспергатора. Скорость вращения электродвигателя может регулироваться различным образом: бинарно (отключен/включен), с несколькими скоростями вращения или с возможностью придания любой скорости вращения в определенном диапазоне скоростей. При этом, чем выше скорость вращения, тем больше газа (в т.ч. кислорода) растворяется в теплоносителе и тем более мелкие пузырьки газа образуются.
Показанный на фиг. 5 диспергатор состоит из следующих основных элементов: корпус 501 диспергатора с неподвижным верхним диском; полый вал 502, соединенный с нижним вращающимся диском 503; фланец 504 крепления диспергатора к корпусу реактора; электродвигатель 507 с ведущей магнитной полумуфтой 506, передающий вращение полому валу 502 при помощи ведомой магнитной полумуфты 505. Электродвигатель 507 с полумуфтой 506 установлен на стенке 102 реактора с внешней стороны, а полумуфта 505 установлена с внутренней стороны стенки 102 реактора.
В предпочтительном варианте осуществления, показанном на фиг. 5, верхний диск (статор) диспергатора соединен неподвижно с корпусом 501 диспергатора. Нижний вращающийся диск 503 соединен с вращающимся валом 502. Нижний диск и вал - полые, полости соединены между собой. В верхней части полость вала соединена с газовым контуром через отверстия. Поверхность нижнего диска, образующая зазор, перфорирована отверстиями (например, по меньшей мере, двенадцатью) малого диаметра, расположенными по окружности. Верхний диск также может быть перфорирован небольшими отверстиями для доступа жидкого металла в полость между дисками. В верхней части вращающийся вал соединен с валом герметичного электродвигателя 507, запитанного от частотного преобразователя, при помощи магнитных полумуфт 505, 506.
Диспергатор погружается в теплоноситель таким образом, чтобы отверстия в верхней части вала были над уровнем, а верхний и нижний диски - под уровнем жидкости. При включении герметичного электродвигателя нижний диск вращается с заданной угловой скоростью. При этом в результате движения теплоносителя относительно нижнего диска в зазоре образуется зона пониженного давления, что вызывает впрыск газа из полости нижнего диска через отверстия в верхней части нижнего диска в зазор. В зазоре благодаря градиенту скоростей теплоносителя пузырьки дробятся и мелкодисперсная газовая фаза вместе с теплоносителем поступает из зазора в основной поток теплоносителя.
В других вариантах выполнения диспергатора неподвижным диском может быть нижний диск, а вращающимся верхний. Кроме того, полость, соединяющая объем около теплоносителя и отверстия в диске, может быть как в вале, так и в корпусе. При этом сами отверстия могут быть выполнены как во вращающемся диске, так и в неподвижном (или одновременно в этих дисках).
Как уже отмечалось, принцип действия диспергатора газа основан на дроблении газовых пузырей в жидкости при попадании их в поток с большим градиентом скоростей. В таком потоке благодаря неравномерности сил скоростного напора, приложенных к элементам поверхности, происходит разрушение больших пузырей с образованием мелких. Создание высокоградиентного потока жидкости в диспергаторе газа в предпочтительном варианте выполнения диспергатора осуществляется в зазоре между вращающимся и неподвижным дисками. Степень дисперсности газовой фазы при прочих равных условиях зависит от градиента скоростей в потоке. Увеличение градиента скоростей осуществляется уменьшением зазора между дисками или увеличением линейной скорости относительного движения дисков.
В реакторе 101 также располагается датчик 110 концентрации кислорода в теплоносителе 104. В предпочтительном варианте осуществления он выполнен в виде датчика термодинамической активности кислорода в теплоносителе, один из вариантов которого показан на фиг. 6. Показанный на фиг. 6 твердоэлектролитный датчик концентрации кислорода содержит керамический чувствительный элемент 601, герметично размещенный в корпусе 605, электрод сравнения 602 и центральный электрод, состоящий из двух частей - нижней 606 и верхней 111, размещенных в полости датчика.
Керамический чувствительный элемент 601 выполнен целиком из твердого электролита в виде сопряженных между собой цилиндрического элемента и части сферы. Для изготовления элемента 601 могут использоваться, например, частично стабилизированный диоксид циркония, полностью стабилизированный диоксид циркония или оксид гафния. Боковая поверхность цилиндрического элемента соединена с внутренней боковой поверхностью корпуса 605 посредством соединительного материала 604, который может представлять собой, например, ситалл или прессованное углеграфитное волокно.
Датчик снабжен пробкой 603 из оксида металла, например, алюминия, имеющей отверстие и перекрывающей поперечное сечение полости керамического чувствительного элемента 601. Пробка предназначена для фиксирования электрода сравнения 602 во внутренней полости керамического чувствительного элемента 601. Электрод сравнения 602 расположен в полости, образованной внутренней поверхностью керамического чувствительного элемента 601 и поверхностью пробки 603, и занимает, по меньшей мере, ее часть. Электрод 602 может быть выполнен, например, из висмута, свинца, индия или галлия.
Обращенный в сторону части сферического элемента свободный конец нижней части центрального электрода 606 выведен в объем электрода сравнения 602 через отверстие в пробке 603. При этом обеспечен электрический контакт между электродом сравнения 602 и нижней частью центрального электрода 606. По меньшей мере, часть сферы керамического чувствительного элемента 601 выступает за пределы корпуса 605, выполненного, например, из стали. В процессе работы датчика эта выступающая часть погружена, например, в расплав жидкого металла, в котором определяется активность кислорода.
Материалы корпуса 605, керамического чувствительного элемента 601 и соединительного материала 604 имеют одинаковый коэффициент температурного расширения и являются химически стойкими по отношению к рабочей среде, например к расплаву свинца при температурах, не превышающих 650°С. Это позволяет сохранить работоспособность датчика при скоростях изменения температур (термоударах) в жидком металле до 100°С/с в диапазоне температур 300-650°С.
К свободной части корпуса 605 приварена втулка 608. Из полости втулки 608 выходит верхняя часть центрального электрода 111, которая на фиг. 1 в виде кабеля или провода проходит через стенку 102 корпуса реактора. Кольцевая полость между втулкой 608 и верхней частью центрального электрода 111 заполнена диэлектрическим материалом 610, в качестве которого предпочтительно используется ситалл. Материал 610 обеспечивает герметичность внутренней полости датчика. Это необходимо для предотвращения попадания кислорода из воздуха во внутреннюю полость датчика и изменения свойств электрода сравнения 602. Нижняя часть центрального электрода 606, расположенная во внутренней полости корпуса 605, помещена в изолятор 607, предпочтительно выполненный из оксида алюминия.
2
2
3
2
3
Принцип действия датчика термодинамической активности кислорода основан на измерении разности электрических потенциалов между двумя электродами, разделенными твердым электролитом (например, ZrO÷YC) с селективной кислородоионной проводимостью. Величина разности электрических потенциалов между двумя электродами формируется за счет разницы в кислородных потенциалах контролируемой среды и среды с заранее известным кислородным потенциалом (электрод сравнения). В качестве электрода сравнения могут быть использованы системы «жидкий металл - твердый оксид», например, {Bi}-<BiO>. Получаемое от датчика значение разности потенциалов может быть пересчитано в значение термодинамической активности кислорода, его концентрации или другой удобной величины. В другом варианте управление средствами повышения концентрации кислорода может регулироваться непосредственно в зависимости от получаемого от датчика значения разности потенциалов (например, по таблице соответствия или через установленное эмпирическим или теоретическим путем формульное соответствие).
Непосредственные или преобразованные показания датчика концентрации кислорода (например, термодинамической активности кислорода) могут сравниваться с пороговыми значениями и в соответствии с результатом сравнения могут приниматься решения по активации массообменного аппарата или диспергатора. Например, может быть определено, что концентрация кислорода ниже порогового значения, и тогда принимается решение об активации одного из указанных устройств с целью повышения концентрации кислорода (например, его термодинамической активности).
В соответствии с настоящим изобретением способ регулирования концентрации кислорода и водорода, позволяющий достичь вышеуказанные технические результаты, может содержать следующие шаги, показанные на фиг. 7.
Во-первых, получают показания датчика концентрации кислорода (шаг 701) и оценивают концентрацию кислорода в теплоносителе (шаг 702) на основании данных от датчика концентрации кислорода в теплоносителе и далее сравнивают оценку концентрации кислорода в теплоносителе с верхним и нижним допустимыми значениями. В частности, на шаге 703 сравнивают оценку концентрации с верхним допустимым значением. В том случае, если концентрация кислорода больше верхнего допустимого значения (например, больше максимально допустимого значения, то есть находится вне диапазона допустимых значений), проверяют, подают ли газ, содержащий кислород (шаг 704).
Для принятия решения о подаче из газовой системы в реактор в объем около теплоносителя газа, содержащего водород и/или активации диспергатора в преимущественном варианте необходим положительный ответ на вопрос «больше ли концентрация кислорода в теплоносителе верхнего допустимого значения?» и отрицательный ответ на вопрос «подают ли в реактор газ, содержащий кислород?». Если определено, что в реактор подают газ, содержащий кислород, на шаге 705 осуществляют прекращение подачи газа, содержащего кислород, и далее на шаге 706 осуществляют подачу из газовой системы в реактор в объем около теплоносителя газа, содержащего водород и/или активацию диспергатора. Если же подачу газа, содержащего кислород, не осуществляли, то шаг 706 возможно осуществить непосредственно после проверки подачи газа, содержащего кислород, то есть после шага 704, без прекращения подачи газа, содержащего кислород, ввиду отсутствия в этом необходимости. В любом из этих вариантов будет достигнут технический результат настоящего изобретения, заключающийся в предотвращении одновременной подачи газа, содержащего водород, и газа, содержащего кислород, в реактор.
В том случае, если оценка концентрации кислорода в теплоносителе меньше верхнего допустимого значения, после шага 703 осуществляется переход на шаг 707, на котором сравнивают оценку концентрации кислорода в теплоносителе с нижним допустимым значением. В том случае, если концентрация кислорода меньше нижнего допустимого значения (например, меньше минимально допустимого значения, то есть находится вне диапазона допустимых значений), проверяют, подают ли в реактор в объем около теплоносителя газ, содержащий водород (шаг 708).
Для принятия решения о подаче из газовой системы в реактор в объем около теплоносителя газа, содержащего кислород и/или активации диспергатора в преимущественном варианте необходим положительный ответ на вопрос «меньше ли концентрация кислорода в теплоносителе нижнего допустимого значения?» и отрицательный ответ на вопрос «подают ли в реактор газ, содержащий водород?». Если определено, что из газовой системы в реактор в объем около теплоносителя подают газ, содержащего водород, на шаге 709 прекращают подачу в реактор объем около теплоносителя газа, содержащего водород, и далее на шаге 710 осуществляют подачу газа, содержащего кислород и/или активацию диспергатора. Если же подача в реактор в объем около теплоносителя газа, содержащего водород, не осуществлялась (была прекращена), то шаг 710 возможно осуществить непосредственно после проверки состояния газовой системы, то есть после шага 708, без прекращения подачи в объем около теплоносителя газа, содержащего водород, ввиду отсутствия в этом необходимости. В любом из этих вариантов будет достигнут технический результат настоящего изобретения, заключающийся в предотвращении одновременной подачи газа, содержащего водород, и газа, содержащего кислород, в реактор, в частности, в объем около теплоносителя.
Вышеописанная последовательность действий может осуществляться автоматически, например, с помощью специализированной системы или устройства. Однако в некоторых случаях автоматическое выполнение не представляется возможным. В связи с этим осуществление этого способа в соответствии с изобретением может происходить вручную обслуживающим и/или эксплуатирующим персоналом. В таком случае при необходимости подачи и/или прекращения подачи кислорода и/или водорода может подаваться сигнал о необходимости подачи и/или прекращения подачи, соответственно, например, в визуальной, звуковой или другой воспринимаемой человеком форме. В этом случае квалифицированный и высокомотивированный персонал, обслуживающий реактор и отслеживающий его состояние, восприняв такой сигнал, может прекратить подачу и/или начать подачу из газовой системы в реактор в объем около теплоносителя соответствующих газов с предотвращением одновременной подачи в реактор кислорода и водорода, тем самым обеспечив получение технического результата настоящего изобретения.
После осуществления шага 710 или шага 706 проверяют концентрацию кислорода, например, тем же способом, что и ранее, то есть путем оценки указанной концентрации. Как показано на фиг. 7, это может быть сделано возвратом на шаг 701. Кроме того, на шаг 701 происходит переход с шага 707 в том случае, если оценка концентрации кислорода в теплоносителе показывает, что концентрация больше нижнего допустимого значения. В таком случае концентрация кислорода в теплоносителе находится в допустимом диапазоне (диапазоне допустимых значений), то есть, меньшей верхнего допустимого значений и больше нижнего допустимого значения, а это означает, что никаких мер по изменению концентрации кислорода в теплоносителе (или изменению или отказу от ранее предпринятых мер) не требуется. После этого способ, изображенный на фиг. 7, циклически повторяется. В то же время при повторах способа по фиг. 7 возможны исключения или замены. Например, если диспергатор активирован и/или обеспечена подача необходимого газа, то на шагах 706 и 710 подача газа и/или активация не осуществляются или осуществляются символически или фиктивно (например, подается сигнал запуска в схему запуска, однако эта схема не осуществляет запуск ввиду того, что диспергатор или газовая система уже приведены в необходимое состояние). Способ по фиг. 7 может быть модифицирован введением проверки необходимости выполнения шагов 706 и 710 ввиду их возможного выполнения до этого, соответственно.
На шаге 706, также как и на шаге 710, возможны пять альтернатив, которые приведут к достижению необходимого результата, заключающегося в повышении концентрации водорода в теплоносителе (ввода в него водорода) или в повышении концентрации кислорода в теплоносителе (ввода в него кислорода), соответственно. В одной из альтернатив в объем около теплоносителя из газовой системы подают необходимый газ, например, в объеме, не приводящем к повышению давления, а просто вытесняющим, например, инертный газ (например, во второй трубопровод газовой системы, имеющий выход в объем реактора около теплоносителя). Для того, чтобы водород или кислород попал в теплоноситель, диспергатор должен быть в активном состоянии. Следовательно, эта альтернатива используется в том случае, если до подачи необходимого газа, диспергатор находился в активном состоянии, например, использовался для ввода в теплоноситель, например, инертного газа или смеси таких газов.
Во второй альтернативе в объеме около теплоносителя до активации диспергатора уже мог находиться требуемый газ (то есть газ, содержащий водород, для шага 706, и газ, содержащий кислород, для шага 710) и для достижения результата, т.е. ввода водородосодержащего или кислородосодержащего газа в теплоноситель и, тем самым, повышения концентрации водорода или кислорода в теплоносителе, достаточно активировать диспергатор.
В третьей альтернативе до получения необходимого результата газ в объеме около теплоносителя мог быть, например, инертным, а диспергатор был отключен, и для повышения концентрации водорода или кислорода в теплоносителе требуется как подать в объем около теплоносителя водородосодержащий или кислородосодержащий газ, соответственно (в предельных случаях это могут быть и чистый водород или чистый кислород, предназначенный для смешивания с инертным газом в указанном объеме), так и активировать диспергатор.
В четвертой альтернативе диспергатор не активируют, а в объем около теплоносителя из газовой системы подают необходимый газ, содержащий водород или кислород, в количестве (объеме) или под давлением, достаточным для создания в объеме около теплоносителя такого давления, которое привело бы к проникновению газа в теплоноситель через диспергатор даже при неактивном диспергаторе.
В пятой альтернативе в объем около теплоносителя из газовой системы подают необходимый газ, содержащий водород или кислород, в количестве (объеме) или под давлением, достаточным для создания в объеме около теплоносителя такого давления, которое привело бы к проникновению газа в теплоноситель через диспергатор, и активируют диспергатор - это позволяет продлить срок эксплуатации диспергатора.
Общим для всех этим альтернатив является то, что результат, заключающийся в повышении концентрации водорода или кислорода, достигается только при наличии в объеме около теплоносителя газа, содержащего водород или кислород, соответственно, под давлением, превышающим внутреннее давление в теплоносителе в месте расположения выходного отверстия (отверстий) диспергатора, а различаются они лишь способом создания требуемой разницы давлений и начальными условиями: активирован или деактивирован диспергатор и имеется ли в объеме около теплоносителя необходимый газ и под каким давлением. Таким образом, настоящее изобретение должно считаться использованным в случае выполнений любого из вышеуказанных действий, если они приводят к подаче через диспергатор (или диспергатором) газа, содержащего водород или кислород в зависимости от выполняемого шага, из объема около теплоносителя в теплоноситель.
Как уже отмечалось, попадание газа (в том числе водородосодержащего и кислородосодержащего) в теплоноситель возможно и в том случае, если в объеме около теплоносителя создается повышенное давление газа, а диспергатор не активируется. Однако в этом случае вероятно засорение выходного отверстия (отверстий) диспергатора, в связи с чем для повышения надежности и срока службы оборудования реактора, что приводит к повышению безопасности и срока эксплуатации реакторной установки, при таком способе ввода газа в теплоноситель (за счет повышенного давления газа в объеме около теплоносителя) диспергатор все равно предпочтительно должен быть активирован для того, чтобы его выходное отверстие (отверстия) на нижнем конце, погруженном в теплоноситель, омывалось теплоносителем, предотвращая скапливания в/на нем оксидов, отложений, пленок и т.п. Таким образом, на шагах 706 и 710 даже в случае подачи в объем около теплоносителя из газовой системы газа, содержащего водород или кислород, в таком объеме, что повышается давление газа в объеме около теплоносителя, что приводит к проникновению газа в теплоноситель даже без активации диспергатора, диспергатор предпочтительно также активируется (хотя случай и без активации диспергатора также входит в объем настоящего изобретения).
Кроме того, само по себе регулирование давления газа в объеме около теплоносителя так, чтобы он сам по себе начал проникать в теплоноситель через диспергатор даже без его активации может быть нежелательным ввиду образования пузырьков больших размеров и является гораздо менее точным ввиду меньшей точности регулирования давления в газовой системе, чем регулирование скорости вращения диспергатора, и, соответственно, локального снижения давления в теплоносителе около вращающегося конца (дисков) диспергатора, в связи с чем предпочтительно применение регулирования концентрации кислорода в теплоносителе с помощью активируемого диспергатора.
В том случае, если регулирования концентрации кислорода в теплоносителе осуществляется лишь способами, в которых применяется активируемый диспергатор, в настоящем изобретении предпочтительно применяются только первые три ранее описанные альтернативы шагов 706 и 710, которые объединяет то, что результат, заключающийся в повышении концентрации водорода или кислорода, достигается только при наличии в объеме около теплоносителя газа, содержащего водород или кислород, соответственно, и активации диспергатора, вводящего газ из объема около теплоносителя в теплоноситель, а различаются они лишь начальными условиями: активирован или деактивирован диспергатор и имеется ли в объеме около теплоносителя газ, содержащий кислород или водород. Таким образом, настоящее изобретение должно считаться использованным в случае выполнений любого из вышеуказанных действий, если они приводят к подаче диспергатором газа, содержащего кислород или водород, из объема около теплоносителя в теплоноситель. При этом следует учитывать, что подача в объем около теплоносителя газа, содержащего кислород или водород, как с созданием в этом объеме давления, превышающего внутреннее давление теплоносителя (не только локально около диспергатора, но и во всем объеме), так и без создания такого давления, в любом случае будет считаться происходящим в результате подачи в объем около теплоносителя газа, содержащего кислород или водород, и, тем самым, являться одним из вариантов настоящего изобретения, входить в объем охраны формулы изобретения и подпадать под действие настоящего патента.
После выполнения шагов 705 и 709, то есть прекращения подачи газа, содержащего кислород или водород, в реактор (в объем около теплоносителя), кислород или водород еще может некоторое время вводиться в теплоноситель за счет диспергатора, находящегося в активном состоянии, или за счет диффундирования кислорода или водорода в теплоноситель через границу раздела сред, однако кислород или водород, находящийся в объеме через некоторое время будет исчерпан без поступления газа, содержащего кислород или водород, соответственно. Если естественный расход кислорода или водорода в объеме около теплоносителя происходит не достаточно быстро или требуется исключить кислород или водород из этого объема вообще, то в объем около теплоносителя из газовой системы может быть осуществлена подача газа, не содержащего водород и кислород. Подача из газовой системы газа, не содержащего водород и кислород, в объем около теплоносителя, может осуществляться сразу, как только будет принято решение о прекращении ввода водорода или кислорода в теплоноситель, и это будет подразумевать, что подача газа, содержащего водород или кислород, прекратилась, так как подаваемый (замещающий) газ не содержит водород и кислород.
В том случае, когда оцененная на шаге 702 и сравненная на шаге 703 концентрация кислорода в теплоносителе становится равной или ниже верхнего допустимого значения (в других вариантах подходит к нижней границе или пересекает нижнюю границу допустимого диапазона), могут осуществлять шаг деактивации диспергатора и/или прекращения подачи в объем около теплоносителя из газовой системы газа, содержащего водород (при необходимости в дополнение к прекращению подачи в объем около теплоносителя из газовой системы газа, содержащего водород, в объем около теплоносителя из газовой системы могут подавать газ, не содержащий водород). Это позволяет поддерживать концентрацию кислорода в теплоносителе в допустимом диапазоне, то есть не ниже нижней границы допустимого диапазона концентрации кислорода в теплоносителе. Отслеживание условия «концентрация кислорода в теплоносителе равна или ниже допустимого значения» связано с тем, что в данном случае настоящее изобретение направлено на борьбу со излишне высокой концентрацией кислорода. Поэтому для решения задач изобретения может оказаться достаточно с помощью введения диспергатором водорода в теплоноситель обеспечить концентрацию кислорода в теплоносителе, равной или меньшей верхнему допустимому значению, и при превышении концентрацией кислорода верхнего допустимого значения может быть вновь активирован диспергатор.
Кроме того, если после подачи в объем около теплоносителя из газовой системы газа, содержащего кислород, и/или активации диспергатора оценка концентрации кислорода в теплоносителе становится равной или выше нижнего допустимого значения, возможно осуществить деактивацию диспергатора и/или прекратить подачу в объем около теплоносителя из газовой системы газа, содержащего кислород, поскольку концентрация кислорода уже находится в допустимом диапазоне значений (при необходимости в дополнение к прекращению подачи в объем около теплоносителя из газовой системы газа, содержащего кислород, в объем около теплоносителя из газовой системы могут подавать газ, не содержащий кислород). После прекращения увеличения концентрации кислорода в теплоносителе путем ввода в него газа, содержащего кислород, его концентрация в теплоносителе будет падать к нижней границе допустимого диапазона значений и когда концентрация кислорода в теплоносителе (оценка этой величины) станет вновь меньше нижней допустимой величины (которая предпочтительно является нижней границей допустимого диапазона значений), диспергатор может быть активирован вновь.
Благодаря цикличности способа может обеспечиваться его повторяемость и автоматическое регулирование концентрации кислорода в теплоносителе, что позволяет снизить необходимость вмешательства квалифицированного персонала и, в пределе, вообще исключить его участие в процессе регулирования работы реакторной установки. Однако возможен и вариант, в котором способ по настоящему изобретению циклически не повторяется. Например, завершение ввода водорода или кислорода в теплоноситель может осуществляться не по условию восстановления допустимой концентрации кислорода, а по таймеру, через некоторое время активной работы диспергатора. Далее система регулирования может переходить в режим ожидания запуска способа с шага 701 или же запускать способ с этого шага автоматически, тем самым также обеспечивая цикличность и автоматизм работы. Это может быть полезно, когда оценка концентрации кислорода должна быть свободной от влияния различных факторов и требует нахождения диспергатора в неактивном состоянии и, значит, не оказывающими влияния на показания датчика в момент получения его показаний.
Шаги 704, 705, 708 и 709 способа по фиг. 7 соответствуют шагам 306, 307, 302 и 303, соответственно, способа по фиг. 3, а шаги 706 и 710 способа по фиг. 7 включают в себя действия шагов 308 и 304, соответственно, способа по фиг. 3. В связи с этим все, что было указано по отношению к шагам 302-304 и 306-308 способа управления газовой системой на фиг. 3, также относится и к шагам 708-710 и 704-706, соответственно, способа регулирования концентрации кислорода в теплоносителе. Кроме того, дополнительные шаги способа управления газовой системой могут осуществляться и в способе регулирования концентрации кислорода в теплоносетеле.
Верхние и нижние допустимые значения, а также величина (диапазон) допустимого значения концентрации кислорода в теплоносителе могут определяться на основе предварительных теоретических или расчетных величин или же могут быть получены экспериментально в ходе пусконаладочных или поверочных работ (или в комбинации указанных способов). Конкретные значения порогов и допустимых значений зависят от конструкции реакторной установки и особенностей ее изготовления, и могут меняться от установки к установке даже для одного типа реактора и в зависимости от режимов эксплуатации или подготовки к эксплуатации реакторной установки. Критерием для определения конкретных значений порогов и допустимых значений может считаться обеспечение коррозионной стойкости конструкционных материалов реактора, его безопасность и достаточность концентрации кислорода или характеристик ее увеличения для обеспечения коррозионной стойкости, безопасности и длительного срока эксплуатации реактора.
В некоторых случаях для упрощения верхнее и нижнее допустимое значение могут быть приняты равными друг другу.
Например, в одном из возможных вариантов нижнее допустимое значение концентрации растворенного в теплоносителе кислорода может быть определено расчетно-экспериментальным путем, и иметь значение, вычисляемое по следующей формуле:
lgC=-0,33-2790/T+lgCs+lgjCPb,
где С - концентрация растворенного в теплоносителе кислорода, мас. %;
Т - максимальная температура теплоносителя в контуре, K;
Cs - концентрация растворенного в теплоносителе кислорода при насыщении при температуре Т, мас. %;
j - коэффициент термодинамической активности свинца в теплоносителе, обратные мас. %;
CPb - концентрация свинца в теплоносителе, мас. %;
lg - математическая операция взятия десятичного логарифма (то есть логарифма по основанию 10).
-10
Например, при выполнении корпуса реактора из нержавеющей стали Х18Н10Т и применении в качестве теплоносителя эвтектического сплава свинца с висмутом, при максимальной температуре в реакторе 623 К (например, в активной зоне или около стенок корпуса) предельно низкая концентрация кислорода может составлять 2,6·10 мас % (значение определено на основании указанных данных и данных, определенных опытным или расчетным путем для конкретной реализации реакторной установки). Несмотря на то, что предельно низкая концентрация кислорода допустима для эксплуатации реакторной установки и может использоваться в качестве нижнего допустимого значения, например, при условии быстрого наращивания концентрации кислорода без временных задержек после снижения измеренной концентрации кислорода ниже значения предельно низкой концентрации кислорода или приближении к этому значению, желательно не допускать подобных ситуаций для повышения безопасности эксплуатации реактора.
-8
-7
-8
-7
В связи с этим могут быть приняты пороги или допустимые значения, имеющие значения выше предельно низкой концентрации кислорода. Например, может быть поставлена задача поддерживать концентрацию кислорода в диапазоне от 6·10 до 6·10 мас. %. При уменьшении концентрации растворенного кислорода до уровня 6·10 мас. % может быть определено, что достигнуто нижнее допустимое значение, и принято решение о повышении концентрации кислорода в теплоносителе. После выполнения этого решения концентрация растворенного в теплоносителе кислорода увеличивается и при достижении значения 6·10 мас % может быть определено достижение верхнего допустимого значения и, соответственно, может быть принято решение о снижении концентрации кислорода в теплоносителе путем ввода водорода. В некоторых вариантах окончание изменения концентрации кислорода может определяться не по достижению верхнего или нижнего допустимого значения, а на основе временных или других характеристик процесса изменения концентрации кислорода (например, изменение концентрации кислорода может быть прекращено после того, как длительность этого процесса с момента его начала достигнет заданного значения).
Шаги способов предпочтительно выполняются в показанной и описанной последовательности, но в некоторых вариантах, там, где это возможно, шаги могут выполняться и в другой последовательности или параллельно.
Преимущества настоящего способа регулирования концентрации кислорода и водорода в теплоносителе основаны на следующем. Благодаря тому, что перед началом подачи в реактор водорода или кислорода проверяется то, что в него уже не вводится кислород или водород, соответственно, предотвращается одновременный ввод в реактор, в частности, в объем около теплоносителя, водорода и кислорода, что могло бы привести к образованию гремучего газа. Ввиду того, что гремучий газ несет с собой опасность детонации (взрыва), это сопряжено с опасностью повреждения оборудования реактора и газовой системы, самой газовой системы и разгерметизации реактора, что приводит к риску радиоактивного заражения окружающей среды. Таким образом, настоящий способ увеличивает срок эксплуатации реакторной установки и повышает ее безопасность.
Для реализации вышеописанного способа управления реакторным оборудованием может быть использована система управления в соответствии с настоящим изобретением. Такая система управления, один из вариантов выполнения которой показан на фиг. 8, содержит: модуль 801 оценки концентрации кислорода в теплоносителе, модуль 802 сравнения оценки концентрации кислорода в теплоносителе с допустимым значением, модуль 803 управления подачей газа, содержащего кислород, модуль 804 управления подачей газа, содержащего водород, и модуль 805 управления диспергатором.
Модуль 801 оценки концентрации кислорода в теплоносителе выполнен с возможностью получения данных от датчика 110 концентрации кислорода в теплоносителе, оценки на основании полученных данных концентрации кислорода в теплоносителе и передачи оценки концентрации кислорода в теплоносителе в модуль 802 сравнения оценки концентрации кислорода в теплоносителе с допустимым значением.
Модуль 802 сравнения оценки концентрации кислорода в теплоносителе с допустимым значением выполнен с возможностью получения оценки концентрации кислорода в теплоносителе из модуля 801 оценки концентрации кислорода в теплоносителе и сравнения ее с верхним и нижним допустимыми значениями. Результаты сравнения с допустимыми значениями в варианте, показанном на фиг. 8, передаются в модуль 803 управления подачей газа, содержащего кислород, модуль 804 управления подачей газа, содержащего водород, и модуль 805 управления диспергатором.
Модуль 803 управления подачей газа, содержащего кислород и модуль 804 управления подачей газа, содержащего водород, представляют собой, по меньшей мере, часть системы управления газовой системой, поэтому все, что было выше отмечено в отношении системы управления газовой системой и, в частности, в отношении модуля управления подачей газа, содержащего кислород, и модуля управления подачей газа, содержащего водород, относится также и к модулям 803 и 804 в частности и к системе регулирования концентрации кислорода в теплоносителе в целом.
Модуль 805 управления диспергатором может активировать и деактивировать диспергатор в зависимости от того, требуется ли вводить газ из объема около теплоносителя или не требуется. В частности, модуль 805 активирует диспергатор в том случае, если оценка концентрации кислорода в теплоносителе меньше нижнего допустимого значения и если в реактор подан и/или подают газ, содержащий кислород, а также в том случае, если оценка концентрации кислорода в теплоносителе выше верхнего допустимого значения и если в реактор подан и/или подают газ, содержащий водород. Для выполнения своих функций модуль 805 может получать сигналы из модулей 802, 803 и 804.
Модуль 803 может прекратить подачу в реактор кислорода и/или деактивировать диспергатор (или подать в модуль 805 сигнал о необходимости деактивации диспергатора), в том случае, если оценка концентрации кислорода в теплоносителе становится равной или выше нижнего и/или верхнего допустимого значения, и/или в том случае, если из модуля 804 получен сигнал о необходимости прекращения подачи кислорода.
Модуль 804 может прекратить подачу в реактор водорода и/или деактивировать диспергатор (или подать в модуль 805 сигнал о необходимости деактивации диспергатора), в том случае, если оценка концентрации кислорода в теплоносителе становится равной или ниже верхнего и/или нижнего допустимого значения, и/или в том случае, если из модуля 803 получен сигнал о необходимости прекращения подачи водорода.
Кроме того, модули 803 и/или 804 могут обеспечивать подачу в объем около теплоносителя из газовой системы газа, не содержащего водород и кислород, например, инертного газа.
Из модуля 802 в модули 803, 804 и 805 могут подаваться как сигналы, дающие инструкции по активации/деактивации соответствующих устройств и/или приведению газовой системы в необходимое состояние подачи/прекращения подачи соответствующих газов, разрешающие/запрещающие сигналы по активации/деактивации соответствующих устройств (например, в бинарной форме), так и сигналы, указывающие степень или величину требуемой активации соответствующих устройств, которая может иметь величину от нуля до максимума.
Между собой модули 803 и 804 могут обмениваться также информацией в бинарной форме, сообщая, например, о том, что подается или не подается соответствующий газ, или о том, что подачу газа необходимо прекратить, или о том, что подачу газа возможно начать (в некоторых случаях может подаваться сигнал, непосредственно запрещающий подачу газа или управляющий подачей питания или управляющих сигналов на оборудование, управляемое другим модулем). В другом варианте модули могут обмениваться информацией о режимах работы оборудования и состоянии газовой системы, изменениях режимов и параметрах работы и изменений в работе и состоянии газовой системы - например, о том, что осуществляется активация или деактивация устройства или открытие или закрытие запорной арматуры с некоторой скоростью, которая может быть определена в мгновенных величинах или в величине изменения за определенный, единичный, частичный или полный промежуток времени. В некоторых вариантах осуществления модули 803 и 804 могут получать информацию об активации или деактивации (или степени активности) оборудования или арматуры, управляемых соседними модулями (в частности, модулями 804 и 803, соответственно), непосредственно из оборудования или арматуры или из драйверов или приводов или карт, управляющих этим оборудованием или арматурой. Так, например, модуль 803 и 804 могут получать и/или обмениваться информацией о состоянии диспергатора (активирован, деактивирован и/или степень активации) и/или о состоянии оборудования, управляющего или диагностирующего газовую систему, такого как датчики, запорная арматура (клапаны, вентили и т.п.), насосы и др. (состояние этого оборудования может выражаться в положении закрыто/открыто, пропускной способности, расходе, активированном/деактивированном состоянии и/или степени активации), непосредственно с самого диспергатора и/или оборудования газовой системы (клемм питания или датчиков) и/или из плат/драйверов/карт управления указанным оборудованием, а также с управляющего оборудованием выхода модулей 804 и 803.
В некоторых вариантах осуществления модуль 802 может подавать сигнал для индикации световым, звуковым или другими способами о превышении верхнего допустимого уровня, снижении ниже нижнего допустимого уровня, нахождении в допустимых пределах или о любых событиях изменения концентрации или нахождения ее в определенных диапазонах (пределах). Такая индикация может восприниматься персоналом, осуществляющим наблюдение и управление реакторной установкой, причем активация/деактивация оборудования и/или арматуры или подача команд об активации/деактивации оборудования и/или арматуры в модули 803 и 804 также может осуществляться персоналом, например, на основе решений, принятых после восприятия указанной индикации.
Для этого система регулирования может содержать в своем составе модуль формирования сигнала предупреждения, выполненный с возможностью формирования сигнала предупреждения о необходимости деактивации диспергатора и/или прекращения подачи кислорода и/или подачи в объем около теплоносителя газа, не содержащего кислород, если оценка концентрации кислорода в теплоносителе выше верхнего допустимого значения, а диспергатор активирован и в объем около теплоносителя подают газ, содержащий кислород, и с возможностью формирования сигнала предупреждения о необходимости деактивации диспергатора и/или прекращения подачи водорода, и/или подачи в объем около теплоносителя газа, не содержащего водород, если оценка концентрации кислорода в теплоносителе меньше нижнего допустимого значения, а диспергатор активирован и в объем около теплоносителя подают газ, содержащий водород.
Структура управляющего устройства (системы регулирования) в соответствии с настоящим изобретением может иметь и другие конфигурации, которые могут являться вариантами, полученными путем дополнения, исключения или замены. Структурная схема, приведенная на фиг. 8, а также блок-схема способа регулирования на фиг. 7 и способа на фиг. 3, а также примеры реализации реакторной установки и приборов и устройств на фиг. 1-4, даны лишь в иллюстративных целях и не могут ограничивать объем зашиты настоящего изобретения, определяемого формулой изобретения. Любые действия, объекты, модули, элементы, оборудование и другие признаки, указанные в единственном числе, могут также считаться использованными, если их в установке или способе окажется несколько и наоборот, если указано множество, то для использования признака может оказаться достаточным одного объекта или действия.
Система регулирования может быть выполнена автоматической, то есть все решения могут приниматься на основании полученных и обработанных данных самой системой и ей самой же и выполняться. При такой автоматической работе появляется замкнутый цикл, в который входят теплоноситель, содержащий кислород, датчик содержания (концентрации) кислорода, модули обработки и принятия решений, модули управления исполнительными устройствами, которые оказывают воздействие на теплоноситель и газовую систему - и результаты этого воздействие вновь оценивается с помощью датчиков концентрации кислорода и вновь принимаются решения по регулированию содержания концентрации кислорода и/или водорода в теплоносителе.
Достоинством такого автоматического регулирования концентрации кислорода и/или водорода в теплоносителе является то, что может быть исключена необходимость участия квалифицированного персонала в управлении реакторной установкой. Однако при этом могут появляться и риск того, что режимы функционирования реакторной установки могут выйти за допустимые пределы ввиду замкнутости цикла управления при наличии неограниченной положительной обратной связи, при которой попытка регулирования нежелательного отклонения параметра приводит к еще большему отклонению параметра в нежелательную сторону (это может произойти как из-за несовершенства алгоритмов обработки, так и из-за сбоев в оборудовании).
В другом варианте система регулирования концентрации кислорода в теплоносителе может быть выполнена с участием в обработке данных и/или принятии решений персонала. В этом случае требуется обеспечение высокой квалификации персонала, но при этом обеспечивается учет всех возможных параметров и исключение выхода реакторной установки в опасные или критичные режимы работы благодаря тому, что человек, в отличие от автоматического устройства, может адаптивно оценивать складывающуюся ситуацию и менять алгоритмы действий с учетом вопросов безопасности и долгосрочности эксплуатации.
Для обеспечения персонала возможностью получения информации и воздействия на систему регулирования реакторная установка может иметь пульт управления, снабженный средствами индикации, такими как световые (индикаторы, световые панели, экраны, информационные табло и т.п.), звуковые (громкоговорители, сирены, системы оповещения и т.п.) и другие, например, тактильные средства индикации. Кроме того, пульт управления может быть снабжен средствами ввода информации для запросов необходимой информации, тестирования и ввода управляющих команд. Средства ввода могут представлять собой кнопки, тумблеры, рычаги, клавиатуры, сенсоры, тачпады, трекболы, мыши, сенсорные панели и другие известные из уровня техники средства ввода данных. Ввиду множества информационного оборудования пульт управления может быть протяженным и для того, чтобы персоналу было удобнее использовать пульт управления, в составе оборудования может быть предусмотрено кресло, снабженное колесиками, которое помимо обеспечения удобства работы персонала обеспечивает быстрый и удобный доступ лица, находящегося в кресле, к отдаленным частям пульта управления, поскольку персонал может легким движением ноги или руки оттолкнуться из текущего местонахождения и в результате поступательного движения кресла, обеспечиваемого колесиками, за короткий промежуток времени оказаться в желаемом местоположении.
В то же время необходимо отметить, что оба варианта выполнения системы регулирования - и автоматический, и с участием персонала, обладают недостатками. Так, например, в варианте ручного управления может быть такой недостаток, как не очень высокая скорость обработки данных и принятия решений персоналом по сравнения с требуемыми реакторной установкой. С другой стороны, полностью автоматическая система управления может быть небезопасной в случае сбоев или несовершенных алгоритмов обработки данных. В связи с этим возможна реализация комбинированного варианта системы регулирования, когда процессы обработки данных и регулирования выполняются в автоматическом режиме, но данные о них отображаются средствами индикации персоналу и, например, в случае выхода какого-либо параметра за допустимые пределы (или приближения к допустимым пределам), или произвольно при какой-либо необходимости квалифицированный персонал может корректировать работу автоматической системы регулирования или регулировать самостоятельно, вручную.
Модули системы регулирования могут быть выполнены аппаратно на основе дискретных электронных компонентов, интегральных микросхем, процессоров, сборок, стоек и т.п. Система регулирования может быть выполнена аналоговой, цифровой или комбинированной. Так, например, модули, имеющие электрические соединения с оборудованием, находящимся в реакторе или в пульте управления, и управляющие его работой или обрабатывающие данные из них, могут содержать преобразователи напряжений, токов, частоты, аналоговой формы сигналов в цифровую и наоборот, драйверы, источники токов или напряжений и элементы, управляющие ими. Все эти элементы и модули могут располагаться на одной или нескольких монтажных платах, совмещаться или делиться между разными компонентами или платам, или быть выполненными и размещенными без использования монтажных плат.
Модули системы регулирования также могут быть выполнены программным образом. Для этого в качестве аппаратной части могу применяться интегральные микросхемы с программируемой логикой, контроллеры, процессоры, компьютеры, а в качестве программной части используются программы, содержащие команды или коды, которые выполняются указанными микросхемами, контроллерами, процессорами, компьютерами и т.п., соединенных с устройствами и оборудованием реактора. Программы хранятся в запоминающих устройствах, которые могут быть выполнены в различных формах, известных из уровня техники и представлять собой считываемые компьютером носители информации: постоянные запоминающие устройства, жесткие и гибкие магнитные диски, флеш-память, оптические диски, оперативные запоминающие устройства и т.п. Программы могут содержать последовательности кодов или команд, обеспечивающих выполнение способа и алгоритмов в соответствии с настоящим изобретением по частям или полностью. Микросхемы, контроллеры, процессоры и компьютеры могут быть соединены со средствами ввода/вывода информации, которые могут быть отдельно расположенными или входить в состав пульта управления. Модули системы регулирования, описанные в качестве отдельных модулей, могут представлять собой программные модули или быть объединенными в одну или несколько программ, а также в один или несколько блоков или элементов программ.
Система регулирования и ее модули могут быть выполнены программно-аппаратным образом, то есть часть или все модули могут быть выполнены аппаратным образом, а часть модулей или устройства управления в программном виде. Например, в предпочтительном варианте осуществления модули управления оборудованием реактора (массообменным аппаратом, газовой системой, диспергатором) и модули преобразования датчиков могу быть выполнены аппаратно, а модули обработки данных и команд, отображения информации и регулирования параметров обработки (таких как пороги и допустимые значения) могут быть выполнены программно на основе компьютера, процесса или контроллера. Также могут быть изготовлены специализированные микросхемы, содержащие все необходимые аппаратные элементы и в которые могут загружаться программы или параметры обработки данных.
В предпочтительном варианте осуществления все электронные и другие элементы и компоненты преимущественно выполнены в радиационностойком исполнении для обеспечения возможности работы компонентов и работоспособности системы в целом в составе ядерной реакторной установки, которая может являться источником ионизирующего излучения, даже в аварийных условиях для сохранения возможности регулирования работы реактора и предотвращения возможных негативных последствий, тем самым обеспечивая повышенный уровень безопасности и длительный срок эксплуатации.