СПОСОБ ОРОШЕНИЯ БАССЕЙНОВ ВЫДЕРЖКИ ОТРАБОТАВШЕГО ЯДЕРНОГО ТОПЛИВА И УСТРОЙСТВА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF FLOODING SPENT FUEL POOLS AND APPARATUS THEREFOR

Изобретения относится к ядерной технике, в частности к средствам обеспечения безопасности при хранении отработавших ядерных топливных элементов реактора ВВЭР-1000, и предназначено для использования в хранилищах отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) на заводах по регенерации такого топлива или на АЭС при запроектных авариях, связанных с обезвоживанием отсеков хранения ОЯТ.
Хранение отработавшего ядерного топлива является неотъемлемой частью любого ядерного топливного цикла. Это может быть временное хранение до переработки отработавшего ядерного топлива, либо достаточно длительное хранение до прямого удаления ОЯТ в геологические формации. Суммарные объемы отработавшего топлива, подлежащего хранению, непрерывно возрастают из-за значительно меньших производственных возможностей перерабатывающих заводов, в результате чего растет не только объем хранящегося топлива, но и увеличиваются предполагаемые сроки его хранения.
Основу ядерно-энергетического парка России составляют реакторы ВВЭР-1000 и РБМК-1000. Для реакторов типа ВВЭР принята концепция замкнутого ядерного топливного цикла. Переработка ОЯТ реакторов ВВЭР-1000 пока не проводится, и его хранение в безопасных условиях в течение длительного времени становится актуальной проблемой, учитывая практически полное исчерпание вместимости (более чем на 90%) приреакторных бассейнов (ХОЯТ). Таким образом, основной практикой обращения с отработавшим ядерным топливом в России на сегодняшний день является его долговременное хранение.
3
На площадке Изотопно-химического завода Федерального государственного унитарного предприятия «Горно-химический комбинат» действует хранилище, где ОЯТ хранится в водонаполненном бассейне, так называемое «мокрое» хранилище. Мокрое хранилище включает в себя отсек перегрузки, бассейн выдержки, состоящий из 20 отсеков хранения, соединенных между собой транспортным коридором, и системы, обеспечивающие перегрузку и безопасное хранение ОЯТ. Хранение отработавших тепловыделяющих сборок (ОТВС) осуществляется в чехлах, в частности в чехлах по патенту РФ №2331943, под слоем очищенной от механических взвесей и обессоленной воды. Чехлы хранения представляют собой металлические конструкции квадратного сечения, в которых установлены трубы, связанные дистанционирующими решетками. ОТВС размещаются внутри труб (пеналов). Общий объем воды в хранилище составляет 33000 м. Отсеки могут отделяться от транспортного коридора затворами. Для отвода тепла, выделяемого ОТВС в воду бассейна выдержки хранилища, осуществляется охлаждение воды отсеков бассейна при помощи теплообменников. Теплосъем от ОТВС осуществляется конвекцией охлаждаемой бассейновой воды. При длительном хранении ОТВС их тепловыделение снижается. С учетом произошедшей аварии на АЭС «Фукусима» в Японии, где было обезвожено хранилище ОЯТ, в качестве сценария запроектной аварии рассматривается обезвоживание от 1 до 10 отсеков бассейна выдержки хранилища. Для восполнения потерь бассейновой воды при запроектной аварии, связанной с обезвоживанием отсеков хранения ОЯТ, и обеспечения теплоотвода остаточного тепловыделения ОТВС смонтирована система аварийного водоснабжения мокрого хранилища, включающая дополнительные резервуары для подпиточной воды и насосные станции для пополнения резервуаров, при этом вода из резервуаров в мокрое хранилище поступает самотеком с обеспечением принципа пассивной безопасности.
Известен способ охлаждения строительных конструкций и ОТВС по проекту «Охлаждение строительных конструкций и ОТВС с учетом ядерной безопасности в бассейнах выдержки здания 1 при запроектной аварии, вызванной осушением бассейнов выдержки», разработанному ОАО «Восточно-Европейский головной научно-исследовательский и проектный институт энергетических технологий», г.Санкт-Петербург).
Известным способом предусматривается постоянное орошение стен бассейна выдержки и чехлов с ОТВС дренчерными оросителями водой. Охлаждение стен осуществляется для исключения температурного воздействия на ограждающие строительные конструкции с обеспечением проектной прочности железобетонных стен бассейна выдержки, расположенных за облицовкой бассейна выдержки.
Вода после использования вытекает через образовавшиеся дефекты в строительных конструкциях.
При полном обезвоживании бассейна выдержки изменяется и режим теплопередачи по сравнению с режимом теплопередачи при полном погружении чехла с ОТВС в воду. При полном осушении бассейна выдержки подаваемая дренчерными оросителями на чехлы с ОТВС вода в виде капель и струй попадает на верхнюю решетку чехла, на выступающие из решеток головки ОТВС и в пространство между чехлами. Отведение тепла к чехлу от ОТВС, размещенных в круглых пеналах, будет осуществляться в основном за счет лучистого нагрева стенок пеналов, так как теплопередача от ОТВС к пеналам за счет теплопроводящего контакта будет незначительной, вследствие малой площади соприкосновения шестигранной ОТВС с круглым пеналом.
Попадающая на плоские верхние решетки чехлов вода частично стекает с них в пространство между чехлами и частично во внутренние полости пеналов, в которых располагаются ОТВС. Отбор тепла от ОТВС стекающей по внутренним поверхностям пеналов водой будет осуществляться за счет лучистого теплообмена (теплового излучения от ОТВС) и от стенок пеналов конвекцией.
Попадающая на выступающие из решеток головки ОТВС вода будет стекать по головкам ОТВС во внутреннюю полость пеналов и, попадая на топливные трубки ОТВС, будет обеспечивать эффективный теплосъем от ОТВС. Но так как площадь выступающих из решеток головок ОТВС составляет не более 50% от площади чехла и не более 30% от орошаемой дренчерными оросителями площади отсека, то общая эффективность использования охлаждающей воды будет явно недостаточна.
Вода, попадающая в пространство между чехлами непосредственно из дренчерных оросителей и с верхних решеток, будет нагреваться тоже только за счет лучистого теплообмена от стенок периферийных пеналов, обращенных к пространствам, расположенным между чехлами. В этом случае отбор тепла от чехлов зависит от скорости падения капель воды в пространствах между чехлами, в свою очередь зависящей от размеров капель. Эта часть охлаждающей воды при капельно-струйном орошении будет использоваться неэффективно, вследствие падения капель в пространстве между чехлами со значительной скоростью. Кроме того, вследствие расположения пеналов под верхней решеткой чехла, охлаждающая вода, падающая в пространство между чехлами, практически не будет попадать на промежуточные решетки чехла и наружные стенки пеналов. Отведение тепла от наружных стенок пеналов, особенно расположенных в центральной части чехла, будет осуществляться только за счет теплового излучения, при этом воздействующего на наружные стенки соседних пеналов, что может привести к неравномерному отводу тепла от пеналов и локальному перегреву топливных трубок ОТВС в центральной части чехла.
Исходя из этого, орошение известным способом потребует значительных объемов воды, вследствие ее неэффективного использования. В случае отключения электроэнергии после прохождения землетрясения и (или) неработоспособности насосных станций для пополнения резервуаров, продолжительность использования резервуаров аварийного водоснабжения для охлаждения чехлов с ОТВС будет иметь важное значение для организации восстановительных работ по пополнению резервуаров.
Известна система орошения ОТВС и стен бассейна выдержки для предотвращения их перегрева, предусмотренная указанным проектом. Система орошения включает в себя систему орошения стен хранилища, систему орошения чехлов с ОТВС, подводящие трубопроводы и оросительные системы. Элементы системы охлаждения, включая точки подключения к существующим сетям производственно-противопожарного водопровода, соединенного с баками аварийного водоснабжения, размещаются внутри здания бассейна выдержки. Вода после использования вытекает через образовавшиеся дефекты в строительных конструкциях.
Система орошения чехлов с ОТВС содержит расположенные вдоль стен трубопроводы с отводами, располагаемыми между рядами чехлов с ОТВС, на которых установлены дренчерные оросители.
Существенным недостатком известной системы орошения чехлов с ОТВС является то, что осуществляемое установленными между рядами чехлов над ними дренчерными оросителями капельно-струйное орошение чехлов с ОТВС не обеспечивает попадания охлаждающей воды на промежуточные решетки чехлов и наружные стенки пеналов, расположенных под верхними решетками чехлов. Исходя из этого, дренчерные оросители не могут обеспечить равномерное отведение тепла от ОТВС, особенно размещенных в центральной части чехлов, что может привести к неравномерному отводу тепла от пеналов и локальному перегреву топливных трубок ОТВС в центральной части чехла.
Система орошения стен хранилища содержит трубы, уложенные вдоль стен, с равномерно расположенными отверстиями, направленными на стены. Так как чехлы расположены на некотором расстоянии от стен, а ОТВС находятся внутри пеналов чехла, то все тепловое излучение от ОТВС воздействует непосредственно на стенки пеналов чехлов. При орошении внутренних поверхностей пенала водой затраты воды на орошение стен являются не всегда целесообразными, особенно в случае, если у стен будут располагаться чехлы с ОТВС со значительной продолжительностью хранения в бассейне выдержки.
Задачей, на решение которой направлены предлагаемые изобретения, является увеличение продолжительности использования резервуаров аварийного водоснабжения для охлаждения ОТВС при обезвоживании бассейна выдержки в результате запроектной аварии за счет более эффективного использования охлаждающей воды.
Технический результат, получаемый при внедрении изобретений, заключается в получении на ОТВС и внутренних и наружных поверхностях пеналов и решеток чехла пленки охлаждающей воды и более равномерное отведение тепла от ОТВС.
Для получения указанного технического результата в предлагаемом способе, включающем орошение чехлов с ОТВС и стен бассейна выдержки водой, подаваемой из резервуара аварийного водоснабжения самотеком, орошение осуществляют тонко распыленной водой, для распыления которой в оросители дополнительно подают сжатый воздух.
Орошение чехлов хранения ОТВС тонко распыленной водой, обладающей высокой проникающей способностью, позволяет заполнить ею обезвоженные отсеки хранения. Высокая проникающая способность тонко распыленной воды способствует ее проникновению как внутрь пеналов, так и в пространство между пеналами, в частности расположенными в центральной части чехла, что позволяет получить пленку охлаждающей воды на ОТВС, на верхней и промежуточных решетках чехлов и на внутренних и наружных стенках пеналов. Пленка воды, стекающая с верхних решеток чехлов и выступающих из решеток головок ОТВС во внутреннюю полость пеналов и стекающая с промежуточных решеток и с наружных стенок пеналов в зазоры между решетками и пеналами, позволяет обеспечить эффективное нагревание пленки воды и более равномерное отведение тепла от чехлов хранения и исключить локальный перегрев топливных трубок ОТВС с сохранением их целостности.
В случае частичного образования насыщенного пара при охлаждении ОТВС, насыщенный пар, поднимаясь из пеналов, будет конденсироваться над ними на постоянно подаваемой тонко распыленной воде, заполняющей пространство над пеналами. В результате конденсации пара, капли конденсата будут вновь опускаться в пеналы, увеличивая количество воды, поступающей в пеналы для охлаждения ОТВС. Также конденсация пара вследствие уменьшения его объема будет способствовать поступлению тонко распыленной воды в пространства, расположенные над пеналами, тем самым повышая количество воды, поступающей во внутренние полости пеналов с ОТВС, и способствуя дополнительному охлаждению ОТВС с повышенным тепловыделением.
Снижение скорости оседания тонко распыленной воды в пространстве между чехлами позволяет увеличить продолжительность ее лучистого нагрева от наружных стенок пеналов и повысить ее температуру, а следовательно, и отведение тепла от наружных стенок пеналов, в которых размещены ОТВС.
Подача в оросители дополнительно сжатого воздуха позволяет осуществить тонкое распыление воды и при потере электроснабжения в результате прохождения запроектной аварии, используя в качестве источника сжатого воздуха компрессор с двигателем внутреннего сгорания.
Для получения указанного технического результата в предлагаемой системе орошения бассейнов выдержки отработавшего ядерного топлива, содержащей резервуар аварийного водоснабжения, подводящие трубопроводы воды и присоединенные к ним системы орошения чехлов хранения ОТВС, включающие расположенные вдоль стен трубопроводы с отводами подачи воды, располагаемыми между рядами чехлов с ОТВС, и установленными на отводах подачи воды оросителями, оросители выполнены в виде акустических форсунок для тонкого распыления воды. В системах орошения чехлов хранения ОТВС дополнительно смонтированы расположенные вдоль стен трубопроводы с отводами, располагаемыми между рядами чехлов с ОТВС, присоединенные к установленному в непосредственной близости от бассейна выдержки работающему автономно передвижному компрессору. Акустические форсунки присоединены к отводам подачи воды и сжатого воздуха.
В частном случае исполнения акустическая форсунка снабжена корпусом с соплом и патрубком, внутри корпуса установлена трубка, проходящая через сопло с зазором. На нижней части трубки установлен на резьбе резонатор с кольцевой проточкой и выполнены отверстия, расположенные между соплом и резонатором, трубка присоединена к отводу подачи воды, а патрубок корпуса - к отводу подачи сжатого воздуха.
В другом частном случае исполнения ближайшие к стенам распылительные форсунки установлены на расстоянии от стен, меньшем радиуса их действия.
Выполнение оросителей в виде акустических форсунок позволяет осуществить тонкое распыление воды и заполнить ею отсеки хранения, а в результате получить на ОТВС и внутренних и наружных поверхностях пеналов и решеток чехла пленку охлаждающей воды.
Монтаж дополнительно в системах орошения чехлов хранения ОТВС, расположенных вдоль стен трубопроводов с отводами, располагаемыми между рядами чехлов с ОТВС, и их присоединение к установленному в непосредственной близости от бассейна выдержки работающему автономно передвижному компрессору, а акустических форсунок - к отводам подачи воды и сжатого воздуха, позволяет осуществить подачу на акустические форсунки воды и сжатого воздуха и обеспечить работу акустических форсунок в режиме генерирования акустических колебаний, способствующих тонкому распылению воды. Кроме того, автономная работа передвижного компрессора, например от двигателя внутреннего сгорания, позволяет в случае потери электроснабжения при запроектной аварии обеспечить подачу сжатого воздуха и работу акустических форсунок.
Снабжение акустической форсунки корпусом с соплом и патрубком, установка внутри корпуса трубки, проходящей через сопло с зазором, и присоединение патрубка корпуса к отводу подачи сжатого воздуха позволяет подать сжатый воздух через зазор между соплом и трубкой.
Установка на нижней части трубки на резьбе резонатора с кольцевой проточкой, выполнение отверстий в трубке, расположенных между соплом и резонатором, и присоединение трубки к отводу подачи воды позволяет получить генератор акустических колебаний и при подаче воды через отверстия в трубке перпендикулярно потоку сжатого воздуха обеспечить тонкое распыление воды. Установка на нижней части трубки на резьбе резонатора с кольцевой проточкой позволяет за счет изменения расстояния между соплом и резонатором регулировать частоту акустических колебаний под конкретные значения давлений воды и сжатого воздуха, обеспечивающих необходимое тонкое распыление воды и формирование факела распыленной воды требуемого диаметра, исходя из условия перекрытия их радиусов действия.
Установка ближайших к стенам распылительных форсунок на расстоянии от стен, меньшем радиуса их действия, позволяет подавать часть распыленной воды на облицовку стен и образовать на ней пленку стекающей воды и обеспечить охлаждение облицовок без подачи воды на систему орошения стен, что увеличит продолжительность использования объема воды в резервуаре аварийного водоснабжения для организации его пополнения и использования до устранении последствий запроектной аварии.
Предлагаемая система орошения бассейнов выдержки ядерного топлива иллюстрируется чертежами, на которых изображены:
на фиг.1 - схема предлагаемой системы орошения одного из отсеков бассейна выдержки.
На фиг.2 - разрез А-А на фиг.1.
На фиг.3 - распылительная форсунка в разрезе.
Предлагаемый способ осуществляют в следующей последовательности.
В случае запроектной аварии, связанной с частичным или полным осушением отсеков бассейна выдержки, открывают запорные клапаны на трубопроводах, подводящих воду из резервуара аварийного водоснабжения в соответствующие обезвоженные отсеки бассейна выдержки ОЯТ. Одновременно включают в работу передвижной компрессор и соединяют его линию нагнетания с подводящими сжатый воздух трубопроводами в соответствующие отсеки и осуществляют орошение чехлов с ОТВС тонко распыленной водой.
Предлагаемая система орошения бассейна выдержки состоит (см. фиг.1) из резервуара 1 аварийного водоснабжения, размещенного на рельефе местности выше бассейна выдержки и соединенного с водяным коллектором 2, который через запорные клапаны 3 соединяется с системами орошения 4 чехлов 5 с ОТВС, расположенными в отсеках 6 бассейна выдержки. В непосредственной близости от бассейна выдержки устанавливается работающий автономно передвижной компрессор 7, присоединенный к воздушному коллектору 8, который через запорные клапаны 9 также соединяется с системами орошения 4 чехлов 5 с ОТВС, расположенными в отсеках 6 бассейна выдержки.
Системы орошения 4 чехлов 5 (см. фиг.2) состоят из расположенных по стенкам отсеков 6 трубопроводов 10 и 11, к которым присоединены отводы 12 и 13, расположенные между рядами чехлов 5. На отводах 12 и 13 смонтированы акустические форсунки 14, причем ближайшие к стенам форсунки 14 расположены от стен на расстоянии, меньшем их радиуса действия.
Акустическая форсунка 14 (см. фиг.3) состоит из корпуса 15 с установленным в нем соплом 16. Внутри корпуса 15 установлена трубка 17, проходящая через сопло 16 с кольцевым зазором 18. Трубка 17 снабжена заглушкой 19, на которой по резьбе установлен резонатор 20 с кольцевой проточкой 21. В трубке 17 выполнены отверстия 22, располагающиеся между соплом 16 и резонатором 20. Между нижней поверхностью сопла 16 и верхней поверхностью резонатора 20 расположен расширяющийся зазор 23, регулируемый за счет перемещения резонатора 20 по резьбе заглушки 19. Корпус 15 снабжен патрубком 24, присоединяемым к отводу 13, а трубка 17, установленная в корпусе 15 в направляющих 25, присоединяется к отводу 12.
Предлагаемая система орошения бассейна выдержки работает следующим образом.
После прохождения землетрясения и обезвоживания каких-либо отсеков 6 бассейна выдержки открывают соответствующие запорные клапаны 3 и подают охлаждающую воду из резервуара 1 самотеком по водяному коллектору 2 в системы орошения 4, расположенные в обезвоженных отсеках 6. Одновременно включают в работу передвижной компрессор 7 и подают сжатый воздух в воздушный коллектор 8 и далее через открытый запорный клапан 9 на системы орошения 4, расположенные в обезвоженных отсеках 6.
По отводам 12 и 13 вода и сжатый воздух поступают в акустические форсунки 14, работающие следующим образом. Сжатый воздух по патрубку 24 поступает в корпус 15 и с высокой скоростью выходит из кольцевого зазора 18 и ударяется в кольцевую проточку 21 резонатора 20. Подаваемая одновременно в трубку 17 вода через отверстия 22 впрыскивается перпендикулярно потоку сжатого воздуха, подаваемого из кольцевого зазора 18, захватывается им и при ударе о дно кольцевой проточки 21 резонатора 20 распыляется.
При прохождении резонатора 20 в сжатом воздухе возникают пульсации давления, создающие акустические колебания за счет заполнения (сдавливания) воздуха в кольцевой проточке 21 и выпускания воздуха из нее, способствующие более тонкому распылению воды. Распыленная вода с воздухом через расширяющийся зазор 23 поступает в отсек 4, образуя факел тонко распыленной воды с углом распыления 180°.
Тонко распыленная акустическими форсунками 14 вода, обладающая высокой проникающей способностью, заполняет обезвоженные отсеки 6 бассейна выдержки и образует пленку воды на всех поверхностях чехлов 5. Пленка воды, стекающая с внутренних и наружных стенок пеналов чехлов 5, а также с выступающих из верхних решеток головок ОТВС, обеспечивает эффективное нагревание пленки воды и отведение тепла от чехлов 5 хранения ОТВС. Количество акустических форсунок 14 определяется исходя из условия перекрытия их радиусов действия, полного заполнения отсека 4 тонко распыленной водой и суммарного тепловыделения от ОТВС в охлаждаемом отсеке 6.
В результате достигается более равномерное охлаждение чехлов с ОТВС и более эффективное использование воды для их охлаждения, а в результате увеличивается продолжительность использования охлаждающей воды из резервуара аварийного водоснабжения.
На предприятии акустические форсунки 14 ранее использовались для обмыва крышек экстракторов. В настоящее время изготовлены и испытаны акустические форсунки для конкретных значений давления сжатого воздуха и воды, составляющих около 0,5 МПа, определены их основные параметры и размеры.