Способ использования в системе горячего водоснабжения отработанного ядерного топлива
METHOD OF THE SPENT NUCLEAR FUEL USING IN THE HOT WATER SUPPLY SYSTEM

Изобретение относится к способу нагрева воды в системе горячего водоснабжения (ГВС) остаточным энерговыделением отработавших тепловыделяющих сборок (ОТВС) реакторных установок (РУ). Горячее водоснабжение - снабжение горячей водой жилых домов, коммунальных и промышленных предприятий для бытовых и производственных нужд, а также комплекс оборудования и устройств, которые его обеспечивают. В настоящее время применяются два типа схем ГВС: открытая схема ГВС - в случае, когда горячая вода забирается из общей системы отопления котельных ТЭЦ, ГРЭС или из второго контура охлаждения атомной электростанции (АЭС) и поступает в центральные тепловые пункты (ЦТП), и закрытая схема ГВС - в случае, когда вода нагревается непосредственно в ЦТП собственным водонагревателем в виде котлов.
Известны промышленные системы горячего водоснабжения (ГВС) второго типа для обеспечения горячей водой для технологических, санитарных и гигиенических целей жителей больших жилых зданий или поселков городского типа, потребителей промышленных предприятий, взятые за прототип. Нагрев теплоносителя (воды) в этих системах осуществляется в нагревательных баках за счет сгорания жидкого, либо твердого топлива в водогрейных котлах (теплогенераторах). Нагревательный бак имеет входную трубу холодной воды, которая расположена в его нижней части и выходную трубу горячей воды, которая находится в его верхней части. Горячая вода поступает на вход змеевика бойлера косвенного нагрева, а вода на выходе этого змеевика выходит из бойлера и поступает на вход нагревательного бака. Горячая вода, циркулирующая в контуре нагреватель - змеевик бойлера за счет работы циркуляционного насоса на входе нагревательного бака котла, нагревает через стенки змеевика холодную воду, поступающую в свободный объем бойлера. Циркуляция теплоносителя необходима, чтобы во всех точках контура температура горячей воды была одинаковой не зависимо от водоразбора. Чем циркуляция выше, тем температура обратной воды ближе к температуре подающей. Для поддержания температуры, применяется автоматическая система регулирования. Принципом работы данной системы, является сравнение температура на выходе из бойлера с заданной, и, если имеется рассогласование, в автоматическом режиме открывается или закрывается клапан, который стоит на входе сетевой воды.
В настоящее время в устройствах теплогенерации в системах ГВС используются: природный газ, твердое топливо - уголь, торф, кокс и жидкое топливо - солярка. Их применение существенно влияет на экологическую ситуацию в окружающей среде, вследствие выбросов в атмосферу токсичных и парниковых газов NO2, SO2, СO2, образующихся в процессе добычи и сжигания угля, а также выбросов высокодисперсных зольных частиц, токсичных микроэлементов и их соединений, образующихся при термообработке углей. Зола и шлаки, образующиеся при сжигании таких углей, обогащены естественными радионуклидами (ЕРН). Золошлаковые отвалы ТЭС занимают огромные территории, образуя с годами, по сути, техногенные месторождения ЕРН. Все эти факторы крайне неблагоприятно воздействуют на здоровье людей, поскольку все ТЭЦ и прочие котлы систем ГВС, как правило, расположены в черте городов. Различные смеси высокой концентрации из твердых частиц и газов, образующиеся при сжигании угля и присутствующие в атмосфере, увеличивают онкологические заболевания, темпы роста числа заболеваний дыхательных путей человека, и являются главной причиной повышенной утомляемости жителей крупных городов.
К основным недостаткам коммунальной энергетики на современном этапе можно отнести:
- устаревшее неэффективное тепломеханическое оборудование и низкие эксплуатационные показатели, в частности малый коэффициент полезного действия;
- моральный и физический износ котельного оборудования, предельный износ наружных тепловых сетей, превышающий 50%-й барьер, неэффективную теплоизоляцию и применение трубопроводов практически без антикоррозийной защиты, предварительной обработки труб;
- использование низкосортных твердых видов топлива, не приспособленных к топкам котлов, огромное количество вредных выбросов.
В предлагаемом изобретении рассматривается практическая возможность использования для водонагрева тепла, выделяемого отработавшим ядерным топливом (ОЯТ), например, ОТВС ВВЭР-1000, РБМК-1000 и др., которые после примерно 3-х летнего использования в реакторе помещаются в бассейн выдержки для последующей процедуры утилизации.
Предлагаемым изобретением решается задача повышения эффективности и безопасности работы тепловой станции за счет отсутствия выброса в окружающую среду продуктов сгорания органического топлива. Такого результата можно достигнуть, если в качестве источника тепла использовать выгруженные из ядерного реактора отработавшие три года ТВС, которые содержат внутри тепловыделяющих элементов (твэлов) большое количество радиоактивных веществ - продуктов деления урана. Радиоактивный распад продуктов деления сопровождается значительным и достаточно медленно спадающим энерговыделением. Характерные данные по величине остаточного энерговыделения в зависимости от времени после выгрузки из реактора для ОТВС РБМК-1000 приведены в таблице.
Кроме этого, использование ОТВС на тепловых станциях для организации ГВС, позволит полезным образом трансформировать процесс их выдержки, обусловленный необходимостью снижения радиоактивности и остаточного энерговыделения для выполнения последующей программы их утилизации, разгрузить бассейны выдержки АЭС, а также провести модернизацию на тепловых станциях по замене угольных и газовых котлов.
Для получения такого технического результата предлагается в качестве источника тепловой энергии для нагрева теплоносителя в системе ГВС использовать тепловую энергию ОТВС РУАЭС.
На фигуре 1 представлен график тепловой мощности, выделяемой 100 ОТВС, размещенных в нагревательном баке с шагом решетки, характерным для станционных хранилищ отходов ядерного топлива (ХОЯТ) с целью обеспечения подкритичности не менее 5%, при темпе перегрузок с заменой наименее энергетичной трети общего числа ОТВС 1 раз в квартал на ОТВС с выдержкой ~1 месяца, доставленные из бассейнов выдержки (БВ) реакторов, Из представленных данных видно, что при заданном (достаточно удобном) темпе перегрузок, после 9 месяцев эксплуатации устанавливается стационарный диапазон изменения мощности нагрева 160,5 кВт-90,6 кВт в границах трехмесячного перегрузочного интервала. На фиг. 1 представлен график тепловой мощности, выделяемой 100 ОТВС при темпе перегрузок с заменой наименее энергетичной трети общего числа ОТВС 1 раз в 3 месяца на ОТВС с выдержкой ~1 месяца.
Сущность изобретения заключается в том, что для нагревания холодной воды теплоносителя в системе ГВС используется остаточное энерговыделение отработавших свой срок ТВС реакторных установок РУ АЭС.
Отличительная особенность предлагаемого способа заключается в том, что в предлагаемом изобретении при организации ГВС нет внешних затрат для приготовления теплоносителя. При этом не используются традиционные виды топлива - нет ни угля с коксом, ни солярки, ни газа и, что очень важно, нет выброса в атмосферу вредных для окружающей среды и населения продуктов горения. Кроме этого, положительным эффектом является отказ от долговременного и трудозатратного процесса выдержки отработавшего ядерного топлива в бассейнах выдержки, как правило, предельно заполненных и, как следствие, их существенная разгрузка. В предлагаемом способе мощность работы централизованной системы ГВС напрямую (линейно) зависит от количества ОТВС, установленных в корпусе нагревателя теплоносителя (9).
Заявленное изобретение иллюстрируется Фиг. 2, на которой представлена, как пример, структурная схема централизованной системы ГВС, располагаемой в центральном тепловом пункте (ЦТП) (1) и содержащей: загрузочный бокс (2), перегрузочную машину (3), съемный рым - болт (4), крышку корпуса нагревателя теплоносителя (5), датчик верхнего уровня теплоносителя в корпусе нагревателя (6), датчик температуры корпуса (7), датчик нижнего уровня теплоносителя (8), корпус нагревателя (9), верхнюю решетку (10), внутренний бак нагревателя (11), топливо в виде ОТВС (12), датчик температуры внутреннего бака (13), нижнюю решетку (14), опору корпуса (15), выходной патрубок корпуса нагревателя теплоносителя (16), обратный клапан (17), входной патрубок корпуса нагревателя (18), обратный клапан (19), датчик температуры теплоносителя на выходе корпуса нагревателя (20), датчик температуры теплоносителя входного патрубка корпуса нагревателя (21), главный циркуляционный насос (ГЦН) (22), обратный клапан обратной воды батарей (23), обратный клапан на змеевик бойлера (24), обратный клапан обратной воды змеевика бойлера (25), обратный клапан поступающей горячей воды в батареи (26), корпус бойлера (27), тепловую изоляцию корпуса бойлера (28), вентиль слива воды бойлера (29), датчик температуры воды выходного патрубка бойлера (30), датчик температуры корпуса бойлера (31), змеевик бойлера (32), обратный клапан входного патрубка бойлера (33), обратный клапан выходного патрубка бойлера (34), насос подпитки холодной воды (35), батарею (36), управляемый клапан раздаточного коллектора ХВС (37), раздаточный коллектор горячей воды (ГВС) (38), датчик температуры выходной воды раздаточного коллектора (39), раздаточный коллектор холодного водоснабжения (ХВС) (40), пульт управления температурой воды раздаточного коллектора от температуры наружного воздуха (41), датчик температуры наружного воздуха (42), магниевый анод (43), управляемый клапан (44), дистанционный пульт (45) управления перегрузочной машиной (3) из помещения управления, защищенного свинцовым стеклом. Корпус нагревателя (9) теплоносителя может быть опущен в землю до уровня входного патрубка (18) с элементами защиты его корпуса от коррозии. Это позволит уменьшить высоту загрузочного бокса (2).
В основном корпусе нагревателя (9) установлен внутренний бак (11), выполненный из нержавейки в виде цилиндра с выпуклым дырчатым дном. Верхний край этого внутреннего бака (11) выполнен в виде расширяющегося цилиндра, который вплотную прилегает к внутренней стенке корпуса нагревателя (9). Такая конструкция внутреннего бака направляет входную холодную воду, нагнетаемую циркуляционным насосом (22) по входному патрубку (18) между стенками обоих корпусов вниз, где через многочисленные отверстия дна внутреннего бака (11) вода поднимается вверх, заполняет весь объем внутреннего бака (11) и основного корпуса нагревателя (9). Далее через выходной патрубок (16) и обратный клапан (24) вода наполняет объем змеевика (32) бойлера косвенного нагрева (27) и через обратный клапан (25) поступает во входной патрубок (18). Таким образом, создается замкнутый первый контур теплоносителя со всеми элементами группы безопасности, включающий выходной патрубок (16) нагревательного корпуса (9), обратный клапан (24), змеевик (32) бойлера (27), обратный клапан (25), входной патрубок (18), обратный клапан (17), корпус нагревателя (9), а также магниевый анод (43), для защиты от химических процессов. В зависимости от потребляемой мощности бойлер (27) может иметь нагреватель в виде змеевика из нержавеющей стали или в виде пластинчатого теплообменника, в котором передача тепла от горячего теплоносителя к холодной (нагреваемой) среде осуществляется через стальные гофрированные пластины, которые установлены в раму, стянуты в пакет и имеют высокий КПД. Датчик нижнего уровня (8) необходим для правильного заполнения пустого корпуса нагревателя теплоносителя (9). По его сигналу автоматически выключается ГЦН (22). Этого уровня воды в корпусе (9) должно хватить для наполнения змеевика бойлера при загрузке в корпус (9) ОТВС, которые выдавливают воду из корпуса через выходной патрубок (16) в змеевик (32) бойлера. При этом воды в корпусе должно хватить, на то, чтобы при установке всех ОТВС сработал верхний датчик уровня (6), который своим сигналом выключит ГЦН (22) и оповестит о заполнении первого контура водой, т.е. о готовности первого контура к работе. Во внутреннем баке (11), с целью дистанционирования ОТВС, приварены решетки - верхняя (10) и нижняя (14). Установленный на крышке (5) съемный рым - болт (4) необходим для захвата перегрузочной машины (3) при закрытии и открытии корпуса нагревателя (9) при работе с ОТВС.
ЦТП представляет собой кирпичное, возможно двухэтажное строение, имеющее несколько помещений. Первым является загрузочный бокс (2), куда заезжает автомобиль для загрузки либо выгрузки топливных кассет (12), поэтому оно должно иметь высокие входные ворота (2), и здесь же находится корпус нагревателя (9), который может стоять на опорах (15), либо погружается в специально выкопанную шахту. Здесь же на стойках установлена лебедка перегрузочной машины (3) для загрузки ОТВС с высоким уровнем остаточного энерговыделения и их выгрузки после использования при снижении энерговыделения до установленного предельного уровня. Рядом находится стенка бойлерного помещения с проходной дверью. Через эту стенку от корпуса нагревателя теплоносителя (9) идут два патрубка: входной (18) и выходной (16). В бойлерном помещении установлены все насосы: ГЦН (22), насос подпитки (35) холодной воды. На трубопроводах расположены обратные клапаны, управляемые задвижки, имеются стойки с регуляторами температуры теплоносителя - выходной горячей воды для батарей отопления и для пользователей под управлением ПИД - регуляторов. Имеется помещение «щитовая», где размещается система контроля с приборами индикации и управления горячим водоснабжением потребителей. Имеются помещения для обслуживающего персонала, вспомогательное помещение для текущего мелкого ремонта оборудования и помещение для сотрудников охраны. Работает освещение, имеется аварийная сигнализация, а также местная телефонная связь, громкая связь и оповещение.
Еще раз подчеркнем, что в предлагаемом способе теплогенерации мощность в системе ГВС линейно зависит от количества ОТВС, установленных в корпусе нагревателя теплоносителя (9).
Перед пуском системы ГВС в работу проводится тщательная проверка всех систем управления насосами, регулируемыми задвижками, регистрации температуры, работы ПИД - регуляторов, приборов учета водоснабжения, предупредительная и аварийная сигнализации и т.д. Тщательно проверяются все механические соединения на трубопроводах. Перед включением заявленной системы ГВС в работу вначале по отдельности проверяют работу вкл/выкл всех клапанов и задвижек, насосов, подготавливают и проверяют всю автоматику от ПИД-регуляторов. Из помещения «щитовая» с пульта управления в автоматическом режиме проводят заполнение холодной водой первого контура, затем наполняют холодной водой бойлер. Все пусконаладочные работы, выполненные подрядной организацией, сдаются по акту приемной комиссии заказчика. Но в целом, все вопросы, касающиеся высокой производительности ГВС, постоянной циркуляции теплоносителя, которая гарантирует получение воды нужной температуры и в нужном объеме, экономичность и т.д. решаются на начальном этапе проектирования системы ГВС с генеральным подрядчиком таких работ. В качестве генерального подрядчика промышленных бойлерных систем может быть привлечена Компания Electrotherm (Электротерм) - производитель промышленных водонагревателей, располагающаяся по адресу: Санкт-Петербург, ул. Седова 11/2, лит А, офис 306, тел. +7(812)309-71-27.
Работа предлагаемого изобретения отражена на приведенной примерной схеме Фиг. 2. Вначале выполняют заполнение холодной водой первого контура, что осуществляют при закрытой крышке (4), а именно: внутреннего корпуса нагревателя теплоносителя (9) и змеевика (32) бойлера (27). Для этого с пульта управления из помещения «щитовая» по команде включают на открытие управляемый клапан (44), и холодная вода из раздаточного коллектора (40) по трубопроводу через обратный клапан по входному патрубку (18) проходит через обратный клапан (17) заполняет внутренний бак (11). Как только уровень воды в корпусе нагревателя теплоносителя (9) достигнет датчика нижнего уровня (8), то по его сигналу закроется управляемый клапан (44) и прозвучит звуковое оповещение. Затем, через управляемый клапан (37) и включенный насос подпитки (35) заполняется холодной водой бойлер (27). После чего из помещения «щитовая» с пульта управления насос подпитки (35) выключают. Затем, транспортное средство (автомобиль) с топливом в транспортно-упаковочном комплекте (ТУК) для транспортировки и хранения ОЯТ загоняется в загрузочный бокс (2), где персонал, находящийся в помещении (45), застекленным свинцовым стеклом, при помощи устройства дистанционного обслуживания перегрузочной машиной (3) извлекает ОТВС из чехлов ТУК и устанавливает их в рабочий отсек корпуса нагревателя теплоносителя (9), при открытой крышке (5). После загрузки всех ОТВС в корпус нагревателя (9) крышка (5) корпуса с помощью перегрузочной машины (3) опускается и подтягивается специальными зажимами, а транспортное средство покидает загрузочный бокс (2). При загрузки ОТВС в корпус нагревателя (9) вода в нем поднимается и по выходному патрубку (16) через обратный клапан (24) заполняет змеевик (32) бойлера. Температура ОТВС около 300°C и как только топливо оказалось в воде, оно начинает нагревать воду в корпусе нагревателя (9). Температура воды начинает подниматься и при достижении 30°C автоматика включает ГЦН (22), который начинает прокачивать воду по первому контуру, теплоноситель начинает прогреваться все больше и больше. При температуре теплоносителя первого контура 100°C автоматика системы включит в работу насос подпитки (36). Вода в бойлере (27) прогревается и регулируется ПИД - регуляторами в соответствии с наружной температурой по датчику (42). Подготовленная вода поступает в горячий коллектор раздачи (38) ГВС потребителям.
При любом изменении температуры ГВС ПИД-регулятор регулируемых клапанов возобновит свою работу для восстановления требуемой температуры ГВС. При таком регулировании происходит смешивание горячей воды, поступающей от корпуса нагревания теплоносителя и обратной воды, поступающей от теплообменника, таким образом, поддерживается постоянная температура ГВС. Ввод ХВС на теплообменник осуществляется через обратный клапан (44), он предотвращает «уход» ГВС во время исчезновения ХВС.
В проекте сооружения ЦТП и размещения в нем устройств ГВС требуется выполнение правил НП 061-05. Настоящие правила содержат общие требования безопасности при хранении и транспортировании ядерного отработавшего ЯТ на объектах использования атомной энергии (см. п. 4.3, 4.6), требования к ВТУК, шагу решетки -расстояние между осями соседних ОТВС, чехлов и упаковок, расположенных в узлах регулярной решетки, а также контроль соблюдения этих правил. Эксплуатирующая организация обязана осуществлять контроль соблюдения требований настоящих Правил.
В результате применения предлагаемого способа теплогенерации для организации новых и модернизации (замены) старых систем ГВС устраняется использование традиционных видов топлива и вместе с ними огромные токсичные выбросы в окружающую среду, а также создание сотен высоко квалифицированных рабочих мест. Экономический эффект также впечатляющий - нет нужды закупать миллионы тонн угля, миллионы кубометров газа и т.п.
Источники информации
К.В. Тихомиров, Э.С. Сергеенко. Теплотехника. Теплоснабжение и вентиляция.