УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЧИСТКИ МЕЖОБОЛОЧЕЧНОГО ПРОСТРАНСТВА
CLEANING DEVICE OF INTER-COVER SPACE

Изобретение относится к области атомной энергетики, а именно к локализующим системам безопасности на АЭС, и может быть использовано для поддержания разрежения в межоболочечном пространстве в случае отказа вентиляционных систем, требующих электроэнергию для своей работы, с целью предотвращения радиоактивного заражения из межоболочечного пространства при гипотетической запроектной аварии реактора на АЭС с двумя защитными оболочками без системы сброса давления из-под внутренней защитной оболочки.
Проблема надежной защиты окружающей среды при запроектной гипотетической аварии на АЭС является одним из важных факторов, сдерживающих развитие атомной энергетики. При запроектной аварии, связанной с полной потерей теплоносителя первого контура и последующим разрушением активной зоны реактора, в результате образования большого количества газообразных продуктов происходит резкое возрастание давления под внутренней защитной оболочкой. В современных реакторах с двойной защитной оболочкой отсутствует система сброса давления из-под внутренней защитной оболочки и планируется, что всю пиковую нагрузку во время гипотетической запроектной аварии должна вынести внутренняя защитная оболочка. Расчеты показывают, что в процессе запроектной аварии, связанной с потерей теплоносителя первого контура, в течение 122 ч под внутренней защитной оболочкой возможно поддержание давления до 0.7 МПа при соотношении пар/воздух 2.7:1. За это время существует вероятность просачивания паровоздушной смеси, содержащей летучие радиоактивные продукты деления, в межоболочечное пространство (от 0.1 до 1.0% в сутки) и затем из него в окружающую среду. Для предотвращения попадания радиоактивности в окружающую среду используются активные системы очистки воздуха из межоболочечного пространства. При этом эвакуируемая с помощью мощных вентиляторов радиоактивная паровоздушная смесь из межоболочечного пространства проходит очистку на фильтрах, содержащих импрегнированный активированный уголь [Design of Off-Gas and Air Cleaning Systems at NPP. IAEA Technical Reports Series. 1987. N 274] [1].
Основной недостаток этих устройств заключается в том, что они требуют постоянного подвода электроэнергии. Кроме того, используемые в них фильтры имеют высокое аэродинамическое сопротивление и в условиях полного обесточивания или потери питания на электровентиляторе радиоактивная паровоздушная смесь не способна в пассивном режиме проходить сквозь данные фильтры.
В настоящее время в соответствии с общими требованиями МАГАТЭ к системам безопасности АЭС необходимо, чтобы на АЭС наряду с активными системами вентиляции межоболочечного пространства присутствовали пассивные системы вентиляции, которые могут быть использованы при гипотетических запроектных авариях с полной потерей электроснабжения.
Известно устройство для очистки протечек из внутренней защитной оболочки энергоблока, содержащее фильтр с вытяжной трубой и патрубком, соединяющим фильтр с межоболочечным пространством [Proceedings of the Fifth International Topical Meeting On Reactor Thermal Hydraulics NURETH-5, volume IV, pp.1235-1241, USA, American Nuclear Society, 1992] [2]. Данное устройство работает в пассивном режиме.
Недостатком этого устройства является отсутствие в нем специального теплообменника для подогрева радиоактивной паровоздушной смеси из межоболочечного пространства. Поэтому его применение ограничено использованием на АЭС с металлическими внутренними защитными оболочками. В случае железобетонной внутренней защитной оболочки нагрев радиоактивной паровоздушной смеси из межоболочечного пространства не происходит, что приводит к отсутствию естественной тяги в системе очистки радиоактивной паровоздушной смеси.
Кроме того, недостатком этого устройства является увлажнение фильтрующего материала капельным аэрозолем, образующимся в межоболочечном пространстве при протечках радиоактивной паровоздушной смеси из внутренней защитной оболочки в условиях гипотетической запроектной аварии. Увлажнение увеличивает аэродинамическое сопротивление фильтра и снижает фильтрующие характеристики материалов, использованных в фильтре.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является устройство для очистки межоболочечного пространства, содержащее активную систему фильтрации, включающую входной и выпускной патрубки, электровентилятор и фильтр, пассивную систему фильтрации, включающую теплообменные каналы и вытяжную трубу, конвекторы, над которыми установлены воздушные тяговые шахты с внутренними выводными каналами, и расположенную над обогреваемой поверхностью конвектора проходку, сообщенную с межоболочечным пространством внутренней защитной оболочки, где расположен энергоблок с тепловыми контурами [Таранов Г.С., Беркович В.М., Копытов И.И. и др. "Очиститель протечек из защитной оболочки" // Патент РФ 2255387 С1 от 02.10.2003] [3].
При запроектной аварии с полной потерей теплоносителя первого контура, приводящей к частичному или полному разрушению активной зоны реактора, в объеме внутренней защитной оболочки повышается давление среды, и, как следствие, возникают протечки радиоактивной паровоздушной среды через неплотности во внутренней защитной оболочке в межоболочечное пространство. В результате происходит повышение давления в межоболочечном пространстве выше атмосферного и часть протечек радиоактивной паровоздушной смеси поступает в окружающую среду через неплотности во внешней защитной оболочке.
В данном изобретении описана новая самостоятельная пассивная вентиляционная система, которая должна включиться в работу при запроектной аварии на АЭС с полной потерей электроснабжения с целью создания разрежения в межоболочечном пространстве с одновременной очисткой радиоактивной паровоздушной смеси из данного объема.
Принцип действия этого устройства в пассивном режиме основан на том, что в конвекторе постоянно поддерживается высокая температура за счет подсоединения его теплопередающих каналов к тракту теплоносителя. Конвектор имеет вход и выход для атмосферного воздуха, причем выход на конвекторе подсоединен к вытяжным тяговым шахтам, внутри которых расположены каналы для вывода радиоактивной паровоздушной смеси из межоболочечного пространства. При прохождении атмосферного воздуха через конвектор происходит его разогрев. Разогретый атмосферный воздух, поднимаясь по вытяжной тяговой шахте, обогревает внутренние выводные каналы, которые используется для эвакуации радиоактивной паровоздушной смеси из межоболочечного пространства. При поступлении протечек из межоболочечного пространства в выводные каналы температура радиоактивной паровоздушной смеси возрастает при одновременном снижении плотности. Наличие разности в температуре и плотности паровоздушной среды в начале и конце выводных каналов, а также разница в высоте расположения фильтра и верхней части вытяжной трубы приводят к созданию естественной конвекции в выводном канале. Это позволяет создавать разрежение в межоболочечном пространстве с одновременной эвакуацией из нее радиоактивной паровоздушной смеси и очисткой на фильтре. При этом скорость газового потока на фильтре тем выше, чем выше разница температур и, следовательно, плотности газовой среды в начале выводного канала и окружающей среды.
Основной недостаток описанного устройства заключается в том, что в процессе аварии температура в конвекторе снижается, что приводит к уменьшению разности температур и, следовательно, плотности газовой среды в выводном канале по сравнению с окружающей средой. Это сначала может вызвать снижение скорости газового потока на фильтре, а затем привести к полному прекращению прохождения радиоактивной паровоздушной среды через фильтр. В отсутствии естественной конвекции радиоактивная паровоздушная смесь без очистки начнет поступать в окружающую среду через неплотности во внешней защитной оболочке.
Другим недостатком рассматриваемой системы является возможность полного отсутствия конвекции радиоактивной паровоздушной смеси в условиях запроектной аварии на АЭС с полной потерей электроснабжения из-за высокого аэродинамического сопротивления фильтра. Высокое сопротивление фильтра может возникнуть в сорбционном модуле на основе различных сорбентов из-за различных физических процессов, а именно из-за слеживания сорбента, из-за изменения его фракционного состава в результате растрескивания и охрупчивания в процессе нахождения в фильтре в условиях нормальной эксплуатации АЭС и т.д. Высокое аэродинамическое сопротивление фильтра не позволит проходить паровоздушной смеси в пассивном режиме.
Задачей данного изобретения является повышение надежности работы устройств очистки радиоактивной паровоздушной среды из межоболочечного пространства в условиях гипотетической запроектной аварии на АЭС с полной потерей электроснабжения за счет создания условий, при которых процесс фильтрации радиоактивной паровоздушной среды из межоболочечного пространства не зависит от параметров эвакуируемой паровоздушной среды и технических характеристик фильтра очистки.
Поставленная задача достигается тем, что в устройстве для очистки межоболочечного пространства между системой пассивной фильтрации и вытяжной трубой установлен эжектор, межоболочечное пространство снабжено предварительным фильтром, сопло эжектируемого газа эжектора подсоединено к выходному патрубку пассивной системы фильтрации, сопло эжектирующего газа присоединено к газгольдеру или другой емкости со сжатым газом или воздухом и выходное сопло подсоединено к вытяжной трубе, при этом выводные каналы размещены в межоболочечном пространстве и подсоединены к входному патрубку предварительного фильтра, а теплообменные каналы встроены в выводные каналы.
На чертеже показана схема предлагаемого устройства, где 1 - внутренняя защитная оболочка, 2 - внешняя защитная оболочка, 3 - межоболочечное пространство, 4 - реактор, 5 - парогенератор, 6 - эжектор, 7 - сопло эжектирующего газа, 8 - подвод эжектируемого газа, 9 - камера смешения эжектора, 10 - выходное сопло эжектора, 11 - газгольдер или емкость со сжатым газом или воздухом, 12 и 13 - электромагнитные клапаны на пружинах, 14 и 15 - вентили, 16 - фильтр активной системы фильтрации, 17 - электровентилятор, 18 - фильтр пассивной системы фильтрации, 19 - трубопровод для подачи пара из теплового контура в теплообменные каналы системы пассивного отвода тепла через регенеративный теплообменник, 20 - трубопровод для возврата конденсата в парогенератор, 21 - регенеративный теплообменник, 22 - теплообменные каналы регенеративного теплообменника, 23 - выводные каналы радиоактивной паровоздушной смеси из межоболочечного пространства, 24 - предварительный фильтр, 25 - вытяжная труба, 26 - дефлектор, 27 - система пассивного отвода тепла (СПОТ).
Устройство для очистки межоболочечного пространства работает следующим образом.
В режиме нормальной эксплуатации реакторной установки электромагнитные клапаны 12 и 13 находятся в закрытом положении, а вентили 14 и 15 - в открытом. Теплообменные каналы 22 в регенеративном теплообменнике 21 находятся в прогретом состоянии за счет пара, поступающего в них в небольшом количестве из парогенератора 5. Прогретое состояние массы трубчатки теплообменных каналов обеспечивает поддержание регенеративного теплообменника в постоянной готовности к работе после открытия электромагнитных клапанов 12 и 13 и закрытия вентилей 14 и 15.
В проектных режимах работы энергоблока вентили 14 и 15 открыты, и разрежение в межоболочечном пространстве 3 создается за счет работы электровентилятора 17, причем эвакуируемая радиоактивная паровоздушная смесь проходит очистку на фильтре активной системы фильтрации 16.
При аварийных течах из тепловых контуров энергоблока в объеме внутренней защитной оболочки 1 повышается давление и возникает протечка радиоактивной паровоздушной среды в межоболочечное пространство 3, где активная система фильтрации в случае ее работы поддерживает разрежение электровентилятором 17, и радиоактивная паровоздушная смесь направляется к фильтру активной системы фильтрации 16.
Если при аварийных ситуациях, связанных с утечками теплоносителя из первого контура (включая запроектные аварии), произошел отказ в работе активной системы вентиляции из-за полного отсутствия электроснабжения или из-за прекращения подачи электропитания на электровентилятор 17, в межоболочечном пространстве 3 возникает избыточное давление. В то же самое время происходит открытие электромагнитных клапанов 12 и 13 (автоматическое при полном обесточивании и с помощью оператора при потере электропитания на электровентиляторе 17), а также закрытие клапанов 14 и 15. Газовая среда из газгольдера (или емкости со сжатым газом или воздухом) 11 направляется в эжектор 6, где смешивается с газовой фазой, засасываемой эжектором из межоболочечного пространства через систему пассивной фильтрации. Вследствие этого происходит организованная эвакуация радиоактивной паровоздушной смеси из межоболочечного пространства. Так как масса трубчатки теплообменных каналов регенеративного теплообменника 22 содержится в постоянном прогретом состоянии за счет его подсоединения к тракту теплоносителя, происходит нагрев радиоактивной парогазовой смеси с осушением капельной влаги, содержащейся в смеси, и последующим перегревом всей газовой смеси. Далее эвакуируемая радиоактивная паровоздушная смесь проходит очистку на фильтре пассивной системы фильтрации 18. После эжектора 6 очищенная радиоактивная паровоздушная смесь поступает в вытяжную трубу 25. В результате работы эжектора 6 в межоболочечном пространстве 3 создается постоянное разрежение по отношению к атмосферному давлению. Благодаря созданию разрежения в межоболочечном пространстве 3 исключается неорганизованный выход радиоактивной паровоздушной смеси через наружную защитную оболочку 2 в окружающую среду без очистки, т.е. предотвращается загрязнение окружающей среды.
Предлагаемое устройство по отношению к ранее известным устройствам пассивной системы фильтрации имеет новое положительное свойство, заключающееся в том, что оно поддерживает разрежение в межоболочечном пространстве при полном обесточивании АЭС независимо от параметров эвакуируемой радиоактивной паровоздушной среды и технических характеристик фильтра очистки.
Технико-экономический эффект состоит в повышении безопасности АЭС вследствие предотвращения аварийных выбросов радиоактивной паровоздушной смеси при авариях (включая запроектные) на АЭС и обеспечении удержания активности в размерах санитарно-защитной зоны атомной станции.