СИСТЕМА АВАРИЙНОГО ОТВОДА ТЕПЛА

Предлагаемое техническое решение относится к области ядерной энергетики и может быть использовано в системах аварийного расхолаживания ядерных реакторов без потребления внешних источников энергии.
Известна система аварийного расхолаживания ядерных реакторов (патент RU №52245 от 12.07.2005, G21C 15/18), в которой отвод остаточных тепловыделений от активной зоны осуществляется через промежуточный контур с воздушным теплообменником. Избыточное давление в промежуточном контуре поддерживается с помощью компенсационного баллона с газом, а остаточные тепловыделения отводятся последовательно через воздушный теплообменник, затем через водяной теплообменник. Замерзание воздушного теплообменника в режиме ожидания предотвращается его осушением со стороны промежуточного контура.
Недостатком такой системы является ограниченный диапазон работы по температуре первого контура. Система работает эффективно в двухфазном режиме (пар-вода) циркуляции промежуточного контура. При понижении температуры первого контура система переходит в режим однофазной циркуляции. При этом газ, имеющийся в промежуточном контуре, собирается в верхней части контура и разрывает циркуляцию, полностью прекращая отвод тепла.
Известна система аварийного расхолаживания (RU №109898 от 27.10.2011, G21C 15/18), содержащая прямоточный парогенератор, который имеет паровую и водяную ветки, емкость запаса воды, водяной теплообменник, воздушный теплообменник, подключенный параллельно паровой ветке системы, который имеет теплопередающую поверхность, обеспечивающую отвод остаточных тепловыделений после исчерпания запасов воды на испарение, что позволяет существенно уменьшить размеры воздушного теплообменника и объем запасов воды, обеспечить устойчивый отвод тепла в пассивном режиме от прямоточного парогенератора неограниченное время в широком диапазоне температур первого контура и обеспечить отвод тепла в случае отказа воздушного теплообменника. Недостатком такой системы является необходимость размещения водяного теплообменника, расположенного в баке с запасом выпариваемой воды, выше парогенератора с целью организации естественной циркуляции. Это усложняет проектирование, строительство, обслуживание, эксплуатацию и осуществление мероприятий по управлению авариями. При судовом исполнении данной системы повышается центр масс судна (плавучая АЭС, атомный ледокол и др.), что ухудшает его остойчивость и мореходность.
Наиболее близким техническим решением является система аварийного отвода тепла (RU №152416 от 30.09.2014, G21C 15/18), содержащая прямоточный парогенератор, соединенный паровой и водяной ветками с емкостью запаса воды, водяной теплообменник, воздушный теплообменник, который подводящей веткой и отводящей веткой соединен с емкостью запаса воды. Кроме того, на водяной ветке между емкостью запаса воды и водяным теплообменником установлен запорный клапан, который выполнен с возможностью параллельного подключения к нему дроссельного элемента, между прямоточным парогенератором и водяным теплообменником размещен циркуляционный насос. Недостатком такой системы является необходимость преодолевать гидравлическое сопротивление остановленного циркуляционного насоса в режиме работы с естественной циркуляцией теплоносителя. Это приводит к тому, что для компенсации данных потерь необходимо увеличивать величину превышения емкости запаса воды над прямоточным парогенератором контура, уменьшать величину заглубления водяного теплообменника над прямоточным парогенератором, а также увеличивать диаметры проходных сечений паровой и водяной веток, соединяющих емкость запаса воды с прямоточным парогенератором.
Технической задачей является создание системы аварийного отвода тепла, позволяющей одновременно обеспечить устойчивый отвод тепла неограниченное время в активном и пассивном режиме, с уменьшенной высотой контура системы, и диаметрами трасс без снижения уровня безотказности системы, за счет исключения циркуляционного насоса из тракта естественной циркуляции.
Решение поставленной задачи позволяет повысить надежность работы системы аварийного отвода тепла и реакторной установки в целом с дополнительным уменьшением ее габаритных характеристик.
Задача решается тем, что в системе аварийного отвода тепла, содержащей прямоточный парогенератор, соединенный паровой и водяной ветками с емкостью запаса воды, водяной теплообменник, воздушный теплообменник, который подводящей и отводящей ветками трубопровода соединен с емкостью запаса воды, причем, на водяной ветке между емкостью запаса воды и водяным теплообменником установлен запорный клапан, который выполнен с возможностью параллельного подключения к нему дроссельного элемента, а между прямоточным парогенератором и водяным теплообменником размещен циркуляционный насос, при этом между прямоточным парогенератором и водяным теплообменником размещен струйный насос, рабочее сопло которого подключено к выходу циркуляционного насоса, напорная камера к выходу водяного теплообменника, а диффузор к входу прямоточного парогенератора.
Сущность технического решения поясняется чертежом, где на фиг. схематично показана система аварийного отвода тепла.
Система состоит из прямоточного парогенератора 1, емкости запаса воды 2, воздушного теплообменника 3, водяного теплообменника 4, запорного клапана 5 и дроссельного элемента 6.
Прямоточный парогенератор 1 соединен паровой веткой 7 с емкостью запаса воды 2. Водяной веткой 8 парогенератор 1 соединен через водяной теплообменник 4 с емкостью запаса воды 2. На водяной ветке 8 между емкостью запаса воды 2 и водяным теплообменником 4 расположен запорный клапан 5, параллельно к которому подключен дроссельный элемент 6.
Воздушный теплообменник 3 подводящей веткой 9 соединен с паровой полостью емкости запаса воды 2, а отводящей веткой 10 - с ее водяным объемом.
На водяной ветке 8 между водяным теплообменником 4 и прямоточным парогенератором 1 установлен циркуляционный насос 11, который предназначен для дополнения пассивного режима расхолаживания активной циркуляцией. Так же на водяной ветке между прямоточным парогенератором 1 и водяным теплообменником 4 размещен струйный насос 12, рабочее сопло 13 которого подключено к выходу циркуляционного насоса 11, напорная камера 14 - к выходу водяного теплообменника 4 веткой 15, параллельной циркуляционному насосу 12, а диффузор 16 - ко входу прямоточного парогенератора 1. При полном обесточивании охлаждение будет происходить только за счет естественной циркуляции через струйный насос 12 и ветку 15, имеющие низкое гидравлическое сопротивление.
К воздушному теплообменнику 3 подключен воздушный тракт 17, имеющий затворы 18.
Система аварийного отвода тепла работает следующим образом.
Исходно система аварийного отвода тепла подключена к прямоточному парогенератору 1 по пару, воде при закрытом запорном клапане 5 и находится в режиме ожидания, затворы 18 закрыты.
Для предотвращения замерзания воздушного теплообменника 3 поддерживается расход через контур системы за счет подключенного параллельно запорному клапану 5 дроссельного элемента 6. Пар из парогенератора 1 поднимается по паровой ветви 7 в емкость с запасом воды 2, где частично конденсируется, а частично по подводящей ветви 9 поступает в воздушный теплообменник 3, охлаждается и его конденсат возвращается в емкость с запасом воды 2. Вода из емкости с запасом воды 2 через дроссельный элемент 6, водяной теплообменник 4, ветку 15, струйный насос 12 и водяную ветку трубопровода 8 поступает в парогенератор 1.
При возникновении аварийной ситуации происходит пуск системы посредством открытия затворов 18 и запорного клапана 5. В системе развивается естественная циркуляция через воздушный теплообменник 3 и водяной теплообменник 4 за счет разности плотностей пара (пароводяной смеси), генерируемого в парогенераторе 1 и поступающего из емкости запаса воды 2 в паровую ветку 9, и конденсата на выходе из воздушного теплообменника 3.
Естественная циркуляция через водяной теплообменник 4 возникает за счет разности весов теплоносителя на опускном участке водяной ветки 8 и на соответствующем ей подъемном участке паровой ветки 7 контура. Отвод тепла в конечный поглотитель через воздушный теплообменник 3 и водяной теплообменник 4 осуществляется параллельно.
В случае аварийной ситуации, не связанной с полным обесточиванием, включение циркуляционного насоса 11 создает в струйном насосе 12 дополнительный напор, что позволяет увеличить расход циркуляции тракту естественной циркуляции через ветку 15 и обеспечить расхолаживание реактора до холодного состояния.
Предлагаемое решение позволяет уменьшить высоту контура системы, заглубить расположение водяного теплообменника 4 и уменьшить диаметры трубопроводов веток циркуляции теплоносителя 7 и 8, а также повысить безотказность работы системы за счет исключения циркуляционного насоса 11 из тракта естественной циркуляции теплоносителя.
Следовательно, повышается надежность работы системы аварийного отвода тепла и реакторной установки в целом с дополнительным уменьшением ее габаритных характеристик.