УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЧИСТКИ РАДИОАКТИВНОЙ ПАРОГАЗОВОЙ СМЕСИ ИЗ МЕЖОБОЛОЧЕЧНОГО ПРОСТРАНСТВА
DEVICE FOR REMOVING RADIOACTIVE VAPOUR-GAS MIXTURE FROM INTER-SHELL SPACE

Изобретение относится к области атомной энергетики, а именно к локализующим системам безопасности на АЭС с двумя защитными оболочками, и может быть использовано в устройствах поддержания разрежения в межоболочечном пространстве в случае отказа вентиляционных систем, требующих электроэнергию для своей работы, с целью предотвращения попадания в окружающую сред выделившихся при аварии веществ.
Проблема надежной защиты окружающей среды на АЭС является одним из важных факторов, сдерживающих развитие атомной энергетики. В энергетических блоках АЭС нового поколения, а также действующих энергоблоках АЭС с двумя защитными оболочками широко используются устройства для предотвращения загрязнения окружающей среды и локализации радиоактивных продуктов, состоящие из двойной защитной оболочки над энергоблоком и активной системы вентиляции межоболочечного пространства [Маргулова Т.Х. Атомные электрические станции. М.: Высшая школа, 1978. с.324] [1].
Внутренняя защитная оболочка является локализующим барьером для основной массы радиоактивных веществ, поступающих в газовую фазу при нормальной эксплуатации АЭС. Наружная защитная оболочка вместе с активной системой вентиляции и фильтрами обеспечивает ограничение распространения радиоактивных веществ с протечками (утечками), т.е. с частью веществ, просочившихся из внутренней оболочки в межоболочечное пространство. Вентиляционная система связана с межоболочечным пространством каналами и арматурой. С помощью мощных вентиляторов в межоболочечном пространстве создается разрежение по отношению к давлению в атмосфере. При этом эвакуируемая радиоактивная паровоздушная смесь направляется в окружающую среду через фильтровальные комбинированные установки [Комышный В.Н., Ягодкин И.В., Мартынов П.Н. и др. Тезисы докладов. Межд. научно-практической конф. "Аэрозоли и безопасность", 24-28 октября 2005. Обнинск, Россия. С.218-219] [2] или специальные фильтры, содержащие аэрозольные и сорбционные модули [Design of Off-Gas and Air Cleaning Systems at NPP. IAEA Technical Reports Series. 1987. N 274] [3]. Разрежение препятствует выходу протечек через наружную защитную оболочку в окружающую среду. Основной недостаток этих устройств заключается в том, что они требуют постоянного подвода электроэнергии. В случае отказа вентиляционной системы, например при аварии с потерей всех источников электроснабжения на АЭС, надежная локализация и очистка протечек не обеспечивается, т.к. в межоболочечном пространстве возникает избыточное давление, и протечки вследствие негерметичности наружной оболочки попадают в атмосферу. Кроме того, используемые фильтры имеют высокое аэродинамическое сопротивление, и при отсутствии электроэнергии радиоактивная паровоздушная смесь из межоболочечного пространства не способна в пассивном режиме, т.е. без приложения внешнего воздействия, проходить через данные фильтры.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является очиститель протечек из защитной оболочки, содержащий системы активной вентиляции и пассивной фильтрации с фильтром, вентиляционной трубой и конвектором, теплообменные каналы которого присоединены к трубопроводам теплового контура. [Таранов Г.С., Беркович В.М., Копытов И.И. и др. "Очиститель протечек из защитной оболочки". Патент РФ 2248632 С1 от 06.08.2003] [4].
При возможных аварийных протечках в реакторной установке, приводящих к повышению давления среды в объеме внутренней оболочки, 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.
Устройство должно включиться в работу при полной потере электроснабжения на АЭС с целью создания разрежения в межоболочечном пространстве с одновременной очисткой радиоактивной паровоздушной смеси из данного объема. Принцип действия данного устройства в пассивном режиме основан на том, что в конвекторе постоянно поддерживается высокая температура за счет подсоединения его теплопередающих каналов к тракту теплоносителя. В результате в конвекторе происходит перегрев и осушение протечек, что позволяет избежать образования капельной влаги и, следовательно, обводнения фильтра. При поступлении протечек в конвектор температура радиоактивной паровоздушной смеси возрастает при одновременном снижении плотности. Наличие разности в температурах и плотностях паровоздушной среды в конвекторе и окружающей среде, а также разница в высоте расположения фильтра и верхней части трубы приводит к созданию естественной конвекции в газовом тракте, позволяющей 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 между температурой и, следовательно, плотностью газовой среды в конвекторе и окружающей среде. Однако эта самостоятельная пассивная вентиляционная система имеет следующие недостатки. В случае аварии при снижении температуры в тепловом контуре разность в температуре и, следовательно, плотности газовой среды в конвекторе по сравнению с окружающей средой будет уменьшаться. Это будет сначала приводить к снижению скорости газового потока на фильтре, а затем к полному прекращению прохождения радиоактивной паровоздушной среды через фильтр. В отсутствии конвекции радиоактивная паровоздушная смесь начнет поступать в окружающую среду через неплотности во внешней защитной оболочке без очистки.
Кроме того, недостатком рассматриваемой системы является вероятность полного отсутствия конвекции радиоактивной паровоздушной смеси в условиях аварии с полной потерей электроснабжения на АЭС. Причиной такого явления может быть высокое аэродинамическое сопротивление фильтра, возникающее на фильтре из-за различных физических процессов, протекающих в сорбционном модуле в условиях нормальной эксплуатации АЭС, а именно слеживание сорбента, изменение его фракционного состава из-за растрескивания и охрупчивания в процессе нахождения в фильтре и т.д.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение надежности работы активных и пассивных устройств очистки радиоактивной паровоздушной среды из межоболочечного пространства в условиях аварии на АЭС с полной потерей электроснабжения за счет создания условий, при которых процесс фильтрации радиоактивной паровоздушной среды не зависит от параметров эвакуируемой паровоздушной среды и технических характеристик фильтра очистки.
Поставленная задача достигается тем, что между межоболочечным пространством и системой фильтрации устанавливается эжектор, у которого сопло эжектирующего газа присоединено к газгольдеру или другой емкости со сжатым газом или воздухом, сопло эжектируемого газа подсоединено к межоболочечному пространству и выходное сопло присоединено к разветвлению, одна ветвь которого соединена с активной системой вентиляции, а другая - с пассивной системой фильтрации.
На фиг.1 показана схема предлагаемого устройства пассивного действия для очистки радиоактивной паровоздушной среды в условиях аварии с полной потерей электроснабжения на АЭС, 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, 12-17 - электромагнитные клапаны на пружинах, 18 - блок фильтров активной системы вентиляции, 19 - электровентилятор, 20 - блок пассивной системы фильтрации, 21 - трубопровод для подачи пара из теплового контура в теплообменные каналы фильтра пассивной системы фильтрации, 22 - трубопровод для возврата конденсата в парогенератор, 23 - теплообменные каналы конвектора, 24 - предфильтр, 25 - аэрозольный модуль, 26 - сорбционный фильтр, 27 - вентиляционная труба.
Активная система вентиляции подразумевает под собой все штатные системы очистки радиоактивной паровоздушной смеси из межоболочечного пространства на АЭС, для работы которых требуется постоянный подвод электроэнергии.
Устройство для очистки радиоактивной парогазовой смеси из межоболочечного пространства работает следующим образом.
В режиме нормальной эксплуатации реакторной установки электромагнитные клапаны 13-15 находятся в закрытом положении, а клапаны 12, 16 и 17 - в открытом. Теплообменные каналы 23 в блоке пассивной системы фильтрации 20 находятся в прогретом состоянии за счет пара, поступающего в них в небольшом количестве из парогенератора 5. Прогретое состояние массы трубчатки теплообменных каналов обеспечивает поддержание блока пассивной системы фильтрации в постоянной готовности к работе после открытия электромагнитных клапанов 13-15 и закрытия клапанов 12, 16 и 17.
В проектных режимах работы энергоблока электромагнитные клапаны 12, 16 и 17 открыты, и разрежение в межоболочечном пространстве 3 создается за счет работы электровентилятора 19, причем эвакуируемая радиоактивная паровоздушная смесь проходит очистку на блоке фильтров активной системы вентиляции 18.
При аварийных протечках из тепловых контуров энергоблока в объеме внутренней защитной оболочки 1 повышается давление, и радиоактивная паровоздушная среда попадает в межоболочечное пространство 3, где активная система вентиляции в случае ее работы поддерживает разрежение за счет работы электровентилятора 19 и вследствие этого радиоактивная паровоздушная смесь направляется для очистки к блоку фильтров активной системы вентиляции 18.
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 19, в межоболочечном пространстве 3 возникает избыточное давление. В то же самое время происходит открытие электромагнитных клапанов 13-15 (автоматическое при полном обесточивании и с помощью оператора при потере электропитания на электровентиляторе 19), а также закрытие клапанов 12, 16 и 17. 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. Вследствие этого происходит уменьшение температуры и давления паровоздушной фазы с частичным выделением капельной влаги. После эжектора 6 радиоактивная паровоздушная смесь поступает в блок пассивной системы фильтрации 20. За счет того, что масса трубчатки теплообменных каналов 23 конвектора постоянно содержится в прогретом состоянии, 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 блоке фильтров пассивной системы фильтрации 20. 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 очистки радиоактивной парогазовой смеси из межоболочечного пространства 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, а также технических характеристик фильтра очистки.
Технико-экономический эффект предлагаемого решения 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.