Реактор и способ обеспечения безопасности реактора на случай расплавления активной зоны
REACTOR AND METHOD FOR ENSURING REACTOR SAFETY IN CASE OF CORE MELTDOWN

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Изобретение относится к области обеспечения безопасности ядерных установок и конкретнее к управлению серьезными авариями на ядерных реакторах с водой под давлением (PWR). Еще конкретнее, настоящее изобретение применимо к управлению авариями, влекущими за собой образование ванны расплава активной зоны на дне корпуса, вследствие возникновения серьезной аварийной ситуации в контексте стратегии сохранения или удержания расплава активной зоны в корпусе.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Ядерная установка типа PWR проиллюстрирована на Фигурах 1 и 2.
В общем такая установка содержит защитную оболочку 600, внутри которой размещен реактор 1. Реактор 1 содержит корпус 10, образующий вместе с крышкой 20 герметичную оболочку. Эта герметичная оболочка вмещает тепловыделяющие сборки активной зоны 30. На Фигуре 2 для наглядности активная зона представлена областью с пунктирными линиями.
Корпус 10 дополнительно содержит по меньшей мере одно так называемое входное отверстие 13 для холодной текучей среды, соединенное с первым контуром 100, и по меньшей мере одно так называемое выходное отверстие 14 для горячей текучей среды, также соединенное с первым контуром 100. В первом контуре 100 циркулирует вода под давлением.
Таким образом, во время нормальной работы реактора 1 первый контур 10 предусматривает перенос тепла от активной зоны 30 по направлению ко второму контуру 200, внутри которого также циркулирует вода.
Второй контур 200 содержит один и предпочтительно группу парогенераторов 210. Теплообмен между первым контуром 100 и вторыми контурами 200 выполняется внутри парогенераторов 210. В примере, проиллюстрированном на Фигуре 1, петля 214 первого контура 100 проиллюстрирована в парогенераторе 210.
Упрощенные схемы на Фигурах 1 и 2 иллюстрируют другие абсолютно классические элементы первого контура 100 и активной зоны 30 реактора 1, такие как: управляющие стержни 40, гидравлический насос 102 на входе в корпус 10 для осуществления циркуляции воды в первом контуре 100, компенсатор 110 давления на выходе из корпуса 10, защитная оболочка 600 и конструкции, образующие порог 601 и стенки 602, ограничивающие шахту 603 корпуса.
По-прежнему во время нормальной работы реактора 1 при прохождении в парогенератор 210 часть воды второго контура 200 испаряется и достигает устройства преобразования энергии, такого как турбина 220, приводимого в действие с возможностью перемещения путем сброса давления пара. Впоследствии механическая энергия на выходе из турбин 220 преобразуется в электрическую энергию генераторами 500 и трансформаторами 510 перед ее транспортировкой к местам потребления.
На выходе из турбин 220 текучая среда конденсируется в конденсаторе 230 перед тем, как снова впрыскиваться в парогенераторы 210 с помощью насоса 240.
Для того, чтобы конденсировать пар, полученный из турбин 220, конденсатор 230 охлаждается с помощью незамкнутого контура 300, питаемого источником 310 воды, таким как река. Этот контур 300 также содержит подъемные насосы 320, 330 и охлаждающую башню 340.
Когда ясно видно на схеме на Фигуре 1, вода первого контура 100 предназначена для отбора калорий, образованных реактором 1, для того, чтобы передавать их во второй контур 200 для преобразования их в электричество посредством системы преобразования энергии, такой как турбогенератор. Во время нормальной работы активная зона 30 является критически важной, и произведенная тепловая мощность отводится первым контуром 100. Контроль критичности активной зоны гарантируется положением управляющих стержней 40 в активной зоне 30, а также содержанием водорастворимого бора в воде первого контура.
Разные аварийные сценарии, такие как авария с потерей теплоносителя первого контура с большой пробоиной, в сочетании с усугубляющими факторами, такими как выход из строя классифицированных аварийных систем, могут приводить к возникновению серьезной аварийной ситуации.
В дальнейшем из этого следует, что активная зона 30 переходит в состояние расплавления с образованием расплава активной зоны. Расплав активной зоны представляет собой частичный или полный набор расплавленных тепловыделяющих сборок внутренностей 10 корпуса в расплавленном состоянии. Расплав активной зоны течет под действием силы тяжести на дно 12 корпуса 10 и образует там ванну. Следовательно, расплав активной зоны содержит весь или только часть запаса расплавленных тепловыделяющих сборок, содержащего все твердые продукты деления и остаточную тепловую мощность, связанную с ними.
На Фигурах 3А-3С проиллюстрирована очень схематичным образом серьезная авария корпуса PWR с образованием ванны расплава активной зоны и затем продавливанием корпуса.
На Фигуре 3А проиллюстрированы распад и частичное расплавление активной зоны 30, образование расплава 70 активной зоны и появление ванны 71 расплава 70 активной зоны на дне 12 корпуса 10. Известным образом при образовании ванны 71 расплава 70 активной зоны поверхностный слой 72 жидкого металла появляется на свободной поверхности ванны 71. Часть тепловой мощности ванны 71 расплава 70 активной зоны передается этому слою 72.
На Фигуре 3B проиллюстрировано очень схематичным образом появление этого металлического слоя 72 (чья толщина намеренно преувеличена для наглядности). Область, обозначенная ссылочной позицией A, иллюстрирует начало продавливания корпуса 10 металлическим слоем 72. Это продавливание корпуса 10 обусловлено явлением, обычно называемым «эффект фокусировки». Металлический слой 72 является хорошим теплопроводником и поглощает большую часть тепловой энергии ванны 71 расплава активной зоны. Эффект фокусировки соответствует ситуации, в которой металлический слой 72 передает часть его тепла за счет проводимости по малой поверхности боковых стенок 11 корпуса 10. Эта тепловая мощность, фокусирующаяся на малой поверхности, может приводить к продавливанию стенок 11 корпуса 10.
На Фигуре 3С проиллюстрировано завершение продавливания корпуса 10. Расплав 70 активной зоны затем выливается в шахту 603 корпуса. Более того, при непосредственном контакте между расплавом активной зоны и охлаждающей водой, содержащейся в шахте 603, происходят взрывы, называемые паровыми взрывами (резкий сброс давления воды и расширение пара), и образование водорода. Эти последствия неприемлемы в связи с риском разрушения третьего защитного барьера, образованного оболочкой 600 реактора. Риск продавливания корпуса в ситуации смоченной шахты 603 корпуса 10 должен быть исключен. В дополнение, необходимо избегать неуправляемых распространений расплава 70 активной зоны - высокорадиоактивного материала, имеющего очень высокую тепловую мощность. Распространение расплава 70 активной зоны на уровне порога 601 создает риск продавливания последнего и прохождения вниз до потенциальных областей грунтовых вод.
Существует два режима управления расплавом активной зоны в случае серьезной аварии в PWR в зависимости от разработчиков ядерного котла PWER. Первый ряд решений, называемых «удержание вне корпуса», состоит в том, чтобы позволять расплаву 70 активной зоны продавливать корпус 10 при сбросе давления в первом контуре и протекать в область, предназначенную для распределения расплава активной зоны и для управления его охлаждением. Этот тип решений имеет недостаток, заключающийся в том, что для приема и распределения расплава активной зоны требуется внушительная платформа, называемая рекуператором, что значительно отягощает строящуюся конструкцию и увеличивает затраты на инфраструктуру оболочки реактора. Другой серьезный недостаток относится к демонстрации целостности третьего защитного барьера, образованного оболочкой реактора, для избежания загрязнения окружающей среды, так как защитный барьер, образованный первым контуром, был разрушен.
Второй ряд решений, называемых «удержание внутри корпуса» или обозначаемых аббревиатурой IVR, состоит в применении систем для удержания расплава 70 активной зоны внутри корпуса 10 путем избежания продавливания последнего.
В этом ряде решений одна стратегия стремится к удержанию расплава 70 активной зоны в корпусе 10 и к отбору его остаточной мощности через стенку корпуса 10 посредством внешнего охлаждения, в частности, посредством установки контура с (естественной или принудительной) конвекцией после смачивания шахты 602 корпуса 10.
Этот тип решений описан, например, в документе WO2009/053322. В этом документе насос, расположенный на дне корпуса, позволяет увеличивать принудительную конвекцию воды, расположенной в шахте 603 корпуса, в контакте с внешней стенкой корпуса 10.
Также может быть установлена естественная циркуляция воды в контакте с корпусом, затем испаряющейся и снова конденсирующейся в верхнем участке оболочки. Этот тип решений предложен для управления отводом остаточной мощности в случае серьезной аварии в реакторе AP1000 компании Westinghouse™. Это средство охлаждения является полностью пассивным в отличие от решения, описанного в документе WO2009/053322.
Более того, в зависимости от рассмотренных допущений, касающихся толщины металлического слоя 72 в месте возникновения эффекта фокусировки, по-прежнему остается вероятность недостижения достаточных характеристик охлаждения для избежания продавливания корпуса. По этой причине в общем, даже в контексте управления IVR при серьезной аварии, описаны комплементарные устройства для устранения риска, связанного с водородом, и исследование по ограничению последствий парового взрыва с предусмотрением дополнительного средства для того, чтобы справляться с допущением наихудшего случая продавливания корпуса.
Стратегия IVR, описанная в документе FR2763168, состоит в предусмотрении устройства для извлечения расплава активной зоны на дне корпуса. Расплав активной зоны течет под действием силы тяжести из активной зоны в этот рекуператор. Более того, предусмотрен впрыск воды под действием силы тяжести дополнительным резервуаром, соединенным с шахтой корпуса.
Это решение имеет недостаток, заключающийся в том, что оно требует наличия дополнительной системы, образованной рекуператором, что отягощает и по существу увеличивает размер корпуса реактора. В дополнение, средство впрыска воды в корпус, образованное резервуаром, непосредственно соединенным с первым контуром, является только вспомогательным средством впрыска, комплементарным к тем, которые уже имеются для устранения аварий разных размеров. Остаточное давление в первом контуре, преобладающее при возникновении серьезной аварии, требует предусмотрения значительной высоты для силы тяжести этого резервуара, что значительно отягощает строящуюся конструкцию.
Следовательно, все решения, которые были предложены для управления охлаждением расплава активной зоны, имеют недостатки. Существует необходимость разработки решения, ограничивающего и по возможности устраняющего по меньшей мере некоторых из этих недостатков. Настоящее изобретение преследует эту цель.
Другая цель настоящего изобретения состоит в уменьшении и по возможности исключении риска продавливания корпуса вследствие эффекта фокусировки.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Для достижения по меньшей мере одной из этих целей настоящее изобретение предусматривает способ обеспечения безопасности ядерного реактора с водой под давлением в случае расплавления, по меньшей мере частично, активной зоны реактора с образованием ванны расплава активной зоны, причем реактор содержит, во время рабочей фазы, по меньшей мере:
- первый контур, в котором текучая среда первого контура на водной основе предназначена для циркуляции, который выполнен так, что текучая среда первого контура проникает в корпус реактора и пересекает активную зону, содержащуюся внутри корпуса, для того, чтобы отбирать тепло, произведенное активной зоной,
- второй контур, в котором текучая среда второго контура на водной основе предназначена для циркуляции, который изолирован по текучей среде от первого контура, содержит по меньшей мере один парогенератор и выполнен так, чтобы поглощать тепло от первого контура и преобразовывать его, по меньшей мере частично, в пар в парогенераторе.
Способ содержит по меньшей мере следующий этап. В ответ на обнаружение события, характеризующего расплавление, по меньшей мере частично, активной зоны реактора с образованием ванны расплава активной зоны на дне корпуса и с образованием жидкометаллического слоя на поверхности ванны расплава активной зоны, способ предусматривает этап, на котором устанавливают второй контур в сообщении по текучей среде с первым контуром так, что текучая среда второго контура следует по первому контуру предпочтительно со стороны холодной ветви для протекания внутри корпуса по указанному жидкометаллическому слою ванны расплава активной зоны.
Таким образом, текучая среда второго контура под давлением, обычно вода с давлением и температурой насыщения, содержащаяся во втором контуре и, в частности, в парогенераторе (парогенераторах), течет на дно корпуса по металлическому слою.
Следовательно, этот впрыск теплоносителя выполняют пассивным образом, так как вода второго контура находится под более высоким давлением, чем вода первого контура.
Обычно давление воды, содержащейся в парогенераторе, находится в диапазоне от 6 до 7 МПа, тогда как давление воды первого контура обычно ниже 2 МПа, когда возникает серьезная аварийная ситуация.
За очень короткое время вода второго контура начинает вступать в контакт с переплавляющимся слоем жидкого металла, вызывая резкое уменьшение потока тепла в месте возникновения продавливания вследствие эффекта фокусировки. Вся вода из второго контура или ее часть испаряется при контакте со слоем жидкого металла и с ванной расплава активной зоны, стекая по корпусу реактора со стороны холодной ветви, предпочтительно по объему, обычно называемому опускной камерой.
Вода из второго контура течет в течение периода, достаточного для охлаждения слоя жидкого металла по меньшей мере в течение всего периода, во время которого этот слой жидкого металла имеет толщину, которая достаточно мала, чтобы создавать риск продавливания корпуса. Таким образом, можно считать этот поток контролируемым. Однако скорость потока, текущего по жидкометаллическому слою, не должна быть очень высокой.
Один способ управления этой скоростью потока и этой продолжительностью впрыска воды из второго контура в корпус состоит в точной калибровке сечения открытой пробоины (пробоин) между вторым контуром и первым контуром.
В качестве неограничивающего примера скорость потока воды второго контура, поступающей в корпус, соответствует пробоине с диаметром около 20 мм и в более общем смысле между 10 и 30 мм.
Вся вода, содержащаяся в одном или нескольких парогенераторах (GV), затем постепенно течет в корпус реактора. Обычное значение скорости потока жидкости, поступающей в первый контур из второго контура, составляет около 5 кг/с. В качестве неограничивающего примера эта скорость потока в более общем смысле находится в диапазоне между 2 кг/с и 10 кг/с. Это значение существенно ниже, чем у всех аварийных впрысков, предназначенных для смачивания активной зоны. Таким образом, способ согласно изобретению предусматривает длительную продолжительность передачи воды из GV по направлению к области потенциального продавливания корпуса вследствие эффекта фокусировки, а также значительное ограничение пара, образуемого в результате взаимодействия воды и жидкого металла, что ограничивает избыточное давление в первом контуре.
Также в качестве неограничивающего примера продолжительность впрыска воды из второго контура в корпус находится в диапазоне трех часов и в более общем смысле между 30 минутами и 5 часами. Для сравнения в решении, которое состоит в смачивании активной зоны путем заливки воды из второго контура в корпус, продолжительность впрыска будет составлять от около одной минуты до нескольких минут.
В зависимости от аварийных сценариев доступное количество воды на парогенератор варьируется между 29 тоннами и 70 тоннами на парогенератор для реактора, имеющего мощность 1300 МВт (тип French Palier N4).
Что касается временной шкалы серьезной аварии и, конкретнее, что касается временной шкалы расплавления активной зоны и образования расплава активной зоны, время, в течение которого вода из второго контура течет по ванне расплава активной зоны, является коротким при осуществлении способа согласно изобретению.
Тем не менее в контексте разработки настоящего изобретения было обнаружено, что этой продолжительности достаточно, чтобы довольно значительно уменьшать и даже исключать риск продавливания корпуса вследствие эффекта фокусировки.
Более того, было отмечено, что период времени, в течение которого эффект фокусировки может приводить к продавливанию корпуса, относительно ограничен. Было обнаружено, что риск продавливания вследствие эффекта фокусировки соответствует интервалу времени, когда ванна расплава активной зоны имеет жидкометаллический слой на поверхности с относительно малой толщиной, обычно несколько сантиметров. В этой конфигурации большая часть тепловой мощности, полученной от ванны расплава активной зоны, передается этому тонкому металлическому покрытию, причем эта мощность затем передается при контакте внутренней стенке корпуса и вызывает постепенное продавливание последней.
Со временем в ванну расплава активной зоны продолжают поступать внутренние элементы корпуса, которые постепенно расплавляются, и слой жидкого металла на поверхности утолщается из-за увеличения запаса расплавленного металла. Поверхность контакта между слоем жидкого металла и внутренней стенкой корпуса увеличивается. Тепловая мощность, передаваемая последней, затем распределяется по большей толщине жидкометаллического слоя, и мощность продавливания корпуса в этом случае менее концентрирована. Риск продавливания корпуса в этом случае снижается.
Как только весь внутренний запас металла расплавился, толщина поверхностного металлического слоя становится в этом случае такой, что тепловая мощность на периферии и в контакте с корпусом больше не достаточна для продавливания корпуса. В общем на этом уровне внешнее охлаждение корпуса является достаточно эффективным для отвода тепловой мощности, полученной от ванны. Продавливание корпуса в этом случае окончательно останавливается.
2
Например, если 3 МВт передаются металлическому слою с толщиной 10 см и с периферией 12 м без какой-либо возможности отвода тепла верхней поверхностью, то в этом случае будет тепловой поток, применяемый к корпусу, составляющий 3/1,2 = 2,5 МВт/м. Такой поток невозможно отводить с помощью традиционного внешнего охлаждения, когда корпус погружен в смоченную шахту корпуса. Избыточная тепловая мощность, передаваемая корпусу, затем преобразуется в теплоту плавления самого корпуса, и продавливание корпуса происходит изнутри. Как только жидкометаллический слой достигает двойной или тройной толщины, поток в результате этого намного уменьшается, и внешнее охлаждение в этом случае становится достаточным для остановки хода продавливания корпуса, так как вся тепловая мощность, получаемая от ванны, отводится во внешнюю воду, не вызывая расплавление металла корпуса.
Когда жидкая вода второго контура вступает в контакт со слоем жидкого металла от холодных ветвей первого контура предпочтительно в месте продавливания корпуса, другими словами, на периферии опускной камеры, которая будет описана подробно далее, каждый килограмм воды в секунду, который испаряется, вызывает охлаждение жидкого слоя на около 2-3 МВт. Со скоростью потока около 5 кг/с в течение периода около 3 часов охлаждение слоя жидкого металла соответствует отводу тепловой мощности около 10-15 МВт в течение трех часов, что резко уменьшает и даже предотвращает продавливание корпуса.
В дополнение, как только ванна расплава активной зоны достигает заданной высоты, слой жидкого металла на поверхности вступает в контакт с опорной плитой активной зоны, проиллюстрированной на Фигурах 2 и 3А ссылочной позицией 17. Температура жидкого металла, перегретого тепловой мощностью ванны расплава активной зоны, затем резко уменьшается из-за значительного расплавления нижнего участка опорной плиты активной зоны. Более того, температура плавления металла намного ниже той, которая может быть достигнута слоем жидкого металла, тем самым вызывая эффект фокусировки.
Таким образом, в контексте разработки настоящего изобретения было отмечено, что можно эффективно бороться с продавливанием корпуса вследствие эффекта фокусировки путем впрыскивания некоторого количества воды с относительно низкой скоростью потока внутрь корпуса. Объем воды, содержащейся в парогенераторах, в этом случае является достаточно большим, чтобы эффективно охлаждать слой жидкого металла в течение всего периода, во время которого слой жидкого металла имеет толщину, которая достаточно мала для того, чтобы явление эффекта фокусировки вызывало продавливание корпуса.
Особенно предпочтительным образом изобретение не требует никаких дополнительных компонентов в реакторе, таких как рекуператор, или дополнительных систем в шахте корпуса, таких как средство принудительной конвекции.
Более того, изобретение не требует никаких дополнительных резервуаров, размещенных на существенной высоте. Тем не менее, используя преимущество давления второго контура, изобретение предусматривает очень быстрый впрыск воды.
Однако необходимо предусматривать охлаждение внешней стенки корпуса в конфигурации удержания расплава активной зоны внутри корпуса и охлаждение путем смачивания шахты корпуса.
Следовательно, предлагаемое решение предусматривает пассивную работу, другими словами, без какого-либо насоса для литья теплоносителя на ванну расплава активной зоны, улучшение стратегии для управления расплавом активной зоны внутри корпуса за счет борьбы с эффектами эффекта фокусировки, которые могут поставить под угрозу успех предотвращения продавливания корпуса реактора.
Более того, изобретение не предусматривает дополнительных компонентов или отводов непосредственно на корпусе реактора, поскольку это может приводить к уменьшению надежности безопасности реактора.
Таким образом, изобретение позволяет значительно улучшать безопасность реактора с водой под давлением в случае расплавления активной зоны с образованием ванны расплава активной зоны.
Изобретение также относится к ядерному реактору с водой под давлением, содержащему по меньшей мере:
- корпус, вмещающий активную зону реактора, который содержит по меньшей мере одно входное отверстие и по меньшей мере одно выходное отверстие,
- первый контур, по меньшей мере один первый конец которого соединен с входным отверстием корпуса и по меньшей мере один конец которого соединен с выходным отверстием корпуса так, что текучая среда первого контура, предпочтительно на водной основе, циркулирующая в первом контуре, проникает в корпус реактора через указанное входное отверстие и выходит через указанный выходное отверстие, при этом проходя через всю активную зону для того, чтобы отбирать тепло, произведенное активной зоной,
- второй контур, изолированный по текучей среде от первого контура, в котором текучая среда второго контура на водной основе предназначена для циркуляции, содержащий по меньшей мере один парогенератор и выполненный так, чтобы поглощать тепло первого контура и преобразовывать его, по меньшей мере частично, в пар в парогенераторе.
Реактор содержит систему обеспечения безопасности, содержащую устройство обеспечения безопасности, выполненное так, чтобы образовывать проход и предпочтительно только один проход, устраняющий изоляцию по текучей среде между вторым контуром и первым контуром и устанавливающий текучую среду второго контура, присутствующую в по меньшей мере одном парогенераторе, в сообщении по текучей среде с первым контуром так, что текучая среда второго контура, содержащаяся в парогенераторе, течет по дну корпуса, при этом предварительно проходя по первому контуру.
Таким образом, в случае активации устройства обеспечения безопасности, когда образуется ванна расплава активной зоны, и на поверхности ванны появляется жидкометаллический слой, устройство обеспечения безопасности активируется, и текучая среда второго контура под давлением, содержащаяся в парогенераторе, выливается в первый контур, предпочтительно в холодную ветвь (ветви), и затем в корпус. Эта текучая среда охлаждает жидкометаллический слой, что ослабляет явление эффекта фокусировки. Таким образом избегается продавливание корпуса.
Особенно предпочтительном образом следует отметить, что предлагаемое решение не предусматривает прямого отвода второго контура на корпусе реактора, что улучшает безопасность реактора.
Это устройство имеет преимущества, упомянутые выше, в отношении способа изобретения. В частности, оно позволяет значительно улучшать безопасность реактора, не усложняя его и не уменьшая уровень надежности последнего.
Согласно неограничивающему примеру элемент представляет собой клапан, выбранный из: клапана, клапана с ручным приводом, клапана с удаленным управлением.
пробоины
S представляет собой минимальное сечение указанного прохода, которое позволяет впрыскивать внутрь первого контура текучую среду второго контура, присутствующую в по меньшей мере одном парогенераторе.
пробоины
2
-2
Согласно неограничивающему примеру S меньше 20 см (10 метров).
пробоины
пробоины
пробоины
2
2
2
2
Согласно одному примеру S больше 2 см и предпочтительно S больше 3 см. Согласно одному примеру S находится в диапазоне между 2 см и 20 см.
пробоины
2
2
2
2
2
2
Согласно одному примеру S находится в диапазоне между 0,2 см и 20 см, предпочтительно 0,8 см и 20 см и еще более предпочтительно между 2 см и 7 см.
Сечение входного отверстия со стороны холодной ветви корпуса реактора намного больше, чем сечение пробоины, образованной между вторым контуром и первым контуром.
пробоины
вход
пробоины
вход
пробоины
вход
пробоины
вход
вход
Обычно согласно неограничивающему примеру S < 0,05 * S, предпочтительно S < 0,01 * S, предпочтительно S < 0,005 * S и предпочтительно S < 0,001 * S, S представляет собой минимальное сечение прохода текучей среды первого контура в первом контуре и вплоть до корпуса.
вход
Если первый контур содержит группу входных отверстий в корпусе, что происходит, когда присутствует группа парогенераторов, то сечение S представляет собой сумму сечений входных отверстий первого контура вплоть до корпуса.
2
Обычно проходное сечение текучей среды первого контура со стороны холодной ветви находится в диапазоне 6000 см.
вход
вход
-3
Обычно, когда S имеет круглое сечение, S имеет диаметр, находящийся в диапазоне между 800 и 900 мм (10 метров).
пробоины
вход
Таким образом, сечение, по которому текучая среда второго контура течет в первый контур, намного меньше, чем сечение, по которому текучая среда первого контура обычно течет в корпусе. Это отношение сечений S и S позволяет впрыскивать в первый контур и в связи с этим в корпус поток текучей среды второго контура в течение относительно длительного периода времени. Конкретнее, в течение периода времени, который достаточен для покрытия продолжительности, в течение которой толщина жидкометаллического слоя достаточно мала, чтобы продавливать стенку корпуса вследствие эффекта фокусировки.
Эти признаки позволяют уменьшать и по возможности устранять риск продавливания корпуса вследствие эффекта фокусировки.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Цели, задачи, а также признаки и преимущества изобретения будут более понятны из подробного описания вариантов выполнения последнего, которые проиллюстрированы на следующих приложенных чертежах, на которых:
На Фигуре 1 схематически изображена ядерная установка типа PWR.
На Фигуре 2 схематически проиллюстрировано вертикальное сечение корпуса реактора типа PWR в его шахте корпуса в рабочем состоянии без серьезной аварийной ситуации.
На Фигурах 3А-3С схематически проиллюстрированы разные фазы серьезной аварии, приводящей к частичному или полному расплавлению активной зоны, образованию ванны расплава активной зоны и затем продавливанию корпуса в реакторе, проиллюстрированном на Фигуре 2, вследствие эффекта фокусировки.
На Фигуре 4 схематически проиллюстрирован вариант осуществления изобретения с охлаждением ванны расплава активной зоны путем впрыска воды из второго контура через первый контур вплоть до дна корпуса.
На Фигуре 5 проиллюстрирован очень схематичным образом участок корпуса и параметры, позволяющие располагать плавкие предохранители вдоль образующей корпуса.
На Фигуре 6 проиллюстрирован пример участка традиционного парогенератора.
На Фигуре 7 в увеличенном виде проиллюстрированы гидравлические соединения между корпусом и парогенератором согласно первому варианту выполнения изобретения.
Фигура 8 представляет собой схематическую иллюстрацию в разрезе варианта выполнения, проиллюстрированного на Фигуре 7.
На Фигуре 9 схематически проиллюстрирована установка электростанции, содержащей систему обеспечения безопасности согласно третьему варианту выполнения изобретения.
Чертежи представлены в качестве примеров и не ограничивают изобретение. Они представляют структурные схемы, предназначенные для облегчения понимания изобретения, и необязательно соответствуют масштабу практических применений. В частности, относительные размеры разных составных элементов установки, в частности, относительные размеры составных элементов реакторов и их труб, жидкометаллического слоя и разных элементов установки не соответствуют действительности.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Перед тем, как начать подробный обзор вариантов выполнения изобретения, следует напомнить, что изобретение согласно его первому аспекту по возможности содержит, в частности, необязательные признаки, описанные далее, которые могут быть использованы в комбинации или альтернативно.
Согласно одному примеру указанное обнаружение образования жидкометаллическому слою на поверхности ванны расплава активной зоны выполняется посредством по меньшей мере одного плавкого предохранителя, расположенного на стенке корпуса, который выполнен так, чтобы расплавляться, когда его достигает жидкометаллический слой.
Согласно одному примеру по меньшей мере один плавкий предохранитель имеет температуру плавления плавкого предохранителя, превышающую температурный порог Tf или равную ему, при этом Tf ≥ 400°C, предпочтительно Tf ≥ 500°C и предпочтительно Tf = 600°C.
среза
Согласно одному примеру реактор содержит группу плавких предохранителей, распределенных согласно по меньшей мере одной образующей стенки корпуса, так, что два соседних плавких предохранителя образуют срез корпуса, причем объемы V срезов идентичны.
Согласно одному примеру установка второго контура в сообщении с первым контуром запускается согласно обнаружению, например, посредством по меньшей мере одного плавкого предохранителя, что температура внутренней стенки корпуса превышает температурный порог Tf, при этом Tf превышает 400°C и предпочтительно Tf превышает 500°C.
Согласно одному примеру профиль изменения высоты жидкометаллического слоя в корпусе определяется посредством плавких предохранителей, расположенных на внутренней стенке корпуса и предпочтительно расположенных согласно по меньшей мере двум образующим этой стенки. Момент времени, в который второй контур устанавливается в сообщении по текучей среде с первым контуром, определяется согласно этому профилю.
Предпочтительно ряд плавких предохранителей расположен на внутренней поверхности стенки корпуса. Предпочтительно плавкие предохранители размещены на образующей дна корпуса и боковой стенки корпуса. Ход подъема уровня расплава активной зоны, а также начало разрушения корпуса слоем жидкого металла на его поверхности обнаруживается последовательной деактивацией плавких предохранителей этой образующей. Начиная с определенной высоты расплава активной зоны, запускается активация сообщения по текучей среде.
Согласно одному примеру реактор содержит по меньшей мере один плавкий предохранитель на стенке корпуса. Плавкий предохранитель выполнен так, что, когда жидкометаллический слой достигает плавкого предохранителя, он заставляет его расплавляться. Например, температура плавления плавкого предохранителя превышает температурный порог Tf или равна ему, при этом Tf ≥ 350°C, предпочтительно Tf ≥ 450°C и предпочтительно Tf = 600°C.
Согласно одному примеру реактор содержит группу плавких предохранителей, распределенных согласно по меньшей мере одной образующей стенки корпуса. Плавкие предохранители расположены вдоль образующей так, что если объем жидкометаллического слоя увеличивается с постоянной скоростью, то интервалы времени, разделяющие моменты времени, в которые жидкометаллический слой достигает двух последовательных плавких предохранителей образующей, остаются постоянными.
72
Согласно одному примеру текучая среда второго контура течет внутри корпуса по жидкометаллическому слою по меньшей мере в течение всего периода, во время которого жидкометаллический слой имеет толщину e, которая достаточно мала, чтобы по меньшей мере частично продавливать внутреннюю стенку корпуса.
Согласно одному примеру текучая среда второго контура течет внутри корпуса по жидкометаллическому слою в течение по меньшей мере тридцати минут и предпочтительно в течение по меньшей мере одного часа и предпочтительно в течение по меньшей мере двух часов.
пробоины
пробоины
2
-4
2
2
2
Согласно одному примеру поток воды второго контура проходит в первом контуре через весь проход, чье минимальное сечение S находится в диапазоне между 0,2 см (0,2*10) и 20 см и предпочтительно между 0,8 см и 7 см. Если минимальное сечение S этого прохода является круглым, то его диаметр находится в диапазоне между 5 и 50 мм и предпочтительно между 10 и 30 мм. Обычно этот диаметр составляет около 20 мм.
Согласно одному примеру текучая среда второго контура течет внутри корпуса (10) со скоростью потока ниже 10 кг/с (103 г/с) и предпочтительно ниже 7 кг/с.
Согласно одному примеру реактор содержит внутреннюю оболочку, расположенную внутри корпуса, окружающую активную зону и образующую с внутренней стенкой корпуса кольцевой объем, называемый опускной камерой, которая выполнена так, что во время нормальной работы реактора:
- входное отверстие ведет наружу оболочки и в опускную камеру так, что текучая среда первого контура, поступающая из входного отверстия, направляется на дно корпуса,
- выходное отверстие ведет внутрь оболочки так, что текучая среда первого контура, присутствующая в активной зоне, может выходить из реактора через выходное отверстие.
Реактор выполнен так, что, когда взрывное устройство образует по меньшей мере один проход, устраняющий изоляцию по текучей среде между вторым контуром и первым контуром, текучая среда второго контура, содержащаяся в парогенераторе, в этом случае течет по дну корпуса, при этом предварительно проходя через указанное входное отверстие корпуса и затем через опускную камеру.
Этот вариант выполнения способствует стеканию воды второго контура по внутренним стенкам корпуса. Это позволяет охлаждать жидкометаллический слой еще более эффективно, чем в случае, когда текучая среда второго контура проникает в корпус из выходного отверстия последнего или со стороны горячей ветви и в связи с этим без прохождения через опускную камеру. Более того, за счет стекания со стороны опускной камеры испарение воды второго контура и в связи с этим охлаждение слоя жидкого металла происходит в области, где располагается место продавливания корпуса. Для достижения этого варианта выполнения соединение со стороны второго контура должно быть выполнено со стороны холодной ветви парогенератора, другими словами, со стороны теплообменника, где температура первого контура соответствует холодному обратному потоку первого контура (холодная водяная камера).
Согласно одному примеру реактор содержит по меньшей мере один плавкий предохранитель, расположенный на стенке корпуса, который выполнен так, что, когда жидкометаллический слой достигает плавкого предохранителя, он заставляет его расплавляться, причем температура плавления плавкого предохранителя превышает температурный порог Tf или равна ему, при этом Tf ≥ 400°C, предпочтительно Tf ≥ 500°C и предпочтительно Tf=600°C.
среза
Согласно одному примеру реактор содержит группу плавких предохранителей, распределенных согласно по меньшей мере одной образующей стенки корпуса, плавкие предохранители распределены вдоль образующей так, что два соседних плавких предохранителя согласно этой образующей определяют срез корпуса, объемы V срезов идентичны.
Согласно одному примеру парогенератор содержит оболочку, окружающую текучую среду второго контура и текучую среду первого контура и окружающую изоляцию, изолирующую по текучей среде текучие среды второго и первого контуров, причем система обеспечения безопасности выполнена так, чтобы устранять изоляцию между текучими средами второго и первого контуров внутри оболочки парогенератора, тем самым образуя указанный проход. Устранение этой изоляции соответствует пробоине с ограниченным и контролируемым диаметром (обычно 20 мм в диаметре).
Согласно одному примеру парогенератор содержит внешнюю оболочку, содержащую первый участок, окружающий текучую среду первого контура, и второй участок, окружающий текучую среду второго контура, причем первый и второй участки изолированы по текучей среде друг от друга.
Система обеспечения безопасности содержит по меньшей мере одну трубу, расположенную снаружи парогенератора, которая образует указанный проход и имеет по меньшей мере:
- первый конец, ведущий на второй участок, окружающий текучую среду второго контура,
- второй конец, ведущий в ветвь первого контура, расположенную между парогенератором и корпусом.
Устройство обеспечения безопасности содержит по меньшей мере один элемент, установленный на указанной трубе и выборочно принимающий:
- закрытую конфигурацию, в которой он предотвращает прохождение текучей среды в указанном канале,
- открытую конфигурацию, в которой он позволяет текучей среде проходить в указанной трубе, тем самым позволяя текучей среде второго контура парогенератора протекать в указанной трубе для поступления в первый контур и затем корпус.
Согласно одному примеру второй конец трубы образует отвод на трубопроводе, соединенном с ветвью первого контура.
Согласно одному примеру указанная ветвь первого контура продолжается между парогенератором и входным отверстием корпуса.
Согласно одному примеру реактор содержит устройство, выбранное из линии аварийного впрыска (IS) и линии контура объемного и химического управления (RCV), выполненное так, чтобы вести в первый контур на указанном втором конце трубы.
Согласно одному примеру парогенератор содержит первый участок, окружающий текучую среду первого контура, и второй участок, окружающий текучую среду второго контура, причем первый и второй участки изолированы по текучей среде друг от друга.
Реактор дополнительно содержит устройство для охлаждения реактора при остановке RRA, содержащее по меньшей мере один первый контур, содержащий теплообменник и ветви, соединяющие по текучей среде теплообменник с одним или несколькими участками первого контура.
Согласно одному примеру система обеспечения безопасности содержит по меньшей мере одну трубу, расположенную снаружи парогенератора, которая образует указанный проход и имеет по меньшей мере:
- первый конец, ведущий во второй участок, окружающий текучую среду второго контура,
- второй конец, ведущий в ветвь указанного первого контура устройства RRA.
Устройство обеспечения безопасности содержит по меньшей мере один элемент, установленный на указанной трубе и выборочно принимающий:
- закрытую конфигурацию, в которой он предотвращает прохождение текучей среды в указанной трубе,
- открытую конфигурацию, в которой он позволяет текучей среде проходить в указанной трубе, тем самым позволяя текучей среде второго контура парогенератора протекать в указанной трубе для поступления в ветвь указанного первого контура и затем первый контур и затем корпус.
Этот вариант выполнения имеет преимущество, состоящее в избежании какого-либо отвода на первом контуре. Это еще больше улучшает безопасность реактора.
Согласно одному примеру устройство обеспечения безопасности выполнено так, что текучая среда второго контура, содержащаяся в парогенераторе, течет в корпусе со скоростью потока, находящейся в диапазоне между 4 и 5 кг/с для давления парогенератора в диапазоне 6,8 МПа.
Таким образом, даже с ограниченным количеством охлаждающей текучей среды явление эффекта фокусировки может быть замедлено, и можно избегать продавливания корпуса.
Термины «по существу», «около», «в диапазоне» означают принятие во внимание допусков на изготовление и/или измерение и могут, в частности, соответствовать «в пределах 10%».
В нижеследующем описании нормальная работа реактора 1 или установки относится к рабочей фазе при отсутствии аварий или серьезных аварий. Авария, такая как потеря теплоносителя первого контура, авария с большой пробоиной или очень большой пробоиной не соответствуют нормальной рабочей фазе реактора 1.
Изобретение далее будет описано подробно со ссылкой на Фигуры 4-9.
На Фигуре 4 проиллюстрирован реактор 1, например, такого же типа, что и реактор, описанный со ссылкой на Фигуры 2-3А.
Все признаки, описанные со ссылкой на Фигуры 2-3А, применимы к вариантам выполнения, проиллюстрированным на Фигуре 4. На этой Фигуре 4 активная зона 30 расплавлена или частично расплавлена. Ванна 71 расплава 70 активной зоны образовалась на дне 12 корпуса 10. На поверхности ванны 71 образовался или собирается образоваться слой 72 жидкого металла.
Перед тем, как этот слой 72 жидкого металла начнет продавливать корпус 10, или быстро после начала этого частичного продавливания предусматривается заливка охлаждающей текучей среды на дно 12 корпуса 10 и в связи с этим поверх этого слоя 72.
Эта охлаждающая текучая среда поступает из входных отверстий 13 и/или выходных отверстий 14 первого контура 100.
Как будет подробно объяснено далее, эта охлаждающая текучая среда состоит из воды из второго контура 200, которая течет в первом контуре 100.
Следует отметить, что традиционно в случае серьезной аварии запускается сброс давления первого контура 100. Он может быть выполнен путем открытия конкретного клапана, расположенного, например, в верхней части компенсатора 110 давления. Этот сброс давления первого контура может запускаться при достижении пороговой температуры, например, температуры втулки узла, которая будет достигать 650°C или более. Этот сброс давления первого контура 100 приводит к тому, что последний имеет давление ниже, чем давление второго контура 200. Обычно давление в первом контуре 100 со сброшенным давлением меньше 2 МПа. За счет разности давлений между первым 100 и вторым 200 контурами сообщение этих контуров 100, 200 вызывает быстрый впрыск текучей среды второго контура 200 в первый контур 100.
Согласно особенно предпочтительному варианту выполнения текучая среда 800 второго контура 200 выливается в первый контур 100 и достигает внутренней области корпуса 10 через входное отверстие 13. Предпочтительно реактор 1 содержит внутреннюю оболочку 15, расположенную внутри корпуса 10, окружающую активную зону 30 и образующую вместе с внутренней стенкой 11 корпуса 10 кольцевой объем, обычно называемый опускной камерой 16 (нисходящий участок). Эта внутренняя оболочка 15 выполнена так, что во время нормальной работы реактора 1 (другими словами, при отсутствии серьезной аварии, например):
- входное отверстие 13 ведет наружу оболочки 15 и в опускную камеру 16 так, что холодная текучая среда, поступающая из входного отверстия 13, направляется на дно 12 корпуса 10,
- выходное отверстие 14 ведет внутрь оболочки 15 так, что горячая текучая среда, присутствующая в активной зоне 30, может выходить из реактора 1 через выходное отверстие 14.
Таким образом, во время нормальной работы реактора 1 холодная текучая среда первого контура 100 проникает в реактор 1 через входное отверстие 13; опускается под действием силы тяжести в опускную камеру 16 для достижения дна 12 корпуса, поднимается внутри оболочки 15, при этом проходя через дырчатую плиту, обычно называемую опорной плитой 17; пересекает активную зону 30 для отбора тепла, полученного при делении, и выходит из реактора 1 через выходное отверстие 14.
В контексте варианта осуществления настоящего изобретения охлаждающая текучая среда, полученная из второго контура 200 и которая проникает 801 в корпус 10 по контуру 100, в связи с этим также опускается по стенке 11 корпуса 10 и достигает слоя 72 жидкого металла. Следовательно, эта охлаждающая текучая среда для обеспечения безопасности следует по естественному пути воды в реакторе 1. Эта охлаждающая текучая среда вступает в контакт с поверхностью слоя 72 жидкого металла. Конкретнее, охлаждающая текучая среда достигает слоя 72 жидкого металла в наиболее критическом месте, т.е. на границе между последним и стенкой 11 корпуса 10. Следовательно, охлаждающая текучая среда предусматривает функцию охлаждения по всей периферии, где слой 72 жидкого металла может продавливать внутреннюю стенку 11 корпуса 10 вследствие эффекта фокусировки. Следовательно, охлаждающая текучая среда из опускной камеры 16 предлагает особенно эффективное решение для уменьшения риска продавливания корпуса вследствие эффекта фокусировки.
Также предпочтительно этот режим контакта жидкой воды с переплавляющимся слоем 72 металла выполняется путем стекания с внутренней стенки корпуса 10, что намного мягче, чем сильный впрыск воды в ванну расплава активной зоны. Сильный впрыск воды в ванну расплава активной зоны может вызывать паровой шок, который является неблагоприятным для целостности корпуса реактора.
На Фигуре 4 охлаждающая текучая среда представлена в виде тела 802, распределенного по свободной поверхности металлического слоя 72. Естественно, когда последний еще недостаточно охлажден, охлаждающая текучая среда испаряется при контакте с металлическим слоем 72.
Следует отметить, что крайне предпочтительно удерживать клапаны сброса давления первого контура 100 открытыми для того, чтобы отводить пар, произведенный при контакте охлаждающей текучей среды, полученной из второго контура 200, со слоем 72 жидкого металла. Более того, сброс давления первого контура 100 способствует впрыску охлаждающей текучей среды из второго контура в корпус 10.
72
Таким образом, эта охлаждающая текучая среда позволяет охлаждать слой 72 жидкого металла, когда последний имеет толщину e, которая является достаточно тонкой для того, чтобы концентрировать тепловую мощность ванны 72 на слишком уменьшенной поверхности так, чтобы она могла продавливать внутреннюю стенку 11 корпуса 10.
72
Заливка этой охлаждающей текучей среды выполняется до тех пор, пока толщина e слоя 72 жидкого металла не станет достаточно большой для передачи тепловой мощности этого слоя 72 по большей поверхности, и в связи с этим мощность на площадь поверхности не станет достаточно низкой для предотвращения продавливания внутренней стенки 11 корпуса 10.
Как проиллюстрировано на Фигуре 4, также предусмотрено охлаждение внешней стенки корпуса 10. С этой целью можно смачивать шахту 603 корпуса 10, т.е. вода впрыскивается или заливается между корпусом 10 и шахтой 603. Этого охлаждения обычно достаточно в случае аварии типа IVR (удержание внутри корпуса), но, естественно, этого недостаточно, если возникает явление эффекта фокусировки.
2
2
2
Более того, охлаждение снаружи корпуса путем смачивания шахты 603 корпуса 10 позволяет, например, отбирать 1 МВт на квадратный метр (1 МВт/м). В ситуации эффекта фокусировки этого охлаждения больше не достаточно, так как необходимо иметь способность отбирать 1,5 МВт/м и даже 2 МВт/м в области, в которой эффект фокусировки образует продавливание корпуса 10.
Согласно неограничивающему примеру для смачивания шахты 603 корпуса 10 можно использовать воду, содержащуюся в резервуаре, например, в бассейне для загрузки топлива. Этот резервуар может быть использован в здании реактора или снаружи последнего. Предпочтительно по меньшей мере один участок этого резервуара должен быть расположен достаточно высоко относительно корпуса 603, чтобы позволять потоку протекать в последний под действием силы тяжести. Чаще всего по меньшей мере один участок этого резервуара должен быть расположен выше крышки или кожуха 20 реактора 1.
пробоины
Согласно одному варианту выполнения скорость потока охлаждающей текучей среды, полученной из второго контура 200, не контролируется. В отличие от этого моделирование этой скорости потока может быть легко вычислено, если известно давление второго контура 200 и необязательно первого контура 100. В первую очередь исходный запас воды парогенераторов 210 и сечение S прохода (проходов) между вторым контуром 200 и первым контуром 100 определяют продолжительность охлаждения. Вычисления показывают, что достаточно крайне ограниченной части этого общего запаса парогенераторов 210 для достаточного охлаждения переплавляющегося металлического слоя 72 и избежания продавливания корпуса 10, тогда как металлический слой 72 на поверхности достаточно утолщается.
пробоины
Обычно устройство обеспечения безопасности выполнено так, что проходное сечение S прохода (проходов) между вторым контуром 200 и первым контуром 100 позволяет воде второго контура поступать в корпус 10 со скоростью потока ниже 10 кг/с и предпочтительно ниже 7 кг/с. Обычно эта скорость потока находится в диапазоне между 4 и 5 кг/с для исходного давления (другими словами, до открытия прохода (проходов) по направлению к первому контуру 100) в парогенераторе (GV) в диапазоне 6,8 МПа.
Это позволяет иметь достаточное охлаждение слоя жидкого металла в течение продолжительности, достаточной для избежания продавливания корпуса.
пробоины
Согласно неограничивающему примеру для того, чтобы контролировать это время охлаждения, можно предусматривать точную калибровку сечения S.
пробоины
пробоины
пробоины
2
-2
2
2
2
2
2
Согласно одному примеру S меньше 20 см (10 метров). Предпочтительно S больше 2 см. Согласно одному примеру S находится в диапазоне между 2 см и 20 см. Предпочтительно оно находится в диапазоне между 2 см и 7 см.
вход
вход
вход
S представляет собой минимальное проходное сечение между первым контуром 100 и входным отверстием 13 корпуса 10. Обычно оно в связи с этим состоит из минимального сечения для прохода текучей среды первого контура во время нормальной работы реактора. Например, S соответствует сечению входного отверстия 13 в корпусе. Это сечение проиллюстрировано на Фигуре 8. Если имеется группа входных отверстий первого контура 100 в корпусе 10, например, как проиллюстрировано на Фигуре 7, то S представляет собой сумму всех входных отверстий корпуса 10.
пробоины
S представляет собой сечение прохода или сумму сечений проходов, когда присутствует группа проходов, устанавливающих текучую среду второго контура, присутствующую в по меньшей мере одном парогенераторе 210, в сообщении по текучей среде с первым контуром 100.
пробоины
вход
пробоины
вход
пробоины
вход
Сечение входного отверстия со стороны холодной ветви корпуса реактора намного больше, чем сечение пробоины, образованной между вторым контуром и первым контуром. Обычно согласно неограничивающему примеру S < 0,05 * S и предпочтительно S < 0,01 * S и предпочтительно S < 0,005 * S.
2
Обычно проходное сечение текучей среды первого контура со стороны холодной ветви находится в диапазоне 6000 см.
Обычно давление воды, содержащейся в парогенераторе 210, находится в диапазоне 6-7 МПа. В свою очередь, давление первого контура 100 сброшено. Более того, устройства для открытия клапанов на уровне компенсатора 110 давления приводятся в действие для сброса давления первого контура 100 в случае возникновения серьезной аварии. Это позволяет избегать выбросов продуктов деления активной зоны под давлением в случае продавливания корпуса. Более того, этот сброс давления первого контура позволяет способствовать впрыску текучей среды второго контура внутрь корпуса 30.
В большинстве сценариев, ведущих к серьезной аварии, вторые контуры замкнуты и изолированы, с одной стороны, посредством закрытия линий впрыска пара, ведущих к турбине, а, с другой стороны, клапанами выброса в атмосферу.
Согласно одному примеру запуск устройства обеспечения безопасности выполняется оператором. Для того, чтобы определять момент времени, в который текучая среда второго контура 200 должна заливаться в первый контур 100, предпочтительно иметь способность оценивать высоту ванны расплава активной зоны и предпочтительно профиля изменения этой высоты.
С этой целью можно предусматривать один или группу плавких предохранителей 900, расположенных на стенке корпуса 10. Они выполнены так, чтобы расплавляться, когда к этим плавким предохранителям 900 прикладывается пороговая температура Tf. Обычно эта температура Tf достигается, когда в корпусе 10 образуется расплав активной зоны и вступает в контакт с плавкими предохранителями 900. Когда температура внутри корпуса соответствует нормальной работе реактора, плавкие предохранители 900 не расплавляются. Согласно одному примеру Tf > 400°C, предпочтительно Tf ≥ 500°C, предпочтительно Tf ≥ 600°C.
Когда плавкий предохранитель 900 расплавляется, это предотвращает прохождение электрического сигнала. В связи с этим сопротивление контура, интегрированного в этот плавкий предохранитель, бесконечно.
Плавкий предохранитель содержит патрон, изготовленный из электропроводящего материала, и оболочку, которая является электроизолирующей. Таким образом избегают короткого замыкания между металлическим корпусом и токопроводящим патроном.
Например, патрон изготовлен из металла, такого как алюминий, чья температура плавления близка к 600°C, или из сурьмы. Например, изолирующая оболочка изготовлена из керамики.
Например, плавкий предохранитель образует трос, имеющий два конца, соединенные с устройством обеспечения безопасности, и изгиб, расположенный между этими двумя концами. Изгиб соответствует самой нижней точке плавкого предохранителя. Таким образом, когда плавкий предохранитель переходит из токопроводящей конфигурации, в которой ток течет в патроне из одного конца в другой (сопротивление R1), в токонепроводящую конфигурацию, в которой ток больше не течет в патроне из одного конца в другой (сопротивление R2 > R1, предпочтительно бесконечное R2), это означает, что ванна расплава активной зоны расплавила изгиб. Таким образом, сделан вывод, что высота свободной поверхности ванны расплава активной зоны соответствует высоте изгиба плавкого предохранителя 900 относительно дна корпуса 10.
Использование плавкого предохранителя оказывается намного более стабильным и надежным, чем использование датчиков температуры.
Предпочтительно плавкий предохранитель расположен на внутренней стенке 11 корпуса 10. Это позволяет улучшать надежность обнаружения появления эффекта фокусировки. Более того, путем размещения плавкого предохранителя на внешней стенке корпуса 10 измерение температуры будет по существу зависеть от температуры кипения воды в контакте со стенкой корпуса, что не позволяет эффективно обнаруживать подъем ванны расплава активной зоны, а также образование слоя эффекта фокусировки.
Предпочтительно устройство обеспечения безопасности содержит ряд плавких предохранителей 900, расположенных вдоль по меньшей мере одной образующей внутренней стенки 11 корпуса 10. Предпочтительно плавкие предохранители расположены вдоль по меньшей мере двух образующих. Таким образом, если расплав активной зоны происходит вдоль образующей, плавкие предохранители, размещенные в верхнем участке, могут достигаться и не характеризовать постепенный подъем ванны расплава активной зоны на дне корпуса.
Предпочтительно для каждой образующей ряд плавких предохранителей 900 расположен на образующей полусферического участка, образуя дно 12 корпуса 10, последний и другой участок плавких предохранителей расположен на боковой стенке корпуса 10.
Эти плавкие предохранители позволяют определять момент времени, в который начинает образовываться ванна 71 расплава активной зоны, а также момент времени, в который вода из второго контура должна впрыскиваться в первый контур 100.
Например, в зависимости от профиля изменения высоты ванны расплава активной зоны, которая оценивается согласно сигналам, отправляемым плавкими предохранителями, можно путем моделирования выбирать наиболее подходящее время для запуска впрыска воды из второго в первый контур 100.
Профиль изменения этой температуры также позволяет обнаруживать подъем уровня расплава активной зоны в корпусе 10. Этот профиль также позволяет обнаруживать начало продавливания последнего слоем 72 жидкого металла.
Например, можно предусматривать плавкие предохранители 900 одной и той же образующей или плавкие предохранители 900 двух разных образующих, имеющие разные температуры плавления. С этой целью можно предусматривать разные материалы для оболочки и/или патрона плавких предохранителей. Предпочтительно предусматривать устройство, которое можно полностью разобрать и заменить, например, во время осмотра раз в десять лет, для того, чтобы иметь возможность иметь набор, который существенен для безопасности, чей срок службы не превышает 10 лет работы реактора.
среза
Согласно особенно предпочтительному примеру желательно располагать устройства обнаружения высоты ванны расплава активной зоны так, что скорость подъема ванны расплава активной зоны определяется плавкими предохранителями. Это позволяет более точно контролировать момент времени, в который может возникать эффект фокусировки, и момент времени, в который текучая среда парогенераторов 210 должна быть залита в первый контур 100. Таким образом, это расположение плавких предохранителей 900 выполняется так, что объемы V срезов патрона, расположенных между двумя последовательными или соседними плавкими предохранителями 900, являются постоянными.
Конкретнее, два соседних плавких предохранителя согласно вертикальному распределению образуют срез корпуса. Этот срез корпуса ограничен, с одной стороны, внутренней стенкой 11 корпуса 10, а, с другой стороны, двумя вертикальными плоскостями, каждая из которых проходит через один из этих соседних плавких предохранителей 900. По меньшей мере некоторые, предпочтительно все, объемы срезов корпуса идентичны. Предпочтительно соседние плавкие предохранители согласно вертикальному распределению расположены согласно одной и той же кривизне, предпочтительно образующей образующую корпуса 10.
среза
На Фигуре 5 показан очень схематичным образом участок корпуса 10, а также плавкие предохранители 900, расположенные согласно образующей G. Плавкие предохранители 900 образуют срезы с по существу равными объемами V.
Таким образом, если скорость образования ванны расплава активной зоны (и в связи с этим скорость образования объема расплава активной зоны) является постоянной, плавкие предохранители одной и той же образующей достигаются ванной расплава активной зоны с идентичными интервалами времени между двумя последовательными плавкими предохранителями этой образующей.
Со ссылкой на Фигуру 5 будет далее описан пример вычисления положения плавких предохранителей.
В этом примере плавкие устройства обнаружения размещены вдоль 2-4 образующих равномерно распределенными вокруг оси полусферического дна корпуса 10. Таким образом, для числа образующих, равного 2, 3 и 4 соответственно, эти образующие будут разделены под углом 180°, 120° и 90° соответственно.
Считается, что дно корпуса 10 образовано участком сферы, имеющей 4-метровый диаметр.
3
Желательно располагать устройства обнаружения высоты ванны расплава активной зоны в соответствии с 3, 6, 9, 12 и 15 м разлитого расплава активной зоны. Это позволяет определять профиль подъема ванны расплава активной зоны. Имея четкое представление об изменении скорости подъема ванны расплава активной зоны, оператор (или автоматическое устройство обеспечения безопасности) может определять, какое время является наиболее подходящим для запуска впрыска воды парогенераторов 210 в первый контур 100.
3
Общее заполнение полусферического дна составляет 16,75 м.
На Фигуре 5 обозначены следующие параметры:
- R = радиус полусферического участка корпуса,
- h = высота плавкого предохранителя относительно дна корпуса,
дуги
- L = длина вдоль стенки корпуса между дном корпуса и положением плавкого предохранителя,
- r = расстояние между осью цилиндра цилиндрического участка корпуса 10 (а именно осью, проходящей через центр сферы и которая перпендикулярна плоскости P).
Плоскость P соответствует стыку между полусферическим участком корпуса и боковыми стенками корпуса, продолжающимися согласно цилиндру.
крышки
Объем V полусферического участка может быть вычислен согласно следующему уравнению:
дуги
Положение плавкого предохранителя может быть определено согласно значению L, вычисленному согласно следующему уравнению:
Если желательно располагать пять плавких предохранителей на каждой образующей, плавкие предохранители могут быть расположены следующим образом для того, чтобы иметь соответствие между скоростью подъема ванны расплава активной зоны и расплавлением этих плавких предохранителей:
дуги
- плавкий предохранитель №1: высота h = 0,738 м; L = 1,776 м;
дуги
- плавкий предохранитель №2: высота h = 1,079 м; L = 2,185 м;
дуги
- плавкий предохранитель №3: высота h = 1,362 м; L = 2,492 м;
дуги
- плавкий предохранитель №4: высота h = 1,617 м; L = 2,756 м;
дуги
- плавкий предохранитель №5: высота h = 1,860 м; L = 3,002 м.
Альтернативно можно управлять установкой сообщения второго контура 200 с первым контуром 100 на основе расписания, начиная с момента времени, когда образование ванны 71 расплава активной зоны обнаруживается благодаря плавким предохранителям 900.
Путем моделирования можно определять сильно заранее, что имеется продолжительность D1 между началом образования ванны 71 расплава активной зоны и началом образования слоя 72 жидкого металла в месте возникновения продавливания корпуса 10. Естественно, эта продолжительность варьируется от реактора к реактору. Для некоторых реакторов эта продолжительность D1 составляет около одного часа. Оператор должен активировать устройство обеспечения безопасности в момент t1 времени, при этом t1 = t0 + (D1 - k1), k1 представляет собой коэффициент безопасности для гарантии того, что вода второго контура заливается на слой 72 жидкого металла достаточно рано для избежания значительного ослабления корпуса 10 и предпочтительно для избежания начала продавливания корпуса. Например, k1 находится в диапазоне между -5 минутами и 15 минутами.
72
Путем моделирования также можно определять продолжительность D2 между началом образования ванны 71 расплава активной зоны и моментом t2 времени, в который слой 72 жидкого металла имеет толщину e, которая является достаточно большой, чтобы делать невозможным продавливание корпуса 10.
Проходное сечение прохода (проходов) между вторым контуром 200 и первым контуром 100 имеет такой размер, чтобы позволять заливку между моментами t1 и t2 времени, со скоростью Qмин потока, которая достаточна для охлаждения слоя 72 жидкого металла.
Как указано выше, очень предпочтительно, чтобы текучая среда 800, полученная из второго контура и которая заливается на переплавляющийся слой 72 металла, опускалась путем стекания по стенке 11 корпуса 10. Тем не менее альтернативно или в комбинации с этим вариантом выполнения можно предусматривать, что эта текучая среда 800 достигает внутренней части корпуса 10 путем проникновения в последний через выходное отверстие 14.
На Фигурах 5А-7 проиллюстрированы разные варианты выполнения, позволяющие впрыскивать текучую среду второго контура 200 в корпус 10 через первый контур 100.
Решения всех этих вариантов выполнения состоят в установке второго контура 200 в сообщении с первым контуром 100. Это сообщение выполняется благодаря системе обеспечения безопасности, выполненной так, чтобы намеренно разрушать защитный барьер, который изолирует эти два контура 100, 200. Следует напомнить, что во время нормальной работы, другими словами, при отсутствии инцидентов и во время фазы выработки электроэнергии установкой, первый 100 и второй 200 контуры изолированы друг от друга по текучей среде.
Перед подробным описанием некоторых примеров решений в параграфах ниже описывается традиционный парогенератор 210 со ссылкой на Фигуру 6. Парогенератор 210 образует оболочку, которая окружает текучую среду второго контура 200 и одновременно окружает по меньшей мере одну трубу 214, по которой циркулирует текучая среда первого контура 100. Таким образом, текучая среда второго контура 200 вступает в контакт с внешней стенкой трубы 214.
На Фигуре 6 проиллюстрирован нижний участок парогенераторов 210. Этот парогенератор 210 содержит оболочку 260 с в общем цилиндрической формой. Эта оболочка 260 образует верхний участок 211, имеющий отверстия 211b, 211b’ в сообщении со вторым контуром 200, и нижний участок 212, имеющий отверстия 212b, 212b’ в сообщении с первым контуром 100. Верхний 211 и нижний 212 участки отделены пластиной 213 с трубками. Нижняя поверхность пластины 213 с трубками ограничивает с нижним участком 212 объем, образующий водяную камеру. Предпочтительно водяная камера имеет полусферическую форму. Она разделена на два участка 212a, 212a’ перегородкой 2121.
Участок 212a имеет отверстие 212b, гидравлически соединенное с входным отверстием 13 корпуса 10. Участок 212a’ имеет отверстие 212b’, гидравлически соединенное с выходным отверстием 14 корпуса 10. Таким образом, участки 212a и 212b, а также трубки 214, являются частью первого контура 100.
Вода под давлением при высокой температуре, поступающая из активной зоны 30 ядерного реактора 1 в выходное отверстие 14 корпуса 10, проникает в участок 212a’ водяной камеры и затем циркулирует в трубках 214 сети трубок парогенератора 210. Более того, пластина 213 с трубками удерживает группу трубок 214, один конец которых ведет в участок 212a’, а другой конец которых ведет в участок 212a. Обычно эти трубки 214 имеют перевернутую U-образную форму. Эти U-образные трубки смачиваются в воде второго контура 200, присутствующей в верхнем участке 211 парогенератора 210.
Таким образом, горячая вода под давлением циркулирует, начиная с участка 212a’, сначала снизу вверх вплоть до верха U-образного изгиба и затем сверху вниз для достижения участка 212a водяной камеры. На всем этом пути вода, циркулирующая по трубкам 214, передает тепло текучей среде второго контура 200, присутствующей в верхнем участке 211 парогенератора 210. Как только она достигла участка 212a водяной камеры, вода может затем выходить через выходное отверстие 212b и возвращаться обратно ко входному отверстию 13 корпуса 10 для повторного нагревания активной зоной 30.
Следует отметить, что каждый из участков 212a, 212a’ водяной камеры оснащен отверстием 2122 люка, закрытым заглушкой 2123. Это отверстие 2122 люка имеет размер, который является достаточно большим для того, чтобы позволять человеку или роботу получать доступ к внутренней части водяной камеры.
Первые варианты выполнения изобретения будут далее описаны со ссылкой на Фигуры 7 и 8.
В этих вариантах выполнения система обеспечения безопасности, предусматривающая намеренное разрушение гидравлической защитной оболочки между первым контуром 100 и вторым контуром 200, содержит по меньшей мере один проход, образованный трубой 120, соединяющей участок 211 парогенератора 210, окружающий воду второго контура, с трубой первого контура 100. Эта труба 120 может состоять из линии аварийного впрыска (обычно называемой «линия IS») или отвода RCV (аббревиатуры от «контур объемного и химического управления») или отвода на контуре охлаждения в остановке RRA. Следует отметить, что сечение линии IS или отвода RCV обычно меньше суммы сечений входных отверстий 13 в корпусе 10. Тем не менее, и как объяснено выше, изобретение отлично работает путем впрыска воды из второго в первый контур 100 через малое сечение.
Конкретнее, верхний участок 211 парогенератора 210 имеет отверстие, соединенное с одним концом 121 трубы 120. Другой конец 122 трубы 120 соединен, например, отводом на первом контуре 100 или на существующей линии, такой как линия IS, отводом RCV или отводом на линии RRA. Естественно, отверстие 121 расположено в нижней части верхнего участка 211 для того, чтобы способствовать течению под действием силы тяжести всей воды второго контура, содержащейся в парогенераторе 210.
Эта труба 120 оснащена устройством, предусматривающим:
- в ситуации нормальной работы реактора 1, другими словами, при отсутствии какой-либо аварии, предотвращение любой циркуляции текучей среды второго контура в ней,
- в ситуации ненормальной работы реактора 1, приводящей к продавливанию или риску продавливания корпуса 10, циркуляцию в ней текучей среды второго контура от парогенератора 210 вплоть до трубы первого контура 100.
С этой целью это устройство выполнено так, чтобы выборочно позволять прохождение текучей среды. Согласно одному примеру это устройство содержит клапан 219. В конфигурации гидравлической изоляции клапан 219 предотвращает любую циркуляцию текучей среды в трубе 120.
Когда система обеспечения безопасности активируется, клапан 219 устраняет эту гидравлическую изоляцию.
Согласно первому варианту выполнения клапан 219 предназначен для удаленного управления между закрытой конфигурацией и открытой конфигурацией. Поочередное переключение из закрытой конфигурации в открытую конфигурацию выполняется путем активации клапана 219. В этом первом варианте выполнения, когда устройство обеспечения безопасности обнаруживает продавливание или неминуемый риск продавливания корпуса 10, оно может удаленно запускать открытие клапана 219.
Согласно второму варианту выполнения переключение из закрытой конфигурации в открытую конфигурацию выполняется вручную действием оператора. В этом втором варианте выполнения, когда устройство обеспечения безопасности обнаруживает продавливание или неминуемый риск продавливания корпуса 10, оно может запускать сигнал, уведомляющий о том, что клапан 219 должен быть открыт.
В этом варианте выполнения со специальной трубой 120 между оболочкой 15 парогенератора 210 с холодной стороны первого контура и трубопроводом первого контура 100 наличие U-образной ветви между парогенератором 210 и корпусом 10 на самом деле не представляет проблем с заполнением этой U-образной ветви. Более того, можно предусматривать течение под действием силы тяжести от забора воды второго контура в парогенераторе 210 вплоть до отвода 122 трубы 120, позволяющее воде входить в основную холодную ветвь 13 корпуса 10 и затем в опускную камеру 16 без какого-либо подъемного насоса. Это проиллюстрировано на Фигуре 8.
Малая высота парогенератора 210 расположена выше высоты горячей и холодной ветвей корпуса 10 и их соответственных отверстий 13, 14, тем самым позволяя потоку течь под действием силы тяжести от оболочки парогенератора 210 вплоть до верха опускной камеры 16. При открытии клапана 219 (или при разрушении трубки 214) давление второго контура по существу выше давления первого контура, и адиабатическое расширение происходит на уровне разрушения защитного барьера, расщепляя часть жидкой воды второго контура на пар, тогда как другой участок остается жидким и затем течет под действием силы тяжести после начальной фазы приведения в движение путем индуцированного распыления под действием кинетической силы пара, образованного в результате расширения.
пробоины
пробоины
В этих вариантах выполнения, когда проход текучей среды второго контура в первый контур 100 выполняется с помощью трубы 120, сечение S равно минимальному сечению этой трубы 120 и предпочтительно меньше него. Естественно, если группа труб 120 выполнены с возможностью заливки воды второго контура в корпус 10, то S равно сумме эквивалентных сечений пробоин, поступающих в корпус 10.
В одном варианте выполнения можно предусматривать, чтобы труба 120 также находилась в сообщении по текучей среде с резервуаром с бором, например, с помощью отвода 120’.
Следует также отметить, что один и тот же конец 122 трубы 120 может быть соединен с несколькими парогенераторами 210. С этой целью участок 123 трубы питается несколькими ветвями 120, 120’, каждая из которых соединена с отдельным парогенератором. Это имеет преимущество, состоящее в том, что в первый контур 100 затягивается вода, захваченная в нескольких парогенераторах 210, при выполнении только одного отвода 122 на первом контуре 100, что тем самым уменьшает влияние этого решения с точки зрения безопасности.
В примере на Фигуре 7 компенсатор 110 давления расположен между парогенератором 210 и выходным отверстием 14 корпуса 10, как это обычно бывает. В этом примере отвод 122 расположен между парогенератором 210 и корпусом 10.
В примере на Фигуре 8 компенсатор 110 давления расположен между парогенератором 210 и входным отверстием 13 корпуса 10. В этом примере отвод 122 расположен между компенсатором давления и корпусом 10.
На Фигуре 9 очень упрощенным образом проиллюстрирован вариант выполнения, в котором заливка воды второго контура в первый контур 100 выполняется путем добавления трубы к парогенераторам 210, как в трубе 120 варианта выполнения, проиллюстрированного на Фигурах 7 и 8. Эта труба продолжается между входным отверстием 121 и выходным отверстием 122.
Тем не менее отвод этой трубы выполнен на устройстве 170 для охлаждения реактора при остановке (это устройство обычно обозначается его аббревиатурой RRA) для того, чтобы избегать сверления трубопровода первого контура 100.
Устройство 170 RRA установки содержит:
- первый контур, содержащий теплообменник 130, чье входное отверстие 131 и выходное отверстие 132 соединены с первым контуром 100, предпочтительно с холодными входами, каждый из которых соединен с отдельным парогенератором 210. В проиллюстрированном примере для наглядности входное отверстие 131 и выходное отверстие 132 соответственно соединены с горячей ветвью и холодной ветвью одного и того же первого контура 100. Предпочтительно первый контур этого устройства 170 RRA соединен с холодными входами нескольких, обычно двух, парогенераторов 210. Таким образом, ветвь 131 соединена с холодным входом первого парогенератора 210, а ветвь 132 соединена с холодным входом второго парогенератора 210.
- второй контур 140, образующий гидравлическую петлю в сообщении с теплообменником 130, с одной стороны, и с дополнительным теплообменником 150, с другой стороны,
- третий внешний контур 160 в сообщении с дополнительным теплообменником 150 и содержащий источник холода.
Как и в предыдущем примере, эта труба оснащена выборочным устройством для гидравлической изоляции или для гидравлического сообщения, таким как клапан 219. Этот клапан 219 может управляться вручную или удаленно.
Таким образом, преимущество этого варианта выполнения состоит в том, что система обеспечения безопасности настоящего изобретения не требует выполнения дополнительного отвода на первом контуре 100. Таким образом, этот вариант выполнения позволяет избегать необходимости введения дополнительных ограничений с точки зрения безопасности, при этом предусматривая эффективное решение для борьбы с продавливанием корпуса вследствие эффекта фокусировки.
Учитывая вышеприведенное описание, очевидно, что изобретение предусматривает надежное и стабильное решение для значительного улучшения безопасности ядерного реактора типа PWR, в частности, в случае потери теплоносителя из первого контура.
Предпочтительно и как описано выше, точка сообщения между первым контуром и вторым контуром выбирается так, что прохождение воды второго контура по направлению к первому контуру происходит почти исключительно со стороны холодной ветви первого контура. Таким образом, вода парогенераторов будет следовать по холодным ветвям первого контура до течения под действием силы тяжести в опускную камеру, где происходит продавливание корпуса вследствие эффектов фокусировки.
Изобретение не ограничено ранее описанными вариантами выполнения и распространяется на все варианты выполнения, охватываемые формулой изобретения.
Естественно, изобретение не ограничено реактором, имеющим конструкцию, проиллюстрированную на Фигуре 4, и могут быть выполнены многочисленные изменения этого реактора без отклонения от объема охраны, определенного формулой изобретения.
В частности, только одно входное отверстие 13 и одно выходное отверстие 14 представлены на фигурах. Предпочтительно, реактор 1 содержит группу входных отверстий и группу выходных отверстий. Предпочтительно, он также содержит группу парогенераторов 210.