УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОДАВЛЕНИЯ ДЕТОНАЦИИ И ГОРЕНИЯ ВОДОРОДА

Полезная модель относится к пассивным средствам противоаварийной защиты атомных электростанций (АЭС), конструктивно объединенных с ядерным реактором. Полезная модель может использоваться в составе системы подавления детонации и горения водорода под защитной оболочкой при тяжелых запроектных авариях на АЭС с водо-водяным энергетическим реактором типа ВВЭР-1000.
Тяжелые запроектные аварии на АЭС сопровождаются образованием большого количества водорода в результате взаимодействия пара при высоких температурах с элементами конструкции реактора, выполненными из циркония (пароциркониевая реакция), и взаимодействия расплавленного топлива и элементов конструкции активной зоны реактора с бетоном в нижней части шахты, например, при проплавлении корпуса реактора. Такие аварийные ситуации могут приводить к образованию взрывоопасных водородосодержащих газовых смесей в помещениях, находящихся под защитной оболочки реактора. Данные помещения образуют зону локализации аварии (ЗЛА). Возникновение дефлаграции и/или детонации водорода в объеме ЗЛА может привести к значительному повреждению герметичного ограждения системы локализации аварии. В результате этого защитная оболочка не сможет осуществлять свои функции, связанные с локализацией аварии.
Предотвращение достижения взрывоопасной концентрации водорода в помещениях ЗЛА обеспечивается за счет оснащения АЭС пассивной системой подавления детонации и горения водорода, размещенной во внутреннем объеме ЗЛА. Данная система предназначена для предотвращения образования взрывоопасных газовых смесей. Известны различные конструкции устройств, обеспечивающих подавление детонации и горения водорода во внутреннем объеме ЗЛА. Так, например, в опубликованной японской патентной заявке JP 8334585A (МПК: G21C 13/00, G21C 9/04, опубликована 17.12.1996) описано устройство, предназначенное для подавления детонации и горения водорода под защитной оболочкой реактора. Устройство содержит резервуар с рабочим веществом, с помощью которого подавляется детонация водорода при взаимодействии газообразного водорода и кислорода. Резервуар расположен за пределами ЗЛА и соединен с пространством под защитной оболочкой через питающие трубопроводы, на которых установлены управляемые запорные клапаны. При возникновении аварийной ситуации средствами сигнализации вырабатывается сигнал, поступающий в систему управления, которая, в свою очередь, вырабатывает управляющий сигнал, подаваемый на органы управления запорных клапанов. После открытия запорных кланов газообразное вещество инжектируется через питающие трубопроводы в отдельные отсеки пространства под защитной оболочкой.
Известно также устройство, обеспечивающее подавление детонации и горения водорода под защитной оболочкой ядерного реактора, которое раскрыто в патенте US 5321730 (МПК: С05В 5/00, G21C 19/317, G21C 9/00, опубликован 14.06.1994). Устройство содержит резервуар, расположенный за пределами защитной оболочки реактора. Резервуар заполнен суспензией, содержащей частицы катализатора. Выходной патрубок резервуара соединен через питающий трубопровод с пространством под защитной оболочкой. Управление подачей суспензии под защитную оболочку осуществляется с помощью управляемых запорных клапанов, установленных на питающем трубопроводе. Питающий трубопровод подключен к коллектору с распылителями жидкости, которые расположены вблизи от корпуса реактора. При распылении суспензии через распылители в виде тонкораспыленных потоков осуществляется нагрев и сушка ультрадисперсных частиц катализатора. В результате частицы катализатора равномерно распределяются в пространстве под защитной оболочкой реактора в виде аэрозоли, способствуя эффективному окислению газообразного водорода и снижению его концентрации.
Наиболее близким аналогом полезной модели является устройство, предназначенное для предотвращения детонации и горения водорода, которое описано в европейском патенте ЕР 0466052 В1 (МПК: G21C 15/18, G21C /00, G21C 9/06, опубликован 15.01.1992). Известное устройство включает в свой состав резервуар, заполненный жидкостью (сжиженным газом), систему вытеснения жидкости, которая выполнена в виде баллона со сжатым газом (гелием), и коллектор с распылителями жидкости. В качестве жидкости, обеспечивающей снижение концентрации водорода пространстве под защитной оболочкой реактора, используется сжиженный азот или углекислота. Питающий трубопровод с управляемым запорным клапаном соединяет выходной патрубок резервуара с коллектором и распылителями жидкости.
При возникновении аварийной ситуации по сигналу системы управления происходит открытие запорных клапанов на магистрали подачи сжатого газа в газовую полость резервуара и на питающем трубопроводе. Под действием давления сжатого газа жидкость вытесняется из резервуара и подается через питающий трубопровод к распылителям жидкости. В процессе истечения жидкости через распылители, расположенные в активной зоне ядерного реактора, происходит нагрев капель жидкости и преобразование сжиженного газа (жидкого азота или углекислого газа) в газообразное состояние. Заполняя пространство ЗЛА, рабочий газ препятствует возникновению дефлаграции и/или детонации водорода.
Следует отметить, что как наиболее близкий аналог, так и другие известные аналоги полезной модели снижают вероятность возникновения процесса горения и детонации водорода под защитной оболочкой ядерного реактора с помощью достаточно сложной системы подачи рабочего вещества. Кроме того, в известных системах применяются специальные составы рабочего вещества, включающие дорогостоящие диспергированные катализаторы. Однако применение таких составов не обеспечивает в полной мере предотвращение детонации и горения водорода.
Патентуемая полезная модель направлена на упрощение конструкции устройства для подавления детонации и горения водорода за счет исключения из состава устройства системы принудительной подачи рабочей жидкости и на снижение стоимости системы предотвращения аварий посредством использования имеющихся на АЭС резервных запасов перегретой воды и деаэраторов в качестве резервуаров для хранения рабочей жидкости. Кроме того, полезная модель обеспечивает повышение эффективности подавления детонации и горения водорода под защитной оболочкой ядерного реактора за счет использования пара, образуемого при распылении перегретой воды, для снижения концентрации газообразного водорода при допустимом уровне давления в ЗЛА.
Достижение данных технических результатов обеспечивается при использовании устройства, предназначенного для подавления детонации и горения водорода под защитной оболочкой ядерного реактора, которое содержит резервуар для хранения жидкого рабочего вещества, коллектор с распылителями жидкости и питающий трубопровод с управляемым запорным клапаном. В качестве резервуара используется деаэратор, входящий в состав водяного контура охлаждения ядерного реактора. При этом выходной патрубок деаэратора подключен через питающий трубопровод к коллектору.
Подавление детонации и горения водорода осуществляется путем использования порядка 320 тонн перегретой поды, находящейся в деаэраторах ядерного реактора под давлением 0,65 МПа. Температура воды в деаэраторах составляет ~165°С. Деаэраторы являются частью водяного контура охлаждения ядерного реактора, например, ВВЭР-100. Два деаэратора реактора данного типа размещены на деаэраторной этажерке с внешней стороны защитной оболочки на высоте 31,2 м и 28,6 м от основания реактора. Подача перегретой вода к распылителям жидкости, установленным на коллекторе, производится через питающий трубопровод при открытии управляемого клапана.
Вода поступает к распылителям жидкости под действием суммарного избыточного давления, которое складывается из исходного давления, поддерживаемого в деаэраторах водяного контура охлаждения реактора, и гидростатического давления, обусловленного высотой установки деаэраторов относительно коллекторов с распылителями жидкости. При распылении перегретой воды через распылители в пространстве ЗЛА формируются направленные потоки тонкораспыленной воды и образуется водяной пар. При смешении под защитной оболочкой пара с газообразным водородом образуется парогазовая смесь. За счет поддержания высокой объемной концентрации пара в пространстве под защитной оболочкой локальная объемная концентрация водорода оказывается ниже критических значений, при которых происходит воспламенение и детонация водорода. Подавление горения и детонации водорода осуществляется без применения специально предназначенных для этого рабочих веществ и катализаторов, дополнительных резервуаров и системы вытеснения рабочей жидкости из резервуаров.
Для исключения возможности попадания парогазовой смеси из пространства под защитной оболочки в контур охлаждения реактора на питающем трубопроводе, соединяющем каждый деаэратор с коллектором, устанавливается обратный клапан.
С целью равномерного распределения тонкораспыленных потоков воды в пространстве под защитной оболочкой коллектор выполняется в виде замкнутого контура, огибающего корпус ядерного реактора в горизонтальном направлении.
Устройство может содержать два деаэратора, два питающих трубопровода и два коллектора. К выходному патрубку каждого деаэратора подключен питающий трубопровод, соединенный с коллектором. Коллекторы предпочтительно устанавливаются симметрично у диаметрально противоположных сторон корпуса ядерного реактора. Распылители жидкости равномерно распределяются вокруг корпуса ядерного реактора.
В состав устройства может входить, по меньшей мере, один датчик давления и один датчик контроля концентрации газа, которые устанавливаются под защитной оболочкой ядерного реактора. Для обеспечения автоматического режима подавления горения и детонации водорода устройство может содержать систему управления. Входы системы управления соединяются с датчиками давления и контроля концентрации газа, а ее выходы - с органами управления запорных клапанов.
Для снижения концентрации водорода в пространстве под защитной оболочкой до безопасных значений в качестве дополнительных средств используются средства пассивной каталитической рекомбинации водорода (рекомбинаторы). Следует отметить, что производительность штатных средств пассивной каталитической рекомбинации без использования потоков тонкораспыленной воды недостаточна для подавления детонации и горения водорода на критических этапах развития аварии (при протекании пароциркониевой реакции и взаимодействии расплавленного топлива с бетоном).
Далее полезная модель поясняется описанием конкретного примера выполнения устройства, предназначенного для подавления детонации и горения водорода под защитной оболочкой ядерного реактора типа ВВЭР-1000. На поясняющем чертеже (см. фиг.1) изображена схема размещения узлов и элементов конструкции устройства в горизонтальных плоскостях (на уровне размещения деаэраторов за пределами защитной оболочки и на уровне установки коллекторов).
Устройство содержит два деаэратора 1, которые входят в состав водяного контура охлаждения реактора. Деаэраторы 1 установлены на деаэраторной этажерке: один деаэратор на отметке 31,2 м, а второй - на отметке 28,6 м относительно основания ядерного реактора. Суммарный запас перегретой воды, заполняющей деаэраторы 1, составляет 323 тонны. Перегретая вода находится в деаэраторах 1 водяного контура охлаждения реактора под давлением 0,65 МПа при температуре 165°С.
Выходной патрубок каждого деаэратора 1 соединен через питающий трубопровод 2 диаметром 100 мм с коллектором 3, который расположен под защитной оболочкой 4. Каждый коллектор 3 выполнен в форме замкнутого контура (рамки), огибающего корпус ядерного реактора 5. С внешней стороны корпуса ядерного реактора 5 установлена сухая бетонная защита 6. В рассматриваемом примере выполнения устройства два коллектора 3 симметрично расположены у диаметрально противоположных сторон корпуса ядерного реактора 5. Коллекторы 3 установлены на отметке 19,2 м относительно основания реактора.
Коллекторы 3 представляют собой замкнутые трубопроводы в форме изогнутых вдоль внешней поверхности корпуса ядерного реактора 5 рамок. Трубопроводы каждого коллектора 3 изогнуты по окружностям диаметром 14 м и 13 м и расположены в горизонтальной плоскости. Протяженность трубопроводов коллекторов 3 вдоль поверхности корпуса ядерного реактора 5 составляет 11 м и 12 м соответственно. Изогнутые трубопроводы коллектора 3 соединены между собой боковыми перемычками длиной порядка 1 м.
На каждом коллекторе 3 установлено по 24 распылителя жидкости 7, которые обеспечивают формирование тонкораспыленных газокапельных потоков в пространстве под защитной оболочкой 4. Распылители жидкости 7 равномерно распределены вокруг корпуса ядерного реактора 5.
Каждый питающий трубопровод 2 снабжен управляемым запорным клапаном 8 и обратным клапаном 9. Управляемые запорные клапаны выполнены с возможностью открытия-закрытия по командам системы управления 10 и с возможностью ручного управления.
Под защитной оболочкой 4 установлены датчики давления 11 и датчики 12 контроля концентрации газа, соединенные с входами системы управления 10. Выходы системы управления 10 связаны с органами управления запорных клапанов 8. Устройство включает в свой состав средства пассивной каталитической рекомбинации газообразного водорода (рекомбинаторы), которые также размещены под защитной оболочкой 4 (на фиг.1 не показаны).
Работа устройства осуществляется следующим образом.
При возникновении тяжелой запроектной аварии в пространстве под защитной оболочкой 4 происходит интенсивное образование газообразного водорода в результате взаимодействия расплавленного топлива и элементов конструкции ядерного реактора. Контроль содержания (концентрации) газообразного водорода и пара в пространстве под защитной оболочкой 4 производится с помощью датчиков 12. В случае достижения нижнего значения концентрации водорода, при котором возможно возникновение детонации водорода, происходит срабатывание датчика контроля концентрации водорода и по сигналу системы управления (СУ) 10 осуществляется открытие управляемых запорных клапанов 8 на питающих трубопроводах 2. После этого происходит подача перегретой воды из деаэраторов 1 в коллекторы 3 под действием начального давления в деаэраторах 1 и гидростатического давления, обусловленного перепадом высот установки деаэраторов 1 и коллекторов 3. Затем перегретая вода распыляется через распылители 7. Распыленная перегретая вода преобразуется в смесь, состоящую из пара и тонкораспыленной воды, которая заполняет пространство под защитной оболочкой 4.
Подача перегретой воды из деаэраторов 1 происходит до момента, когда давление под защитной оболочкой достигнет максимально допустимого значения, равного 0,3 МПа. При достижении указанной величины давления срабатывает датчик давления 11 и система управления 10 вырабатывает управляющий сигнал, который передается на органы управления управляемых запорных клапанов 8. После закрытия запорных клапанов 8 подача воды из деаэраторов 1 прекращается. Дальнейшая подача перегретой воды в пространство под защитной оболочкой осуществляется по сигналам датчика давления 11 таким образом, чтобы давлением парогазовой смеси поддерживалось пространстве ЗЛА в диапазоне от 0,25 до 0,3 МПа. Одновременно с распылением перегретой воды осуществляется снижение объемной концентрации водорода в парогазовой смеси до безопасного уровня с помощью средств пассивной каталитической рекомбинации водорода, установленных под защитной оболочкой 4. Запас перегретой воды в деаэраторах 1 позволяет избежать возникновения критических условий детонации водорода в течение периода времени, необходимого для снижения объемной концентрации водорода до безопасного уровня с помощью средств пассивной каталитической рекомбинации водорода (рекомбинаторов).
Таким образом, заполнение пространства под защитной оболочкой 4 смесью тонкораспыленной воды и пара, в которую преобразуется распыленная перегретая вода, позволяет увеличить объемную долю пара в парогазовой среде до величины, при которой исключается возможность детонации водорода и последующее разрушение защитной оболочки 4 с выходом в окружающую среду радиоактивных продуктов деления. Необходимо отметить, что процесс подавления детонации и горения водорода осуществляется без превышения предельного уровня давления под защитной оболочкой. Для подавления детонации и горения водорода используются имеющиеся средства, входящие в состав водяного контура охлаждения ядерного реактора.
Вышеописанный пример реализации полезной модели основан на применении автоматического режима подавления детонации и горения водорода, однако устройство, выполненное согласно полезной модели, может осуществлять свои функции и режиме ручного управления. Для этого оператор по показаниям датчиков давления и датчиков контроля концентрации газа может вручную открывать и закрывать запорные клапаны 8. В этом случае в качестве запорных клапанов 8 могут использоваться вентили с ручным управлением. Ручной режим управления позволяет эффективно подавлять детонацию и горение водорода в условиях тяжелой запроектной аварии без применения каких-либо средств управления и подачи жидкости, работа которых зависит от источника электрической энергии.