ФИЛЬТР ДЛЯ СИСТЕМЫ ВЕНТИЛЯЦИИ ЗАЩИТНОЙ ОБОЛОЧКИ АТОМНОГО РЕАКТОРА
FILTER FOR NUCLEAR REACTOR PROTECTIVE SHELL VENTILATION SYSTEM

ПЕРЕКРЕСТНЫЕ ССЫЛКИ НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ
[0001] Настоящая заявка притязает на приоритет согласно 35 U.S.С. § 119(e) по предварительной заявке на патент США №61/668,585, поданной 6 июля 2012, названной «Мокрый скруббер с использованием волоконных фильтров для вентиляции защитной оболочки реактора с водой под давлением и реактора с кипящей водой».
ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0002] В целом настоящее изобретение относится к системам вентиляции защитной оболочки атомного реактора, а более конкретно к мокрому фильтру для таких систем.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0003] Во многих юрисдикциях атомные электростанции должны быть разработаны так, чтобы в случае аварии предусматривать механизм предотвращения или сведения к минимуму выброса радиоактивного материала и благородных газов. Для защиты от радиоактивных выбросов система реактора обычно расположена внутри конструкции первичной защитной оболочки, которая построена из стали и железобетона. Сосуд первичной защитной оболочки выполнен с возможностью выдерживать большие давлений, которые могут возникнуть при различных сценариях аварии. Тем не менее, предполагается, что в случае тяжелых аварий сам сосуд защитной оболочки может разрушиться из-за постепенно увеличивающегося давления. Несмотря на то что вероятность такого события считается очень низкой, риски для здоровья, связанные с воздействием на окружающее население радиоактивных выбросов при таком событии, убедили многих в необходимости предусматривать механизм фильтрации газов и сведения к минимуму выброса радиоактивности, если сосуд защитной оболочки вентилируется для уменьшения давления в нем. То есть желательно предусмотреть как устройство сброса давления для сосуда защитной оболочки, так и механизм для фильтрации любых газов, которые могут быть выброшены из защитной оболочки перед их выбросом в атмосферу.
[0004] Аварии на объектах атомной энергетики в Чернобыле на Украине в 1986 г. и не так давно в «Фукусима-Дайичи» (Fukushima Dai-ichi) в Японии в 2011 г. ясно показывают, какими бывают последствия выброса продуктов деления с длительными периодами распада. Большие площади земель, окружающих поврежденные электростанции, были загрязнены и стали неподходящими для использования на несколько десятилетий. Экономические убытки были огромными. Короткоживущие продукты деления, такие как йод в разных формах, несмотря на то, что они являются более вредными для людей, приводят к легче преодолеваемым последствиям. Долгоживущие продукты деления в форме мелких аэрозолей могут быть распространены на большие расстояния, в зависимости от метеорологических условий. В результате этих аварий правительства многих стран решили, что на атомных электростанциях нужно устанавливать системы фильтрующей вентиляции защитной оболочки для защиты людей и окружающих земель от вреда из-за радиоактивного загрязнения.
[0005] В прошлом было предложено несколько систем фильтрации, таких как, например, описанная в патенте США №4610840, выданном Личу (Leach) и переуступленном правопреемнику настоящего изобретения. Лич описывает систему отделения продукта деления для атомного реактора. В частности, второй отсек, находящийся в сообщении по текучей среде с защитной оболочкой, частично заполнен водой. В случае сильного увеличения давления разрывной диск, расположенный в выходящей из вторичного отсека вентиляционной трубе, разрывается, сбрасывая давление. Когда разрывной диск разрушается, радиоактивные газы и пары из защитной оболочки проходят через заполненный водой вторичный отсек и затем выпускаются через теперь уже открытую вентиляционную трубу. Когда горячие газы и пары защитной оболочки проходят через воду, находящуюся в закрытом вторичном отсеке, большая часть продуктов деления отделяется от газов защитной оболочки. Несмотря на то что такая система может быть эффективной, все еще существует возможность улучшения для уменьшения размера и увеличения эффективности такой системы с целью сведения к минимуму любого облучения, к которому может потенциально привести такой выброс.
[0006] Соответственно, задача настоящего изобретения заключается в разработке более эффективного фильтра, который сводит к минимуму, если не исключает полностью, любой радиоактивный сбросный поток, который может быть увлечен любым выбросом газов из первичной защитной оболочки атомного реактора.
[0007] Дополнительная задача настоящего изобретения заключается в разработке такой системы фильтрации, которая может быть установлена внутри первичной защитной оболочки атомного реактора или в существующих или новых зданиях рядом с первичной защитной оболочкой, не занимая существенного пространства.
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0008] Эти и другие задачи достигаются посредством атомной энергетической установки, имеющей первичную защитную оболочку для заключения в ней атомного реактора. Защитная оболочка удерживает существенную часть любой радиации, проникающей из атомного реактора. Первичная защитная оболочка имеет вентиляционный выход для обеспечения управляемого сброса при повышении давления атмосферы под защитной оболочкой в случае увеличения давления сбрасываемого из атмосферы под защитной оболочкой потока до уровня, который угрожает целостности ее конструкции. С этим вентиляционным выходом соединен фильтр, который включает в себя сосуд, имеющий соединенный с вентиляционным выходом входной патрубок и входной трубопровод, находящийся в сообщении по текучей среде с входным патрубком и проходящий в нижнюю часть внутреннего пространства сосуда фильтра. С входным трубопроводом соединен коллектор, который проходит в нижнюю часть сосуда. Коллектор включает в себя множество выходов, выполненных с возможностью выпускать часть сбрасываемого из атмосферы под первичной защитной оболочкой потока под бассейном жидкости, содержащейся внутри сосуда фильтра. У выходов коллектора установлены волоконные фильтры. Сбрасываемый поток из первичной защитной оболочки, который распределяется коллектором, пропускается через волоконные фильтры. Также предусмотрен выход сосуда, находящийся в сообщении по текучей среде с внутренним пространством сосуда и выполняющий функцию выпуска отфильтрованного сбрасываемого из атмосферы под защитной оболочкой потока во внешнюю атмосферу снаружи защитной оболочки. В одном варианте осуществления коллектор и волоконные фильтры покрыты жидкостью, такой как вода, которая может содержать тиосернокислый натрий, растворенный в жидкости.
[0009] Во втором варианте осуществления фильтр включает в себя туманоуловитель, поддерживаемый внутри сосуда над бассейном жидкости, для отделения любой влаги от выходящей фракции отфильтрованного сбрасываемого из атмосферы под защитной оболочкой потока. Необязательно, второй комплект волоконных фильтров проходит от второго коллектора, который соединен с выходом сосуда, причем эти волоконные фильтры предпочтительно поддерживаются над туманоуловителем. В этом варианте осуществления второй комплект волоконных фильтров имеет большую плотность волокон, чем у первого комплекта волоконных фильтров, и, желательно, оба комплекта волоконных фильтров содержат металлические волокна. Предпочтительно внутреннее пространство сосуда поддерживается под давлением, превышающим атмосферное давление, и содержит инертную среду, образованную с помощью азота, во время состояний ожидания.
[0010] В еще одном варианте осуществления коллектор проходит в нижнюю часть сосуда под острым углом к центральной оси сосуда и предпочтительно выполнен в форме перевернутой "V", имеющей проходящие вниз с каждой стороны от вершины ответвления с выходами, выступающими из по меньшей мере одного из ответвлений. В этой конфигурации входной трубопровод предпочтительно соединен с коллектором у вершины, и каждое из проходящих вниз ответвлений имеет выступающие из него выходы. Желательно, чтобы выходы проходили вверх от проходящих вниз ответвлений.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0011] Более ясное понимание изобретения, заявленного здесь далее, может быть достигнуто из последующего подробного описания предпочтительных вариантов осуществления при его рассмотрении совместно с прилагаемыми чертежами, на которых:
[0012] Фиг. 1 представляет собой схематичный вид в разрезе в вертикальной проекции сооружения защитной оболочки с показанными принципиальными компонентами реактора с водой под давлением, к которому может быть применено настоящее изобретение; и
[0013] Фиг. 2 представляет собой схематичный вид одного варианта осуществления настоящего изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
[0014] Обратимся к Фиг. 1, на которой схематично показана энергетическая система с реактором с водой под давлением, включающая в себя сооружение 10 защитной оболочки (обычно имеющее относительно толстый слой бетона над стальным кожухом), которое заключает в себе компоненты системы атомного реактора, такие как корпус 12 реактора, парогенератор 14, насос 16 охлаждения реактора, накопительный резервуар 18 и потолочный полярный кран 20. Поскольку все эти компоненты и их взаимоотношения хорошо известны и, к тому же, поскольку они особо не взаимодействуют, конструктивно или функционально, с данным изобретением, они не описаны и не проиллюстрированы более подробно. Несмотря на то что предпочтительный вариант осуществления изобретения описан со ссылкой на реактор с водой под давлением, следует понимать, что система в соответствии с заявленным далее изобретением в равной степени применима к атомным реакторам любой другой конструкции, таким как, например, реактор с кипящей водой или газофазный реактор.
[0015] Задача фильтрующего узла в применении к первичной защитной оболочке атомного реактора заключается в отделении радиоактивного вещества от газа, выпускаемого во время сброса давления защитной оболочки, для значительного уменьшения выброса радиоактивности в случае тяжелой аварии. Фильтр согласно настоящему изобретению подсоединяется либо к уже установленной системе вентиляции, либо во время новой установки такой системы. Фильтр располагается после изолирующих клапанов и/или разрывного диска, вблизи от защитной оболочки и перед разрывным диском, ведущим к выпускной трубе установки. В состоянии ожидания в фильтре предпочтительно поддерживается инертная среда с помощью азота для предотвращения горения водорода и ухудшения воды фильтра и внутренних частей бака.
[0016] Один вариант осуществления фильтрующего узла, внедряющего принципы настоящего изобретения, проиллюстрирован на Фиг. 2. Основные части фильтра 22 заключены в баке или сосуде 24 под давлением, который может находиться под давлением для уменьшения его размера. Создание давления реализуется через отверстие 28, расположенное сразу за выходом 26 бака фильтра ниже по потоку от него. Нижняя часть бака 24 заполнена водой 30 через вход 32 для воды. Вода 30 выполняет две функции: отвод теплоты радиоактивного распада от захваченных продуктов деления и улучшение эффективности фильтра. Химикаты, такие как тиосернокислый натрий, могут быть добавлены в воду 30, чтобы захватывать и удерживать йод в газообразной и аэрозольной форме.
[0017] Вентилируемый газ из внутреннего пространства защитной оболочки передается в центральную входную трубу 34, которая передает вентилируемый газ в коллектор 36 в нижней части бака 24. Нижний коллектор 36 имеет два проходящих вниз ответвления 38 и 40, которые проходят вниз под острым углом от вершины 39 с образованием перевернутой "V". Каждое из ответвлений 38 и 40 имеет множество выходов 42, которые проходят в направлении вверх в бассейн с водой 30. Картридж с фильтрами 44 с металлическими волокнами проходит от каждого из выходов 42 коллектора и находится с ними в сообщении по текучей среде. Фильтры 44 с металлическими волокнами (волоконные фильтры) выполняют две функции: фильтрации аэрозолей и расщепления вентилируемого газа на маленькие пузырьки, чтобы газ мог быть более эффективно очищен в бассейне с водой 30. Несмотря на то что предпочтительными являются фильтры с металлическими волокнами и предпочтительнее со спеченными металлическими волокнами, также могут быть использованы другие фильтровальные среды без отхода от принципов изобретения. Захваченные продукты деления в картриджах 44 фильтра выделяют теплоту радиоактивного распада, но не могут создать достаточно высоких для повреждения температур, так как они расположены в воде фильтра. Аэрозоли распределяются по площади фильтров с металлическими волокнами каждого картриджа, так что нет риска засорения фильтров. Ответвления 38 и 40 коллектора являются наклонными, за счет чего работать будет несколько картриджей в соответствии с потерей динамического давления из-за объемного расхода. Таким образом, система может быть использована в широком диапазоне расходов и даже при очень низких величинах расхода и давления в защитной оболочке. Полная потеря давления в мокром фильтре 22 будет равна уровню 46 воды в баке 24, и, поскольку он является относительно низким, система фильтрования обеспечит раннюю вентиляцию первичной защитной оболочки, когда давление низко, и сохранение очень низкого давления первичной защитной оболочки имеет преимущества в некоторых сценариях аварий.
[0018] Туманоуловитель 48 поддерживается в верхней части бака 24 под выходом 26. Туманоуловитель удаляет капли воды, которые могут быть увлечены паром, который покидает бак фильтра. Предпочтительно система 22 также включает в себя вторичный фильтр для удаления более мелких аэрозолей, которые не могут быть отфильтрованы фильтрами с металлическими волокнами, погруженными в воду, и самой водой. Вторичный фильтр включает в себя второй, верхний коллектор 50, находящийся непосредственно под выходом 26 бака и в сообщении по текучей среде с ним. Вторичный коллектор включает в себя множество проходящих предпочтительно вниз входов 52, которые соединены с и находятся в сообщении по текучей среде с фильтрами 54 с металлическими волокнами из вторичного комплекта, по одному на каждый вход 52, поддерживаемыми над туманоуловителем 48. Картриджи вторичных фильтров 54 с металлическими волокнами обычно являются такими же, как и картриджи 44, но имеют более мелкую и более плотно упакованную сетку для захвата более мелких аэрозолей. Поскольку фильтры второго комплекта будут испытывать воздействие очень небольших количеств аэрозолей, они не будут перегреваться. В нижней части бака 24 предусмотрен слив 56 в целях обслуживания. Вход 32 для воды и слив 56 также используются для отбора проб воды как в режиме ожидания, так и после приведения в действие. Предпочтительно бак 24 фильтра установлен за радиационным экраном, и вблизи от бака расположена экранированная панель управления. Предпочтительно бак расположен внутри конструкции ниже по потоку от изолирующих клапанов 58 и разрывных дисков 60 на выходе системы вентиляции. Желательно, если требуется пассивное приведение в действие, клапаны 68 являются обязательными, а клапаны 70 и разрывные диски 60 являются необязательными. Второй разрывной диск 62 может быть расположен в выходной трубе 64 бака, которая ведет к выходу в атмосферу. Разрывной диск 62 способствует созданию в баке 24 инертной среды с помощью азота и предпочтительно имеет низкое давление разрыва, например приблизительно 1,3 бар(а).
[0019] Система 22 фильтрования не требует подачи энергии извне и может быть выполнена с возможностью полностью пассивной эксплуатации в течение по меньшей мере 24 часов. Через некоторое время может быть добавлена вода. Система измерения и сигнализации уровня воды, фигурально показанная под ссылочным номером 66, используется для предотвращения избыточного падения уровня воды. Система 22 фильтрования может быть выполнена с возможностью использования для вентиляции как сухой шахты (сухого бокса), так и мокрой шахты (бака-барботера) у реакторов с кипящей водой и для вентиляции защитной оболочки у реакторов с водой под давлением.
[0020] Несмотря на то что выше подробно описаны конкретные варианты осуществления изобретения, специалисту в данной области техники будет понятно, что могут быть разработаны различные модификации и альтернативы этих подробностей в рамках общих идей изобретения. Соответственно, описанные конкретные варианты осуществления следует понимать только как иллюстративные и не ограничивающие объем изобретения, который полностью охватывает прилагаемую формулу изобретения и любые или все ее эквиваленты.