СИСТЕМА И СПОСОБ АВАРИЙНОГО РАСХОЛАЖИВАНИЯ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА
SYSTEM AND METHOD OF EMERGENCY COOLDOWN NUCLEAR REACTOR

[0001] Заявляемая группа изобретений относится к ядерной энергетике, в частности, к средствам и методам расхолаживания преимущественно реакторов с жидкометаллическим теплоносителем и может быть использована в системах аварийного расхолаживания ядерных реакторов.
[0002] Известна система аварийного расхолаживания реактора АЭС Брест ОД-300, описанная в статье «А.В. Жуков, Ю.А. Кузина, А.П. Сорокин, В.В. Привезенцев. Работы по реализации программы теплогидравлических исследований в РУ БРЕСТ и СВБР. Итоги научно-технической деятельности Института ядерных реакторов и теплофизики за 2011 год / Научно-технический сборник. Обнинск. ГНЦ РФ-ФЭИ. 2012. - 412 с., ил.». Аналогичная информация о БРЕСТ содержится в статье http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%91%D0%A0%D0%95%D0%A1%D0%A2.
[0003] В указанном техническом решении использована пассивная система воздушного аварийного охлаждения реактора за счет естественной циркуляции атмосферного воздуха. Эта система аварийного охлаждения состоит из воздушных теплообменников типа "труба Фильда", погруженных в теплоноситель первого контура в периферийные полости реактора.
[0004] Недостатками этого технического решения являются низкая интенсивность теплоотвода из бака реактора, связанная с наличием небольшой скорости движения охлаждающего воздуха через теплообменники системы аварийного охлаждения в режиме естественной циркуляции, а также отсутствие электрогенерирующих элементов для электропитания приборов и оборудования при запроектных авариях.
[0005] Известен также канал аварийного расхолаживания ядерного реактора выполнен в виде трубы Фильда (RU 2554082, G21C 15/00 2013). Данный патент выбран в качестве прототипа. Нижняя часть корпуса канала аварийного расхолаживания в указанном техническом решении заполнена жидкометаллическим теплоносителем таким образом, чтобы не препятствовать движению воздуха.
[0006] Канал аварийного расхолаживания содержит термосифоны, испарители которых расположены в части корпуса, заполненной жидкометаллическим теплоносителем. При этом поверхности теплообмена конденсаторов термосифонов являются поверхностью внутренней трубы корпуса.
[0007] Размещение термосифона внутри корпуса канала аварийного расхолаживания создает дополнительный канал отвода тепла к охлаждающему воздушному потоку, что позволяет использовать этот канал для преобразования тепла в электричество. Для этого в жидкометаллическом теплоносителе размещены термоэлектрические преобразователи, охватывающие испарители термосифонов.
[0008] Существенным преимуществом этого канала аварийного расхолаживания является то, что он может быть использован как источник электроэнергии для приборов и оборудования, размещенных непосредственно в реакторном зале, сохраняющем работоспособность при запроектных авариях.
[0009] Целесообразность использования подобных устройств наглядно продемонстрировали тяжелые аварии на атомных электростанциях в Чернобыле и Фукусиме, при которых были полностью утрачены информационные каналы диагностики состояния реактора и оборудования, размещенного в реакторном зале.
[0010] Недостатками этого технического решения являются низкая тепловая мощность, обусловленная режимом естественной циркуляции охлаждающего воздуха, а также низкая электрическая мощность, при которой можно запитать ограниченное количество маломощных потребителей (только датчики системы контроля).
[0011] Кроме того, нахождение термоэлектрических преобразователей в течении всего проектного срока эксплуатации энергоблока внутри активной зоны под действием значительного нейтронного потока может привести к разрушению электронных связей полупроводников и деградации электрогенерирующих свойств, или к необходимости периодической замены преобразователей на новые при проведении планово-предупредительных ремонтов.
[0012] Технический результат предлагаемой группы изобретений заключается в расширении арсенала технических средств и методов аварийного расхолаживания ядерного реактора для любых типов запроектных аварий при полном обесточивании.
[0013] Кроме того, техническим результатом является повышение эффективности теплообмена за счет принудительной циркуляции охлаждающего воздуха при обеспечении требования пассивности образа работы системы (т.е. без внешнего источника и управляющего воздействия).
[0014] Указанный технический результат достигается за счет того, что система аварийного расхолаживания ядерного реактора содержит, по крайней мере, один канал расхолаживания, выполненный в виде трубы Фильда, образованной внешней трубой и внутренней трубой.
[0015] Труба Фильда является разновидностью теплообменных аппаратов типа "труба в трубе". Внешняя труба, являющаяся корпусом канала аварийного расхолаживания, заглушена с одной стороны, а внутренняя труба делит внутреннее пространство канала аварийного расхолаживания на опускной и подъемный воздушные тракты.
[0016] В предлагаемом изобретении внешняя труба корпуса канала аварийного расхолаживания устанавливается таким образом, что ее заглушенная часть располагается внизу и помещена в жидкометаллический теплоноситель первого контура реактора. Подача охлаждающего воздуха осуществляется во внутреннюю трубу канала расхолаживания.
[0017] Система аварийного расхолаживания ядерного реактора содержит также, по крайней мере, один термоэлектрический преобразователь прямого преобразования тепловой энергии в электрическую и, по крайней мере, одно устройством подачи воздуха, приводимое в действие электродвигателем. Электродвигатель питается от одного или нескольких термоэлектрических преобразователей прямого преобразования тепловой энергии в электрическую, которые установлены на поверхности внешней и/или внутренней труб, взаимодействующей с холодной воздушной средой.
[0018] В предлагаемом изобретении под термином «холодная воздушная среда» понимается воздух, имеющий температуру окружающей среды, подаваемый в канал расхолаживания (охлаждающий воздух), а также воздух в помещении реакторного блока (вне корпуса реактора), в который выходит внешняя труба канала расхолаживания.
[0019] В предпочтительном варианте выполнения системы аварийного расхолаживания ядерного реактора термоэлектрические преобразователи расположены на наружной боковой поверхности внешней трубы канала расхолаживания вне корпуса реактора.
[0020] В одном из конкретных вариантов выполнения системы аварийного расхолаживания наружная боковая поверхность внешней трубы канала расхолаживания выполнена цилиндрической, а термоэлектрические преобразователи выполнены виде кольцевых термоэлектрических батарей.
[0021] В другом конкретном варианте выполнения системы аварийного расхолаживания наружная боковая поверхность внешней трубы канала расхолаживания или ее часть выполнена многогранной, а термоэлектрические преобразователи выполнены плоскими и расположены на соответствующих гранях внешней трубы.
[0022] В частном случае выполнения изобретения внутренняя боковая поверхность внутренней трубы канала расхолаживания или ее часть выполнена многогранной, а термоэлектрические преобразователи выполнены плоскими и расположены на соответствующих гранях внутренней трубы.
[0023] Технический результат в части способа как объекта изобретения заключается в том, что осуществляют принудительную циркуляцию охлаждающего воздуха в канале расхолаживания, выполненном в виде трубы Фильда, образованной внешней трубой, заглушенной с одного конца, и внутренней трубой, путем подачи охлаждающего воздуха во внутреннюю трубу и отвода из внешней трубы.
[0024] Циркуляцию охлаждающего воздуха осуществляют с помощью устройства подачи воздуха с электрическом приводом, запитанным от термоэлектрических преобразователей прямого преобразования тепловой энергии в электрическую, установленных на поверхности внешней и/или внутренней труб, взаимодействующей с холодной воздушной средой. В качестве электрического привода может быть применен любой известный подходящий для данного случая электродвигатель (например, постоянного тока) с редуктором.
[0025] Вышеизложенное представляет собой краткое изложение сущности изобретения и, таким образом, может содержать упрощения, обобщения, включения и/или исключения подробностей; следовательно, специалистам в данной области техники следует принять во внимание, что данное краткое изложение сущности изобретения является только иллюстративным и не подразумевает какое-либо ограничение.
[0026] Для лучшего понимания сути предлагаемого технического решения ниже приводится описание конкретного примера выполнения изобретения, не являющееся ограничительным примером практической реализации системы и способа аварийного расхолаживания ядерного реактора в соответствии с данным изобретением со ссылками на чертежи, на которых представлено следующее.
[0027] На фиг. 1 изображена обобщенная схема системы аварийного расхолаживания ядерного реактора.
[0028] На фиг. 2 изображена часть канала расхолаживания с цилиндрическим термоэлектрическим преобразователем.
[0029] На фиг. 3 изображена часть канала расхолаживания с плоскими термоэлектрическими преобразователями, расположенными на внешней и внутренней трубах трубы Фильда.
[0030] Следует учесть, что на чертежах представлены только те детали, которые необходимы для понимания существа предложения, а сопутствующее оборудование, хорошо известное специалистам в данной области, на чертежах не представлено.
[0031] Как было отмечено ранее, назначением настоящего изобретения является эффективный отвод тепла от корпуса реактора при аварии, основанный на принудительной циркуляции охлаждающего воздуха в канале расхолаживания при сохранении общего пассивного образа действия системы в целом. Основным принципом является то, что в качестве источника энергии для эффективной работы системы аварийного расхолаживания для борьбы с каким-либо вредоносным явлением используется само это явление, что и определяет пассивность образа функционирования.
[0032] Для этого, как показано на фиг. 1 система аварийного расхолаживания ядерного реактора содержит каналы расхолаживания 1, каждый из которых выполнен в виде трубы Фильда, образованной внешней трубой 2 и внутренней трубой 3. Внутренняя труба 3 делит внутреннее пространство канала аварийного расхолаживания на опускной 4 и подъемный 5 воздушные тракты.
[0033] Внешняя труба 2, являющаяся корпусом канала аварийного расхолаживания, своим заглушенным концом 6 помещена в жидкометаллический теплоноситель 7 первого контура реактора. Подача охлаждающего воздуха во внутреннюю трубу 3 и далее в опускной тракт 4 каждого канала расхолаживания 1 осуществляется через раздаточный коллектор 8. Отвод нагретого воздуха из подъемного тракта 5 в атмосферу осуществляется через сборный коллектор 9 и трубу 10.
[0034] Устройство подачи воздуха, например, вентилятор 11 приводится в действие электродвигателем 12. Раздаточный коллектор 8 может быть соединен с заборником 13 охлаждающего воздуха из атмосферы через вентилятор 11 (как показано на фиг. 1) или напрямую. В последнем случае вентилятор 11 подключается параллельно.
[0035] Электродвигатель 12 подключен к термоэлектрическим преобразователям 14 прямого преобразования тепловой энергии в электрическую, установленным на каналах аварийного расхолаживания 1 вне корпуса реактора. Термоэлектрические преобразователи 14 как показано на фиг. 2 могут быть выполнены в виде кольцевых термоэлектрических батарей 15, расположенных на наружной цилиндрической боковой поверхности внешней трубы 2.
[0036] Как показано на фиг. 3 термоэлектрические преобразователи 14 могут быть выполнены в виде пояса плоских термоэлектрических батарей 16, расположенного на наружной боковой поверхности внешней трубы 2, и пояса плоских термоэлектрических батарей 17, расположенного на внутренней боковой поверхности внутренней трубы 3. В этом случае для размещения батарей 16 и 17 соответствующие поверхности внешней 2 и внутренней 3 труб выполнены многогранными.
[0037] Для специалиста в данной области техники ясно, что возможно различное электрическое включение термоэлектрических батарей. Например, все термоэлектрические батареи могут быть подключены параллельно или могут быть разбиты на секции для питания отдельных электродвигателей. Также, для специалиста будет ясно, что количество вентиляторов 11 и, соответственно, приводных электродвигателей 12 может быть любым и определяется мощностью термоэлектрических преобразователей, а также требованиями надежности (дублирование систем).
[0038] Работа системы аварийного расхолаживания корпуса реактора (реализация способа) происходит следующим образом. Когда происходит авария и корпус с теплоносителем первого контура нагревается до определенной температуры, открываются пассивные термоклапаны (на фиг. не показаны) и в каналы аварийного расхолаживания 1 через раздаточный коллектор 8 начинает поступать охлаждающий воздух.
[0039] Проходя по подъемному воздушному тракту 5, воздух нагревается и нагревает соответственно внутреннюю поверхность наружной трубы 2 и наружную поверхность внутренней трубы 3, тепло от которых, в свою очередь передается на соответствующие поверхности кольцевых термоэлектрических батарей 15 или плоских термоэлектрических батарей 16, 17. Поскольку противоположные поверхности термоэлектрических батарей обращены в среду, имеющую меньшую температуру, появится электроэнергия, запустятся электродвигатели 12 и вентиляторы 11 начнут подавать охлаждающий воздух в канал аварийного расхолаживания 1 в режиме принудительной циркуляции с увеличенным потоком.
[0040] Данная схема циркуляции осуществляется в течение необходимого времени. При снижении температуры в корпусе реактора уменьшается электроэнергия, вырабатываемая термоэлектрическими преобразователями 14, соответственно, снижается поток воздуха на вентиляторе 11 и дальнейшее охлаждение осуществляется уже в режиме естественной циркуляции.
[0041] Применение предлагаемой системы аварийного расхолаживания ядерного реактора позволяет:
- обеспечить надежное охлаждения активной зоны реактора в условиях любых типов проектных и запроектных аварий за счет увеличения единичной тепловой мощности аварийного канала расхолаживания в 1,5 и более раз с помощью замены естественной циркуляции охлаждающего воздуха на принудительную, с большими скоростями прокачки охлаждающего воздуха при общем пассивном принципе работы системы.;
- иметь дополнительный независимый источник энергоснабжения оборудования и контролирующих приборов систем безопасности;
- работать полностью в пассивном режиме (без управляющего воздействия оператором);
- иметь возможность выработки электроэнергии с максимальным КПД и большой надежностью, т.к. условия работы ТЭБ предполагают нагрев изнутри и охлаждение снаружи (что будет уплотнять внутренние полупроводниковые слои при температурном расширении ТЭБ) и работа при более низких температурах и при отсутствии нейтронного потока).
[0042] Хотя в данном документе были описаны различные стороны осуществления заявленного изобретения, специалистам в данной области техники понятно, что возможны другие подходы к осуществлению данного изобретения. Различные стороны и реализация данного изобретения изложены в настоящем описании в иллюстративных целях и не подразумевают ограничения, причем объем защиты настоящего изобретения указан в нижеследующей формуле изобретения.