УСТРОЙСТВО АВАРИЙНОЙ ЗАЩИТЫ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА
DEVICE FOR THE EMERGENCY PROTECTION OF A NUCLEAR REACTOR

Изобретение относится к атомной технике, в частности к устройствам аварийной защиты ядерных реакторов при аварийных ситуациях.
Аварийная защита ядерного реактора представляет собой структурную часть системы безопасности, которая посредством системы управления и защиты обеспечивает рабочим органом быстрый ввод отрицательной реактивности в активную зону ядерного реактора для прекращения цепной ядерной реакции при нарушении нормальной работы установки.
Известна система пневматического управления рабочим органом (аварийным стержнем) ядерного реактора (Заявка FR 2015300, МПК G21C 7/00, опубл. 1970). Система содержит цилиндрический корпус, в котором располагаются поршень, удерживаемый в верхнем положении в корпусе благодаря разрежению, создаваемому вакуумными насосами. Поршень посредством штока жестко связан с аварийным стержнем и по сигналу аварийной остановки реактора под действием высокого давления жидкости, например жидкого аргона, поступающего из отдельного резервуара, выталкивается вниз, заставляя опускаться в активную зону стержень аварийной защиты.
Недостатком такого устройства является наличие большого числа последовательно переключаемых запорных вакуумных и жидкостных кранов и насосов, что усложняет конструкцию, снижает надежность и увеличивает время срабатывания при авариях.
Известно устройство аварийной защиты ядерного реактора (Атомная техника за рубежом. - М.: Атомиздат, 1975, №5, с. 5-8, рис. 7 и 8), содержащее цилиндрический корпус с установленным в нем с одного конца рабочим органом (стержнем аварийной защиты), датчики, соединенные с блоком обработки информации, средство ускорения стержня аварийной защиты и средство торможения стержня, объединенные в виде шагового линейного электродвигателя со специальной аппаратурой управления процессом перемещения стержня в активную зону.
Недостатки такого устройства в том, что, обладая возможностью достаточно плавного управления скоростью перемещения стержня в широком диапазоне, оно в то же время занимает большие габариты, сложно по конструкции и не обеспечивает высокой надежности срабатывания в экстремальных аварийных ситуациях, особенно при вероятном общем обесточиваиии силовой электрической сети.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является устройство аварийной защиты ядерного реактора (патент №2086010, МПК G21C 7/12 опубл. 27.07.1997), включающее цилиндрический корпус с установленным в нем с одного конца рабочим органом (стержнем аварийной защиты), датчики, соединенные с блоком системы управления и защиты реактора, средство удержания стержня над активной зоной, средство ускорения стержня и средства его торможения. Средство ускорения выполнено в виде расположенных со второго конца корпуса камеры сгорания с газогенерирующим зарядом, воспламенителем и пиропатроном, соединенным с блоком системы управления и защиты реактора, и поршня со срезаемой мембраной, размещенного между камерой сгорания и стержнем аварийной защиты, а полость между поршнем и стержнем заполнена охлаждающей жидкостью, причем корпус снабжен установленными с обоих концов полости впускным и выпускным клапанами.
Недостатками данного устройства являются большие габариты и масса, наличие большого числа элементов, что усложняет конструкцию и приводит к снижению надежности. Также к недостаткам можно отнести необходимость обеспечения надежной герметизации камеры сгорания от охлаждающей жидкости ядерного реактора. Кроме этого нижняя и верхняя граница эксплуатационных температур устройства ограничены температурами замерзания и кипения охлаждающей жидкости. Существенным недостатком является высокая трудоемкость, сложность и опасность процесса возврата устройства в исходное состояние после срабатывания.
При срабатывании порохового газогенерирующего заряда возникает импульс давления высокой амплитуды, вследствие сильной зависимости скорости горения от давления, и небольшой длительности, что связано с высокой температурой генерируемого газа и присутствием в нем большого количества легко конденсирующихся компонентов. В первом случае это приводит к необходимости усиления конструкции, и, как следствие, увеличению массогабаритных характеристик, а во втором случае это приводит к снижению надежности срабатывания при аварийных ситуациях. Параметры генерируемого пороховым зарядом импульса давления способны обеспечить работоспособность устройства только в случае расположения средства ускорения в рабочей полости пневмоцилиндра. Кроме того, использование порохового газогенерирующего заряда требует обеспечения повышенных мер безопасности при эксплуатации устройства.
Задачей настоящего изобретения является повышение эффективности защиты реакторов при авариях путем повышения надежности устройства за счет упрощения конструкции устройства, уменьшения его массогабаритных и улучшения эксплуатационных характеристик, а также снижения уровня опасности при эксплуатации устройства.
При использовании изобретения достигается следующий технический результат:
- высокая надежность устройства;
- упрощение конструкции;
- уменьшение массы и габаритов устройства;
- широкий диапазон температур эксплуатации от минус 60°C до плюс 120°C;
- безопасность эксплуатации;
- работоспособность устройства не зависит от его положения в пространстве.
Для решения указанной задачи и достижения технического результата заявляется устройство аварийной защиты, включающее рабочий орган аварийной защиты, средство удержания рабочего органа, средство ускорения рабочего органа, соединенное с блоком системы управления и защиты, средство торможения рабочего органа, пневмоцилиндр с поршнем. Поршень жестко соединен с рабочим органом. Средство ускорения выполнено в виде пиротехнического газогенератора, соединенного с рабочей полостью пневмоцилиндра, а средство торможения рабочего органа выполнено в выхлопной полости пневмоцилиндра.
Кроме этого, средство торможения рабочего органа содержит дроссельный элемент, а пиротехнический газогенератор содержит пиротехнический состав на основе азида натрия.
Жесткое соединение рабочего органа с поршнем посредством штока позволяет существенно уменьшить количество элементов устройства, тем самым упростить его конструкцию, уменьшить массогабаритные характеристики и повысить надежность. Кроме того, в отличие от прототипа, где перемещение рабочего органа происходит через столб охлаждающей жидкости (воды), жесткое соединение рабочего органа с поршнем позволяет расширить диапазон эксплуатационных температур устройства (от минус 60°C до плюс 120°C).
Использование пиротехнического газогенератора в качестве средства ускорения рабочего органа имеет целый ряд преимуществ.
Отпадает необходимость размещения газогенерирующего заряда в рабочей полости пневмоцилиндра, в отличие от прототипа, в котором для создания импульса давления используется порох. Пиротехнический газогенератор может вырабатывать «холодный» газ, имеющий низкую температуру конденсации, например, азот при использовании пиротехнического состава на основе азида натрия. Благодаря этому, возникает возможность размещения средства ускорения рабочего органа в месте, удаленном от активной зоны ядерного реактора, что позволяет снизить воздействие повышенной температуры и ионизирующего излучения на пиротехнический газогенератор, тем самым увеличить гарантийный срок и надежность устройства.
Более слабая, по сравнению с порохами, зависимость скорости горения, пиротехнических составов от давления, позволяет существенно понизить уровень максимальных давлений, реализуемых при срабатывании устройства, что в сочетании с невысокой температурой газа позволяет снизить требования к несущей способности пневмоцилиндра, тем самым уменьшить массогабаритные характеристики и повысить уровень безопасности при эксплуатации устройства.
В заявляемом устройстве пиротехнический газогенератор обеспечивает выделение необходимого количества газа, который используется для перемещения рабочего органа, независимо от значения потенциальной энергии силы тяжести, что позволяет сохранить работоспособность устройства при любом положении в пространстве.
Кроме этого, использование пиротехнического газогенератора позволяет существенно упростить и снизить уровень опасности процесса возврата устройства в исходное состояние после срабатывания. В заявляемом изобретении достаточно заменить пиротехнический газогенератор и вернуть рабочий орган в исходное положение, в отличие от прототипа, где возврат устройства в исходное состояние - фактически замена всего устройства.
На фигуре 1 представлена схема заявляемого устройства аварийной защиты ядерного реактора для перемещения рабочего органа в активную зону ядерного реактора (на схеме не показана); на фигуре 2 представлена схема заявляемого устройства аварийной защиты ядерного реактора для перемещения рабочего органа из активной зоны ядерного реактора (на схеме не показана).
На фиг. 1 и фиг. 2:
1 - рабочий орган; 2 - шток; 3 - поршень; 4 - пневмоцилиндр; 5 - рабочая полость; 6 - выхлопная полость; 7 - фиксатор начального положения поршня; 8 - фиксатор конечного положения поршня; 9 - дроссельный элемент; 10 - пиротехнический газогенератор; 11 - блок системы управления и защиты, соединенный с датчиками контроля (на схеме не показаны).
Устройство содержит рабочий орган (1) аварийной защиты, жестко соединенный штоком (2) с поршнем (3), который находится в пневмоцилиндре (4) и разделяет его на две полости: рабочую полость (5) и выхлопную полость (6). Пневмоцилиндр (4) снабжен фиксатором начального положения поршня (7) и фиксатором конечного положения поршня (8). В выхлопной полости (6) пневмоцилиндра (4) установлен дроссельный элемент (9). Пиротехнический газогенератор (10) соединен с блоком системы управления и защиты (11) и с рабочей полостью пневмоцилиндра (4).
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
При возникновении аварийной ситуации блок системы управления и защиты (11) выдает команду на задействование пиротехнического газогенератора (10). Генерируемый газ поступает в рабочую полость (5) пневмоцилиндра (4). При достижении определенного давления в рабочей полости (5) фиксатор начального положения поршня (7) освобождает поршень (3). Поршень (3) начинает движение, перемещая посредством штока (2) рабочий орган (1). В реакторах, где материал рабочего органа поглощает нейтроны, осуществляется перемещение рабочего органа в активную зону. В тех реакторах, где материал рабочего органа отражает (замедляет) нейтроны, осуществляется перемещение рабочего органа из активной зоны. В обоих случаях происходит быстрый ввод отрицательной реактивности в активную зону ядерного реактора для прекращения цепной ядерной реакции. Дроссельный элемент (9), предназначенный для регулирования давления в выхлопной полости, обеспечивает плавное торможение поршня (3) на конечном участке движения. При достижении поршнем (3) конечного положения происходит срабатывание фиксатора конечного положения поршня (8), блокирующего дальнейшее перемещение подвижной части (рабочий орган и поршень, соединенные штоком).
3
-3
2
Проводились испытания устройства, в котором в качестве средства ускорения рабочего органа использовался пиротехнический газогенератор (патент RU №2234364, МПК 7BO1J 7/00, опубл. 20.08.2004, бюл. №23). Для снаряжения газогенератора использовался пиротехнический состав, содержащий 68% масс. азида натрия и 32% масс. оксида железа(III). Закладка пиротехнического состава по азоту варьировалась в диапазоне от 2,4 до 3,7 дм. Осуществлялось перемещение имитатора рабочего органа аварийной защиты массой 16 кг в горизонтальном направлении на расстояние 220 мм. Диаметр пневмоцилиндра составлял 0,05 м (площадь поршня 1,96⋅10 м). Пиротехнический газогенератор соединялся с рабочей полостью пневмоцилиндра трубопроводом с внутренним диаметром 6 мм и длиной 2 м. В начальном и конечном положениях подвижная часть удерживалась фиксаторами начального и конечного положения поршня, усилие отрыва с которых составляло ≈900 Н. Диаметр отверстия дроссельного элемента составлял ≈1,5 мм.
В общей сложности было проведено 10 испытаний. Получены следующие параметры срабатывания заявляемого устройства: время перемещения подвижной части составляло ≈100 мс, усилие поджатия ее в конечном положении составляло от 1200 до 1300 Н в течение ≈1 с.