УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОТВОДА ИЗБЫТОЧНОЙ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ ИЗ ВНУТРЕННЕГО ОБЪЕМА ЗАЩИТНОЙ ОБОЛОЧКИ АТОМНОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ
DEVICE TO REMOVE EXCESSIVE THERMAL ENERGY FROM INNER VOLUME OF NUCLEAR POWER PLANT CONTAINMENT

Изобретение относится к области атомной энергетики, а именно к повышению безопасной эксплуатации атомных электростанций и может быть использовано при маловероятной аварийной ситуации, когда частично или полностью произошло отключение активных источников электроэнергии и требуется пассивно отводить избыточную тепловую энергию в атмосферу из внутреннего объема защитной оболочки и от охлаждаемой воды в бассейне выдержки, которая постоянно нагревается выделяемой остаточной тепловой энергией отработанного ядерного топлива.
Известна система пассивного отвода избыточной тепловой энергии в атмосферу из внутреннего объема защитной оболочки атомной электростанции содержащая, внутренний и наружный теплообменники, заполненные легкокипящей жидкостью соединенные между собою пропущенными через боковую стенку защитной оболочки трубками. (Авторское свидетельство СССР №1829697, МПК: G21C 9/00 приоритет от 08.05.1991).
Данная система обеспечивает пассивный отвод избыточной тепловой энергии в атмосферу от перегретого воздуха внутреннего объема защитной оболочки в случае аварии с потерей источников электроэнергии на атомной электростанции (АЭС). Вместе с тем в анализируемом изобретении не предусмотрен отвод избыточной тепловой энергии из воды в бассейне выдержки, где хранится отработанное ядерное топливо.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является устройство для отвода избыточной тепловой энергии из внутреннего объема защитной оболочки атомной электростанции, содержащее соединенные между собой системой легкокипящего теплоносителя три теплообменника, один из которых установлен в емкости для воды, расположенной внутри защитной оболочки и клапаны. (Патент РФ №2030801, МПК: G21C 13/10, G21C 15/18 приоритет от 09.09.1992).
В случае необходимости данное устройство обеспечивает пассивный отвод избыточной тепловой энергии в атмосферу только из емкости с водой, в которую помещено охлаждаемое оборудование, охлаждение воздуха в объеме защитной оболочки производится за счет спринклерной активной системой принудительно посредством насоса.
За 70 летний период эксплуатации атомных электрических станций и атомных энергетических установок было отмечено, что наиболее часто создают аварийную обстановку системы и оборудование связанное с обеспечением электропитания групп оборудования: электродвигатель-насос, электродвигатель-вентилятор, электродвигатель-компрессор и так далее из-за «отказов по общим причинам». Но это оборудование необходимо из-за увеличения удельных нагрузок на оборудование, удельных мощностей атомных электростанций и удобства управления энергетическим оборудованием: автоматически, дистанционно и по рабочему месту.
Одной из технических причин аварии на атомной электростанции «Фукусима-1» был отказ по общим причинам - исчезновение электрического аварийного питания. Но это только аварийная ситуация, долее аварийная ситуация развилась в аварию. Электростанция была спроектирована в США в 1960 годах с требованиями, удовлетворяющими уровень их знаний на то время. В настоящее время накопленный уровень знаний и опыт эксплуатации выше и одновременно другие - более высокие возможности научных подразделений, технологические возможности промышленных предприятий - изготовителей и эксплуатационных организаций.
На базе накопленных: уровня знаний, промышленного опыта изготовления оборудования, рабочих схем и трассировок оборудования, опыта эксплуатации и новых требований нормативной документации к проектированию, изготовлению и эксплуатации рекомендовано разрабатывать и внедрять аварийные пассивные системы, с целью уменьшить и по возможности исключить «человеческий фактор». Трудно представить подобную аварийную ситуацию на наших атомных электрических станциях.
Задачей данного изобретения является уменьшение влияния «человеческого фактора», а именно в случае необходимости пассивно отводить избыточную тепловую энергию из-под герметичной части защитной оболочки атомной электростанции, как из ее воздушного объема, так и одновременно из емкости, где хранится под водой отработанное ядерное топливо, как в нормальных эксплуатационных режимах, так и в аварийных ситуациях, и при авариях.
Поставленная задача достигается тем, что в известном устройстве для отвода избыточной тепловой энергии из внутреннего объема защитной оболочки атомной электростанции, содержащем соединенные между собой системой легкокипящего теплоносителя три теплообменника, один из которых установлен в емкости для воды, расположенной внутри защитной оболочки и клапаны, новым является то, что все теплообменники смонтированы один над другим, первый из которых расположенный в емкости для воды укреплен в средней части боковой стенки защитной оболочки, второй теплообменник укреплен внутри защитной оболочки в верхней части боковой стенки защитной оболочки, а третий теплообменник укреплен на наружной поверхности стенки купола защитной оболочки, при этом клапаны снабжены сильфонным сервоприводом, и установлены на входном участке первого теплообменника, и на входном участке третьего теплообменника.
Кроме этого емкость для воды может представлять собой бассейн выдержки для отработанного тепловыделяющего ядерного топлива.
Кроме этого первый и второй теплообменники могут быть выполнены в виде плоских секций, расположенных по периметру соответственно емкости для воды и стенки защитной оболочки.
Кроме этого панели первого теплообменника могут опираться на дно емкости для воды на пружинных рессорах, и верхней частью прикреплены к стенке емкости посредством шарниров.
Кроме этого панели второго теплообменника могут быть свободно подвешены на боковой стенке защитной оболочки.
Кроме этого третий теплообменник может быть смонтирован на наружной поверхности купола защитной оболочки посредством шарниров и скользящих опор.
Кроме этого клапан с сильфонным сервоприводом, установленный на входном участке первого теплообменника отрегулирован на открывание, на меньшее давление, чем клапан с сильфонным сервоприводом, установленный на входном участке третьего теплообменника.
Монтаж всех теплообменников один над другим обеспечивает то, что при достижении температуры легкокипящего теплоносителя в первом теплообменнике выше 35°С начинает осуществляться естественная циркуляция теплоносителя в системе, а именно подъем горячего теплоносителя и опускание холодного теплоносителя.
Расположение емкости для воды в средней части боковой стенки защитной оболочки вызвано технологией перегрузки ядерного топлива.
Расположение второго теплообменника в верхней герметичной части защитной оболочки вызвано тем, что верхняя часть защитной оболочки является началом упорядоченного опускного потока водо-паро-газовой смеси внутри защитной оболочки при нормальной и не штатной эксплуатации. Верхнее расположение третьего теплообменника приводит к усилению естественной циркуляции и повышенному отводу тепловой энергии от первого и второго теплообменников.
Крепление третьего теплообменника на наружной поверхности купола обеспечивает гарантированную отдачу тепловой энергии конечному поглотителю окружающему воздуху, а в экстренных случаях для большей эффективности теплообменник можно будет сверху поливать водой.
Отработанное ядерное топливо, выгружаемое из реактора, имеет достаточно высокие остаточные энерговыделения, которые необходимо некоторое время постоянно отводить с помощью охлаждаемой воды, поэтому его помещают в емкость с водой в виде бассейна для выдержки на довольно длительное время - емкость с водой в нормальных условиях охлаждается при помощи активной системой.
Выполнение первого и второго теплообменников плоскими создает улучшенный отвод тепла, а расположение их по периметру емкости для воды и стенки защитной оболочки позволяет разместить максимальное количество теплообменников не загромождая технологический объем.
Монтаж панелей первого теплообменника в емкости для воды посредством пружинных рессор и шарниров обеспечивает компенсацию температурных расширений панелей теплообменников.
Подвеска второго теплообменника позволяет компенсировать температурные расширения его панелей и трубопроводов.
Крепление третьего теплообменника на наружной поверхности купола защитной оболочки посредством шарниров и скользящих опор позволяет компенсировать расширение элементов теплообменника и наружной силовой поверхности защитной оболочки при различных температурах теплообменника и защитной оболочки.
Разная калибровка сервоприводов клапанов на открывание обеспечивает поэтапное включение в работу первого, второго и третьего теплообменников.
Ниже приводится описание одного из многочисленных вариантов выполнения устройства для отвода избыточной тепловой энергии из внутреннего объема защитной оболочки атомной электростанции, объединенных единым изобретательским замыслом, отображенным в нижеприведенной формуле изобретения.
Изобретение поясняется чертежами, где на
фиг.1 показано ярусное расположение теплообменников;
фиг.2 показано сечение наружного третьего теплообменника;
фиг.3 дан разрез бассейна выдержки отработанного ядерного топлива с видом на первый теплообменник;
фиг.4 показано сечение бассейна выдержки;
фиг.5 показан разрез клапана с сильфонным сервоприводом;
Устройство для отвода избыточной тепловой энергии из внутреннего объема защитной оболочки атомной электростанции состоит из активной и пассивной систем отвода избыточной тепловой энергии.
Активная система отвода избыточной тепловой энергии содержит теплообменники выполненные в виде трубчатых панелей 1, в которых циркуляцию охлаждающей жидкости осуществляют посредством электронасоса 2.
Пассивная система отвода избыточной тепловой энергии состоит из соединенных между собой замкнутым герметичным контуром заполненным легкокипящим теплоносителем, например хлад оном типа С1, разрешенным к применению по Международному соглашению, трех теплообменников. Теплообменники расположены по ярусно один над другим, нижний из которых является первьм, конструктивно выполнен в виде оребренных панелей 3.
Трубчатые панели 1 теплообменников активной системы отвода избыточной тепловой энергии и оребренные панели 3 теплообменников пассивной системы отвода избыточной тепловой энергии установлены в емкости для воды представляющей собой прямоугольный бассейн 4 выдержки для размещения в нем стапелей 5 отработанных тепловыделяющих сборок с выгоревшим ядерным топливом, которое выделяет тепловую энергию довольно длительное время.
Бассейн 4 установлен внутри герметичного слоя 6 защитной оболочки в средней части 7 у цилиндрической боковой стенки 8. Трубчатые панели 1 и оребренные панели 3 расположены вертикально соответственно у торцевой стенки 9 и вдоль боковых стенок 10 и 11 бассейна 4 выдержки, для отработанного тепловыделяющего ядерного топлива оставляя свободное место перед шибером 12 для стапелей 5 отработанного тепловыделяющего ядерного топлива. Трубчатые панели 1 и оребренные панели 3 установлены на дне 13 бассейна 4 вертикально на пружинных рессорах 14, верхней частью 15 и 16 панели 1 и 3 прикреплены соответственно к стенкам 9, 10, 11 бассейна 4 посредством шарниров 17 и 18. Бассейн 4 закрыт силовой крышкой 19 служащей дополнительно биологической защитой.
Второй теплообменник установлен внутри герметичного слоя 6 защитной оболочки в верхней части 20 цилиндрической боковой стенки 8 и конструктивно выполнен в виде панелей 21 свободно подвешенных на кронштейнах 22 вертикально по периметру стенки 8 защитной оболочки.
Третий теплообменник конструктивно выполнен как пучок наклонно расположенных оребренных труб 23 с плавниковыми ребрами, помещенными в сотовые ячейки с распределительным 24 и собирающим 25 коллекторами. Между уровнями этих коллекторов 24 и 25 установлен стабилизирующий коллектор 26, позволяющий держать выходные концы трубного пучка под уровнем теплоносителя и исключить пульсацию давления и теплообмена по трубному пучку. Для дренажа и подпитки системы легкокипящего теплоносителя имеется приспособление 27 соединенное с системой легкокипящего теплоносителя через вентиль 28 с сильфонным электроприводом, служащим для поддержания в системе легкокипящего теплоносителя постоянного уровня хладона. Собирающий коллектор 25 и стабилизирующий коллектора 26 соединены между собой посредством байпаса 29 с вентилем 30 для дренажа оребренных трубок 23 третьего теплообменника. Третий теплообменник смонтирован на поверхности 31 наружного силового слоя 32 купола защитной оболочки при помощи шарниров 33 и скользящих опор 34.
Замкнутый герметичный контур для легкокипящего теплоносителя состоит из отводящего трубопровода 35 для нагретого теплоносителя и подающего трубопровода 36 для охлажденного теплоносителя. Отводящий трубопровод 35 соединяет между собой выход 37 панелей 3 первого теплообменника с входом 38 распределительного коллектора 24 третьего теплообменника, а подающий трубопровод 36 соединяет между собой выход 39 собирающего коллектора 25 через байпас 29 третьего теплообменника с входом 40 панелей 3 первого теплообменника. Отводящий 35 и подающий 36 трубопроводы пропущены через внутренний герметичный слой 6 защитной оболочки при помощи герметичных проходок 41 и 42, а через наружный силовой слой 32 защитной оболочки при помощи герметичных проходок 43 и 44.
Панели 21 второго теплообменника параллельно присоединены к отводящему 35 и подающему 36 трубопроводам. Вход 45 панелей 21 подсоединен к подающему трубопроводу 36, а их выход 46 подсоединен к отводящему трубопроводу 35. На отводящем 35 и подающем 36 трубопроводах в местах их присоединения соответственно к входу 38 распределительного коллектора 24 третьего теплообменника и к входу 40 панелей 3 первого теплообменника смонтировано по клапану 47 и 48 с сильфонным сервоприводом.
Клапаны 47 и 48 с сильфонным сервоприводом состоят: из расположенных в гильзообразном корпусе 49 в гофрированном кольцами 50 герметичном чехле 51 направляющего стакана 52, в котором размещен шток 53 с поршнем 54 на одном конце 55, тарелкой 56 для посадочного седла 57 на другом конце 58, перфорированной направляющей 59 для штока 53 и входное 60 и выходное 61 отверстия для протекания легкокипящего теплоносителя, при этом между поршнем 54 и дном 62 гильзообразного корпуса 49 смонтирована регулируемая телескопическая рессора 63. Гильзообразные корпуса 49 клапанов 47 и 48 смонтированы на трубопроводах 35 и 36 на пути протекания теплоносителя под тупым углом относительно направления протекания теплоносителя т.о., что силовое усилие подпора теплоносителя будет осуществлено под тарелку 56 для ее отжатия от седла 57.
Устройство для отвода избыточной тепловой энергии из внутреннего объема защитной оболочки атомной электростанции работает следующем образом. В режиме нормальной эксплуатации атомной электростанции отработанное тепловыделяющее ядерное топливо, находящееся под водой в бассейне 4 выдержки продолжает выделять остаточное тепло, которое постоянно отводится теплоносителем, в данном случае водой к трубчатым панелям 1 теплообменника активной системы отвода избыточной тепловой энергии. В трубчатых панелях 1 теплообменника постоянно принудительно прокачивают при помощи электронасоса 2 охлаждающую жидкость. Обеспечивается теплообмен, и сохранение безопасной температуры ядерного топлива. В этом случае пассивная система отвода избыточной тепловой энергии находится в режиме ожидания.
В случае маловероятной аварии, когда на станции произошло местное или полное отключение электрического питания и остановился электронасос 2 активной системы отвода избыточной тепловой энергии, и постоянное принудительное охлаждение водой остаточно выделяемое тепло ядерного топлива прекратилось, то при увеличении температуры охлаждающей воды автоматически включается система пассивного отвода избыточной тепловой энергии. Отвод тепла происходит следующим образом. В емкости бассейна 4 выдержки отработанного ядерного топлива начинает нагреваться вода и оребренные панели 3 первого теплообменника. Температура легкокипящего теплоноситель находящегося в оребренных панелях 3 начинает повышаться соответственно начинает повышаться и давление в контуре легкокипящего теплоносителя. Поскольку клапан 48 с сильфонным сервоприводом отрегулирован посредством регулируемой телескопической рессоры 63 на меньшее давление открытия контура циркуляции легкокипящего теплоносителя чем клапан 47, то при достижении температуры выше 35°С силовое усилие повышенного давления легкокипящего теплоносителя воздействует на весь контур и, пройдя выходное отверстие 61 и перфорацию направляющей 59 начнет перемещать поршень 54 отжимая от посадочного седла 57 тарелку 56, теплоноситель начинает циркулировать через входное 60 и выходное 61 отверстия, организуя естественную циркуляцию легкокипящего теплоносителя по отводящему 35 и подающему 36 трубопроводам между панелями 3 и 21 первого и второго теплообменниками. Избыточное тепло отводится внутрь защитной оболочки. При достижении температуры ниже заданной, клапан 48 закрывается. Если требуется непрерывно поддерживать температуру близкую к настроенной, клапан 48 может быть частично открытым или с малыми колебаниями ходить у нейтрального положения. В случае, если объема защитной оболочки не достаточно для приема тепла, давление в контуре легкокипящего теплоносителя продолжает повышаться до давления открытия сильфона клапана 47 на вход 38 в оребренные трубки 23 наружного теплообменника и естественная циркуляция легкокипящего теплоносителя начнет осуществляться по всему контуру, включая в работу третий теплообменник для отвода тепла в атмосферу к окружающему воздуху.
Технико-экономический эффект состоит в том, что повышается безопасность атомной электростанции путем обеспечения в случае маловероятного электрического обесточивания всей атомной электростанции отводить постоянно выделяемое оборудованием избыточное энергетическое тепло пассивно.