Система разделения гермообъёма контайнмента атомной электростанции
SYSTEM FOR SEPARATION OF PRESSURE VOLUME OF CONTAINMENT OF NUCLEAR POWER PLANT

Область техники
Изобретение относится к области обеспечения безопасной эксплуатации атомных электростанций (АЭС) в различных режимах, включая аварийные, и направлено на обеспечение контроля воздушных потоков в контайнменте АЭС.
Предшествующий уровень техники
В зданиях и сооружениях, в помещениях которых присутствуют источники ионизирующих излучений и/или другие вредные выбросы, как правило, организуется приточно-вытяжная вентиляция. Вентиляция организуется таким образом, чтобы обеспечить направленное движение воздуха из «чистых», обслуживаемых помещений в «грязные», необслуживаемые. Возникновение обратных потоков воздуха, которые могут привести к загрязнению обслуживаемых помещений, недопустимо. Для исключения обратных перетоков в отверстиях для прохода воздуха между помещениями устанавливаются клапаны избыточного давления, таким образом, в каждом последующем по ходу воздуха помещении обеспечивается давление ниже, чем в предыдущем. В остальных проемах в стенах и перекрытиях таких зданий устанавливаются двери, затворы, и другие устройства, которые должны быть закрыты.
Наружные стены здания выполняют при этом роль герметичной оболочки, предохраняя окружающую среду от выхода вредных веществ из здания. Аналогичным образом выполняются и здания реакторов АЭС. В то же время на случай возникновения аварийных ситуаций, связанных с резким повышением давления внутри здания (например, вследствие взрыва, разрыва сосудов, работающих под давлением, трубопроводов циркуляционных систем и т.п.), взрывную волну следует направить во все помещения здания. Тогда общее давление на стены и перекрытия будет меньше, чем, если локализовать аварию только в одном из помещений.
По таким принципам строятся здания реакторов АЭС: между перекрытиями и стеной здания оставляют зазор, через который в аварийной ситуации взрывная волна распространяется во все помещения здания реактора; через него вода спринклерных систем сливается в приямки, через зазор водород, образующийся в ходе тяжелой аварии, поднимается под купол, где в большом количестве расположены дожигатели водорода.
Для выполнения всех вышеприведенных условий зазор должен перекрываться специальным устройством, к которому необходимо предъявлять следующие требования:
зазор должен быть перекрыт, т.е. устройство должно быть закрыто, в ситуациях нормальной работы оборудования, находящегося в здании и при отказах оборудования, не приводящих к росту давления внутри здания;
устройство должно выдерживать перепад давления, которое создает между помещениями система вентиляции при нормальной работе;
устройство должно начать самопроизвольно открываться, когда в одном из помещений начинается рост давления, вызванный аварией, чтобы разгружать перекрытия и наружные стены здания, соединяя все внутренние помещения в общий объем;
если действительно произошла авария, вызывающая рост давления внутри здания, специальное устройство должно открываться во всем сечении по всему зазору так, чтобы исключить образование «мешков», тупиков, в которых может скопиться водород;
в открытом положении не загромождать сечение зазора, чтобы не уменьшать его.
При этом тепловыделение оборудования, расположенного в нижнем помещении, приводит к тому, что температура в нем значительно выше, чем в верхнем, что приводит к возникновению дополнительной подъемной силы, вследствие чего решить проблему надежной изоляции воздушных сред помещений в режиме нормальной эксплуатации АЭС без их перекрытия, только за счет работы приточной и вытяжной систем разрежения становится невозможным. Таким образом, создание системы разделения гермообъема контайнмента АЭС, обладающей возможностью обеспечения изоляции воздушных сред помещений контайнмента в режиме нормальной работы и их соединения при серьезной аварии в одном из помещений контайнмента, является важной задачей.
Для решения этой задачи до настоящего времени использовались различные технические решения
Известен контайнмент усовершенствованного ядерного реактора с водяным охлаждением (патент US 09502142, опубл. 21.01.2016), разделенный на несколько контайнментных зон, разделенных перегородками таким образом, чтобы локализовать аварию в одной из контайнментных зон. При этом разделительные перегородки выполнены с такими же прочностными и термоизолирующими характеристиками, что и контайнментные зоны. Преимуществом такого решения является обеспечение безопасного радиоактивного фона в остальных контайнментных зонах при аварии в одной из них. Очевидно, однако, что недостатком такого решения является повышенное давление на стенки контайнмента, ввиду концентрации давления только в одной из контайнментных зон и накопление взрывоопасного водорода в этой зоне.
Известны технические технические решения, связанные с использованием разрывных мембран. Так, известно перекрывающее устройство для контайнмента атомной электростанции (заявка РСТ/ЕР/2007/000572, опубл. 13.09.2007), выполненное в виде газонепроницаемой перегородки, разделяющей контайнмент на два помещения, одно из которых содержит корпус реактора и первый контур охлаждающей жидкости, а другое - обслуживаемое помещение, доступное для персонала во время нормальной работы, при этом перегородка содержит ряд перепускных отверстий, закрываемых элементом, содержащим разрывную пленку или мембранный предохранитель, разрываемый при перепаде давления.
Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения является ядерная реакторная установка с пассивным охлаждением (патент ЕР 0476563, опубл. 25.03.1992), в которой стальной контайнмент разделен на два помещения: нижнее помещение, содержащее реактор с водой под давлением, и верхнее помещение с операционным полом, изолированные друг от друга перекрытием, содержащим мембранный предохранитель, разрушаемый при определенном перепаде давлений, характерном для тяжелой аварии, и, таким образом, позволяющим соединить два помещения для снижения давления при тяжелой аварии.
Последние два решения позволяют обеспечить мгновенное соединение воздушных сред верхнего и нижнего помещений контайнмента при возникновении большого перепада давления вследствие аварии, что позволяет снизить давление на стенки контайнмента, снизить вероятность скапливания водорода и обеспечить дальнейшую конвекцию парогазовой смеси в контайнменте, однако они обладают рядом существенных недостатков. В частности, при постепенном нарастании давления с одной из сторон такие устройства срабатывают со значительной задержкой, если вообще срабатывают. Кроме того, мембранные устройства при разрыве способны обеспечить лишь относительно малое сечение перетока воздушных сред из одного помещения в другое. Дополнительно к этому, при резком перепаде давления на одном из участков контайнмента будут раскрыты только мембранные устройства, близкие к этому участку, а остальные останутся закрытыми, что приведет к накоплению в участках, близких к ним водорода и нарушению конвекции парогазовой смеси и работ спринклерных систем. Кроме того, мембранные устройства обладают тем недостатком, что давление их разрыва зависит от направления приложения давления. В приведенных аналогах предполагается, что избыточное давление при аварии возникнет снизу, между тем возможны аварии, при которых избыточное давление возникает сверху систем разделения контайнмента, т.е. со стороны обслуживаемых помещений. Между тем, известны случаи аварий, при которых избыток давления возникает в верхнем помещении контайнмента. Кроме того, после разрыва мембранные и пленочные устройства не могут быть приведены в состояние, обеспечивающее разделение воздушных сред помещений контайнмента без их демонтажа и замены. Все эти факторы негативно сказываются на безопасности эксплуатации АЭС.
Раскрытие изобретения
Задачей настоящего изобретения является создание системы разделения гермообъема контайнмента АЭС, позволяющей повысить безопасность ее эксплуатации как в нормальном, так и в аварийном режиме за счет обеспечения соединения воздушных сред помещений контайнмента АЭС в широком сечении и по всему периметру контайнмента при аварии в контайнменте.
Технический результат настоящего изобретения заключается в повышении безопасности эксплуатации АЭС как в нормальном, так и в аварийном режиме за счет обеспечения соединения воздушных сред помещений контайнмента АЭС в широком сечении и по всему периметру контайнмента при аварии в контайнменте.
Технический результат достигается тем, что известная система разделения гермообъема контайнмента атомной электростанции на изолированные помещения, содержащая устройство разделения гермообъема, установленное на перекрытии, разделяющем помещения, и расположенное в кольцевом зазоре между перекрытием и стенкой контайнмента и содержащее, по меньшей мере, один клапан, изолирующий воздушные среды помещений друг от друга и выполненный с возможностью соединения помещений гермообъема при перепаде давления, дополнительно содержит устройство подачи воздуха и соединенный с ним кольцевой коллектор, соединенный с каждым клапаном устройства разделения гермообъема, при этом каждый из клапанов устройства разделения гермообъема выполнен в виде надувного шибера с возможностью изоляции воздушных сред помещений в наполненном воздухом состоянии и соединения воздушных сред помещений в спущенном состоянии.
Предпочтительно выполнить надувные шиберы матерчатыми.
Целесообразно выполнить надувные шиберы из прорезиненной материи.
Рекомендуется выполнить надувные шиберы примыкающими друг к другу.
Предпочтительно снабдить систему разделения гермообъема элементами каркаса, установленными на перекрытии, разделяющем помещении, к элементам каркаса прикрепить надувные шиберы.
Рационально расположить между некоторыми надувными шиберами расположить вертикальные технологические тоннели.
Предпочтительно устройство подачи воздуха выполнить в виде воздуходувки или нагнетателя воздуха.
Целесообразно снабдить систему разделения гермообъема, по меньшей мере, двумя устройствами подачи воздуха.
Рекомендуется установить на выходе устройства подачи воздуха обратный клапан.
Рационально снабдить систему разделения гермообъема датчиками давления, расположенными в различных местах контайнмента, и соединенным с ними блок управления, соединенным с устройством подачи воздуха.
Предпочтительно снабдить кольцевой коллектор патрубком постоянного сброса давления.
Преимуществом настоящего изобретения является повышение безопасности эксплуатации АЭС как в нормальном, так и в аварийном режиме. Введение в систему разделения гермообъема устройства подачи воздуха и связанного с ним кольцевого коллектора, соединенного с клапанами, выполненными в виде надувных шиберов, выполненных с возможностью изоляции воздушных сред помещений контайнмента в наполненном воздухом состоянии и соединения воздушных сред помещений контайнмента в спущенном состоянии при выполнении надувных шиберов матерчатыми обеспечивает повышение радиационной безопасности в режиме нормальной эксплуатации за счет изоляции помещений с различным радиационным фоном друг от друга, в момент аварии - за счет возможности отгибания матерчатых надувных шиберов ударной волной давления в сторону помещения с меньшим давлениям, что снижает давление на стенки контайнмента, а после аварии - за счет возможности выпуска воздуха из надувных шиберов, после чего устройство разделения гермообъема поностью открывает кольцевой зазор между помещениями, обеспечивая конвекцию и равномерное распределение взрывоопасных продуктов аварии. Выполнение надувных шиберов прорезиненными повышает безопасность эксплуатации АЭС за счет отсутствия загрязнения надувных шиберов в режиме нормальной эксплуатации, ведущего к их утяжелению. Выполнение надувных шиберов примыкающими друг к другу либо к вертикальным технологическим тоннелям, расположенными между ними, повышает безопасность эксплуатации АЭС в нормальном режиме за счет улучшения изоляции помещений контайнмента с различным радиационным фоном. Выполнение устройства подачи воздуха в виде воздуходувки или нагнетателя воздуха повышает безопасность эксплуатации АЭС за счет отсутствия зависимости алгоритма работы устройства подачи воздуха от процессов, проходящих в контайнменте. Использование, по меньшей мере, двух устройств подачи воздуха повышает безопасность эксплуатации АЭС за счет резервирования работы устройства подачи воздуха. Введение обратного клапана на выходе устройства подачи воздуха обеспечивает безопасность эксплуатации АЭС за счет поддержания давления в надувных шиберах в режиме нормальной эксплуатации при нахождении данного устройства подачи воздуха в резерве. Введение в систему разделения гермообъема датчиков давления, расположенных в различных местах контайнмента и блока управления, соединенного с ними и с устройством подачи воздуха повышает безопасность эксплуатации АЭС за счет обеспечения возможности отключения устройств подачи воздуха при повышении давления в контайнменте, что приводит к спуску воздуха из надувных шиберов и полному открытию кольцевого зазора. Введение в кольцевой коллектор патрубка постоянного сброса воздуха повышает безопасность эксплуатации АЭС в аварийном режиме за счет ускорения выпуска воздуха из надувных шиберов и ускорению открытия кольцевого зазора.
Краткое описание фигур чертежей
На фиг. 1 показан общий вид системы разделения гермообъема контайнмента атомной электростанции в предпочтительном варианте, содержащей надувные шиберы 1, установленные на элементах каркаса, прикрепленных к перекрытию 3, и соединенные с кольцевым коллектором 2, подключенным к воздуходувке 6, установленной на перекрытии 3. Надувные шиберы 1 наполнены воздухом и перекрывают кольцевой зазор 5 между перекрытием 3 и стенкой контайнмента 4.
На фиг. 2 показан предпочтительный вариант надувного шибера 1, установленного на элементе каркаса и подключенного через патрубок к кольцевому коллектору 2, в положении «закрыто».
На фиг. 3 показан вид в разрезе устройства разделения гермообъема в режиме нормальной эксплуатации. Устройство разделения гермообъема установлено между перекрытием 3 и стенкой контайнмента 4 в кольцевом зазоре 5 и содержит надувные шиберы 1, подключенные к кольцевому коллектору 2, кольцевой зазор 5 полностью перекрыт надувным шибером 1.
На фиг. 4 показан вид в разрезе устройства разделения гермообъема в момент прохождения ударной волны. Устройство разделения гермообъема установлено между перекрытием 3 и стенкой контайнмента 4 в кольцевом зазоре 5 и содержит надувные шиберы 1, подключенные к кольцевому коллектору 2, кольцевой зазор 5 частично открыт ударной волной, возникшей вследствие перепада давления снизу.
На фиг. 5 показан вид в разрезе устройства разделения гермообъема после спуска воздуха из надувного шибера 1. Устройство разделения гермообъема установлено между перекрытием 3 и стенкой контайнмента 4 в кольцевом зазоре 5 и содержит надувные шиберы 1, подключенные к кольцевому коллектору 2, кольцевой зазор 5 полностью открыт.
Варианты осуществления изобретения
Система разделения гермообъема контайнмента атомной электростанции в предпочтительном варианте состоит из устройства разделения гермообъема, расположенного в кольцевом зазоре 5 между перекрытием 3, разделяющим помещения контайнмента и стенкой контайнмента 4. Устройство разделения гермообъема состоит из надувных шиберов 1, плотно примыкающих друг к другу, что позволяет полностью перекрыть кольцевой зазор 5 в режиме нормальной эксплуатации. Надувные шиберы 1 установлены на каркасе, прикрепленном к перекрытию 3, разделяющему помещения контайнмента. При этом надувные шиберы 1 соединены через патрубки с кольцевым коллектором 2, подключенным к устройству подачи воздуха, в предпочтительном варианте представляющем собой две воздуходувки 6, одна из которых подает воздух в кольцевой коллектор 2, а другая находится в резерве. При этом обе воздуходувки снабжены обратными клапанами для предотвращения пропуска воздуха в обратном направлении через неработающую воздуходувку. Система разделения гермообъема также включает в себя блок управления (на чертежах не показан), подключенный к датчикам давления (на чертежах не показаны), расположенным в различных местах контайнмента.
В одном из вариантов изобретения возможно вместо использования автономной воздуходувки 6 подключение кольцевого коллектора 3 к штатной вентиляционной системе контайнмента АЭС.
Система разделения гермообъема контайнмента атомной электростанций в предпочтительном варианте работает следующим образом. В режиме нормальной эксплуатации одна из воздуходувок 6 нагнетает давление в кольцевой коллектор 2 через обратный клапан. Благодаря этому надувные шиберы 1 наполнены воздухом и полностью перекрывают кольцевой зазор 5 между перекрытием 3 и стенкой контайнмента 4, как показано на фиг. 3. Таким образом, верхнее помещение контайнмента полностью изолировано от нижнего, обладающего повышенным радиационным фоном, что позволяет посещать его персоналу АЭС для обслуживания агрегатов и устройств, расположенных в нем. Как показывают расчеты, для надежной изоляции верхнего помещения от нижнего достаточно перекрытия кольцевого зазора 5 на 95%, в этом случае приточно-вытяжная система вентиляции контайнмента создает разницу давлений между помещениями, достаточную для отсутствия восходящих потоков воздуха из нижнего помещения в верхнее. Блок управления системой контролирует данные датчиков давления, установленных в контайнменте. При выходе из строя одной из воздуходувок 6 блок управления включает вторую воздуходувку 6 для обеспечения полного перекрытия кольцевого зазора 5, что позволяет персоналу АЭС осуществить оперативный ремонт вышедшей из строя воздуходувки 6 на месте в отсутствие радиационной опасности.
В момент серьезной аварии, например, в результате разрыва трубопровода с водой под давлением в нижней части контайнмента образовавшаяся область высокого давления парогазовой смеси, включающей, в том числе, водород, создает ударную волну, которая в общем случае прорывается через надувные шиберы 1 через один из участков кольцевого зазора 5, как показано на фиг. 4, за счет того, что надувные шиберы 1 выполнены матерчатыми и, вследствие этого, гибкими и подверженными влиянию ударного воздействия. Таким образом, ударная волна распределяется по обоим помещениям контайнмента, что снижает нагрузку на стенки контайнмента 4. Одновременно с этим датчики давления показывают резкое повышение давления, фиксируемое блоком управления, который отключает обе воздуходувки 6. На практике при увеличении давления в контайнменте выше 0,129 МПа (так называемого давления уставки) происходит отключение всех электрических систем, что автоматически приводит к отключению воздуходувок 6. В варианте использования в качестве устройства подачи воздуха штатной системы вентиляции контайнмента АЭС, она также отключается при превышении указанного давления. В результате надувные шиберы 1 по всему периметру контайнмента сдуваются и принимают вертикальное положение, как показано на фиг. 5, полностью открывая кольцевой зазор 5. В предпочтительном варианте надувные шиберы 1 выполнены матерчатыми, что обеспечивает их быстрое сдувание через материю при отсутствии подачи воздуха из воздуходувок 6. Это позволяет обеспечить равномерное распределение концентрации водорода и давления парогазовой смеси по всему контайнменту, что обеспечивает целостность его стенок 4. Кроме того, вода спринклерных систем, расположенных под куполом контайнмента, стекает через открытый кольцевой зазор 5 в баки-приямки контайнмента.
После локализации серьезной аварии и устранения ее последствий возможно быстрое перекрытие кольцевого зазора 5 за счет включения воздуходувок 6, что позволяет изолировать обслуживаемое верхнее помещение контайнмента АЭС от источника радиоактивного выброса и за счет этого организовать возвращение АЭС в режим нормальной эксплуатации в кратчайший срок.
В одном из вариантов изобретения возможно снабдить кольцевой коллектор патрубком постоянного сброса воздуха в воздушную среду контайнмента. В этом случае давления, создаваемого работающей воздуходувкой 6, по-прежнему будет достаточно для поддержания надувных шиберов в наполненном состоянии, при этом после отключения воздуходувок 6 вследствие тяжелой аварии воздух из надувных шиберов будет спущен через патрубок. Применение патрубка постоянного сброса воздуха, хотя и не является обязательным для осуществления изобретения, позволяет значительно ускорить выход воздуха из надувных шиберов 1 и тем самым открывание кольцевого зазора 5. Еще в одном варианте изобретения возможно применение патрубка сброса воздуха, включаемого по команде блока управления при перепаде давления или достижения в контайнменте давления уставки.
Использование системы подачи воздуха в виде нагнетателя или воздуходувки 6 по сравнению с использованием штатной системы вентиляции АЭС является предпочтительным, поскольку обеспечивает независимость работы этой системы от факторов состояния среды в контайнменте.
В предпочтительном варианте система разделения гермообъема содержит вертикальные технологические тоннели, расположенные между некоторыми надувными шиберами.
Возможно применение металлических шиберов вместо матерчатых надувных шиберов 1, однако такой вариант имеет ряд недостатков. В частности, металлические шиберы обладают большим весом и для обеспечения возможности пропускания ударной волны давления должны иметь сложное устройство, включающее откидные шторки, что влияет на его надежность.
В предположении, что ресурс матерчатых надувных шиберов 1 может оказаться меньше срока службы АЭС, предусмотрено такое исполнение надувного шибера 1, чтобы производить его замену максимально быстро. Заводское исполнение представляет собой матерчатый надувной шибер 1, закрепленный на каркасе, с помощью которого весь узел устанавливается на опорной части и крепится двумя шпильками.
Промышленная применимость
Система разделения гермообъема контайнмента атомной электростанции позволяет повысить ее безопасность как в режиме нормальной работы, так и в режиме серьезной аварии и может быть применена в контайнментах АЭС любого типа.