Атомная электрическая станция
NUCLEAR POWER PLANT

Изобретение относится к области атомной электроэнергетики и касается создания атомных электрических станций, их компоновки и защищенности от внешних ударных воздействий и прежде всего защиты от высокоскоростных ударных воздействий, а также касается снижения последствий в различных аварийных ситуациях или предотвращения аварийных ситуаций, и может найти применение на объектах, использующих действующие ядерные реакторы в промышленных, научных и учебных целях, для которых есть вероятность развития потенциально-опасных аварийных процессов, связанных с выходом большого количества горючего газа и его локализацией в замкнутых помещениях объекта.
Перед началом строительства атомной электрической станции (АЭС) выбирают не только количество используемых энергоблоков, рассчитывают занимаемую площадь и т.д., но и рассматривают способ размещения конкретной АЭС, компоновочное решение и защиту станции.
Существуют несколько способов размещения АЭС. В первом случае станцию размещают на открытой местности - наземная АЭС. Второй способ - размещение в вертикальной шахте или горизонтальной штольне - подземная АЭС. Известны предложения по размещению АЭС в огромных карьерах - полуподземные (заглубленные) АЭС. Четвертый и пятый способы связаны с размещением АЭС на водной платформе (на корабле) или на подводной лодке - плавучие АЭС (надводная, подводная).
Наиболее распространенными являются наземный способ, карьерный или полуподземный способ и подземный способ (при размещении станции в горизонтальной штольне) размещения АЭС.
Первые два способа включают возведение объектов станции из сборного и монолитного железобетона с защитой людей, окружающих объектов и прилегающей местности от радиации путем изоляции реакторов и укрытия реакторных блоков стойкими к силовым воздействиям железобетонными конструкциями. В третьем случае укрытием служат горные породы. При этом как на период строительства объектов станции, так и на период ее эксплуатации обычно требуется использование дополнительных традиционных источников энергоснабжения.
Недостатками двух первых способов являются открытость станции и ее недостаточная защищенность от негативных природных и техногенных воздействий, от террористической угрозы, недостаточная защищенность прилегающей местности от радиоактивного заражения в случае повреждения или разрушения реактора и радиоактивных контуров, а также значительные сроки возведения АЭС, связанные с неблагоприятными погодными условиями. Недостатком третьего способа размещения АС является, в частности, ограниченность допустимых размеров пространства горной выработки, необходимого для возведения большой станции.
Известны, например, подземные атомные станции энергоснабжения по патентам Российской Федерации N№1828710 и 2218614, кл. G21D 1/00, 1994 г. и 2003 г., основной задачей которых является повышение безопасности работы станции.
Повышение безопасности эксплуатации ядерного реактора в них достигается за счет подземного глубинного его размещения, а безопасность самой электростанции в целом - за счет наличия на ней независимого источника электроэнергии в виде постоянно работающего гидрогенератора. При этом также существенно упрощается решение проблемы утилизации радиоактивных отходов и их складирования на длительное хранение там же под землей.
Разработка и практическая реализация конкретных проектов подземной АЭС обеспечивает повышение эффективности энергоснабжения путем дальнейшего расширения области применения атомной энергетики.
Безопасность работы атомной электрической станции обеспечивается технологическими, а также конструктивно-компоновочными решениями. Имеется в виду строительство рассредоточенных электростанций и станций, имеющих сомкнутую компоновку.
Известны, например, рассредоточенные электростанции по патентам Российской Федерации №2163736, кл. G21C 9/016, 2001 г. и №2434106, кл. Е04Н 5/02, 2010 г. Такую АЭС выполняют состоящей из «n» отдельных энергетических ядерных установок, которые размещают на самостоятельных стройплощадках, удаленных на безопасное расстояние друг от друга. Наклонный ствол от каждой энергетической установки сопряжен с общей для всех вертикальной шахтой, причем места сопряжения наклонных стволов и наклонной скважины с вертикальной шахтой располагают на разных глубинах.
Особые преимущества рассредоточенной электростанции могут проявиться при ее размещении в сейсмоопасных районах. Такое утверждение позволяет сделать конструктивные особенности электрогенерирующего блока: сравнительно небольшая по площади и объему, но прочная армированная призма фундамента электрической машины, ее концентрированная масса, избыточно прочным (особая серия) конструктивными элементами, низкорасположенным центром масс на уровне земли - позволяют прогнозировать бесперебойную работу в период землетрясения.
С увеличением протяженности коммуникаций между зданиями станции возрастает вероятность отказов, повреждений, в том числе от внешних воздействий, снижается надежность и безопасность АЭС. Кроме того, увеличивается объем строительно-монтажных работ, и, как следствие, увеличивается цена вырабатываемой электроэнергии.
Перечисленные недостатки рассредоточенной атомной электрической станции предопределяют целесообразность объединения ряда зданий, входящих в станцию, а иногда и всех зданий в единый строительный объем, представляя собой сомкнутую компоновку.
С увеличением степени блокировки сокращаются или исчезают коммуникации между зданиями, а значит, и вероятность их повреждения, в том числе и от внешних воздействий, что особенно важно в современных условиях. Кроме того, уменьшается расход материалов, конструкций, полуфабрикатов, снижается стоимость.
Известна атомная электрическая станция, выполненная в виде сомкнутой компоновки, опубликованная в книге «Возведение специальных защитных конструкций АЭС», М., Издательский дом МЭИ, 2011 г., под общей редакцией д.т.н., профессора В.И. Теличенко, авторы Б.К. Пергаменщик, А.И. Теличенко, P.P. Темишев, стр. 19 рис. 1.5 а, стр. 30 рис. 1.15, принятая заявителем за прототип. Она содержит реакторное отделение с двойной защитной железобетонной оболочкой, машинное отделение, вспомогательное реакторное отделение, здание электротехнических устройств, управления; вентиляционную трубу, транспортную эстакаду, здание аварийного энергоснабжения и управления.
Для таких АЭС характерна модульная предельно сомкнутая компоновка основных объектов. И в технологической, и в строительной части энергоблок проектируется как максимально автономный. Большинство подсобно-производственных и вспомогательных систем, не говоря уже о системах безопасности, обслуживают только один энергоблок. Протяженность коммуникаций, от которых зависит радиационная и ядерная безопасность, сведена к минимуму. Как правило, они прокладываются внутри зданий-блоков, вплотную примыкающих друг к другу.
На площадке обычно располагается два и более одинаковых зданий-энергоблоков. Общестанционными, как правило, являются открытое электрическое распределительное устройство, часть объектов технического водоснабжения, система водоподготовки, газовое хозяйство (азот, водород и др.) и некоторые другие.
Во всех без исключения решениях наиболее конструктивно сложным, материалоемким и трудоемким является реакторное отделение и особенно его зона локализации аварии - защитная оболочка и конструкции внутри нее, а также здания спецводоочисток, переработки и хранения радиоактивных отходов, дезактивации и ремонта «грязного» оборудования.
Технической проблемой является повышение защищенности самой станции и окружающей среды от радиоактивных выбросов при непредвиденных техногенных взрывах ядерной энергоустановки, повышение безопасности работы ядерного реактора и локализация распространения продуктов взрыва в пределах внутренних объемов реакторного блока и самого устройства в случае возникновения чрезвычайной ситуации или взрыва реактора.
Поставленная техническая проблема решается тем, что в предлагаемом решении, содержащем главный корпус с реакторным отделением, размещенные в нем реакторы, машинное отделение с турбинами, помещения основного технологического, инженерно-технического и вспомогательного назначения, станция выполнена в едином строительном объеме в виде сомкнутой компоновки, а главный корпус с реакторным отделением размещен в его центральной части, в отдельно стоящем здании размещено машинное отделение с турбинами и технологическими коммуникациями и соединено с главным корпусом, причем реакторы в реакторном отделении закрыты, по меньшей мере, двумя дополнительными контурами защиты, а покрытие реакторного отделения выполнено в виде двойного контура защиты от внутренних техногенных и внешних воздействий, вокруг реакторного отделения по его периметру выполнена внешняя защитная оболочка в виде пространственной сотовой конструкции для защиты от внешних воздействий.
Кроме того, внешняя защитная оболочка в виде пространственной сотовой конструкции выполнена из монолитных сталежелезобетонных конструкций посредством несъемной стальной модульной опалубки с возможностью размещения в ней помещений основного технологического, инженерно-технического и вспомогательного назначения, а также для дополнительной защиты реакторного отделения от внешних насильственных воздействий.
Кроме того, второй и третий дополнительные контуры защиты каждого реактора выполнены в виде герметичных сталежелезобетонных защитных оболочек с использованием несъемной стальной модульной опалубки, которые изолируют реакторы в реакторном отделении и выполнены с возможностью воспринимать давление продуктов взрыва атомных реакторов и препятствовать выходу продуктов взрыва вовнутрь реакторного отделения и другие помещения станции.
Кроме того, внутренняя поверхность защитной оболочки первого контура каждого реактора дополнительно снабжена герметичной стальной облицовкой, которая выполнена, преимущественно, из высокопрочных легированных нержавеющих сплавов.
Кроме того, пространственные «соты» внешней защитной оболочки выполнены в виде технологических помещений с технологическими коммуникациями, внутренние стенки и перекрытия в которых выполнены посредством несъемной стальной модульной опалубки со смещением как в плане, так и по высоте защитной оболочки.
Кроме того, контур защиты от внешних воздействий выполнен монолитным сталежелезобетонным посредством несъемной стальной модульной опалубки в форме свода и включает железобетонные ребра жесткости и защитную оболочку, внутренняя поверхность которой выполнена из несъемной стальной модульной опалубки.
Кроме того, модуль несъемной стальной опалубки выполнен из листовой заготовки прокатным или штампованным с профилем в виде незамкнутой трапеции высотой гофры не менее 260 мм, шагом гофры не менее 600 мм.
Технический результат от использования предлагаемого изобретения заключается в том, что оно может быть использовано для значительного повышения противоаварийной защиты АЭС, ее защищенности от внешних воздействий, а также экологической защищенности окружающей среды при возможных авариях атомных энергоустановок. А также оно позволяет обеспечить существенно большую прочность и герметичность ограждающих конструкций возможного пространства распространения продуктов взрыва, обеспечивающую по своему объему локализацию радиоактивных выбросов в пределах ее объема и предотвращение их прорыва в атмосферу при аварии атомной станции.
На фиг. 1 изображена компоновочная блок-схема атомной электрической станции, выполненная в виде сомкнутой компоновки;
на фиг. 2 - вертикальный разрез главного корпуса станции с защитными контурами ядерного реактора, реакторного отделения и контура защиты от внешних воздействий;
на фиг. 3 - структура защитной оболочки первого контура каждого реактора, снабженная герметичной стальной облицовкой;
на фиг. 4 - модуль несъемной стальной опалубки, выполненный с профилем в виде незамкнутой трапеции.
В соответствии с рекомендациями МАГАТЭ проектирование атомных электростанций и объектов с атомными энергетическими установками должно производиться не только на регулярно действующие статические и динамические нагрузки, но и на воздействие случайных факторов, обусловленных как природными явлениями (торнадо, землетрясение), так и чрезвычайными ситуациями, возникающими в результате деятельности человека (учет внешних событий, вызванных деятельностью человека, при проектировании атомных электростанций).
К числу чрезвычайных ситуаций, вызванных деятельностью человека, относятся, в числе прочих, падения летательных аппаратов, двигателей и других высокоскоростных тел.
Защитные конструкции АЭС от действия динамических нагрузок выполняются, как правило, либо в виде железобетонных, либо двойных (железобетон + сталь) защитных оболочек, которые рассчитаны на следующие внешние воздействия: падение самолета, взрывную волну, сейсмические нагрузки.
Предлагаемая атомная электрическая станция выполнена в едином строительном объеме в виде сомкнутой компоновки, согласно которой главный корпус с реакторным отделением 1 размещен в его центральной части, а остальные здания и сооружения, входящие в состав атомной станции по технологическому циклу, размещены n вокруг главного корпуса - реакторного отделения 1 с реакторами 2.
Так специальный корпус 3 вплотную примыкает к главному корпусу с одной стороны через коридор или галерею, или блок лестничных клеток, а с другой стороны в отдельно стоящем здании размещено машинное отделение 4 с турбинами и технологическими коммуникациями и соединено с главным корпусом 1 аналогично специальному корпусу.
Вокруг реакторного отделения 1 по его периметру выполнена внешняя защитная оболочка 5 в виде пространственной сотовой конструкции, которая представляет собой наружные стены главного корпуса и технологические помещения через систему коридоров, или отсеков, или галерей, или блоков лестничных маршей, клеток.
В состав технологических помещений вошли: помещение для временного хранения отходов производства 6, аварийный дизель-генератор 7 в составе двух штук, комплекс охлаждения циркуляционной воды 8 в составе: насосная станция технического водоснабжения 9, вентиляционные градирни 10, градирня ответственных потребителей 11; а также вентиляционная труба 12.
Внешняя защитная оболочка 5 в виде пространственной сотовой конструкции выполнена из монолитных сталежелезобетонных конструкций посредством несъемной стальной модульной опалубки с возможностью размещения в ней технологических помещений 13 основного технологического, инженерно-технического и вспомогательного назначения. Но основное назначение внешней защитной оболочки 5 - это дополнительная защита реакторного отделения 2 от внешних насильственных воздействий: как то от сейсмических нагрузок, взрывной волны, падения летательных аппаратов и других высокоскоростных тел. То есть наличие такой защитной оболочки с диафрагмами жесткости 14 значительно повышает защищенность АЭС от внешних воздействий. Кроме того, внешняя защитная оболочка 6 учитывает воздействие случайных динамических нагрузок в чрезвычайных ситуациях, возникающих в результате деятельности человека, в том числе случайный выход из строя, взрыв реактора. Она удерживает выход наружу взрывной волны, газов и радиации, защищая тем самым окружающую среду от загрязнения радиацией.
Пространственные «соты» внешней защитной оболочки 5 выполнены в виде технологических помещений 13, внутренние стенки и перекрытия в которых выполнены посредством несъемной стальной модульной опалубки со смещением как в плане, так и по высоте защитной оболочки.
С целью повышения безопасности работы и защищенности атомной электрической станции реакторы 2 в защитной металлической оболочке в реакторном отделении 1 закрыты дополнительно, по меньшей мере, двумя контурами защиты: второй - 15 и третий - 16 из сталежелезобетона, а покрытие реакторного отделения 1 выполнено в виде контура защиты от внешних воздействий 17 с диафрагмами жесткости 14.
Второй и третий контуры защиты 15 и 16 каждого реактора 2 выполнены в виде герметичных сталежелезобетонных защитных оболочек с использованием несъемной стальной модульной опалубки, которые изолируют реакторы 2 в реакторном отделении 1. Герметичные металлические и сталежелезобетонные оболочки выполнены с возможностью воспринимать давление продуктов взрыва атомных реакторов 2 и препятствовать их выходу во внутрь реакторного отделения и другие помещения станции.
На фиг. 3 изображен пример исполнения герметичной сталежелезобетонной защитной оболочки первого контура защиты 15, которая выполнена с использованием несъемной стальной модульной опалубки, основой которой является модуль 18.
Модуль 18 - модуль несъемной стальной опалубки, выполнен из листовой заготовки прокатным или штампованным с профилем в виде незамкнутой трапеции высотой гофры не менее 260 мм, шагом гофры не менее 600 мм.
Возводят защитную оболочку следующим образом.
Определяют толщину стенки, устанавливают на выбранную ширину упоры 19, к которым крепят посредством крепежных или самонарезных винтов 20 собранную из модулей 18 несъемную стальную модульную опалубку. В промежуток между установленными опалубками размещают арматурные каркасы 21 и крепят их к упорам 19 посредством анкеров 22 и стяжек 23. Установив в кессонообразователи опалубки промежуточные заглушки-ребра жесткости 24, перекрыв тем самым возможный выход бетона, заливают бетон в собранное межопалубочное пространство и, после достижения прочности бетоном, получают сталежелезобетонную защитную оболочку. Для усиления безопасности работы реактора 2 и локализации последствий взрыва реактора 2 внутренняя поверхность защитной оболочки первого контура каждого реактора дополнительно снабжена герметичной стальной облицовкой 25, которая выполнена, преимущественно, из высокопрочных легированных нержавеющих сплавов.
С этой же целью повышения безопасности работы и защищенности станции от внешних воздействий как случайных, так и не случайных, природных (торнадо, землетрясение) и не природных: взрывной волны или падения летательных аппаратов и других высокоскоростных тел, покрытие реакторного отделения 1 выполнено в виде контура защиты от внешних воздействий 17 с диафрагмами жесткости 14. Он выполнен в форме свода с полусферическим куполом посредством несъемной стальной модульной опалубки. Контур 17 выполнен монолитным сталежелезобетонным посредством несъемной стальной модульной опалубки и включает железобетонные диафрагмы жесткости 14 и защитную оболочку, внутренняя поверхность которой выполнена из несъемной стальной модульной опалубки..
Технологические помещения 13, выполненные в пространственных «сотах» внешней защитной оболочки 5, представляют собой усиленные стены с контрофорсами и имеют назначение сдерживать боковое попадание, например, снаряда и исключить разрушение главного корпуса, но основное - уберечь реакторное отделение 1 с реакторами 2, тем самым повышая защищенность станции.
Атомная электрическая станция работает следующим образом.
В случае возникновения чрезвычайной ситуации в реакторном отделении 1, вызванной утечкой газов, или взрывом реактора 2 в защитной металлической оболочке. Второй контур защиты 15 реактора 2 должен выдержать этот удар но, если все же произошел взрыв и второй контур защиты 15 разрушился, то третий контур защиты 16, ограждающий реакторы 2 и выполненный сталежелезобетонным, удерживает и преграждает выход продуктам взрыва за пределы реакторного отделения 1 и ситуация локализуется внутри реакторного отделения 1. Но, если произошел более сильный взрыв, то контур защиты от внешних воздействий 17 погасит эту взрывную волну от выхода ее через перекрытие, а внешняя защитная оболочка 5, выполненная по периметру реакторного отделения 1, не позволит выйти взрывной волне через стены главного корпуса, надежно погасив ее внутри корпуса, защитив тем самым окружающую среду от радиоактивного заражения.
В случае возникновения внешней угрозы: обстрел станции снарядами или ракетами, падение летательного аппарата, покрытие реакторного отделения 1, выполненное специально в виде контура защиты от внешних воздействий 17 с диафрагмами жесткости 14, надежно защитит реакторное отделение 1 от разрушения, так как он выполнен монолитным сталежелезобетонным посредством несъемной стальной модульной опалубки в форме свода и включает железобетонные диафрагмы жесткости 14 и защитную оболочку, внутренняя поверхность которой выполнена из несъемной стальной модульной опалубки.
А стены главного корпуса, ограждающие реакторное отделение 1 внешней защитной оболочкой 5, выполненной в виде пространственной «сотовой» конструкции из монолитных сталежелезобетонных конструкций посредством несъемной стальной модульной опалубки, надежно защитят реакторное отделение 1 от бокового попадания и дальнейшего разрушения здания станции.
Использование предлагаемого технического решения позволило создать атомную электрическую станцию с повышенной противоаварийной защитой, с надежной защитой от внешних воздействий и экологической защищенностью окружающей среды при возможных авариях реакторов. А также оно позволяет обеспечить существенно большую прочность и герметичность ограждающих конструкций возможного пространства распространения продуктов взрыва, обеспечивающую по своему объему локализацию радиоактивных выбросов в пределах ее объема и предотвращение их прорыва в атмосферу при аварии атомной станции.