ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА Российский патент 1997 года по МПК G21D5/00 G21C15/00 

Изобретение относится к области атомной техники, в частности к ядерным энергетическим установкам (ЯЭУ) с корпусным легководным реактором.

Безопасность ЯЭУ обеспечивается, в том числе, конструкцией первого контура и специальными системами безопасности, предназначенными для предупреждения аварий и ограничения их последствий.

Существуют три вида конструктивного оформления первого контура, три вида компоновки оборудования и трубопроводов первого контура: петлевая, блочная, интегральная.

Петлевая компоновка применяется в действующих ЯЭУ с корпусными легководными реакторами. Основная особенность такой компоновки наличие циркуляционных трубопроводов большого диаметра между основным оборудованием первого контура (реактор, теплообменники первого-второго контура, насосы).

Максимально-возможная авария ЯЭУ с петлевой компоновкой разрыв циркуляционного трубопровода большого диаметра полным сечением с двусторонним истечением теплоносителя первого контура.

Блочная компоновка не нашла применения в действующих ЯЭУ с корпусными легководными реакторами. Она применяется в транспортных ЯЭУ малой мощности. Основная особенность этой компоновки отсутствие циркуляционных трубопроводов большого диаметра. Малогабаритные корпуса оборудования первого контура (реактор, теплообменники первого-второго контура, насосы) соединены между собой короткими патрубками, вырезанными из основного металла.

Интегральная компоновка позволяет объединить в одном корпусе активную зону, приводы СУЗ, теплообменники первого-второго контура, насосы, компенсатор объема. Интегральная компоновка делает ненужными циркуляционные трубопроводы первого контура большого диаметра. Интегральная компоновка повышает безопасность за счет ограничения возможных размеров отверстия течи в системе первого контура при максимально возможной аварии. Размер отверстия не может превысить поперечного сечения трубы диаметром 50.70 мм, что примерно в 200 раз меньше, чем у действующих ЯЭУ с корпусными легководными реакторами. Интегральная компоновка позволяет снизить уровень дозовых нагрузок на персонал, а также уровень риска, связанного с охрупчиванием корпуса реактора под действием нейтронного облучения.

Эти особенности интегральной компоновки упрощают операции по снятию ЯЭУ с эксплуатации по истечение срока службы.

Специальные системы безопасности контролируют аварии, выполняя следующие функции: установку реактора, отвод остаточных тепловыделений и ограничение распространения радиоактивных продуктов. Различают защитные, локализующие, управляющие и обеспечивающие системы безопасности. Нормальное состояние системы безопасности это режим ожидания аварии, а основное требование к ним гарантированное срабатывание и обеспечение при работе проектных характеристик. В связи с этим для повышения их надежности целесообразно использование в них пассивных устройств и естественных процессов. Пассивный принцип действия системы и устройства это такой, при котором для выполнения заданной функции не требуется работа других систем и устройств. Пассивные системы функционируют под влиянием воздействий, непосредственно возникающих вследствие какого-либо исходного события. Как правило, такие системы характеризуются более высокой надежностью по сравнению с активными, в связи с чем принцип единичного отказа обычно применяют только к активным системам и устройствам. К пассивным устройствам безопасности относятся, например, защитные оболочки ЯЭУ, относящиеся к локализующим системам безопасности.

В общем случае функционирование защитной оболочки обеспечивается действием различных подсистем [1] при этом их главными задачами являются
выдерживать повышенное давление, возникающее внутри защитной оболочки при потере теплоносителя первого контура;
во взаимодействии с системами охлаждения предотвратить повышение давления внутри оболочки сверх проектных пределов с последующим его снижением;
ограничить выход радионуклидов в окружающую среду;
защищать установку от внешних воздействий;
предотвратить возникновение взрывоопасных концентраций водорода.

Большинство современных действующих ЯЭУ с корпусными легководными реакторами снабжено защитными оболочками, отвечающими указанным требованиям. Как правило, они изготовлены из предварительно напряженного железобетона, имеют форму цилиндра с эллиптической (сферической) крышкой. Внутренние размеры указанных защитных оболочек позволяют разместить внутри них реакторный зал с краном, бетонный массив с бассейном выдержки топлива, помещениями, шахтами реактора, ревизии и транспортирования, реактор, оборудование и трубопроводы первого контура, оборудование и трубопроводы прочих специальных систем безопасности [2]
Существуют другие конструкции защитных оболочек, которые используются на действующих зарубежных ЯЭУ с корпусными одноконтурными кипящими реакторами (см.например, [3]). Защитная оболочка состоит из двух частей. Одна размещена внутри бетонного массива предварительно напряженного железобетона, в ней размещены реактор, насосы и некоторые специальные системы безопасности. Другая состоит из помещений внутри бетонного массива, трубопроводов и баллонов, размещенных в здании, и предназначена для снижения давления при аварии с истечением теплоносителя первого контура. Бассейн выдержки топлива, помещения, шахты ревизии и транспортирования, реакторный зал с краном расположены вне защитной оболочки в здании из обычного железобетона. Здание и плиты из железобетона, закрывающие шахту реактора и бассейн выдержки, предназначены для защиты ЯЭУ от внешних воздействий.

Для вновь разрабатываемой ЯЭУ с интегральным корпусным легководным реактором "SiR" с целью повышения экономических показателей рассмотрена возможность использования указанной выше конструкции защитной оболочки.

Однако условием применения указанной конструкции защитной оболочки для ЯЭУ с корпусным легководным реактором является решение задачи аварии с плавлением активной зоны.

Эта новая задача защитных оболочек добавилась после Чернобыльской аварии.

Кроме того, указанная конструкция защитной оболочки не решает важную задачу аварии при перегрузке топлива в шахте реактора или бассейне выдержки.

Примером, позволяющим решить задачу аварии с плавлением активной зоны, может служить разрабатываемая ЯЭУ с корпусным легководным реактором АР-600 (см. например, [4]). Защитная оболочка АР-600 двойная. Наружная оболочка из предварительно напряженного железобетона защищает от внешних воздействий. Внутренняя металлическая оболочка выдерживает повышенное давление, возникающее внутри оболочки при потере теплоносителя первого контура и плавления активной зоны, ограничивает выход радионуклидов в окружающую среду, отдает остаточное тепло воздуху, естественно циркулирующему между оболочками. Реактор и активная зона размещены в нижней части оболочки и при указанной аварии заливаются водой, хранящейся внутри оболочки.

Задача повышения безопасности ЯЭУ с корпусными легководными реакторами решается одновременно с задачей повышения экономичности установок. Задача повышения экономичности может быть решена сокращением размеров ЯЭУ, упрощением и ускорением ремонта и замены оборудования.

Известна ЯЭУ, включающая защитную оболочку, зал с краном, бетонный массив с бассейном выдержки топлива, помещения, шахты реактора, ревизии и транспортирования, корпусной легководный реактор, оборудование и трубопроводы, (см. например, [2]).

Петлевая компоновка первого контура позволяет компактно заполнить бетонный массив ниже реакторного зала, обеспечить минимальный диаметр защитной оболочки. Наиболее ненадежное оборудование первого контура указанной ЯЭУ - насосы размещаются каждый в отдельном помещении, обслуживаются краном реакторного зала.

Ремонт и замена каждого насоса проводятся независимо и параллельно с другими работами, чем достигается упрощение, сокращение времени выполнения этих работ.

Однако наличие циркуляционных трубопроводов первого контура большого диаметра ограничивает безопасность указанной ЯЭУ.

Известна ЯЭУ, включающая защитную оболочку, зал с краном, бетонный массив с бассейном выдержки топлива, помещениями, шахты реактора, ревизии и транспортирования, корпусной легководный реактор, оборудование и трубопроводы, устройство для транспортирования насосов (см. например, [4]).

Установка обладает большей безопасностью за счет сокращения количества циркуляционных трубопроводов первого контура и объединения двух насосов и одного парогенератора в единую единицу оборудования первого контура.

Петлевая компоновка, уменьшение количества петель и оборудования первого контура этой ЯЭУ позволяет уменьшить ее объем по сравнению с объемом действующих ЯЭУ с корпусными легководными реакторами той же мощности на 30%
На каждом парогенераторе снизу устанавливаются по два герметичных насоса. Ремонт и замена насосов проводятся с помощью крана реакторного зала и устройств для транспортирования (подъема, кантовки). Нижнее размещение насосов усложняет и удлиняет работы по их ремонту и замене.

Наличие циркуляционных трубопроводов первого контура большого диаметра ограничивает безопасность указанной ЯЭУ.

Известна ЯЭУ, включающая защитную оболочку, зал с краном, бетонный массив с бассейном выдержки топлива, помещения, шахты реактора, ревизии и транспортирования, корпусной легководный интегральный реактор с теплообменниками первого-второго контура и горизонтальными насосами, патрубки которых расположены выше активной зоны, трубопроводы обвязки теплообменников первого-второго контуров, устройство для транспортирования насосов (см. например, [5]).

Горизонтальные насосы, патрубки и трубопроводы обвязки теплообменников первого-второго контура размещены в общем помещении в средней части шахты реактора.

Диаметр общего помещения позволяет производить ремонт и замену насосов, а также монтаж (демонтаж) трубопроводов обвязки теплообменников первого-второго контура при их ремонте и замене.

Диаметр общего помещения тем больше, чем больше размеры насоса. То есть чем больше мощность реактора, тем больше размеры насоса, больше габарит разборки насоса, больше диаметр общего помещения. Выше общего помещения диаметр шахты реактора определяется габаритом крышки реактора, ниже - диаметром корпуса реактора.

За стенкой общего помещения в ЯЭУ размещается бассейн выдержки топлива. Это сделано для уменьшения размеров ЯЭУ. Бассейн выдержки топлива связан с шахтой реактора (выше крышки реактора) каналом, заполненным водой, для транспортирования под слоем воды тепловыделяющих сборок при перегрузке топлива.

Кроме бассейна выдержки топлива в бетонном массиве вокруг шахты реактора размещаются шахты ревизии, транспортирования, оборудования и другие.

Таким образом, чем больше диаметр общего помещения, тем больше размеры бетонного массива, больше размеры ЯЭУ, и, следовательно, меньше ее экономичность.

Для монтажа (демонтажа) насосов требуется специальное устройство транспортирования, которое размещается в этом же общем помещении и, следовательно, мешает проведению работ с патрубками и трубопроводами обвязки теплообменников первого-второго контуров, усложняет организацию параллельных работ, усложняет и удлиняет проведение работ по ремонту и замене указанных составных частей реактора.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является уменьшение размеров, а также упрощение и ускорение ремонта и замены насосов и теплообменников первого-второго контура и, следовательно, повышение экономичности при сохранении высокого уровня безопасности ЯЭУ с корпусным легководным интегральным реактором.

Для решения этой задачи ядерная энергетическая установка, включающая защитную оболочку, зал с краном, бетонный массив с бассейном выдержки топлива, помещениями оборудования, шахтами реактора, ревизии и транспортирования, корпусной легководный интегральный реактор с теплообменниками первого-второго контуров, горизонтальными насосами, патрубками, расположенными выше активной зоны, трубопроводы обвязки теплообменников первого-второго контуров, устройство транспортирования насосов, снабжена отдельными для каждого насоса помещениями, соединяющими шахту реактора и общее периферийное помещение и расположенными ниже бассейна выдержки топлива, шахт ревизии, а также ниже помещения в шахте реактора с патрубками и трубопроводами обвязки, при этом отдельные и общие периферийные помещения снабжены направляющими для устройства транспортирования насосов, в местах соединения отдельных и общего периферийных помещений выполнены скругления.

Совокупность ограничительных существенных признаков заявляемого изобретения предлагается в следующей формулировке:
"Ядерная энергетическая установка, включающая защитную оболочку, зал с краном, бетонный массив с бассейном выдержки топлива, помещения оборудования, шахты реактора, ревизии и транспортирования, корпусной легководный интегральный реактор с теплообменниками первого-второго контуров, горизонтальными насосами, патрубками расположенными выше активной зоны, трубопроводы обвязки указанных теплообменников, устройство для транспортирования насосов".

Указанная совокупность существенных признаков прототипа предлагается не случайно. Именно интегральная компоновка первого контура позволяет повысить безопасность следующего поколения ЯЭУ с корпусными легководными реакторами. При этом патрубки насосов и теплообменников первого-второго контуров размещаются выше активной зоны, чем упрощается сохранение активной зоны под заливом при максимально возможной аварии (разрыве трубопровода первого контура или патрубка реактора).

В связи с тем, что в одном корпусе собрано оборудование всего первого контура, большое значение преобретают задачи упрощения и ускорения ремонта и замены этого оборудования, организации независимой и параллельной работы, выделения соответствующих помещений и устройств, их размещение в защитной оболочке ЯЭУ.

При ремонте и замене составных частей реактора необходимо в максимальной степени использовать кран реакторного зала.

Современное требование рассмотрения постулированной аварии с плавлением активной зоны, требование защиты бассейна выдержки и процесса перегрузки топлива от внешних воздействий можно решить с помощью защитной оболочки. Защитная оболочка может быть при необходимости двойная. Решить поставленную задачу, используя только совокупность существенных признаков прототипа, указанную в ограничительной части формулы изобретения, нельзя.

Для решения поставленной задачи совокупность существенных признаков, указанная в ограничительной части формулы изобретения, должна быть дополнена следующей совокупностью отличительных признаков, а именно снабжена отдельными для каждого насоса помещениями, соединяющими шахту реактора и общее периферийное помещение, которые расположены ниже бассейна выдержки топлива, шахт ревизии, а также ниже помещения в шахте реактора с патрубками и трубопроводами обвязки; отдельные и общее периферийное помещения соединены направляющими для устройства транспортирования насосов; в местах соединения отдельных и общего периферийного помещений выполнены скругления.

В итоге представленная совокупность ограничительных и отличительных существенных признаков изобретения обладает изобретательским уровнем и позволяет
обеспечить независимый и параллельный ремонт и замену насосов, этих наиболее ненадежных элементов установки;
обеспечить независимый и параллельный ремонт насосов и теплообменников первого-второго контуров;
уменьшить диаметр помещения в средней части шахты реактора с патрубками и трубопроводами обвязки и разместить ближе к оси шахты реактора бассейн выдержки топлива.

На фиг. 1 изображен продольный разрез предлагаемой ЯЭУ; на фиг. 2 - сечение А-А на фиг. 1.

Предлагаемая ЯЭУ устроена следующим образом: внутри защитной оболочки 1 размещены реакторный зал 2 с краном 3, бетонный массив 4, бассейн 5 выдержки топлива, помещения 6 оборудования, шахта 7 реактора, шахты 8 ревизии, шахта транспортирования 9, корпусной легководный интегральный реактор 10 с крышкой 11, теплообменниками 12 первого-второго контуров, горизонтальными насосами 13, патрубками 14 насосов и патрубками 15 теплообменников первого-второго контуров, расположенными выше активной зоны 16, трубопроводы 17 обвязки теплообменников первого-второго контуров, устройство 18 с направляющими 19 для транспортирования насоса, отдельные для каждого насоса помещения 20, общее периферийное помещение 21, скругления 22.

Ремонт и замена насосов 13 производится следующим образом. Останавливается и расхолаживается реактор 10, производятся дезактивация поверхностей первого контура, демонтаж крышки 11, установка ее в шахту ревизии 8, полная выгрузка активной зоны 16, дренаж теплоносителя первого контура до уровня ниже патрубков 14 насосов. Затем демонтируется насос 13, погружается на устройства 18 и транспортируется по направляющим 19 сначала до пересечения отдельного 20 и общего периферийного 21 помещений до транспортной шахты 9. Далее насос 13 транспортируется краном 3 в реакторный зал 2 и вне оболочки 1 ЯЭУ по известному решению.

Размеры отдельных 20 и общего периферийного 21 помещений, а также скруглений 22 выбираются из условия возможности проведения указанных работ.

Новый насос 13 устанавливается в обратном порядке.

Ремонт (поиск и глушение текущих труб, секций и т.д.) теплообменников 12 первого-второго контуров производится следующим образом: останавливается и расхолаживается реактор 10, производятся дезактивация поверхностей первого контура, демонтаж крышки 11 реактора, установка ее в шахту ревизии 8, дренаж теплоносителя первого контура до уровня ниже патрубков 15 теплообменников первого-второго контуров, вскрытие патрубков 15, а затем поиск и глушение текущих труб, секций и т.д. по известному решению.

Замена теплообменников 12 первого-второго контуров производится следующим образом: останавливается и расхолаживается реактор 10, производятся дезактивация поверхностей первого контура, демонтаж крышки 11 реактора, установка ее в шахту ревизии 8, выгрузка активной зоны 16, дренаж теплоносителя первого контура до уровня ниже патрубков 15 теплообменников 12 первого-второго контуров, вскрытие патрубков 15, отрезка теплообменников 12, демонтаж их из реактора 10 с помощью крана 3 реакторного зала 2.

Диаметр помещения в средней части шахты 7 реактора, где размещаются патрубки 15 и трубопроводы обвязки 17 теплообменников первого-второго контуров, выбирается из условия возможности проведения указанных работ.

Отдельные помещения 20 обеспечивают независимый и параллельный ремонт и замену насосов.

Помещение в средней части шахты реактора 7 для работ с патрубками 15 и трубопроводами 17 обвязки теплообменников первого-второго контуров и отдельные помещения 20 насосов обеспечивают независимый и параллельный ремонт насосов 13 и теплообменников 12 первого-второго контуров.

Размещение насосов 13 в отдельных помещениях 20, соединяющих шахту 7 реактора и общее периферийное помещение 21 ниже бассейна 5 выдержки топлива и шахт 8 ревизии, позволяет уменьшить диаметр помещения в средней части шахты 7 реактора для патрубков 15 и трубопроводов 17 обвязки, разместить ближе к оси шахты 7 реактора бассейна 5 выдержки топлива, уменьшить диаметр бетонного массива 4 и защитной оболочки 1.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет уменьшить размеры, упростить и ускорить ремонт и замену насосов и теплообменников первого-второго контуров, а следовательно, повысить экономичность ЯЭУ с корпусным легководным интегральным реактором при сохранении уровня безопасности.

Использование: в атомной технике, в частности в ядерных энергетических установках с корпусным легководным реактором. Сущность: установка включает защитную оболочку 1, реакторный зал 2 с краном 3, бетонный массив 4, помещения оборудования 6, шахту 7 реактора, шахту транспортирования 9, корпусной легководный интегральный реактор с крышкой 11, горизонтальные насосы 13, которые установлены в отдельных помещениях 20. Помещения 20 расположены ниже бассейна 5 выдержки топлива, шахт ревизии, а также ниже помещения с патрубками 14 и 15 и трубопроводами 17, обвязки теплообменников 12 первого-второго контуров. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Ядерная энергетическая установка, содержащая защитную оболочку, зал с краном, бетонный массив с бассейном выдержки топлива, помещениями оборудования, шахтами реактора, ревизии и транспортирования, корпусной легководный интегральный реактор с теплообменниками первого второго контуров, горизонтальными насосами, патрубками, расположенными выше активной зоны, трубопроводы обвязки теплообменников первого второго контуров, устройство транспортирования насосов, отличающаяся тем, что она снабжена отдельными для каждого насоса помещениями, соединяющими шахту реактора и общее периферийное помещение, и которые расположены ниже бассейна выдержки топлива, шахт ревизии, а также помещения в шахте реактора с патрубками и трубопроводами обвязки теплообменника первого второго контуров. 2. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что отдельные и общее периферийное помещения снабжены направляющими устройства транспортирования насосов. 3. Установка по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что в местах соединения отдельных и общего периферийных помещений выполнены скругления.