МАЛОГАБАРИТНОЕ УСТРОЙСТВО ОГРАНИЧЕНИЯ РАСХОДА ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ ПРИ АВАРИЙНОЙ РАЗГЕРМЕТИЗАЦИИ ТРУБОПРОВОДА КОНТУРА ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА Российский патент 1998 года по МПК G21C9/00 

Изобретение относится к области ядерной техник, а конкретно к устройствам ограничения расхода горячего теплоносителя при аварийной разгерметизации трубопровода контура ядерного реактора, находящегося под давлением. Эти устройства позволяют ограничить аварийный расход горячего теплоносителя до определенного минимума в течение нескольких минут, которые необходимы для принятия мер по локализации аварии и предотвращения обезвоживания активной зоны реактора.

Известны различные устройства, применяемые для ограничения расхода горячего теплоносителя под давлением при аварийной разгерметизации трубопровода контура ядерного реактора. В большинстве из них используется сопло Лаваля, имеющее сужающийся входной участок (конфузор), закачивающийся наиболее узким центральным участком сопла, плавно переходящим в расширяющийся выходной участок - диффузор.

Известно изобретение "Устройство ограничения расхода теплоносителя при аварийной разгерметизации контура ядерного реактора", в котором для ограничения расхода теплоносителя при аварийной разгерметизации использовано сопло Лаваля с цилиндрическим участком в узком сечении (а.с. N 723948, кл. G 21 C 9/00, 1982 г.). В условиях водяного теплоносителя, температура которого ниже точки кипения при рабочем давлении в трубопроводе, пропускная способность сопла Лаваля весьма велика, т.к. в этом случае имеет место чисто однофазный гидравлический режим течения.

В случае аварийного разрыва трубопровода за соплом резко понижается давление, что приводит к разгону потока теплоносителя и созданию условий для вскипания теплоносителя. В узком сечении сопла скорость потока становится равной местной скорости звука в парожидкостной смеси, благодаря чему происходит так называемое "запирание" потока по расходу. В результате этого снижается скорость опорожнения контура циркуляции ядерного реактора и облегчается режим работы системы локализации аварий с потерей теплоносителя, а также уменьшается темп аварийного разогрева активной зоны.

Недостатком устройства является невозможность его установки перед арматурой, например перед обратным клапаном, на расстоянии ближе 8 - 10 диаметров трубопровода. Дело в том, что из сопла Лаваля, особенно имеющего относительно большой угол раскрытия диффузора, например более 7 градусов, в рабочем режиме вырывается струя с высокой скоростью и динамической энергией. При этом струя нестационарна и "гуляет" по сечению трубопровода. Если за соплом Лаваля в трубопроводе с внутренним диаметром 300 мм на расстоянии 1 - 2 метра установить арматуру, например обратный клапан, то через 4 - 6 месяцев обратный клапан выйдет из строя, т.е. потеряет способность стопроцентно срабатывать при разрыве трубопровода.

Еще одним недостатком устройства является относительно большие его габариты вдоль оси трубопровода, которые значительно больше двух диметров трубопровода, что затрудняет размещение таких ограничительных вставок в стесненных условиях уже действующих трубопроводов.

Прототипом изобретения является устройство ограничения расхода теплоносителя при аварийной разгерметизации трубы контура циркуляции ядерного реактора, выполненное в виде вставки с соплом Лаваля (см. патент США N 3.123.533, кл. 976-38, 1964 г.).

Недостатком известного устройства является невозможность установки его вблизи трубопроводной арматуры, например обратного клапана, из-за опасности вывода его из строя скоростной гидродинамической струей, выходящей из сопла Лаваля.

Другим недостатком этого устройства является его длина, что затрудняет его размещение в стесненных условиях действующих трубопроводов, когда нет возможности обеспечить за соплом Лаваля 8 - 10 диаметров трубопровода, свободного от арматуры.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание малогабаритного устройства ограничения расхода теплоносителя при аварийной разгерметизации трубопровода контура ядерного реактора в виде ограничительной вставки в трубопроводе на базе сопла Лаваля, которая без снижения своей по длине пропускной способности была бы по длине меньше размера внутреннего диаметра трубопровода и за ней на расстоянии не далее одного диаметра трубопровода можно было бы устанавливать трубопроводную арматуру без опасности ее разрушения от гидродинамической струи, выходящей большой скоростью из сопла Лаваля.

Дополнительной задачей заявляемого изобретения является создание средства защиты устройства ограничения расхода теплоносителя от засорения его пленочным мусором или другими предметами с развитой поверхностью, случайно попавшими в трубопровод, например в процессе профилактических ремонтов циркуляционных насосов или другого оборудования, входящих с систему контура циркуляции.

Техническим результатом данного изобретения является обеспечение по всему сечению трубопровода сразу за ограничительной вставкой равномерного поля скоростей потока теплоносителя путем замены одной мощной скоростной струи, выходящей из сопла Лаваля и равной по расходу потоку в трубопроводе, на множество мелких струй, равномерно распределенных по всей площади сечения трубопровода, суммарный расход которых равен потоку в трубопроводе. При этом расстояние, на которое динамически распространяются эти струи, равно не более 10 диаметров выходного сечения диффузора в малом сопле Лаваля.

На практике для трубопроводов диаметром 300 мм выходной диаметр диффузора малого сопла Лаваля по расчету должен составлять около 25 мм, что позволяет без опасности будущего разрушения трубопроводной арматуры устанавливать ограничительную вставку заявляемой конструкции, например перед обратным клапаном, на расстоянии 250 мм, в то время как для установки в том же трубопроводе односопловой вставки, за ней необходимо будет обеспечить свободное от арматуры пространство длиной в 2,5 - 3 метра.

Дополнительным техническим результатом данного изобретения является сохранение величины расхода теплоносителя, проходящего через ограничительную выставку, при случайном попадании на входной торец вставки пленочного мусора или других предметов с развитой поверхностью.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в известном устройстве ограничения расхода теплоносителя при аварийной разгерметизации трубопровода ядерного реактора, выполненного в виде ограничительной вставки в трубопровод, содержащий сопло Лаваля, вставка выполнена в виде диска, равномерно перфорированного по торцу отверстиями, при этом каждое отверстие выполнено в виде сопла Лаваля с цилиндрическим участком в узком сечении и диффузором с углом раскрытия не более 7 градусов и диаметром на выходе не более шага между отверстиями.

Кроме того, между отверстиями равномерно по всей площади торца диска со стороны входа теплоносителя выполнены выступы высотой не менее 4 мм.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 показано устройство для ограничения расхода теплоносителя в виде вставки с набором сопел Лаваля, устанавливаемой в защищаемый трубопровод. При этом вставка в виде толстостенного диска, равномерного перфорированного соплами Лаваля, показана на фиг. 1 со стороны выхода теплоносителя; на фиг. 2 вставка показана сбоку (по стрелке А), на которой часть сопел показаны в разрезе; на фиг. 3 вставка показана с торца со стороны входа теплоносителя; а на фиг. 4 показан продольный разрез одного сопла Лаваля с выступами со стороны входа теплоносителя, которые предназначены для защиты сопел Лаваля от забивания их случайным пленочным мусором.

Устройство для ограничения расхода теплоносителя при аварийной разгермертизации трубопровода выполнено в виде толстостенного диска 1, который равномерно по всей площади торца перфорирован соплами Лаваля 2.

Каждое сопло Лаваля в узком сечении выполнено в виде цилиндрического участка 3, где в случае аварийного обрыва трубопровода и падения давления за соплом Лаваля резко возрастает скорость потока теплоносителя при одновременном падении давления, что в итоге приводит к вскипанию теплоносителя в цилиндрической части сопла Лаваля и частичному "запиранию" потока теплоносителя на определенный отрезок времени, позволяющий принять срочные меры для предупреждения обезвоживания активной зоны реактора. Диффузоры 4 сопел Лаваля выполнены с углом раскрытия, но не более 7 градусов, что необходимо для создания в рабочем режиме за ограничительной вставкой равномерного поля скоростей, а также для размещения в ней большего количества сопел Лаваля без опасности пересечения их диффузоров. На торце вставки равномерно по всей площади выполнены выступы 5, которые защищают конфузоры (входные отверстия) 6 сопел Лаваля от засорения их пленочным мусором, который может случайно попасть в трубопровод во время профилактических ремонтов трубопроводной арматуры.

Устройство работает следующим образом.

Вставку изготавливают в виде диска, который равномерно перфорирован сквозными отверстиями в виде сопел Лаваля. Сопла Лаваля размещены по торцу диска так, что выходные диаметры диффузоров 4 практически соприкасаются с соседними диаметрами диффузоров, но пересекаются, что позволяет обеспечить низкое гидравлическое сопротивление вставки в рабочем режиме трубопровода.

Вставку устанавливают в трубопровод без зазора и закрепляют известными способами. В рабочем режиме трубопровода ограничительная вставка работает как обычное гидравлическое сопротивление. Динамические струи, выходящие из сопел Лаваля, образуют по сечению трубопровода относительно равномерное поле скоростей. При этом гидродинамическое воздействие каждой струи, выходящей из сопла Лаваля, распространяется вдоль трубопровода не дальше 10 выходных сечений диффузора этого сопла, что позволяет устанавливать ограничительные вставки в трубопроводе перед арматурой на расстоянии не более одного диаметра трубопровода, в то время как при использовании известных конструкций вставок это расстояние не может быть меньше 8 - 10 диаметров рабочего трубопровода.

Для защиты сопел Лаваля от засорения пленочным мусором (пленка, перчатки, ключи и т.д.), который может случайно попасть в трубопровод в процессе монтажа и профилактических ремонтов, на всей площади диска со стороны входа теплоносителя, выполнены выступы, которые препятствуют полному перекрытию входных отверстий сопел Лаваля.

Пример осуществления.

Устройство ограничения расхода теплоносителя по данному изобретению было рассчитано и изготовлено для трубопровода контура циркуляции ядерного реактора с внутренним диаметром 300 мм. Наружный диаметр ограничительной вставки в виде диска был выбран равным внутреннему диаметру трубопровода, равному 300 мм. Толщина диска в соответствии с расчетом была выбрана 150 мм, высота предохранительных выступов - 5 мм. В диске было выполнено 91 сквозное отверстие, равномерно распределенное по торцевой площади диска. Отверстия выполнены в виде сопла Лаваля с цилиндрическим участком в узком сечении сопла. Диаметр цилиндрического участка был выполнен равным 15 мм и длиной 54 мм. Такая длина необходима для увеличения времени нахождения потока при максимально сниженном давлении, чтобы как можно больше теплоносителя успело вскипеть и тем самым "запереть" сопло Лаваля и в несколько раз снизить аварийный расход теплоносителя при разрыве трубопровода. Диффузор был выполнен с учетом раскрытия 6 градусов и диаметром выходного отверстия 25 мм.

Входное отверстие сопла Лаваля было выполнено с радиусом закругления к цилиндрическому отверстию, равным около 5 мм. В промежутках между входными отверстиями выполнены предохранительные выступы высотой 5 мм в количестве 140 штук, которые служат для предотвращения засорения входных отверстий сопел случайным пленочным мусором.

Испытания на стенде подтвердили расчеты, на основании которых была выполнена ограничительная вставка. Динамическое воздействие гидродинамических струй, выходящих из сопел Лаваля, распространяется не далее 220 мм, что позволяет устанавливать устройство ограничения расхода теплоносителя в трубопровод контура ядерного реактора перед обратным клапаном на расстоянии 250 - 300 мм без опасности выхода его из строя.

Устройство ограничения расхода выполнено на базе сопла Лаваля в виде малогабаритной вставки в защищаемый трубопровод, которая в случае его разрыва позволяет ограничить расход горячего теплоносителя до определенного минимума в течение нескольких минут, которые позволяют принять меры по локализации аварии. Техническим результатом данного изобретения является обеспечение по всему сечению трубопровода сразу за ограничительной вставкой равномерного поля скоростей потока теплоносителя путем замены одной мощной скоростной струи, выходящей из сопла Лаваля и равной по расходу потоку в трубопроводе, на множество мелких струй, равномерно расположенных по всей площади сечения трубопровода, суммарный расход которых равен потоку в трубопроводе. При этом расстояние, на которое динамически распространяются эти струи, равно не более 10 диаметров выходного сечения диффузора в малом сопле Лаваля, что позволяет установить устройство в стесненных условиях существующих трубопроводов непосредственно перед трубопроводной арматурой, например перед обратным клапаном, без опасности разрушения ее скоростной струей, выходящей из сопла Лаваля. 1 з.п. ф-лы. 4 ил.

1. Устройство ограничения расхода теплоносителя при аварийной разгерметизации трубопровода контура ядерного реактора, выполненное в виде ограничительной вставки в трубопровод, содержащий сопло Лаваля, отличающееся тем, что вставка выполнена в виде диска, равномерно перфорированного по торцу отверстиями, при этом каждое отверстие выполнено в виде сопла Лаваля с цилиндрическим участком в узком сечении и диффузором с углом раскрытия не более 7^o и диаметром на выходе не более шага между отверстиями. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что между отверстиями равномерно по всей площади торца диска со стороны входа теплоносителя выполнены выступы высотой не менее 4 мм.