ЯДЕРНЫЙ РЕАКТОР С УЛУЧШЕННЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ В АВАРИЙНОЙ СИТУАЦИИ Российский патент 2013 года по МПК G21C15/18 

Область техники и уровень техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к ядерному реактору, охлаждение которого улучшено при аварийной ситуации, в частности, внешнее охлаждение бака реактора, в котором находится активная зона реактора, в случае серьезной аварии.

Как правило, ядерный реактор содержит активную зону реактора, содержащую ядерное топливо, например, в виде стержня или пластины, при этом активная зона заключена в бак, первичный контур, позволяющий воде входить в бак, циркулировать в нем для отбора тепла, выделяющегося во время ядерной реакции в активной зоне, и выходить из этого бака. Реактор содержит также вторичный контур, в котором тоже циркулирует вода. Первичный и вторичный контуры изолированы друг от друга, но при этом между водой первичного контура, выходящей из бака, и водой вторичного контура происходят теплообмены. Вода вторичного контура испаряется и подается на турбины для производства электрического тока.

Следовательно, при нормальной работе активная зона реактора погружена в воду.

Что касается бака, то он расположен в бетонном колодце, служащем для него опорой и образует экран защиты от излучений.

Также имеются защитные системы, чтобы в случае аварии или утечки из первичных или вторичных контуров, приводящей к ухудшению нормального охлаждения реактора, обеспечивать охлаждение активной зоны. Однако в случае одновременного отказа защитных систем остаточная мощность не удаляется в достаточной степени из активной зоны, что приводит к испарению воды вокруг активной зоны и, следовательно, к постепенному понижению уровня воды, в которую обычно погружена активная зона.

Постепенное испарение жидкости приводит к нагреванию топливных стержней (или пластин) активной зоны, причем это нагревание усиливается за счет присутствия пара, что создает высокоэкзотермическую реакцию окисления оболочек стержней. Оболочки трескаются, высвобождают свое содержимое и образуют слой осколков, который может трансформироваться в магму, называемую кориумом.

В особо серьезных случаях активная зона реактора сосредоточивается на дне бака в виде последовательных слоев кориума. Образованная таким образом ванна (называемая ванной кориума), которая может весить несколько десятков тонн при температурах порядка 2700 K, может привести к уменьшению толщины бака и даже к его пробою.

Решением для предотвращения пробоя бака является внешнее охлаждение путем затопления бака в воде. Для этого колодец, в котором находится бак, заполняют водой из бассейнов и других резервуаров атомной электростанции. Теплообмен с водой намного эффективнее, чем с воздухом, с учетом слабой конвекции с воздухом и теплового излучения, усугубляемого наличием защитного экрана, при этом наружную температуру бака поддерживают в значении, очень близком к температуре воды. В этих условиях даже при сильных потоках можно сохранять достаточную толщину стенки бака и поддерживать температуру стенки ниже температуры ползучести, которая составляет примерно 600°C, для обеспечения изоляции кориума.

В этом случае охлаждение бака происходит за счет естественной конвекции.

Однако на практике естественной конвекции часто мешают:

- недостаточное пространство между баком и теплозащитным экраном,

- обдувание нижней стенки бака паром,

- появление паровых пробок, которые образуются в верхней части бака.

Кроме того, явление естественной конвекции сопровождается интенсивным образованием пузырьков пара на наружной стенке бака, особенно в случаях, когда потоки энергии между водой и баком становятся очень сильными, порядка мегаватта/м² и более в случае мощного реактора.

Эти пузырьки пара при их незначительном количестве оказывают положительный эффект на охлаждение стенок бака, приводя к микроперемешиванию воды вдоль стенки, что способствует явлениям теплообменов; это явление называют штатным кипением.

При очень сильных тепловых потоках, наоборот, количество пузырьков пара становится очень большими, и пузырьки пара прилегают к стенке, образуя теплоизоляционный слой, который понижает коэффициент теплообмена между стенкой и водой. Это явление называют нештатным кипением, связанным с присутствием критического потока. В этом случае, для реакторов большой мощности, стенка перестает правильно охлаждаться, и целостность бака больше не гарантирована. В случае охлаждения за счет простой естественной конвекции этого нештатного кипения избежать практически невозможно.

Для замедления появления изолирующего слоя пара и, следовательно, появления нештатного кипения было, например, предложено вводить наночастицы в воду или покрывать поверхность наружной стороны бака, и даже просто окислять наружную поверхность бака, способствуя смачиванию стенки и, следовательно, позволяя предотвратить скапливание пузырьков пара.

Кроме того, для реакторов мощностью более 600 МВт, в частности, в случае, когда над оксидами ванны кориума образуется металлический слой, тепловая энергия фокусируется в одной зоне бака по причине его горизонтальной конвекции и его высокого коэффициента теплообмена со стенкой бака, и это явление называют англо-саксонским термином "focusing effet", что приводит к пробою бака в месте концентрации энергии ванны кориума.

Задачей изобретения является создание защитной системы, позволяющей избежать пробоя бака в случае аварии, не требующей внешнего вмешательства со стороны человека или подвода внешней энергии, при этом такая система может работать в экстремальных и изменяющихся условиях.

Раскрытие изобретения

Поставленная задача решена в ядерном реакторе, оборудованном автономной системой принудительной конвекции охлаждающей воды, находящейся вокруг бака ядерного реактора, в случае серьезной аварии, для обеспечения удержания в баке кориума, благодаря переводу границ риска появления нештатного кипения за пределы максимальных потоков, предусмотренных сценариями крупных аварий.

В частности, система содержит насос для создания принудительного потока воды вдоль наружной стенки, причем насос приводится в действие паром, получаемым из воды, содержащейся в колодце бака, которой в случае аварии затапливают бак. Таким образом, нет необходимости в привнесении внешней энергии для создания этой принудительной конвекции. Эту принудительную конвекцию обеспечивают даже в случае серьезных аварий, приводящих к отключению электрического питания.

Иначе говоря, предусматривают улучшение внешнего охлаждения под водой бака ядерного реактора при помощи средств, обеспечивающих охлаждение за счет принудительной конвекции воды вокруг бака, причем это охлаждение дополняет охлаждение естественной конвекцией, причем эти средства работают автономно.

Для этого реактор в соответствии с настоящим изобретением содержит средства для сбора пара, генерируемого вокруг бака, средства для приведения в действие насоса за счет кинетической энергии пара, - кинетическая энергия этого пара до настоящего времени не использовалась, - при этом насос, приводимый в действие этой энергией, выполнен с возможностью создания принудительной конвекции воды вокруг бака. В герметичном корпусе выполняют разделительную перегородку, чтобы образовать камеру сбора пара, производимого на уровне колодца бака, и создать избыточное давление. Эта перегородка отделяет камеру сбора от герметичного корпуса.

Таким образом, используют движущую силу избыточного давления собранного пара.

При принудительной конвекции расход циркулирующей воды может составлять примерно 3 м/с, тогда как при естественной конвекции расход воды вокруг бака можно определить примерно в 0,5 м/с.Кроме того, критический поток, который приводит к пробою бака, зависит от массового расхода в степени 1/3. Следовательно, повышение массового расхода воды приводит к увеличению критического потока, который в этом случае удерживается за пределами максимального потока, действию которого может подвергаться бак в зоне "focusing effet".

Следует отметить, что настоящим изобретением предлагается аварийная защитная система, которая может работать в исключительно экстремальных условиях, например, когда все источники электрического питания или другие источники, например, дизели выведены из строя.

Таким образом, изобретением предлагается приводить в движение воду снаружи бака вдоль его стенки при помощи насоса, способствующего внешней конвекции, с использованием пара, создаваемого за счет рассеяния снаружи бака остаточной энергии расплавленной активной зоны.

Преимуществом изобретения является автономность, позволяющая действительно создать аварийную защитную систему, не требующую ни присутствия оператора, ни какого-либо источника энергии, кроме энергии, выделяющейся при самой аварии.

Кроме того, система в соответствии с настоящим изобретением отдает приоритет надежности, то есть способности работать в экстремальных условиях, перед работой с высокой производительностью, чтобы ее работа не прекращалась в плохих условиях, при которых циркулирующая вода может содержать отходы и в результате аварии могут появиться утечки пара.

Кроме того, защитная система в соответствии с настоящим изобретением может работать в широких диапазонах расхода пара и давления, например, в диапазоне от 1 до 5 бар в герметичном корпусе и при расходе пара, достигающем 10 м³/с.

Таким образом, основным объектом настоящего изобретения является ядерный реактор, содержащий бак, в котором расположена активная зона реактора, первичный контур для охлаждения реактора, колодец бака, в котором находится бак, кольцевой канал, окружающий нижнюю часть бака в колодце бака, средства, выполненные с возможностью заполнения колодца бака жидкостью, герметичный корпус реактора, средства сбора пара, генерируемого в верхнем конце колодца бака, отделенные от герметичного корпуса, средства, выполненные с возможностью создания принудительной конвекции воды в кольцевом канале, и средства для приведения в действие средств, выполненных с возможностью создания принудительной конвекции, при помощи указанного собранного пара.

Например, средства, выполненные с возможностью сбора пара, выполнены в виде камеры сбора, отделенной от герметичного корпуса, и содержат канал удаления, устанавливающий сообщение между камерой сбора и герметичным корпусом, при этом в указанном канале удаления установлены средства для приведения в действие средств, выполненных с возможностью создания принудительной конвекции, для преобразования кинетической/потенциальной энергии собранного пара в движущую силу, приводящую в действие средства, выполненные с возможностью создания принудительной конвекции.

Средства приведения в действие средств, выполненных с возможностью создания принудительной конвекции, предпочтительно содержат лопастный насос и передаточный механизм, связанный со средствами создания принудительной конвекции, причем лопастный насос отличается высокой надежностью и исключительной простотой конструкции.

Средства создания принудительной конвекции могут содержать циркуляционный насос, расположенный в нижнем конце колодца бака на уровне входа кольцевого канала.

Передаточный механизм содержит, например, первый и второй валы, взаимодействующие соответственно с лопастным насосом и с циркуляционным насосом, и угловую передачу между первым и вторым валами. Этот механизм является очень простым и адаптирован для работы в экстремальных условиях.

Средства для заполнения жидкостью колодца бака содержат, например, резервуар жидкости и канал, соединяющий указанный резервуар с нижним концом колодца, при этом указанный канал выполнен с возможностью подачи охлаждающего воздуха в колодец при нормальной работе.

Резервуар, выполненный с возможностью сообщения с камерой сбора и каналом, соединен с камерой сбора при помощи соединителя, предпочтительно имеющего расширяющуюся форму, что позволяет избежать явлений кавитации.

Предпочтительно резервуар находится на высоте, превышающей высоту колодца бака, чтобы поток воды из резервуара в колодец бака проходил под действием силы тяжести, что позволяет избежать использования дополнительного устройства, или при помощи насоса, приводимого в действие средствами приведения в действие средств создания принудительной конвекции; в этом случае система охлаждения является полностью автономной.

Средства приведения в действие средств создания принудительной конвекции могут быть также соединены с устройством преобразования механической энергии в электрическую энергию для питания аварийных и/или контрольных систем.

Предпочтительно камера сбора содержит предохранительный клапан, обеспечивающий удаление пара в герметичный корпус в случае появления избыточного давления в камере сбора, превышающего заданное значение, например, порядка 0,3 бар.

Ядерный реактор может также содержать сепаратор вода/пар на входе насоса и клапана в случае, когда камера сбора имеет небольшие размеры.

Объектом настоящего изобретения является также применение пара, генерируемого вокруг ядерного реактора, когда колодец бака, в котором расположен бак, затапливают в случае аварии, для приведения в действие средств создания принудительной конвекции вокруг бака.

Генерируемый пар можно также применять для приведения в действие насоса подачи воды в колодец бака.

Генерируемый пар можно также применять для производства электричества с целью питания контрольных устройств.

Краткое описание чертежей

Настоящее изобретение будет более очевидно из нижеследующего описания со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

На фиг.1 схематично показана часть реактора, оборудованного защитной системой в соответствии с настоящим изобретением, вид в разрезе;

на фиг.2 приведен график распределения температуры в стенке дна бака в случае охлаждения под водой реактора в соответствии с настоящим изобретением;

на фиг.3A и 3B приведены графики скорости потока воды вдоль бака в реакторе в соответствии с настоящим изобретением и в известном реакторе соответственно;

на фиг.4A и 4B приведены графики давления вдоль бака в реакторе в соответствии с настоящим изобретением и в известном реакторе соответственно.

Осуществление изобретения

Изобретение будет описано для реактора, работающего на воде под давлением (REP), большой мощности, более 1000 МВт, однако изобретение можно применять и для реакторов меньшей мощности.

В дальнейшем тексте описания охлаждающей жидкостью является чистая вода, но использовать можно и любой другой состав, обладающий соответствующими термическими свойствами (загрязненная сточная вода, вода с наночастицами, способствующими теплообмену, и т.д.).

На фиг.1 показана часть реактора 2 в соответствии с настоящим изобретением, содержащего бак 4, нижняя часть которого расположена в бетонном колодце 6 бака. Бак 4 опирается на верхний конец 6.1 колодца 6 бака через кольцевой буртик 8, выступающий в радиальном направлении наружу бака. Бак 4 установлен в колодце 6 бака с зазором, поэтому между боковой стенкой 10 бака и стенкой колодца 6 бака остается кольцевое пространство.

Бак 4 ограничивает замкнутое пространство, в котором расположено ядерное топливо, образующее активную зону реактора (не показана); ядерное топливо представляет собой, например, сборку стержней (или пластин) ядерного топлива.

Колодец 6 бака содержит также экран защиты от тепловых излучений, исходящих от активной зоны реактора.

Реактор 2 содержит также первичный контур 12, образованный гидравлическими каналами, входящими в бак и выходящими из него над колодцем 6 бака, и через который вода поступает в бак 4 и выходит из него. Эта вода является теплоносителем, предназначенным для сбора энергии активной зоны реактора. Первичный контур взаимодействует с вторичным контуром (не показан), при помощи которого транспортируемая им вода охлаждается. Пар, генерируемый во вторичном контуре, используется для приведения во вращение турбин, предназначенных для производства электрической энергии.

Вокруг стенки бака 4 имеется кольцевой канал 16, служащий в качестве теплоизоляции при нормальной работе и функцию естественной конвекции воды при работе с ухудшенными параметрами, когда колодец 6 бака затоплен.

Канал 16 охлаждения ограничен металлической оболочкой 18, окружающей нижнюю часть бака 4, находящуюся в колодце 6 бака.

Эта оболочка 18, имеющая форму нижней части бака 4 и служащая теплозащитным экраном при нормальной работе, содержит в своем нижнем конце канал 20 для подачи воды при аварийной работе.

Эта оболочка 18 образует теплозащитный экран, защищающий бетон от теплового излучения, и поддерживает его при умеренной температуре, при этом между наружным пространством этого экрана и бетоном колодца 6 бака предусмотрена циркуляция воды.

Реактор содержит также герметичный корпус 22, окружающий бак 4 и позволяющий избежать, например, в случае разрыва первичного контура, утечки воды, загрязненной радиоактивными элементами. Герметичный корпус является оболочкой, как правило, цилиндрической формы, большого объема, выполненной, например, из бетона и окружающей реактор, первичный контур, теплообменники и первичные насосы.

Теплозащитный экран может быть также расположен на уровне верхнего конца оболочки 18, чтобы защитить бетонную конструкцию в том месте, где она поддерживает бак 4.

Опорный буртик 8 и верхний теплозащитный экран выполнены таким образом, чтобы избежать образования препятствий при удалении охлаждающего воздуха и воды в зависимости от режима работы.

На дне колодца 6 бака выполнен вход 24 подачи охлаждающего воздуха при нормальной работе и для подачи воды в колодец бака для его затопления.

Согласно изобретению, реактор предусматривает изоляцию производимого пара во время охлаждения под водой в случае аварии и использование кинетической/потенциальной энергии водяного пара для приведения в действие насоса, предназначенного для создания принудительной конвекции в кольцевом канале 16 охлаждения.

Для этого реактор содержит средства сбора пара, производимого при охлаждении бака под водой, и его подачи в зону, где он может быть использован для приведения в действие средств, обеспечивающих движение воды.

Эти средства перекрывают, в частности, каналы первичного контура, выполненные в бетонной конструкции, и содержат камеру 26, расположенную с одной стороны колодца 6 бака и сообщающуюся с ним. Камера 26 находится в герметичном корпусе, будучи при этом отделенной от него таким образом, чтобы образовать замкнутый объем по отношению к большому объему герметичного корпуса.

В частности, камера 26 сбора сообщается с верхним концом канала 16 охлаждения.

Эта перегородка внутри корпуса изолирует малый объем герметичного корпуса по отношению к его общему объему. В этот малый объем заходит пар, производимый в колодце бака, и обеспечивает создание локального избыточного давления, которое впоследствии будет использовано в качестве движущей силы.

Эта камера 26 собирает горячий воздух в нормальной ситуации и пар плюс часть воды, выходящей из канала 16 охлаждения, в аварийной ситуации. Ее выполняют, например, из железобетона, который может выдерживать перепад давления относительно герметичного корпуса, равный 0,5 бар. Она сообщается в нижней части с каналом 28, сообщающимся с входом 24, обеспечивающим подачу холодного воздуха в колодец 6 бака при нормальной работе и подачу воды в колодец 6 бака в аварийной ситуации, что будет описано ниже.

В верхней части камера 26 сбора содержит выход 30 удаления пара, при этом указанный выход 30 оборудован средствами 32, выполненными с возможностью приведения в действие насоса при помощи пара, и этими средствами 32 является, например, турбина или лопастный насос.

Предпочтительно для сбора энергии пара используют лопастный насос, так как он отличается исключительной надежностью. Действительно, он содержит всего две вращающиеся детали и не требует технического обслуживания. Кроме того, можно усилить опорные подшипники, чтобы еще больше увеличить срок службы насоса.

Кроме того, его запуск происходит автоматически даже в случае небольшого напора пара, в отличие от турбины. Давление, действующее на лопасти, передается непосредственно на насос, ускоряющий циркуляцию воды вокруг бака.

Можно также предусмотреть использование паровой поршневой машины.

Камера 26 сбора содержит также предохранительный клапан 36 гравитационного типа, который гарантированно не позволяет достигать верхнего предела избыточного давления, при этом указанный предел составляет, например, от 0,2 до 0,3 бар. Этот клапан 36 должен срабатывать, например, в случае, когда лопастный насос или турбина не работает и препятствует прохождению пара в герметичный корпус.

В своей нижней части камера сбора содержит выход 34, сообщающийся с каналом 28, выходящим на дно колодца 6 бака.

В представленном примере камера 26 сбора может сообщаться с водяными резервуарами 38, например, бассейнами, чтобы в случае серьезной аварии затопить колодец бака водой из этих резервуаров через канал 28 в колодце 6 бака.

Сообщение между камерой 26 сбора и резервуарами 38 может быть установлено при помощи горизонтального канала 37, находящегося на нижнем уровне камеры 26 сбора и сообщающегося с герметичным корпусом.

Можно предусмотреть заполнение колодца 6 бака гравитационным способом, при этом водяные резервуары находится выше относительно колодца.

Кроме того, предусмотрено регулирование уровня жидкой воды в колодце, чтобы поддерживать его по существу постоянным, несмотря на испарение.

В этом случае можно предусмотреть:

- насос, который приводится в действие паром через лопастный насос и нагнетает жидкость в колодец, чтобы компенсировать потери текучей среды из-за выходящего пара, при этом максимальное количество нагнетаемой воды должно быть равно примерно 10 кг/с. В этом случае горизонтальный канал 37, находящийся на нижнем уровне камеры 26 сбора пара, оборудуют обратным клапаном 39, чтобы обеспечивать поддержание избыточного давления в камере 26,

- компенсацию объема испаряемой воды за счет поступления воды под действием силы тяжести из постоянного резерва воды, находящегося примерно на высоте 2-3 м над требуемым уровнем воды в баке, что обеспечивает поступление воды, несмотря на более высокое давление в системе, которое не превышает 0,3 бар благодаря калибровке клапана. Преимуществом гравитационной компенсации является возможность уменьшения числа движущихся деталей, что является желательным при работе в плохих условиях.

Предпочтительно в контуре подачи воды предусмотрена установка средств 50 фильтрования, препятствующих попаданию слишком больших осколков. Действительно, во время аварии часть этой воды будет поступать за счет конденсации пара в герметичном корпусе (на стенках или через оросительные рампы) и ее отекания в колодец бака. В представленном примере средства фильтрования установлены в водяном резервуаре.

Можно также предусмотреть зону 52 осаждения на дне колодца бака, которая находится под впускным входом 24, и предпочтительно эта зона 52 осаждения дополняет фильтрование, осуществляемое средствами 50.

В представленном примере водяной резервуар 38 показан смежно с камерой 26 сбора, но, естественно, он может находиться на удалении от нее и сообщаться с ней через трубопроводы. Можно установить несколько резервуаров, отделенных друг от друга. Например, можно предусмотреть, чтобы некоторые резервуары являлись аварийными резервуарами, используемыми в начале аварии для затопления колодца 6 бака, а чтобы другие резервуары являлись резервуарами сбора сточной воды во время охлаждения бака. В этом случае устанавливают несколько разных каналов подачи воды в колодец.

Лопастный насос 32 механически связан с циркуляционным насосом 40, находящимся на дне колодца 6 бака сразу под каналом 20 в дне кольцевой оболочки 18 и предназначенным для создания принудительной конвекции охлаждающей воды.

Лопастный насос 32 связан с циркуляционным насосом через передаточный механизм 42, выполненный с возможностью передачи вращения от лопастного насоса или турбины 32 на циркуляционный насос 40. В представленном примере передаточный механизм содержит первый вал 44, второй вал 46 и угловую передачу 47 между двумя валами 44, 46, обеспечивающую соответствующее понижающее передаточное отношение.

Первый вал 44 соединен своим первым концом с лопастным насосом или турбиной 32 и содержит на втором конце коническую шестерню 45, а второй вал 46, перпендикулярный к первому валу 44 и оборудованный на своем первом конце конической шестерней 48, зацепляющейся с конической шестерней 45, соединен вторым концом с циркуляционным насосом 40.

Разумеется, передаточный механизм может быть более сложным и иметь более высокую производительность, но предпочтение отдается надежному и простому механизму, который может работать в экстремальных условиях.

За счет своего расположения внизу бака циркуляционный насос 40 должен работать при температуре немного ниже температуры насыщения, то есть он будет работать в режиме, близком к кавитационному. Следовательно, предпочтительно располагать его как можно ниже, чтобы он создавал незначительное разрежение на входе. Можно, например, выбрать в качестве циркуляционного насоса туннельный воздушный винт.

Предпочтительно место соединения канала 28 с камерой 26 сбора выполняют расширенным, что позволяет максимально снизить потери нагрузки, связанные с соединением трубы и объема. Действительно, в этом месте температура охлаждающей воды близка к температуре насыщения, следовательно в этом месте может появиться явление кавитации, если не оптимизировать поток, что может привести к частичному заполнению канала паром. Этот риск кавитации снижают за счет такого выполнения соединения.

Можно также предусмотреть соединение лопастного насоса 32 с электрическим генератором (не показан), параллельно с циркуляционным насосом 40, для питания вспомогательных систем, таких как системы контроля, например, указатели состояния, температурные зонды или датчики радиоактивности, и дополнительных аварийных систем. Это позволяет получить полностью автономную систему.

Далее следует описание работы защитной системы в соответствии с настоящим изобретением и, в целом, поведение реактора в соответствии с настоящим изобретением.

При нормальной работе вода проходит в бак 4 через первичный канал и нагревается за счет теплообменов с активной зоной реактора. Нагретая вода охлаждается за счет теплообменов с вторичным контуром, при этом пар, получаемый во вторичном контуре, используют для приведения в действие турбин и для производства электрической энергии. Благодаря теплообменам между активной зоной реактора и первичным контуром и между первичным контуром и вторичным контуром, температура активной зоны реактора поддерживается в значении, при котором обеспечивается целостность топливных стержней.

В случае неисправности в системе охлаждения активной зоны, например, во вторичном контуре, и в случае отказа аварийных систем охлаждения кипение воды первичного контура, несмотря на остановку активной зоны (падение управляющих стержней), приводит к ее обезвоживанию, при этом ее температура достигает значения, приводящего к плавлению оболочек стержней, при этом происходит образование кориума. Охлаждение естественной конвекцией оказывается недостаточным. Появляется опасность пробоя стенки бака.

Защитная система в соответствии с настоящим изобретением предусматривает заполнение колодца 6 бака водой, чтобы затопить бак снаружи при помощи воды, содержащейся в резервуарах, при этом вода поступает в колодец через канал 28 или через другие каналы, непосредственно связанные с аварийными резервуарами.

Вода, окружающая бак 4, частично испаряется; образующийся пар собирается в камере 26 сбора, при этом в камере создается небольшое избыточное давление, затем пар выходит через выход удаления камеры сбора, заставляя вращаться лопастный насос 32, который через передаточный механизм 42 приводит во вращение циркуляционный насос 40, находящийся на дне колодца 6 бака. Вращение этого насоса 40 создает принудительную конвекцию воды, что позволяет избежать нештатного кипения; таким образом, можно предотвратить пробой бака.

Возврат воды частично происходит через канал, ограниченный оболочкой 18 и стенкой колодца 6 бака, и частично по каналу 28 через камеру 26 сбора. Испаренный объем воды удаляется, как было указано выше.

Преимуществом настоящего изобретения является то, что оно не мешает классической работе системы охлаждения. Действительно, при нормальной работе охлаждающий воздух обходит насос 40, и в случае аварии, если насос не работает, естественная конвекция воды происходит обычно в обход лопастей насоса 40.

Далее будут представлены результаты, полученные при помощи европейской программы вычисления сценариев аварий на атомных электростанциях: ASTEC VI, которая была разработана для исследования случая удержания в баке с наружным охлаждением.

На фиг.2 показано распределение температуры Т в К на дне стенки бака через 3349 секунд после однозаходного разлива ванны кориума на дне бака. На графике представлена нижняя четверть дна бака, при этом на оси абсцисс можно считывать радиус R бака в метрах, а на оси ординат - высоту h бака в метрах.

Для моделирования было предположено, что вода снаружи бака циркулирует с принудительной конвекцией в канале охлаждения толщиной 15 см. Эта геометрия соответствует геометрии реактора большой мощности.

Отмечается, что, благодаря изобретению, температура на дне бака поддерживается в пределах от 600 K до 1000 K, то есть ниже температуры ползучести и, следовательно, ниже предела пробоя бака.

Кривая на фиг.3A показывает скорость V в м/с воды, циркулирующей в канале охлаждения в реакторе в соответствии с настоящим изобретением, на разных высотах при принудительной конвекции в зависимости от времени t в секундах; на фиг.3B показана скорость V в м/с воды при естественной конвекции в канале охлаждения на разных высотах в зависимости от времени t в секундах. Используемые обозначения I, II, III, IV и V показывают различные высоты снизу вверх.

Отмечается, что, благодаря изобретению, получают 6-кратный выигрыш в скорости потока воды в зоне дна бака, где находится кориум. Режим потока не нарушается паром, образующимся при подъеме, благодаря избыточному давлению, создаваемому циркуляционным насосом 40. Благодаря изобретению, получают выигрыш в 80% от максимального допустимого потока, то есть потока, при котором появляется нештатное кипение, так как значение потока зависит от скорости в степени 1/3.

Кривая на фиг.4А показывает давление P в Па в канале 16 охлаждения на разных высотах, создаваемое циркуляционным насосом в системе в соответствии с настоящим изобретением в канале 16 охлаждения бака 4, в зависимости от времени t в секундах. Отмечается появление избыточного давления, позволяющего, кроме всего прочего, избежать образования паровых пробок при подъеме, что улучшает естественную конвекцию и, следовательно, охлаждение. Используемые обозначения I', II', III', IV', V' и VI' показывают различные высоты снизу вверх.

Для моделирования:

- коэффициент единичного падения нагрузки в верхнем выходе кольцевого пространства в месте, где охлаждающая вода отходит от бака, приняли равным 0,5 и идентичным коэффициенту падения нагрузки канала, выходящего под острым углом,

- коэффициент единичного падения нагрузки в верхней части нисходящего канала, питающего насос, приняли равным 0,03 и идентичным коэффициенту падения нагрузки круглого коллектора с относительно большим радиусом кривизны.

Кривая на фиг.4B показывает давление, создаваемое в канале охлаждения известного реактора на различных высотах. Никакого избыточного давления не отмечается. Таким образом, опасность появления паровых пробок в известном реакторе наиболее вероятна, чем в реакторе в соответствии с изобретением.

Следует отметить, что сбор пара не обязательно должен быть идеальным, на самом деле можно предусмотреть очень рудиментарную и низко производительную систему отбора энергии пара, поскольку излучаемая энергия является очень большой; действительно, остаточная мощность, отдаваемая активной зоной, составляет в начале примерно 20 МВт, затем снижается и, например, равна мощности двадцати паровозов или мощности парохода; при этом энергия, необходимая для работы циркуляционного насоса 40 является низкой по отношению к количеству выделяемого пара. Точно так же, герметичность на уровне первичного контура может быть приблизительной, что не влияет на мощность, необходимую для системы.

Преимуществом этой системы является повышение ее производительности в момент появления самых сильных потоков в отличие от систем, работающих только при естественной конвекции, которые достигают своего предела в момент, когда поток предназначенного для удаления тепла становится большим. Ее полная автономность работы и ее автоматический запуск позволяют, таким образом, системе охлаждения в соответствии с настоящим изобретением работать вместо системы охлаждения естественной конвекцией, как только количество производимого пара становится достаточным.

Например, можно привести следующие размеры: для бака диаметром 4 м кольцевое пространство 16 шириной от 5 см до 15 см является достаточным (это значение было получено путем эксперимента SULTAN, проведенного на атомной электростанции Гренобля при исследовании нештатного кипения в наклонном нагреваемом канале при принудительной конвекции). Кроме того, зная, что пар может достигать расхода 10 кг/с, то есть более 10 м³/с при рабочем давлении, предпочтение отдается камере 26 сбора большого объема, например, 10 м³ и более. Это облегчает также операции обслуживания. В случае меньшей геометрии можно предусмотреть добавление сепаратора вода/пар на входе лопастного насоса и клапана.

Настоящее изобретение предназначено, в частности, для реакторов с удержанием в баке, в частности, для реакторов с водой под давлением (REP).

Настоящее изобретение применяют для реакторов с конвекционным водяным охлаждением, но его можно применять для других типов реакторов, в частности, например, для реакторов на кипящей воде. Его можно также применять для любого реактора (с водой под давлением (REP) или другого), геометрия которого при проектировании не была предусмотрена для внешнего охлаждения бака под водой при естественной конвекции. В этом случае, учитывая не соответствующую или слишком узкую геометрию, обеспечивать целостность бака может всего один канал воды с принудительной конвекцией, получаемой простым и надежным способом, благодаря настоящему изобретению.

Изобретение относится к ядерным реакторам. Ядерный реактор содержит бак (4), в котором расположена активная зона реактора, первичный контур для охлаждения реактора, колодец (6) бака, в котором находится бак (4), кольцевой канал (16), окружающий нижнюю часть бака (4) в колодце (6) бака, резервуар жидкости для заполнения колодца бака, герметичный корпус (22) реактора, камеру (26) сбора пара, генерируемого в верхнем конце колодца (6) бака, отделенную от герметичного корпуса (22), циркуляционный насос (40) и лопастный насос или паровую поршневую машину (32) для приведения в действие циркуляционного насоса (40). При этом канал (16) предназначен для выполнения функции теплозащитного экрана при нормальной работе и для обеспечения восходящей циркуляции жидкости в случае аварии, а циркуляционный насос выполнен с возможностью создания принудительной конвекции при помощи собранного пара. Технический результат - повышение уровня пассивной аварийной защиты бака реактора от проплава. 2 н. и 22 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Ядерный реактор, содержащий бак (4), в котором расположена активная зона реактора, первичный контур для охлаждения реактора, колодец (6) бака, в котором находится бак (4), кольцевой канал (16), окружающий нижнюю часть бака (4) в колодце (6) бака, средства, выполненные с возможностью заполнения колодца бака жидкостью, герметичный корпус (22) реактора, в котором расположены колодец бака и бак, характеризующийся тем, что содержит средства (26) сбора пара, генерируемого в верхнем конце колодца (6) бака, расположенные в герметичном корпусе и образующие объем, отделенный от объема герметичного корпуса (22), обеспечивая появление избыточного давления пара, средства (40), выполненные с возможностью создания принудительной конвекции жидкости в кольцевом канале (16), и средства (32, 42) для приведения в действие средств (40), выполненных с возможностью создания принудительной конвекции, при помощи указанного собранного пара.

2. Ядерный реактор по п.1, в котором средства (26), выполненные с возможностью сбора пара, представляют собой камеру сбора, отделенную от герметичного корпуса (22), и содержат канал (30) удаления, устанавливающий сообщение между камерой (26) сбора и герметичным корпусом (22), при этом в указанном канале удаления установлены средства (32, 42) для приведения в действие средств (40), выполненных с возможностью создания принудительной конвекции, для преобразования кинетической/потенциальной энергии собранного пара в движущую силу, приводящую в действие средства (40) создания принудительной конвекции.

3. Ядерный реактор по п.1 или 2, в котором средства (32, 42) приведения в действие средств (40), выполненных с возможностью создания принудительной конвекции, содержат лопастной насос (32) и передаточный механизм (42), связанный со средствами (40) создания принудительной конвекции.

4. Ядерный реактор по одному из пп.1 и 2, в котором средства (40) создания принудительной конвекции содержат циркуляционный насос, расположенный в нижнем конце колодца (6) бака на уровне входа (20) кольцевого канала (16).

5. Ядерный реактор по п.3, в котором средства (40) создания принудительной конвекции содержат циркуляционный насос, расположенный в нижнем конце колодца (6) бака на уровне входа (20) кольцевого канала (16).

6. Ядерный реактор по п.5, в котором передаточный механизм (42) содержит первый (44) и второй (46) валы, взаимодействующие соответственно с лопастным насосом и с циркуляционным насосом, и угловую передачу (47) между первым (44) и вторым (46) валами.

7. Ядерный реактор по п.1, в котором средства для заполнения жидкостью колодца (6) бака содержат резервуар с жидкостью и канал (28), соединяющий указанный резервуар с нижним концом колодца (6) бака, при этом указанный канал (28) выполнен с возможностью подачи охлаждающего воздуха в колодец (6) бака при нормальной работе.

8. Ядерный реактор по п.2, в котором средства для заполнения жидкостью колодца (6) бака содержат резервуар с жидкостью и канал (28), соединяющий указанный резервуар с нижним концом колодца (6) бака, при этом указанный канал (28) выполнен с возможностью подачи охлаждающего воздуха в колодец (6) бака при нормальной работе.

9. Ядерный реактор по п.7, в котором резервуар выполнен с возможностью сообщения с камерой (26) сбора, и канал (28) соединен с камерой сбора (26) при помощи соединителя, имеющего расширяющуюся форму.

10. Ядерный реактор по любому из пп.7-9, в котором указанный резервуар расположен на высоте, превышающей высоту колодца бака, чтобы перетекание воды из резервуара в колодец бака происходило под действием силы тяжести.

11. Ядерный реактор по любому из пп.7-9, содержащий насос, приводимый в действие средствами (32) для приведения в действие средств (40) создания принудительной конвекции и предназначенный для подачи воды из указанного резервуара в колодец (6) бака.

12. Ядерный реактор по одному из пп.1, 2, 5-9, в котором средства приведения в действие средств (40) создания принудительной конвекции соединены также с устройством преобразования механической энергии в электрическую энергию.

13. Ядерный реактор по п.3, в котором средства приведения в действие средств (40) создания принудительной конвекции соединены также с устройством преобразования механической энергии в электрическую энергию.

14. Ядерный реактор по п.4, в котором средства приведения в действие средств (40) создания принудительной конвекции соединены также с устройством преобразования механической энергии в электрическую энергию.

15. Ядерный реактор по п.10, в котором средства приведения в действие средств (40) создания принудительной конвекции соединены также с устройством преобразования механической энергии в электрическую энергию.

16. Ядерный реактор по п.11, в котором средства приведения в действие средств (40) создания принудительной конвекции соединены также с устройством преобразования механической энергии в электрическую энергию.

17. Ядерный реактор по п.2 или 8, в котором камера (26) сбора содержит предохранительный клапан (36), обеспечивающий удаление пара в герметичный корпус (22) в случае возникновения избыточного давления в камере сбора, превышающего заданное значение, например, порядка 0,3 бар.

18. Ядерный реактор по п.3, в котором камера (26) сбора содержит предохранительный клапан (36), обеспечивающий удаление пара в герметичный корпус (22) в случае возникновения избыточного давления в камере сбора, превышающего заданное значение, например, порядка 0,3 бар.

19. Ядерный реактор по п.4, в котором камера (26) сбора содержит предохранительный клапан (36), обеспечивающий удаление пара в герметичный корпус (22) в случае возникновения избыточного давления в камере сбора, превышающего заданное значение, например, порядка 0,3 бар.

20. Ядерный реактор по п.12, в котором камера (26) сбора содержит предохранительный клапан (36), обеспечивающий удаление пара в герметичный корпус (22) в случае возникновения избыточного давления в камере сбора, превышающего заданное значение, например, порядка 0,3 бар.

21. Ядерный реактор по п.19, содержащий также сепаратор вода/пар на входе насоса и клапана.

22. Применение кинетической/потенциальной энергии пара, генерируемого в колодце бака вокруг ядерного реактора, когда колодец бака, в котором расположен бак, затапливают в случае аварии, с целью приведения в действие средств создания принудительной конвекции вокруг бака.

23. Применение генерируемого пара по п.22 для приведения в действие насоса подачи жидкости в колодец бака.

24. Применение генерируемого пара по п.22 или 23 для производства электричества с целью питания контрольных устройств.