Пассивное устройство для аварийного останова подачи питательной воды в реакторной установке с тяжёлым жидкометаллическим теплоносителем Российский патент 2021 года по МПК G21D3/14 

Изобретение относится к области ядерной энергетики и может быть использовано в реакторных установках (РУ) IV поколения с тяжёлыми жидкометаллическими теплоносителями, в частности со свинцовым теплоносителем, в качестве пассивного устройства для аварийного останова подачи питательной воды при нештатном снижении её давления, которое представляет собой монтируемое на участке трубопровода питательной воды перед входом в парогенератор (ПГ) запорное арматурное средство автоматического останова подачи питательной воды без участия активной электроники для аварийного управления.

РУ со свинцовым теплоносителем относятся к реакторам IV поколения, которые должны обладать качественно более высоким уровнем безопасности по сравнению с существующими типами реакторов. Безопасность реакторов IV поколения основана на принципе естественной самозащищённости. Под этим термином понимают способность реактора к переходу в подкритическое состояние без участия активных средств управления и защиты и дальнейшего его расхолаживания без превышения допустимых значений температур и давлений при самых тяжелых авариях. Автономность процесса должна быть обеспечена внутренними обратными связями, действующими в РУ, которые основаны на естественных свойствах ядерного топлива, теплоносителя и реализованных схемных и конструктивных решениях.

Среди аварийных сценариев в РУ со свинцовым теплоносителем существует специфический класс аварий, при которых происходит образование твердой фазы в 1-м контуре ПГ. Полное перекрытие проходного сечения всех ПГ твердой фазой может привести к прекращению циркуляции теплоносителя в 1-м контуре и катастрофическим последствиям для реактора. Затвердевание свинца в ПГ происходит при возникновении интенсивного избыточного теплосъема в ПГ. Одним из способов экстренного снижения избыточного теплосъема в ПГ является уменьшение или полная остановка подачи питательной воды в ПГ.

На решение изложенной выше проблемы направлена задача разработки средств исключения возможности затвердевания свинцового теплоносителя в РУ при авариях в соответствии с принципом естественной самозащищённости РУ.

В уровне техники известно выбранное заявителем в качестве прототипа устройство для останова подачи питательной воды в РУ с опытно-демонстрационным реактором на быстрых нейтронах со свинцовым теплоносителем электрической мощностью 300 МВт (БРЕСТ-ОД-300), выполненное на основе запорной арматуры высокого давления, смонтированной на участке трубопровода питательной воды перед входом в ПГ для автоматического перекрытия поступления питательной воды при нештатном снижении её давления ниже величины, калиброванной под начало аварийного затвердевания указанного теплоносителя (см. прилагаемую к настоящему описанию статью авторов Дидорина Д.В и др. «Анализ безопасности РУ БРЕСТ-ОД-300 при нарушении условий нормальной эксплуатации» Труды МНТК «Инновационные проекты и технологии ядерной энергетики». ОАО «НИКИЭТ», Москва, 7-10 октября 2014 г. С. 129-142), в котором в составе активной запорной арматуры используются снабжённые электроприводом отсечные задвижки питательной воды (ОЗПВ-1, ОЗПВ-2) и регулирующий питательный клапан системы управления расходом 2-го контура указанной РУ.

Недостатком указанного прототипа является то, что автоматическое перекрытие поступления питательной воды при нештатном снижении её давления ниже величины, калиброванной под начало аварийного затвердевания указанного теплоносителя, осуществляется с помощью активных средств останова подачи питательной воды, уменьшающих надёжность этого останова из-за усложнения управления указанным остановом на основе измерения температуры питательной воды и использования электроприводов.

При этом при менее надёжном останове подачи питательной воды в устройстве-прототипе возможны сценарии с полным перекрытием твердой фазой свинца проходных сечений всех ПГ, что может привести к прекращению циркуляции теплоносителя в 1-м контуре РУ и катастрофическим последствиям для реактора (см. развёрнутое изложение этого вывода в прилагаемой к настоящему описанию изобретения копии статьи Чистова А.С. и др. «Расчетное исследование класса аварий в реакторной установке поколения IV типа БРЕСТ с образованием твердой фазы в свинцовом теплоносителе» Теплоэнергетика. 2019. № 8. С. 17-24).

Технический результат от использования предлагаемого устройства – повышение надёжности останова подачи питательной воды в РУ с тяжёлым жидкометаллическим теплоносителем при нештатном снижении её давления ниже величины, калиброванной под начало аварийного затвердевания указанного теплоносителя за счёт автоматического перекрытия поступления питательной воды с помощью усовершенствованной отсечной задвижки пассивного типа (без измерительных датчиков и внешних источников электроэнергии), представляющей собой безсальниковую проходную задвижку с запирающим элементом, который поддерживается в эксплуатационном положении (когда указанная отсечная задвижка открыта) за счёт воздействия давления питательной воды на выступ запорного элемента в виде карнизного перехода в направлении, противоположном направлению силы его тяжести, в результате локального перепада давления между промежуточной и верхней и нижней крайними полостями, переходит в аварийное положение (когда указанная отсечная задвижка полностью или частично закрыта) перемещаясь под действием силы его тяжести при нештатном снижении давления питательной воды, и приводится в исходное эксплуатационное положение в результате восстановления давления питательной воды с помощью байпасной задвижки.

Кроме того, предлагаемое устройство создаёт возможность улучшения системы безопасности РУ на основе применения пассивной отсечной задвижки, расширяющей арсенал современного оборудования РУ, предназначенного для аварийного останова подачи питательной воды и характеризующегося современной высокой степенью безопасности.

Для достижения указанного технического результата в устройстве для останова подачи питательной воды в РУ с тяжёлым жидкометаллическим теплоносителем, выполненном на основе запорной арматуры высокого давления, смонтированной на участке трубопровода питательной воды перед входом в ПГ для автоматического перекрытия поступления питательной воды при нештатном снижении её давления ниже величины, калиброванной под начало аварийного затвердевания указанного теплоносителя, упомянутая запорная арматура выполнена в виде отсечной задвижки, содержащей запорный элемент, установленный в герметичном корпусе этой задвижки с возможностью его перемещения в продольном направлении под действием силы его тяжести из эксплуатационного положения в аварийное положение в верхнем и нижнем направляющих элементах указанного корпуса с перекрытием в аварийном положении боковой поверхностью запорного элемента входного и выходного отверстий, которые выполнены в нижнем направляющем элементе для прохождения питательной воды через сквозное отверстие в запорном элементе.

Причём для удерживания запорного элемента в эксплуатационном положении на его боковой поверхности выполнен выступ в виде карнизного перехода верхнего большего поперечного сечения запорного элемента в его нижнее меньшее поперечное сечение для обеспечения воздействия давления питательной воды на запорный элемент в направлении, противоположном направлению силы его тяжести, в результате локального перепада давления в корпусе отсечной задвижки, возникающего между его тремя полостями, соединёнными между собой верхним и нижним щелевыми каналами, образующимися между боковой поверхностью запорного элемента и внутренними поверхностями указанных направляющих элементов.

При этом запорный элемент установлен упомянутым выступом в промежуточной из указанных полостей, которая соединена с помощью дополнительной трубы с трубопроводом питательной воды на его участке после отсечной задвижки, и своими торцами в двух сообщающихся между собой крайних верхней и нижней полостях, одна из которых соединена с помощью отдельного трубопровода с конденсатором турбины в составе РУ,

а запорный элемент имеет массу M, рассчитываемую с помощью следующей формулы

, (1)

где

P ^*, Па – давление питательной воды, величина которого калибрована под начало аварийного затвердевания тяжёлого жидкометаллического теплоносителя;

P_а, Па – давление в верхней и нижней крайних полостях;

S₀, м² – площадь горизонтальной проекции выступа запорного элемента в виде карнизного перехода, обеспечивающего воздействие давления питательной воды на запорный элемент в направлении, противоположном направлению силы его тяжести, в результате локального перепада давления между промежуточной и верхней и нижней крайними полостями;

g, м/с² – ускорение свободного падения;

и предлагаемое устройство снабжено байпасной задвижкой, включённой параллельно отсечной задвижке и обеспечивающей открытие последней при включении питательных насосов в составе РУ.

В частных случаях исполнения запорный элемент может быть выполнен с компоновочно выигрышной неравномерно распределённой вдоль его длины его массой, с расширением его нижней части, размещенной в нижней крайней полости, а РУ может быть выполнена на свинцовом теплоносителе.

Известные гравитационные клапаны для штанговых скважинных насосных установок, включающие в себя корпус с гнездом и канал с шаровым запирающим элементом (см. Справочник под ред. Е.И. Бухаленко «Нефтепромысловое оборудование». М.: «Недра», 1990, с. 67-88 и патент РФ № 2126910 F04В 53/10, 1999 г.), не противоречат требованию критерия патентоспособности предлагаемого устройства – изобретательского уровня, т.к. имеют иное назначение (в них не решается задача закрытия клапана при давлении, величина которого калибрована под начало затвердевания тяжёлого жидкометаллического теплоносителя). Кроме того, для перекрытия трубопровода питательной воды при высоких давлениях, ~ 15 МПа и более, запирающий элемент гравитационного клапана должен иметь массу в несколько тонн, что приводит к значительным величинам кинетической энергии при взаимодействии элемента с седлом и задаёт повышенные требования к прочностным характеристикам конструкции клапана.

На фиг. 1 показана гидравлическая схема участка РУ с предлагаемым устройством;

на фиг. 2 – два вертикальных центральных разреза открытой (фиг. 2а) и закрытой (фиг. 2б) отсечной задвижки в составе предлагаемого устройства;

на фиг. 3 – горизонтальный разрез открытой (фиг. 3а) и закрытой (фиг. 3б) отсечной задвижки в составе предлагаемого устройства на фиг. 2;

на фиг. 4-9 – полученные на основе компьютерного моделирования (для обоснования повышения надёжности аварийного останова питательной воды от использования предлагаемого устройства) кривые изменения параметров ПГ на примере РУ БРЕСТ-ОД-300: кривые изменения давления питательной воды на входе в ПГ при разрыве парового коллектора с использованием устройства-прототипа и предлагаемого устройства (фиг. 4); кривые изменения температур свинцового теплоносителя и питательной воды в ПГ при разрыве парового коллектора с использованием устройства-прототипа и предлагаемого устройства (фиг. 5); кривая относительного перекрытия проходного сечения твёрдой фазой свинца на выходе ПГ при разрыве парового коллектора с использованием устройства-прототипа (фиг. 6); кривые изменения давления питательной воды на входе в ПГ при отказе системы регенеративного подогрева питательной воды с использованием устройства-прототипа и предлагаемого устройства (фиг. 7); кривые изменения температур свинцового теплоносителя и питательной воды в ПГ при отказе системы регенеративного подогрева питательной воды с использованием устройства-прототипа и предлагаемого устройства (фиг. 8); кривая относительного перекрытия проходного сечения твёрдой фазой свинца на выходе ПГ при отказе системы регенеративного подогрева питательной воды с использованием устройства-прототипа (фиг. 9).

Предлагаемое устройство в следующем примере выполнения содержит отсечную задвижку 1, байпасную задвижку 2 и трубопровод 3 с регулируемым гидравлическим сопротивлением для слива конденсата из отсечной задвижки 1 в конденсатор турбины (на фигурах не показан) (см. фиг. 1).

Отсечная задвижка 1 (см. фиг. 2-3) имеет запорный элемент 4, установленный в герметичном корпусе 5 этой задвижки с возможностью его перемещения под действием силы его тяжести из эксплуатационного положения в аварийное положение в двух (верхнем и нижнем) направляющих элементах 6 указанного корпуса (представляющих собой профильные внутренние стенки этого корпуса под запорный элемент 4, имеющий в настоящем примере выполнения в своей верхней части прямоугольное поперечное сечение) с перекрытием в аварийном положении боковой поверхностью запорного элемента 4 входного и выходного отверстий, которые выполнены в нижнем направляющем элементе 6 для прохождения питательной воды через сквозное отверстие 7 в запорном элементе 4.

Для удерживания запорного элемента 4 в эксплуатационном положении на его боковой поверхности выполнен выступ 8 в виде карнизного перехода верхнего большего поперечного сечения запорного элемента 4 в его нижнее меньшее поперечное сечение для обеспечения воздействия давления питательной воды на выступ 8 запорного элемента 4 в направлении, противоположном направлению силы его тяжести, возникающего в результате локального перепада давления в корпусе отсечной задвижки между его промежуточной 9 и двумя (верхней и нижней) крайними 10 полостями.

Для обеспечения указанного направленного воздействия давления питательной воды на запорный элемент 4 промежуточная полость 9 соединена с крайними полостями 10 верхним и нижним щелевыми каналами 11, образованными внутренними поверхностями верхнего и нижнего направляющих элементов 6 и боковой поверхностью запорного элемента 4, а запорный элемент 4 установлен выступом 8 в промежуточной полости 9, которая соединена с помощью дополнительной трубы 12 с трубопроводом питательной воды на его участке после отсечной задвижки 1, и своими торцами в сообщающихся между собой верхней и нижней крайних полостях 10, которые соединены между собой с помощью трубы 13, а нижняя из них соединена с помощью трубы 14 с трубопроводом 3, который в качестве сливного тракта предназначен для слива конденсата (расхода уплотнений) из верхней и нижней крайних полостей 10 отсечной задвижки 1 в конденсатор турбины.

Размещенная в нижней крайней полости 10 нижняя (широкая) часть 15 запорного элемента 4 представляет собой компоновочно выигрышное исполнение запорного элемента 4 с неравномерно распределённой массой по его длине и имеет вид стального цилиндра (масса которого в сумме с массой верхней части запорного элемента 4 составляет величину M, определяемую с помощью формулы (1)), который соединен с остальной частью запирающего элемента соосно. Нижняя часть 15 запирающего элемента 4 фиксируется в нижней крайней полости 10 с миллиметровым зазором 16 с поверхностью этой полости с помощью шарикоподшипников 17 (4-8 шт.), которые минимизируют величину его силового взаимодействия с корпусом при возможном отклонении от вертикали. Возможно менее эффективное исполнение запорного элемента 4 с размещением его части 15 в верхней крайней полости 10.

Соединение отсечной задвижки 1 с трубопроводом питательной воды осуществляется с помощью входного и выходного патрубков 18, в которых установлены конические переходники на входной и выходной трубные участки 19 меньшего диаметра. Уменьшенное сечение трубных участков 19 минимизирует массу предлагаемого устройства и время закрытия отсечной задвижки 1. В верхней части верхнего направляющего элемента 6 сделаны отверстия 20 для прохождения расхода из щелевого канала в верхнюю крайнюю полость 10. Днище 21 корпуса отсечной задвижки 1 крепится к неподвижному основанию 22 с помощью крепёжных элементов 23.

В таблице 1 приведён пример расчета параметров отсечной задвижки в составе предлагаемого устройства, полученных при указанном ниже компьютерном моделировании на основе ПГ РУ БРЕСТ-ОД-300: массы запорного элемента с помощью формулы (1), а также геометрических характеристик щелевого канала и сопутствующих гидравлических и динамических характеристик, иллюстрирующих работу предлагаемого устройства.

Таблица 1

Наименование параметра Величина Диаметр трубопровода питательной воды: полный/ суженный (на входном или выходном трубном участке 19), м 0.015 /0.050 Размер нижней (широкой) части 15 запорного элемента 4: высота/ диаметр, м 0.23/0.24 Размер верхней части запорного элемента 4: толщина/ширина/высота, м 0.030/0.060/0.240 Горизонтальная проекция выступа 8 запорного элемента 4, м² 0.00006 Величина зазора верхнего и нижнего щелевого каналов 11, мкм 20 Высота верхнего и нижнего направляющего элемента 6, м 0.085 Давление питательной воды номинальное, МПа 17.2 Давление в верхней и нижней крайних полостях 10, МПа 0.1 Величина давления, калиброванная под начало аварийного затвердевания свинцового теплоносителя, МПа 14.5 Расход через верхний и нижний щелевые каналы 11 максимальный, кг/с 13.2⋅10^-3 Скорость течения на входе в верхний и нижний щелевые каналы 11 максимальная, м/с 2.6 Скорость течения на выходе из верхнего и нижнего щелевых каналов 11 максимальная, м/с 15.6 Масса запорного элемента 4 (включая верхнюю и нижнюю его части), кг 88.163 Время закрытия отсечной задвижки 1 при разрыве парового коллектора, с ~0.4 Скорость опускания запорного элемента 4 его нижней частью 15 на дно нижней крайней полости 10 при разрыве парового коллектора, м/с ~1.2 Время закрытия отсечной задвижки 1 при отказе системы регенеративного подогрева, с ~1 с Скорость опускания запорного элемента 4 его нижней частью 15 на дно нижней крайней полости 10 при отказе системы регенеративного подогрева, м/с ~0.12с

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Байпасная задвижка 2 (см. фиг. 1), снабжённая своим электроприводным или ручным исполнительным механизмом (на фигурах не показан) и предназначенная для реализации начальной подачи питательной воды в ПГ при включении питательных насосов в составе РУ (на фигурах не показаны), перед их включением приводится в открытое состояние. При включении питательных насосов давление питательной воды в ПГ, передаваемое в промежуточную полость 9 по трубе 12 воздействует на выступ 8 запорного элемента 4 и поднимает его в эксплуатационное - максимальное верхнее положение. При этом сквозное отверстие в запорном элементе 4 совмещается с входным и выходным трубными участками 19 трубопровода питательной воды (см. фиг. 2а, 3а) и открывает расход питательной воды через отсечную задвижку 1. После открытия отсечной задвижки 1 байпасная задвижка 2 принудительно закрывается.

При авариях, приводящих к затвердеванию свинцового теплоносителя, которые могут быть обусловлены как разгерметизацией паропроводов, так и отказом системы регенеративного подогрева питательной воды, давление в питательной магистрали уменьшается. При уменьшении давления ниже величины, калиброванной под начало аварийного затвердевания свинцового теплоносителя, запорный элемент 4 под действием силы тяжести перемещается в аварийное положение - опускается до посадки на дно нижней крайней полости 10. При этом пространство нижнего щелевого канала 6 между входным и выходным отверстиями врезки питательной трубы 19 перекрывается сплошным участком запорного элемента (см. фиг. 2б, 3б). В этом случае питательная вода может поступать на выход из отсечной задвижки 1 (на выходной трубный участок 19) только через горизонтальный участок 24 нижнего щелевого канала 6 микронной толщины. Этот участок щелевого канала обладает большим гидравлическим сопротивлением, поэтому расход питательной воды в ПГ практически прекращается.

Конденсат, образующийся в верхней и нижней крайних полостях 10 при поступлении пароводяной смеси через верхний и нижний щелевые каналы 6, направляется по трубе 14 в трубопровод 3 - сливной тракт, подключенный непосредственно к конденсатору турбины. Давление в крайних полостях выставляется равным атмосферному за счёт подбора гидравлических сопротивлений щелевых каналов и сливного тракта.

Предлагаемое устройство допускает настройку отсечной задвижки 1 на частичное аварийное перекрытие питательной воды.

Для обоснования работоспособности и вывода формулы (1) предлагаемого устройства заявителем рассмотрено уравнение движения запорного элемента 4 при нулевых начальных условиях:

, (2)

где

M, кг – масса запорного элемента 4;

z, м – координата запорного элемента 4 по вертикали;

τ, c – время;

P, Па – давление в промежуточной полости 9;

P_а, Па – давление в верхней и нижней крайних полостях 10;

S₀, м² – площадь горизонтальной проекции выступа запорного элемента в виде карнизного перехода, обеспечивающего воздействие давления питательной воды на запорный элемент в направлении, противоположном направлению силы его тяжести, в результате локального перепада давления между промежуточной и верхней и нижней крайними полостями;

g, м/с² – ускорение свободного падения;

F_fr – сумма сил трения и гидродинамического сопротивления.

При этом запорный элемент 4 имеет массу, рассчитываемую из стационарного баланса действующих на него сил давления питательной воды F₁ и тяжести F₂

(3)

где

P_n, Па – проекция силы давления на внешнюю нормаль к поверхности запорного элемента, при условии равенства давления питательной воды в промежуточной полости 9 величине P*, калиброванной под начало аварийного затвердевания указанного теплоносителя в формуле (1).

Повышение надёжности аварийного останова питательной воды за счет использования предлагаемого устройства заявитель показывает ниже на примере РУ типа БРЕСТ-ОД-300 с помощью расчетов аварийных процессов, приводящих к затвердеванию свинцового теплоносителя в ПГ, в сравнении с аварийным остановом питательной воды при использовании устройства-прототипа. Эти аварии могут быть обусловлены, например, разрывом главного парового коллектора или отказом системы регенеративного подогрева питательной воды.

Расчеты выполнены с помощью программного комплекса РАСПЛАВ, который позволяет моделировать взаимосвязанную динамику теплогидравлических процессов в 1-м и 2-м контурах РУ в одномерном равновесном приближении с учетом процессов кристаллизации-плавления в свинцовом теплоносителе (см. статьи: Чистов А.С. и др «Численное моделирование тепломассопереноса в парогенераторе реакторной установки типа БРЕСТ при возникновении кристаллизации свинцового теплоносителя» Проблемы прочности и пластичности. 2018. Т. 80. № 2. С. 267–280; Чистов А.С. и др. «Расчетное исследование класса аварий в реакторной установке поколения IV типа БРЕСТ с образованием твердой фазы в свинцовом теплоносителе» Теплоэнергетика. 2019. № 8. С. 17-24 и Чистов А.С. и др. «Математическая модель нестационарного тепломассопереноса в канале с жидкометаллическим теплоносителем с учетом процесса кристаллизации-плавления» Проблемы прочности и пластичности. 2016. Т. 78. № 4. С. 368–377).

Для проведения расчетов с применением предлагаемого устройства программный комплекс был дополнен расчётной моделью этого устройства в соответствии с уравнением (2).

С помощью указанного программного комплекса построены кривые изменения параметров ПГ РУ БРЕСТ-ОД-300, представленные на фиг. 4-9.

На фиг. 4 показано изменение давления питательной воды на входе в ПГ при разрыве парового коллектора:

кривая A - при использовании устройства-прототипа;

кривая B - при использовании предлагаемого устройства.

На фиг. 5 показано изменение температур питательной воды и свинцового теплоносителя в противоточном ПГ при разрыве парового коллектора:

кривая C - температура питательной воды на входе в ПГ при использовании устройства-прототипа;

кривая D - температура свинцового теплоносителя на выходе из ПГ при использовании устройства-прототипа;

кривая E - температура питательной воды на входе в ПГ при использовании предлагаемого устройства;

кривая F - температура свинцового теплоносителя на выходе из ПГ при использовании предлагаемого устройства.

На фиг. 6 показано:

кривая G - относительное перекрытие проходного сечения ПГ твёрдой фазой свинцового теплоносителя при разрыве парового коллектора при использовании устройства-прототипа.

На фиг. 7 показано изменение давления питательной воды на входе в ПГ при отказе регенеративного подогрева питательной воды:

кривая H - при использовании устройства-прототипа;

кривая I - при использовании предлагаемого устройства.

На фиг. 8 показано изменение температур питательной воды и свинцового теплоносителя в противоточном ПГ при отказе регенеративного подогрева питательной воды:

кривая J - температура питательной воды на входе в ПГ при использовании устройства-прототипа;

кривая K - температура свинцового теплоносителя на выходе из ПГ при использовании устройства-прототипа;

кривая L - температура питательной воды на входе в ПГ при использовании предлагаемого устройства;

кривая M - температура свинцового теплоносителя на выходе из ПГ при использовании предлагаемого устройства.

На фиг. 9 показано:

кривая N - относительное перекрытие проходного сечения ПГ твердой фазой свинцового теплоносителя при отказе регенеративного подогрева питательной воды при использовании устройства-прототипа.

Сценарии аварий описаны в указанной выше статье Чистова А.С. и др., прилагаемой к настоящему описанию изобретения.

Резкое снижение давления на входе в ПГ, связанное с разрывом парового коллектора (см. кривые А и В на фиг 4), в случае отказа автоматики, управляющей работой устройства-прототипа, приводит к снижению температуры питательной воды на входе ПГ (см. кривую C на фиг. 5) до значения ~250°С, что значительно ниже точки кристаллизации-плавления свинца 327.5°С. Температура свинцового теплоносителя на выходе из ПГ (см. кривую D на фиг. 5) достигает при этом точки кристаллизации, и начинается процесс перекрытия твердой фазой свинца проходного сечения на выходе ПГ (см. кривую G на фиг. 6). При перекрытии проходного сечения на 100% прекращается циркуляция свинца во всех ПГ и во всем 1-м контуре РУ, что при мощности остаточного тепловыделения в реакторе ~2.5% от номинальной может привести к катастрофически последствиям для реактора.

При использовании предлагаемого устройства, закрытие отсечной задвижки в соответствии с уравнением (2) происходит уже на 1-й секунде аварийного процесса, через 0.3 с после достижения давлением питательной воды величины 14.5 МПа, калиброванной на начало затвердевания свинцового теплоносителя. За столь короткий промежуток времени температуры питательной воды на входе в ПГ (см. кривую E на фиг. 5) и свинца на выходе из ПГ (см. кривую F на фиг. 5) не успевают существенно измениться. Поскольку после закрытия отсечной задвижки 1 теплоотвод в ПГ прекращается температура свинца в ПГ начинает возрастать, и угрозы затвердевания свинца в ПГ не возникает.

При аварии с отказом регенеративного подогрева питательной снижение давления на входе в ПГ (см. кривые H и I на фиг. 7) связано с усилением процесса конденсации пара в смешивающем подогревателе питательной воды (на фигурах не показан) в составе РУ. В случае отказа автоматики, управляющей работой устройства-прототипа, это приводит к снижению температуры питательной воды на входе в ПГ (см. кривую J на фиг. 8) до значения ниже точки кристаллизации-плавления свинца. Температура свинцового теплоносителя на выходе из ПГ (см. кривую K на фиг. 8) при этом достигает точки кристаллизации и начинается процесс перекрытия твердой фазой свинца проходного сечения на выходе ПГ (см. кривую N на фиг. 9). При перекрытии сечения на 100% прекращается циркуляция свинца во всех ПГ и во всем 1-м контуре РУ, что по аналогии с вышеизложенным аварийным сценарием может привести к катастрофически последствиям для реактора.

При использовании предлагаемого устройства, закрытие отсечной задвижки 1 в соответствии с уравнением (2) происходит уже на ~25-й секунде аварийного процесса, через ~1 с после достижения давлением питательной воды величины 14.5 МПа, калиброванной на начало затвердевания свинцового теплоносителя. За этот промежуток времени температуры питательной воды на входе в ПГ (см. кривую L на фиг. 8) и свинца на выходе из ПГ (см. кривую M на фиг. 8) не существенно отклоняются от стационарных значений. Далее, после закрытия отсечной задвижки 1, теплоотвод в ПГ прекращается и температура свинца в ПГ начинает возрастать, поэтому угрозы затвердевания свинца в ПГ не возникает.

Изобретение относится к области ядерной энергетики и может быть использовано в реакторных установках (РУ) IV поколения с тяжёлыми жидкометаллическими теплоносителями, в частности со свинцовым теплоносителем. Пассивное устройство для останова подачи питательной воды в РУ с тяжелым жидкометаллическим теплоносителем предназначено для перекрытия поступления питательной воды в парогенераторы при нештатном снижении ее давления ниже величины, калиброванной под начало аварийного затвердевания указанного теплоносителя. Устройство выполнено на основе запорной арматуры высокого давления и монтируется на участке трубопровода питательной воды перед входом в парогенератор. Упомянутая запорная арматура представляет собой бессальниковую проходную отсечную задвижку, запирающий элемент которой может перемещаться из эксплуатационного положения в аварийное под действием силы тяжести. Запирающий элемент поддерживается в эксплуатационном положении (когда указанная задвижка открыта) за счет воздействия давления питательной воды на карнизный выступ на его боковой поверхности против силы тяжести. Устройство снабжено байпасной задвижкой, включенной параллельно отсечной задвижке и обеспечивающей открытие последней при включении питательных насосов, а также трубопроводом для слива расхода уплотнений из корпуса отсечной задвижки в конденсатор турбины в составе РУ. Изобретение позволяет повысить надёжность останова подачи питательной воды в РУ с тяжёлым жидкометаллическим теплоносителем. 2 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Устройство для останова подачи питательной воды в реакторной установке с тяжёлым жидкометаллическим теплоносителем, выполненное на основе запорной арматуры высокого давления, смонтированной на участке трубопровода питательной воды перед входом в парогенератор для автоматического перекрытия поступления питательной воды при нештатном снижении её давления ниже величины, калиброванной под начало аварийного затвердевания указанного теплоносителя, отличающееся тем, что упомянутая запорная арматура выполнена в виде отсечной задвижки, содержащей запорный элемент, установленный в герметичном корпусе этой задвижки с возможностью его перемещения в продольном направлении под действием силы его тяжести из эксплуатационного положения в аварийное положение в верхнем и нижнем направляющих элементах указанного корпуса с перекрытием в аварийном положении боковой поверхностью запорного элемента входного и выходного отверстий, которые выполнены в нижнем направляющем элементе для прохождения питательной воды через сквозное отверстие в запорном элементе, причём для удерживания запорного элемента в эксплуатационном положении на его боковой поверхности выполнен выступ в виде карнизного перехода верхнего большего поперечного сечения запорного элемента в его нижнее меньшее поперечное сечение для обеспечения воздействия давления питательной воды на запорный элемент в направлении, противоположном направлению силы его тяжести, в результате локального перепада давления в корпусе отсечной задвижки, возникающего между его тремя полостями, соединёнными между собой верхним и нижним щелевыми каналами, образующимися между боковой поверхностью запорного элемента и внутренними поверхностями указанных направляющих элементов, при этом запорный элемент установлен упомянутым выступом в промежуточной из указанных полостей, которая соединена с помощью дополнительной трубы с трубопроводом питательной воды на его участке после отсечной задвижки, и своими торцами в двух сообщающихся между собой крайних верхней и нижней полостях, одна из которых соединена с помощью отдельного трубопровода с конденсатором турбины в составе реакторной установки, а запорный элемент имеет массу M, рассчитываемую с помощью следующей формулы

, (1)

где

P ^*, Па – давление питательной воды, величина которого калибрована под начало аварийного затвердевания тяжёлого жидкометаллического теплоносителя;

P_а, Па – давление в верхней и нижней крайних полостях;

S₀, м² – площадь горизонтальной проекции выступа запорного элемента в виде карнизного перехода, обеспечивающего воздействие давления питательной воды на запорный элемент в направлении, противоположном направлению силы его тяжести, в результате локального перепада давления между промежуточной и верхней и нижней крайними полостями;

g, м/с² – ускорение свободного падения;

и предлагаемое устройство снабжено байпасной задвижкой, включённой параллельно отсечной задвижке и обеспечивающей открытие последней при включении питательных насосов в составе реакторной установки.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что запорный элемент выполнен с компоновочно выигрышной неравномерно распределённой вдоль его длины массой, с расширением его нижней части, размещенной в нижней крайней полости.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что реакторная установка выполнена на свинцовом теплоносителе.