СПОСОБ ПАССИВНОГО РАСХОЛАЖИВАНИЯ РЕАКТОРНОЙ УСТАНОВКИ С РЕАКТОРОМ ПОД ДАВЛЕНИЕМ Российский патент 2022 года по МПК G21C15/18 

Уровень техники

Изобретение относится к системам обеспечения безопасного теплоотвода остаточного энерговыделения от активной зоны корпусных исследовательских реакторных установок и реакторов малой мощности.

В известных в настоящее время установках обычно имеется система аварийного впрыска воды для предотвращения опорожнения корпуса реактора с активной зоной. Также имеется система аварийного охлаждения, позволяющая отводить остаточную мощность и охлаждать активную зону. Система аварийного впрыска обычно включает насосы высокого давления, аккумуляторы среднего давления и насосы низкого давления. В системе аварийного охлаждения реактора часто используется система прямого охлаждения первого контура с использованием специальных теплообменников для окончательного охлаждения. Заполненные водой гидроаккумуляторы под давлением связаны с первым контуром охлаждения реактора через запорные клапаны, чувствительные к заданному более низкому значению давления в первом контуре. Вода, наполняющая гидроаккумуляторы, находится под давлением азота. Однако устройства имеют ряд недостатков. В такой системе нет уверенности, что закачка воды из аккумуляторов аварийного охлаждения активной зоны происходит в наиболее благоприятный момент. Более того, закачка воды в первый контур обычно заканчивается закачкой в него азота, используемого для повышения давления воды в аккумуляторах, поэтому этот способ аварийного расхолаживания несет риски попадания газа в активную зону и перегрев твэлов.

Известен тепловой гетерогенный реактор МИР.М1 с замедлителем и отражателем из металлического бериллия. По конструктивным особенностям он является канальным и размещен в бассейне с водой. Такое конструкторское решение позволило совместить основные преимущества бассейновых и канальных реакторов, что позволило охлаждать каналы с ТВС и экспериментальные каналы теплоносителем контура охлаждения бассейна (КОБ). Однако при возможном осушении рабочих ТВС, например, при впрыске газа из компенсатора давления, охлаждение внешней поверхности каналов водой КОБ недостаточно, и трубчатые ТВС из алюминия перегреваются и деформируются, что приводит к выходу продуктов деления в первый контур и газовых продуктов деления в систему спецвентиляции.

Известна пассивная система аварийного расхолаживания (патент US 20180261343 A1) реактора с корпусом в защитной оболочке, погруженным в бассейн. При аварийных ситуациях вода бассейна реактора используется для расхолаживания реактора, причем циркуляция охлаждающего теплоносителя через корпус реактора производится за счет естественной конвекции. Недостатком этой конструкции является сложность конструкции теплообменного оборудования в корпусе реактора и вероятность отказа клапанов в контуре расхолаживания, что делает применение этого способа расхолаживания активной зоны недостаточно надежным, а при несанкционированном открытии клапанов опасным.

В канадском патенте CA 1070860 A описана ядерная установка, содержащая корпусной ядерный реактор с использованием воды под давлением (ВВР), называемый принципиально безопасным реактором. В соответствии с этим патентом корпус реактора, содержащий активную зону, выполнен из стали и с внешней стороны изолирован. Корпус реактора, в верхнюю и нижнюю часть которого встроены системы гидрозатворов, погружен в бассейн с водой, имеющий собственный корпус. Корпус реактора имеет в верхней части отводящий патрубок для воды, которая проходит через активную зону, нагревается и с помощью соответствующего трубопровода выводится из бассейна к теплообменнику. Из теплообменника вода подается обратно по соответствующей возвратной трубе к подводящему патрубку, расположенному под активной зоной в корпусе реактора. На возвратной трубе первого контура устанавливается циркуляционный насос. Активная зона реактора, два патрубка, подающая труба и возвратная труба с установленным на ней циркуляционным насосом, а также теплообменник образуют первый контур реактора.

В вышеупомянутом канадском патенте принципиальная безопасность обеспечивается тем, что вода в бассейне находится под давлением и предусмотрено устройство соединения, которое в случае аварии обеспечивает свободное протекание воды из бассейна в нижний патрубок с одной стороны, а также устройство соединения, которое обеспечивает свободное протекание воды из верхнего патрубка в бассейн с другой стороны. Возможная авария может выражаться в том, что если откажет насос первого контура, то это приведет к увеличению температуры внутри реактора.

Устройство соединения нижнего патрубка с водой в бассейне представляет собой уплотнение по воздуху или даже открытую трубу, в которую при нормальных рабочих условиях поток не поступает благодаря соответствующему подбору давлений, что объяснено ниже. Устройство соединения верхнего патрубка с водой в бассейне представляет собой колокол газа или сжатого пара, установленный в верхней части сравнительно высокой камеры, также наполненной газом или паром. Высота указанной камеры должна быть такой, чтобы соответствующий уровень жидкости, содержащейся в бассейне, обеспечивал давление, равное падению давления воды, циркулирующей в контуре реактора. Таким образом, нижний патрубок реактора и окружающая вода в бассейне оказываются под одним и тем же давлением, т.е. отсутствует перепад давления между двумя объемами несмотря на тот факт, что эти два объема свободно сообщаются, уровень потока жидкости между ними равен нулю, поскольку жидкости в них находятся под одним и тем же давлением.

В случае отказа циркуляционного насоса падение давления между нижним и верхним патрубками исчезает, давление в верхнем патрубке увеличивается и вода из реактора выталкивается в наполненную газом камеру, а из нее в бассейн. Одновременно вода из бассейна попадает в нижний патрубок и из него поступает в область активной зоны. Вода из реактора, таким образом, замещается водой из бассейна, которая холоднее. Выше уже указывалось, что корпус реактора изолирован. В дополнение к этому вода в бассейне содержит борную кислоту таким образом, что, попадая в активную зону реактора, она постепенно останавливает ход реакции.

Объем воды, находящейся в бассейне, сравнительно большой, что, в случае выхода из строя насоса первого контура, обеспечивает достаточно большое число часов работы реактора без перегрева активной зоны выше заранее установленного безопасного уровня.

С чисто технической точки зрения работы принципиально безопасный реактор вышеописанного типа, являющийся предметом защиты по канадскому патенту CA 1070860 A, имеет недостаток, заключающийся в том, что в случае использования высокотемпературного реактора его конструкция оказывается слишком сложной. В самом деле, давление жидкости в бассейне должно быть выше, чем давление, соответствующее температуре насыщения жидкости, выходящей из области активной зоны, поэтому либо количество воды в бассейне оказывается ограниченным, тогда остановка реактора будет обеспечена, но охлаждение активной зоны достигается только на короткое время, либо количество воды в бассейне будет большим, тогда для обеспечения удержания жидкости под давлением требуется сложная конструкция из железобетона. Поэтому этот способ расхолаживания приводит, скорее, к увеличению риска создания аварийной ситуации, чем к повышению надёжности теплоотвода остаточной мощности.

Наиболее близким к заявляемому изобретению по наибольшему количеству совпадающих существенных признаков способом пассивного расхолаживания исследовательского реактора с контуром принудительной циркуляции через активную зону в качестве прототипа выбран безопасный реактор бассейно-корпусного типа (патент CN 100578683 C). Водо-водяная реакторная установка под давлением, включает цилиндрический корпус с активной зоной, расположенный в бассейне с водой, первый контур принудительного охлаждения с насосом, запорно-регулирующей арматурой и отводящим тепло от первого контура основным теплообменником, размещенными в помещении на отметке выше уровня воды в бассейне, а также теплообменник расхолаживания, размещенный непосредственно в бассейне и отводящий тепло остаточного энерговыделения к воде бассейна, циркуляция через который осуществляется вспомогательным насосом. В случае выхода из строя вспомогательного насоса, при расхолаживании активной зоны реактора, открываются гидравлически регулируемые клапана на отводящем и подводящем патрубках корпуса реактора, обеспечивая тем самым массообмен теплоносителя между корпусом и бассейном за счет естественной циркуляции (ЕЦ).

У прототипа и заявляемого изобретения имеются следующие сходные существенные признаки в способе расхолаживания. Способ расхолаживания реакторной установки под давлением с контуром принудительной циркуляции через активную зону в корпусе реактора включает размещение корпуса реактора с подводящими и отводящими патрубками в бассейне с водой, причем подводящие и отводящие патрубки реактора оснащены клапанами ЕЦ, открывающимися при нарушениях принудительной циркуляции через активную зону и формирующими тракт естественной циркуляции теплоносителя через активную зону и бассейн реактора.

Однако существенным недостатком такой системы расхолаживания является способ открытия клапанов ЕЦ с использованием гидравлики, что может повлечь отказы клапанов при их открытии и возможные ошибки персонала при управлении клапанами. Серьезным отказом, снижающим безопасность реактора, может быть как ситуация с ошибочным или непреднамеренным открытием клапана ЕЦ при работе реактора на мощности, так несрабатывание или заклинивание клапана при подаче сигнала на открытие, поэтому этот способ расхолаживания нельзя отнести к высоконадежным способам по показателям безопасности.

Указанный недостаток обусловлен тем, что любые активные системы воздействия на системы охлаждения и расхолаживания активных зон реакторных установок несут риски несрабатывания или ложного срабатывания, что приводит к снижению безопасности реакторных установок.

Заявляемый способ пассивного расхолаживания корпусного реактора под давлением позволяет устранить указанные недостатки и при существенном упрощении конструкции обеспечить требуемые показатели безопасности при увеличении допустимой мощности реактора, которая определяет величину остаточного энерговыделения.

В качестве дополнительной системы расхолаживания реакторной установки при долговременной остановке заявляемый способ предусматривает использование контура охлаждения бассейна (КОБ), работа которого подобна работе аналогичного контура в реакторах МИР.М1 и в номинальном режиме обеспечивает охлаждение блоков отражателя и установленных в них экспериментальных каналов (ячеек) с облучательными устройствами, а после остановки реактора и образовании контура естественной циркуляции в активной зоне через бассейн, работа КОБ позволяет поддерживать температуру воды в бассейне на низком уровне, что снижает испарение и выход радиоактивных газов с поверхности воды.

Целью предложенного способа является повышения надежности способа пассивного расхолаживания корпусного реактора путем применения клапанов пассивного действия, срабатывающих за счет действия гравитационных сил при изменении гидравлических параметров и давления в первом контуре охлаждения реактора, а также применение клапана пассивного действия в КОБ, обеспечивающего образование тракта естественной циркуляции теплоносителя через блоки отражателя нейтронов и каналы (ячейки) облучения, расположенные в отражателе, при отказе принудительной циркуляции КОБ.

Сущность изобретения

Изобретение направлено на создание эффективной системы безопасного теплоотвода остаточного энерговыделения от активной зоны ядерных реакторов корпусного типа под давлением, включая исследовательские реакторы, а также теплоотвода от экспериментальных каналов (ячеек) в отражателе нейтронов исследовательских реакторов, полностью построенной на пассивных принципах действия и обладающей повышенным уровнем надежности срабатывания при вероятных аварийных ситуациях с нарушением принудительной циркуляции.

Поставленная цель достигается тем, что в способе пассивного расхолаживания корпусного реактора под давлением с использованием в качестве аккумулятора тепловой энергии воды бассейна кроме клапанов ЕЦ пассивного действия на входном и выходном патрубках корпуса реактора, находящихся в бассейне под уровнем воды, предусмотрено, что с целью перехода к режиму открытия затворов клапанов естественной циркуляции при аварийных ситуациях с нарушением циркуляции теплоносителя в первом контуре, в емкости компенсатора давления, размещенной в верхней части бассейна реактора и соединенной с подводящим и отводящим трактами, устанавливают клапаны, открывающиеся при снижении перепада давления между трактами и создающие байпасный канал циркуляции теплоносителя между ними, а также канал отвода газа из компенсатора давления, что обеспечивает снижение давления в контуре охлаждения реактора и подачу холодной воды из компенсатора давления в корпус реактора для охлаждения активной зоны. Пассивный принцип срабатывания клапанов строится на соотношении результирующей силы перепада давления, действующего на заслонку клапанов ЕЦ, и силы тяжести, действующей на заслонку.

Кроме того, в исследовательских реакторах для повышения эффективности системы безопасного теплоотвода от блоков отражателя нейтронов и от обучательных устройств (ОУ) в отражателе, в том числе ОУ с делящимся материалом (например, при наработке осколочного Mo-99 из обогащенного урана), под отражателем нейтронов, размещенным в бассейне вокруг корпуса реактора на уровне активной зоны, образована камера пониженного давления путем откачки теплоносителя в контур охлаждения бассейна (КОБ), обеспечивая при этом нисходящую циркуляцию теплоносителя через отражатель с установленными в нем ячейками с ОУ. Возможная аварийная ситуация с прекращением принудительной циркуляции в КОБ при работающем реакторе приводит к резкому ухудшению теплоотвода от ОУ с высоким энерговыделением в экспериментальных ячейках. Поэтому после остановки принудительной циркуляции КОБ требуется организация интенсивного теплоотвода от ячеек отражателя, что осуществляется переходом на естественную циркуляцию, обеспечиваемую установкой на боковой стенке камеры пониженного давления дискового клапана ЕЦ. Клапан представляет собой металлический диск, прижимаемый к стенке гидростатическим давлением столба жидкости в бассейне при наличии разряжения в камере, т.е. при работе КОБ. В случае прекращения работы КОБ, свободно висящий на тросиках диск отходит от стенки под собственным весом, образуя кольцевую щель, через которую может осуществляться естественная циркуляция теплоносителя через отражатель нейтронов и ОУ в ячейках отражателя, обеспечивая тем самым достаточный теплоотвод, даже если КОБ прекратил работу, а реактор продолжает работать на номинальном уровне мощности.

Таким образом, заявляемый способ расхолаживания корпусного реактора с использованием клапанов пассивного действия обеспечивает не только безопасный режим теплоотвода от активной зоны исследовательских реакторов и энергетических реакторов малой мощности, но также позволяет отводить тепло от ОУ с высоким энерговыделением, установленных в ячейках отражателя исследовательских реакторов большой мощности при любых режимах работы систем охлаждения, включая аварийные ситуации.

Графическое изображение способа пассивного расхолаживания представлено в виде схем циркуляции теплоносителя в системах охлаждения на разных этапах расхолаживания исследовательского реактора, корпус которого и отражатель нейтронов размещены бассейне. На Фиг. 1 представлена схема штатной циркуляции теплоносителя в первом контуре и контуре охлаждения бассейна. На Фиг. 2 показана схема потоков при переходе на естественную циркуляцию в первом контуре через емкость компенсатора давления при нарушении принудительной циркуляции и сохраняющемся повышенном давлении в первом контуре. Контур охлаждения бассейна при этом работает в нормальном режиме. На Фиг. 3 показана схема потоков теплоносителя при переходе на естественную циркуляцию в первом контуре при снижении давления в нем. Поток теплоносителя проходит через клапаны ЕЦ, установленные на подводящем к активной зоне и отводящем от активной зоны трактах циркуляции теплоносителя, а также через клапан ЕЦ, установленный в емкости компенсатора давления. Контур охлаждения бассейна при этом работает в штатном режиме. На Фиг. 4 показан переход на схему испарительного охлаждения воды в бассейне, циркулирующей через активную зону, и отражатель нейтронов при отказе всех систем принудительного расхолаживания в результате, например, полного обесточивания, поломок насоса, разрывов циркуляционных трубопроводов, несанкционированного закрытия задвижек и т.д.

На Фиг. 5 приведена схема расхолаживания энергетического реактора малой мощности. Так как циркулирующий в первом контуре охлаждения теплоноситель имеет высокую температуру (свыше 300°С), прямой контакт элементов тракта циркуляции теплоносителя с водой бассейна крайне нежелателен. Поэтому корпус реактора выполнен в виде трубы Фильда и заключен в теплоизолирующий кожух с газовой (воздушной) прослойкой. Патрубки циркуляционных трубопроводов находятся в верхней части корпуса реактора и также не имеют прямого контакта с водой бассейна. Компенсатор давления, циркуляция горячего теплоносителя через который при нормальной работе реактора минимальна, размещается в бассейне реактора, также как и клапаны естественной циркуляции на непроточных участках трубопроводов, подсоединенных к подводящему к активной зоне (нижняя часть корпуса реактора) и отводящему от активной зоны трактам циркуляции теплоносителя.

На схемах цифрами обозначены:

1 - Бассейн реакторной установки;

2 - Корпус реакторной установки;

3 - Активная зона реакторной установки;

4 - Отражатель нейтронов реакторной установки с ячейками облучения;

5 - Помещение оборудования первого контура охлаждения реактора;

6 - Циркуляционный насос первого контура охлаждения реактора;

7 - Запорно-регулирующая арматура первого контура охлаждения реактора;

8 - Теплообменник (парогенератор) первого контура охлаждения реактора;

9 - Циркуляционные трубопроводы первого контура охлаждения реактора;

10 - Дренажная линия из помещения первого контура;

11 - Подводящий к активной зоне тракт циркуляции теплоносителя;

12 - Отводящий от активной зоны тракт циркуляции теплоносителя;

13 - Компенсатор давления первого контура;

14 - Клапан ЕЦ в компенсаторе давления, срабатывающий по перепаду давления между подводящим и отводящим патрубками;

15 - Шток клапана ЕЦ в компенсаторе давления;

16 - Шаровая заслонка по воде клапана ЕЦ в компенсаторе давления;

17 - Шаровая заслонка по газу клапана ЕЦ в компенсаторе давления;

18 - Демпферная пружина клапана ЕЦ в компенсаторе давления;

19 - Сдувка газа из компенсатора давления первого контура в спец вентиляцию;

20 - Предохранительный клапан от превышения давления в первом контуре;

21 - Клапан ЕЦ, срабатывающий по снижению давления в первом контуре;

22 - Шаровая заслонка клапана ЕЦ, срабатывающего по снижению давления в первом контуре;

23 - Демпферная пружина клапана ЕЦ, срабатывавшего по снижению давления в первом контуре;

24 - Камера пониженного давления под отражателем нейтронов;

25 - Помещение оборудования контура охлаждения бассейна;

26 - Циркуляционный насос контура охлаждения бассейна;

27 - Запорно-регулирующая арматура контура охлаждения бассейна;

28 - Теплообменник контура охлаждения бассейна;

29 - Циркуляционные трубопроводы контура охлаждения бассейна;

30 - Отводящий трубопровод контура охлаждения бассейна от камеры низкого давления под отражателем нейтронов;

31 - Трубопровод контура охлаждения бассейна для возврата охлаждённого теплоносителя в бассейн реактора;

32 - Дренажная линия из помещения контура охлаждения бассейна;

33 - Клапан ЕЦ, срабатывающий по повышению давления в камере низкого давления под отражателем нейтронов;

34 - Дисковая заслонка клапана ЕЦ, срабатывающего по повышению давления в камере низкого давления под отражателем нейтронов;

35 - Тросиковая подвеска дисковой заслонки клапана ЕЦ, срабатывающего по повышению давления в камере низкого давления под отражателем нейтронов;

36 - Тросики для взвода в закрытое состояние клапанов ЕЦ, срабатывающих по перепаду давления на активной зоне и клапанов ЕЦ, срабатывающих по снижению давления в первом контуре;

В качестве неограничивающего примера реализации способа пассивного расхолаживания корпусного реактора, рассмотрена работа системы отвода остаточного тепловыделения от корпусного реактора, размещенного в бассейне. В приведенном примере в качестве клапанов пассивного действия используются клапаны специальной конструкции (Фиг. 1, поз. 14, 21 и 34), в качестве заслонки в которых используются, например, металлические шары (Фиг. 2, поз. 16 или Фиг. 3, поз. 22) образующие в поднятом (взведенном) состоянии уплотнение шар-конус и удерживаемые в этом состоянии от падения в нижнее положение перепадом давления на заслонке клапана. Этот перепад давления создает направленную вверх силу, плотно прижимающую шаровую поверхность заслонки к конусной поверхности корпуса клапана, герметизируя его. Перепад давления на шаровых заслонках клапанов в номинальном режиме работы реактора определяется либо разностью между гидростатическим давлением в бассейне реактора (Фиг. 1, поз. 1) и давлением в патрубке, на котором установлен клапан (Фиг. 1, поз. 11, 12), либо разностью давлений между участками подводящего и отводящего патрубков, к которым подсоединен компенсатор давления с расположенным в нем сдвоенным клапаном по воде и по газу (Фиг. 1, поз. 14-18).

Любое нарушение эксплуатационных параметров по расходу теплоносителя в первом контуре (Фиг. 1, поз. 6, 7, 8, 9, 11, 12), приводящее к уменьшению принудительной циркуляции через активную зону, обуславливает снижение перепада давления на активной зоне и на клапане ЕЦ (Фиг. 2, поз. 14-18), установленном в компенсаторе давления (Фиг. 2, поз. 13). Снижение расхода через активную зону может быть вызвано, например, поломкой или обесточиванием циркуляционного насоса (Фиг. 1, поз. 3), непреднамеренным закрытием арматуры (Фиг. 1, поз. 7) либо разрывом циркуляционного трубопровода (Фиг. 1, поз. 9, 11, 12). В последнем случае, если разрыв циркуляционных трубопроводов происходит в помещении оборудования первого контура (Фиг. 1, поз. 5), либо в помещении оборудования КОБ (Фиг. 1, поз. 25), вода из облицованных нержавеющим стальным листом помещений возвращается через сливные трубопроводы (Фиг. 1, поз. 10 либо поз. 32) обратно в бассейн реактора, поэтому уровень воды в бассейне при аварийных ситуациях с разгерметизацией не понижается, что является важным фактором безопасности реакторной установки.

Вследствие снижения перепада давления на клапане ЕЦ (Фиг. 2, поз. 13) в компенсаторе давления (Фиг. 2, поз. 13) происходит уменьшение давления, прижимающего шаровой клапан (Фиг. 2, поз. 16) к посадочной поверхности корпуса клапана, и при достижении определённого значения перепада давления шаровая заслонка под собственным весом опускается вниз, открывая тем самым проход теплоносителя по байпасной линии между подводящим и отводящим патрубками, и, одновременно, через шток (Фиг. 2, поз. 15) открывает шаровую заслонку (Фиг. 2, поз. 17) газовой линии, образуя тем самым канал для выхода сжатого газа из компенсатора в систему спецвентиляции (Фиг. 2, поз. 19). Для шаровой конструкции заслонки клапана в компенсаторе давления решение задачи обеспечения требуемого режима срабатывания клапана ЕЦ достигается выполнением соотношения

где

- зависимость перепада давления на байпасной линии между подводящим (Фиг. 2, поз. 11) и отводящим (Фиг. 2, поз. 12) патрубками от расхода теплоносителя в первом контуре, кг/см²;

- площадь проходного сечения посадочного отверстия шаровой заслонки клапана ЕЦ (Фиг. 2, поз. 14) в компенсаторе давления, см²;

- масса шаровой заслонки (Фиг. 2, поз. 16) на клапане ЕЦ в компенсаторе давления, кг.

Динамический удар при падении шаровой заслонки в компенсаторе давления смягчается демпферной пружиной (Фиг. 2, поз. 18).

В первые секунды после открытие клапана ЕЦ в компенсаторе давления обеспечивается подача относительно холодной воды из компенсатора в активную зону через короткий промежуток времени из-за относительно малой длины подводящего трубопровода до реактора, что облегчает задачу расхолаживания активной зоны на начальном, самом опасном этапе развития аварийной ситуации, когда уровень остаточного энерговыделения в активной зоне ещё очень велик.

Выход сжатого газа из компенсатора давления приводит к постепенному снижению давления в первом контуре, вследствие чего уменьшается прижимное давление шаровых заслонок (Фиг. 3, поз. 22) клапанов ЕЦ (Фиг. 3, поз. 21), из-за чего перепад давления на этих шаровых заслонках становится недостаточным для удержания их в верхнем (закрытом) состоянии и они под собственным весом падают вниз, открывая тем самым укороченный тракт естественной циркуляции через активную зону (Фиг. 1, поз. 3) и бассейн (Фиг. 1, поз. 1).

Для шаровой конструкции заслонки клапана решение задачи обеспечения требуемого режима срабатывания клапана ЕЦ на подводящем и отводящем патрубках достигается выполнением соотношения

где

- зависимость перепада давления на отводящем (Фиг. 2, поз. 12) и подводящем (Фиг. 2, поз. 11) патрубках от расхода теплоносителя в первом контуре, кг/см²;

- площадь проходного сечения посадочного отверстия шаровой заслонки клапанов ЕЦ, установленных, соответственно, на отводящем и подводящем патрубках, см²;

- масса шаровой заслонки на клапанах ЕЦ, установленных, соответственно, на отводящем и подводящем патрубках, кг.

Таким образом, подбор массы шаровой заслонки и площади проходного сечения посадочного отверстия обеспечивают требуемый режим и последовательность срабатывания клапанов ЕЦ на патрубках реактора. Динамический удар при падении шаровых заслонок (Фиг. 3, поз. 22) смягчается демпферными пружинами (Фиг. 3, поз. 23).

После открытия всех клапанов ЕЦ в первом контуре циркуляция теплоносителя через активную зону при её расхолаживании осуществляется по укороченному тракту корпус реактора - бассейн, обеспечивая тем самым безопасный теплоотвод при любом уровне остаточного тепловыделения реактора. Вода бассейна при этом выступает в качестве аккумулятора тепловой энергии, и если есть необходимость поддерживать температуру этой воды на низком уровне, то это можно обеспечить, используя контур охлаждения бассейна. Таким образом, КОБ обеспечивает не только заданный режим охлаждения экспериментальных ячеек с облучательными устройствами при штатной работе реактора, но также выполняет роль эффективной системы отвода остаточного энерговыделения реакторной установки.

Однако для обоснования высокого уровня безопасности и теплотехнической надёжности необходимо рассматривать полный отказ систем принудительного охлаждения, включая КОБ. В этом случае возникает риск перегрева облучательных устройств в отражателе (Фиг. 4, поз. 4), особенно если в нем загружены ОУ с делящимся материалом (например, для наработки осколочного Mo-99 из обогащенного урана). В этом случае для обеспечения безопасного расхолаживания таких устройств корпус камеры пониженного давления под отражателем оснащается клапанами ЕЦ с дисковыми затворами (Фиг. 4, поз. 34), свободно свисающими на тросиках (Фиг. 4, поз. 35). При нормальной работе КОБ удерживающие затвор тросики отклоняются от вертикальной плоскости на угол α и дисковые затворы плотно прижимаются к отверстию в корпусе (Фиг. 3, поз. 34) под действием гидростатического напора воды в бассейне и разряжения, создаваемого при откачке теплоносителя из камеры пониженного давления и герметизируют камеру со стороны её корпуса, обеспечивая заданный расход теплоносителя через отражатель и расположенные в нем экспериментальные ячейки облучения. При прекращении циркуляции в КОБ перестают действовать на дисковую заслонку силы, прижимающие её к посадочной поверхности корпуса, и она под собственным весом отходит на поддерживающих тросиках от отверстия и занимает положение в вертикальной плоскости, открывая тем самым проход теплоносителю из бассейна под отражатель.

Для дисковой конструкции заслонки клапана ЕЦ решение задачи обеспечения требуемого режима срабатывания клапана в камере пониженного давления (КПД) под отражателем нейтронов достигается выполнением соотношения

где

- зависимость перепада давления на дисковой заслонке (Фиг. 3, поз. 34) от расхода в КОБ, кг/см²;

- площадь проходного сечения посадочного отверстия дисковой заслонки в камере пониженного давления под отражателем нейтронов, см²;

- масса дисковой заслонки на клапане ЕЦ, установленном в камере пониженного давления под отражателем нейтронов, кг;

α - угол отклонения удерживающих диск тросиков от вертикальной плоскости при закрытом состоянии клапана ЕЦ, установленном в камере пониженного давления под отражателем нейтронов, рад.

При развитии естественной циркуляции через активную зону и отражатель с находящимися в нем ячейками облучения, практически вся мощность остаточного тепловыделения идет на разогрев воды в бассейне. В этом случае есть два основных механизма теплоотвода от этой воды - отвод тепла через стенки бассейна в окружающие конструкции и отвод тепла испарением воды с поверхности бассейна. Тепловым излучением и отводом тепла циркулирующим над поверхностью бассейна воздухом можно пренебречь. Однако и этих механизмов теплоотвода вполне хватит, чтобы поддерживать температуру активной зоны и облучательных устройств в допустимом диапазоне, который даже при наличии кипения на поверхности твэлов и ОУ не превысят значения температуры ~115°С, определяемой температурой насыщения воды в нижней части бассейна. При этом, в зависимости от объема бассейна, максимальная температура в нем в нем будет достигнута через несколько суток, а затем будет плавно снижаться с учетом снижения уровня остаточного энерговыделения. Принимая во внимание наиболее эффективный механизм теплоотвода, такой как испарение с поверхности воды бассейна, средняя температура в бассейне не превысит 85-90°С. Следствием такого механизма теплоотвода от расхолаживаемого реактора станет постепенное и медленное снижение уровня воды в бассейне, но это снижение легко компенсируется подпиткой свежей воды.

Изобретение направлено на повышение безопасности ядерных корпусных исследовательских реакторов и реакторов малой мощности путем использования пассивных систем отвода тепла. Способ пассивного расхолаживания корпусного реактора включает размещение корпуса реактора с подводящими к активной зоне и отводящими от активной зоны трактами циркуляции теплоносителя, а также отражателя нейтронов в бассейне с водой, оснащение реакторной установки клапанами естественной циркуляции пассивного действия, обеспечивающими безопасный теплоотвод от активной зоны и каналов облучения в отражателе при расхолаживании реактора в случае отсутствия принудительной циркуляции. В качестве основного поглотителя тепла при расхолаживании реактора используется вода бассейна. Техническим результатом является повышение безопасности и надежности системы расхолаживания корпусных исследовательских реакторов и энергетических реакторов малой мощности. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ пассивного расхолаживания реакторной установки с размещённым в бассейне корпусом реактора под давлением, при котором используют клапаны с затворами, открывающимися для формирования контура естественной циркуляции теплоносителя через активную зону и бассейн реактора, и подсоединенные к подводящему к активной зоне и отводящему от активной зоны трактам циркуляции теплоносителя, отличающийся тем, что открытие затворов клапанов естественной циркуляции обеспечивают гравитационными силами при снижении прижимающего затвор к посадочному месту давления в контуре охлаждения реактора, а с целью перехода к режиму открытия затворов клапанов естественной циркуляции в емкости компенсатора давления, размещенной в верхней части бассейна реактора и соединенной с подводящим и отводящим трактами, устанавливают клапаны, открывающиеся при снижении перепада давления между трактами и создающие канал циркуляции теплоносителя между подводящим и отводящим трактами и канал отвода газа из компенсатора давления, что обеспечивает снижение давления в контуре охлаждения реактора и подачу холодной воды из компенсатора давления в корпус реактора на охлаждение активной зоны.

2. Способ пассивного расхолаживания реакторной установки по п. 1, отличающийся тем, что клапаны в компенсаторе давления, создающие при своем открытии канал циркуляции теплоносителя между подводящим и отводящим трактами и канал отвода газа из компенсатора давления, выполняют в виде сдвоенного клапана пассивного действия, который срабатывает за счет гравитационных сил.

3. Способ пассивного расхолаживания реакторной установки по п. 1 и/или 2, отличающийся тем, что корпус реактора выполняют в виде трубки Фильда и обеспечивают тепловую изоляцию нагретых поверхностей тракта циркуляции теплоносителя реакторной установки от воды в бассейне, создавая газовый зазор использованием внешнего кожуха.

4. Способ пассивного расхолаживания реакторной установки с размещёнными в бассейне корпусом реактора под давлением и отражателем нейтронов с ячейками облучения, при котором используют клапаны с затворами, открывающимися для формирования контура естественной циркуляции теплоносителя через активную зону и бассейн реактора, и подсоединенные к подводящему к активной зоне и отводящему от активной зоны трактам циркуляции теплоносителя, отличающийся тем, что открытие затворов клапанов естественной циркуляции обеспечивают гравитационными силами при снижении прижимающего затвор к посадочному месту давления в контуре охлаждения реактора, а с целью перехода к режиму открытия затворов клапанов естественной циркуляции в емкости компенсатора давления, размещенной в верхней части бассейна реактора и соединенной с подводящим и отводящим трактами, устанавливают клапаны, открывающиеся при снижении перепада давления между трактами и создающие канал циркуляции теплоносителя между подводящим и отводящим трактами и канал отвода газа из компенсатора давления, что обеспечивает снижение давления в контуре охлаждения реактора и подачу холодной воды из компенсатора давления в корпус реактора на охлаждение активной зоны, а конструкция отражателя нейтронов обеспечивает проток теплоносителя из бассейна под отражатель в камеру пониженного давления и далее теплоноситель направляют в контур охлаждения бассейна.

5. Способ пассивного расхолаживания реакторной установки по п. 3, отличающийся тем, что камера пониженного давления оснащена клапаном естественной циркуляции пассивного действия, открытие которого при прекращении принудительной циркуляции в контуре охлаждения бассейна обеспечивает развитие естественной циркуляции теплоносителя через отражатель с ячейками облучения.