СИСТЕМА ПАССИВНОГО ОТВОДА ТЕПЛА ЧЕРЕЗ ПАРОГЕНЕРАТОР И СПОСОБ ЕЕ ЗАПОЛНЕНИЯ Российский патент 2023 года по МПК G21C15/00 

Область техники

Изобретение относится к ядерной энергетике, в частности, к обеспечению безопасности ядерных реакторов РУ с тяжелыми жидкометаллическими теплоносителями посредством систем гарантированного отвода остаточного тепловыделения, в том числе в условиях обесточивания. Более конкретно, настоящее изобретение относится к системам пассивного расхолаживания, или системам пассивного отвода тепла, ядерного реактора с тяжелым жидкометаллическим теплоносителем через парогенератор, работающий в режиме многократной циркуляции пароводяной смеси.

Уровень техники

На всех действующих АЭС третьего поколения для отвода тепла к конечному поглотителю (внешний водоем, градирня, брызгальный бассейн) требуется работа насосов. Это обеспечивается многоканальными системами безопасности, включающими в себя дизель-генераторы системы надежного электроснабжения, которые обеспечивают подачу электроэнергии, необходимой для работы насосов охлаждающей воды.

Вместе с тем, авария на АЭС Фукусима-1 и ранее выполненные анализы безопасности показали, что могут возникнуть случаи отказа всех систем безопасности по общим причинам, когда электроэнергия будет полностью отсутствовать, и тогда для обеспечения безопасности необходимо оснащение АЭС системой пассивного отвода тепла (СПОТ), которая не требует для своей работы электроэнергии.

Из патента РФ RU2050025 известна система аварийного охлаждения реакторной установки, включающая реактор, циркуляционные трубопроводы, парогенератор с трубным пучком, питательный трубопровод от питательного электронасоса, паропроводы с быстродействующим запорно-отсечным клапаном и предохранительным клапаном, аварийный отвод, бак охлаждающей воды с поверхностным конденсатором, барботажное устройство, линию перелива и охлаждающий контур, сливные линии, аварийный клапан с пассивным управляющим устройством. При аварии с полным обесточиванием система обеспечивает аварийный отвод тепла от реакторной установки путем пассивного охлаждения, при котором пар сбрасывается через конденсатор, размещенный в баке с водой. Открытие аварийного клапана, включающего конденсатор, производится пассивным управляющим устройством, срабатывающим только при полном обесточивании установки, а для предотвращения открытия аварийного клапана при ситуациях с сохранением электропитания его управляющее устройство снабжено дополнительным элементом, препятствующим такому открытию.

СПОТ согласно патенту РФ RU2646859 содержит теплообменник-нагреватель и теплообменник-охладитель, соединенные друг с другом подъемной и опускной ветками, емкость с запасом воды, соединенную трубопроводом с опускной веткой. Система дополнительно снабжена емкостью для сбора неконденсирующихся газов, которая подключена к опускной ветке между теплообменником-охладителем и емкостью с запасом воды. Между емкостью с запасом воды и емкостью для сбора неконденсирующихся газов установлен обратный клапан, а между последним и теплообменником-охладителем – управляемая арматура. Данное техническое решение позволяет повысить надежность СПОТ и безопасность реакторной установки при авариях с потерей теплоносителя.

Для повышения надежности работы в патенте РФ RU2713747 СПОТ включает один контур циркуляции, содержащий парогенератор с паровым и водяным объемами, соединенный посредством трубопроводов подвода и отвода охлаждаемой среды, имеющих запорную арматуру активно-пассивного действия, с воздушным теплообменником. СПОТ дополнительно содержит термоэлектрический генератор, газоуловитель, подключенные к трубопроводу подвода охлаждаемой среды к воздушному теплообменнику, сосуд Дьюара, циркуляционный насос, подключенные к трубопроводу отвода охлаждаемой среды от воздушного теплообменника.

Патент РФ RU2740786 раскрывает СПОТ, содержащий парогенератор с паровой и водяной ветками, пароводяной инжектор, теплообменник, размещенный ниже парогенератора и охлаждаемый конечным поглотителем тепла, емкость запаса воды, установленную выше парогенератора и подключенную водяной веткой с размещенным на ней отсечным клапаном к парогенератору, подводящей веткой к подводящему трубопроводу теплообменника, причем ее верхний объем подключен дополнительной веткой к паровой ветке парогенератора, пусковую емкость, размещенную выше пароводяного инжектора и своей верхней частью подключенную к подводящему трубопроводу теплообменника. Водяная ветка парогенератора подключена к боковой поверхности емкости запаса воды в точке на уровне, соответствующем горизонтальному уровню размещения пароводяного инжектора, а дополнительная ветка емкости запаса воды подключена к паровой ветке парогенератора в точке подключения паровой ветки к входу в пароводяной инжектор. Данное изобретение обеспечивает повышение уровня надежности и длительности отвода подводимых к парогенератору остаточных тепловыделений после теплообменника в пассивном режиме неограниченное время при отсутствии внешних источников энергии и повышение безопасности работы реакторной установки.

Также известны СПОТ, разработанные для реакторных установок ВВЭР-1200 (АЭС-2006), которые используются в проектах Нововоронежской и Ленинградской атомных электростанциях (далее соответственно НВАЭС-2 и ЛАЭС-2). В обоих случаях расхолаживание осуществляется через парогенераторы (ПГ), в которых образующийся при кипении воды в ПГ пар конденсируется в теплообменниках расхолаживания (ТР), а образовавшийся конденсат сливается самотеком в водяной объем ПГ.

Для НВАЭС-2 охлаждение ТР СПОТ, размещенных за защитной оболочкой в кольцевой обстройке, осуществляется атмосферным воздухом при его естественной циркуляции (см., например, журнал «Росэнергоатом» № 4, апрель 2008 год, стр. 20-27). В этом случае период невмешательства по времени не ограничен.

Для ЛАЭС-2 конденсация пара осуществляется в теплообменниках аварийного расхолаживания (ТОАР), погруженных в водяные баки аварийного отвода тепла (БАОТ), размещенных за защитной оболочкой в кольцевой обстройке. Отвод тепла конденсирующегося пара происходит за счет испарения воды в БАОТ с отводом пара в атмосферу (см., например, журнал «Росэнергоатом» № 4, апрель 2008 год, стр. 28-33). В этом случае период невмешательства по времени ограничен объемом воды в БАОТ. Это техническое решение может быть выбрано в качестве наиболее близкого аналога предлагаемого изобретения.

Поскольку необходимым условием функционирования СПОТ через ПГ (СПОТ ПГ) является сохранение воды в ПГ, на трубопроводах выхода пара из ПГ и подачи в них питательной воды предусматриваются дублированные быстрозапорные отсечные клапаны (БЗОК), срабатывающие при прекращении подачи питательной воды в ПГ или обесточивании энергоблока.

Вместе с тем, описанные выше известные технические решения могут быть использованы только в реакторных установках с водным теплоносителем в первом контуре, поскольку при снижении мощности остаточного тепловыделения в процессе расхолаживания температура кипения воды/конденсации пара даже при атмосферном давлении составляет 100°C. Это значительно превышает температуру затвердевания воды и превращения ее в лед, что исключает повреждение оборудования.

В РУ с тяжелыми жидкометаллическими теплоносителями (ТЖМТ) в первом контуре такие технические решения применять нельзя. Это связано с возможностью затвердевания ТЖМТ в ПГ при снижении мощности остаточного тепловыделения в процессе расхолаживания, когда снижение давления пара приводит к снижению температуры кипения воды до значений ниже температуры плавления (затвердевания) ТЖМТ. В свою очередь это приведет к прекращению циркуляции ТЖМТ и отвода тепла.

Температура плавления/затвердевания ТЖМТ, представляющего собой сплавы свинца и висмута различного состава с различным содержанием висмута, существенно зависит от содержания висмута. Для сплава эвтектического состава с содержанием висмута 56,5% температура плавления минимальна и составляет 123,5°C. При уменьшении содержания висмута до 40, 30 и 20% температура плавления возрастает, соответственно, до 180, 230 и 270°C, а для чистого свинца составляет 327°C (см., например, Handbook on Lead-bismuth Eutectic Alloy and Lead Properties, Materials Compatibility, Thermal-hydraulics and Technologies. 2015 Edition. OECD NEA. No. 7268, NUCLEAR ENERGY). Эти температуры превышают температуру кипения воды/конденсации пара при атмосферном давлении (100°C). Снижение содержания висмута в ТЖМТ уменьшает его стоимость, но при этом увеличение температуры плавления ТЖМТ усложняет эксплуатацию и повышает вероятность затвердевания ТЖМТ в режимах с нарушением нормальных условий эксплуатации.

Для исключения затвердевания ТЖМТ в ПГ необходимо, чтобы давление конденсации пара в ТР при снижении уровня мощности остаточного тепловыделения не снижалось ниже требуемого значения, а температура конденсации – ниже температуры плавления ТЖМТ. Кроме того, с этой же целью, а также для предотвращения теплового удара на трубные доски ПГ, необходимо исключить поступление холодного конденсата из ТР в ПГ при вводе СПОТ ПГ в работу из режима ожидания, когда в контуре ПГ – ТР циркуляция отсутствует. Для исключения этих негативных процессов должны быть применены соответствующие технические решения, учитывающие режим работы ПГ, в частности, ПГ, работающего в режиме многократной циркуляции пароводяной смеси.

Кроме того, для приведения СПОТ ПГ в рабочее состояние в условиях отсутствия тепловыделения в активной зоне и осушенного второго контура РУ его необходимо заполнить соответствующим объемом воды при исключении затвердевания ТЖМТ в ПГ.

Таким образом, существует задача разработки СПОТ ПГ, учитывающей особенности режима работы ПГ, которая бы была применима в реакторных установках с ТЖМТ и при этом исключала бы снижение температуры конденсата на выходе из ТР при уменьшении подводимой мощности, в частности, путем контролируемого снижения поверхности конденсации пара в ТР.

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение уровня безопасности работы реакторной установки и эффективности СПОТ при отсутствии внешних источников энергии.

Краткое раскрытие сущности изобретения

С целью решения поставленной задачи и достижения указанного технического результата предлагается на трубопроводе слива конденсата из ТР в ПГ установить устройство запорно-регулирующее (УЗР), рабочий орган (клапан) которого перемещается, например, под действием разности усилий, создаваемых давлением пара и входящей в состав УЗР пружины. Усилие пружины отрегулировано таким образом, что при снижении давления пара ниже заданного значения, различного для ТЖМТ с различным содержанием висмута, имеющих различную температуру затвердевания, клапан УЗР полностью закрывается, конденсат заполняет все межтрубное или внутритрубное пространство ТР, после чего конденсация пара и отвод тепла прекращаются, что соответствует низкому уровню мощности остаточного тепловыделения, не требующего организованного отвода тепла. При достижении этого уровня мощности остаточного тепловыделения должна включаться в работу система обогрева, являющаяся составной частью реакторных установок с ТЖМТ.

При промежуточных уровнях мощности остаточного энерговыделения в реакторе конденсат в ТР частично заполняет межтрубное или внутритрубное пространство, так что оставшаяся поверхность теплообмена обеспечивает необходимый уровень отводимой мощности.

В частности, в соответствии с настоящим изобретением СПОТ ПГ, преимущественно для ядерных реакторов с тяжелым жидкометаллическим теплоносителем, включает в себя ПГ, работающий в режиме многократной циркуляции и включающий в себя испаритель, сепаратор и трубопроводы пароводяной смеси и котловой воды, соединяющие их; ТР, размещенный выше сепаратора пара ПГ (далее также сепаратора) и осуществляющий конденсацию пара; трубопроводы, отводящие пар из сепаратора пара; трубопроводы слива конденсата из ТР в сепаратор пара; быстродействующие отсечные клапаны (БЗОК) на трубопроводах выхода пара из сепаратора пара и трубопроводах подачи питательной воды в сепаратор пара; устройства отвода тепла конденсации от ТР к конечному поглотителю, например, к воде в баке СПОТ. Уровень конденсата в ТР определяет его производительность. На трубопроводе слива конденсата из ТР установлено прямодействующее УЗР, регулирующее расход конденсата в зависимости от давления в контуре. ТР имеет переменную производительность по скорости конденсации пара и, соответственно, отводимой мощности за счет того, что в нем может поддерживаться уровень конденсата, полностью или частично закрывающий теплообменную поверхность, на которой и происходит конденсация пара. Прямодействующий по давлению УЗР совместно с ТР с обратной связью по отводимой мощности (от уровня конденсата в нем) образуют основанный на пассивных принципах регулятор отводимой мощности по давлению в системе. При этом УЗР дополнительно имеет возможностью перехода в закрытое состояние путем подачи давления питательной воды через специальный трубопровод и/или путем принудительного перемещения штока клапана с помощью электромагнита, так что снижение давления питательной воды или обесточивание электромагнита переводят УЗР в состояние регулятора давления.

Указанные особенности УЗР могут учитываться при формировании алгоритмов безопасного управления реакторной установкой для наиболее опасных исходных событий, таких как обесточивание или прекращение подачи питательной воды.

Функционирование заявленной СПОТ ПГ возможно только при сохранении достаточного объема воды в ПГ. В связи с этим на трубопроводе выхода пара из ПГ и трубопроводе подачи в ПГ питательной воды устанавливаются дублированные БЗОК, как и на реакторных установках ВВЭР. При большом объеме воды в ПГ, включающем в себя объем воды в сепараторе и ТР, некоторая потеря воды из ПГ в процессе закрытия БЗОК не оказывает влияния на последующую работу СПОТ. Кроме того, для исключения паразитного отвода тепла в нормальных условиях эксплуатации СПОТ находится в режиме ожидания, когда клапан УЗР может быть принудительно закрыт давлением воды работающих питательных насосов и/или с помощью электромагнита.

Такое устройство СПОТ ПГ применимо для реакторных установок с ТЖМТ, если ПГ работает в режиме многократной циркуляции, когда за счет отвода тепла от теплоносителя первого контура вырабатывается пароводяная смесь, которая поступает в сепаратор, содержащий достаточно большой объем воды. В сепараторе происходит разделение пароводяной смеси на воду, которая под действием силы тяжести стекает в нижнюю часть сепаратора, а сухой насыщенный пар подается в отдельный пароперегреватель или поступает на турбину. Значение уровня воды в сепараторе в зависимости от мощности автоматически поддерживается регулятором расхода питательной воды в соответствии с предусмотренным алгоритмом управления. В режиме расхолаживания, когда ПГ отключен арматурой от систем турбоустановки, пар из сепаратора поступает в ТР, а образовавшийся конденсат из ТР через УЗР поступает в водяной объем в нижней части сепаратора, где смешивается с отсепарированной водой, имеющей температуру насыщения значительно более высокую по сравнению с температурой плавления ТЖМТ, и поступает в виде котловой воды на вход испарителя ПГ. Это исключает тепловые удары на трубные доски испарителя ПГ.

Производительность ТР зависит от уровня конденсата в нем. При максимальном уровне конденсата и полностью залитой теплообменной поверхности производительность и мощность, отводимая ТР, минимальна и определяется в основном уровнем тепловых потерь. При уровне конденсата ниже уровня расположения теплообменной поверхности производительность ТР максимальна.

УЗР может работать в пассивном режиме за счет гидромеханической связи водяной полости УЗР со штоком клапана УЗР через сильфонный узел с регулирующей пружиной, так что при повышении давления пара усилие, действующее на клапан УЗР, превышает усилие регулирующей пружины и приводит к перемещению штока и открытию клапана.

В качестве бака СПОТ может также использоваться объем соответствующего технологического помещения реакторного здания, стены и нижнее перекрытие которого имеют металлическую облицовку, выполненную из стали, коррозионностойкой в воде, и в нижнем перекрытии которого предусмотрена герметизированная проходка.

В баке СПОТ может быть размещен теплообменник охлаждающей воды (ТОВ).

Еще одним объектом настоящего изобретения, который решает поставленные задачи и позволяет достичь заявленный технический результат, является способ заполнения СПОТ ПГ рабочей средой, согласно которому открывают клапан подачи пара во второй контур с осушенными ПГ и подают пар, например, от пускорезервной котельной (ПРК), с давлением, превышающим давление насыщения при температуре выше температуры плавления ТЖМТ на заданное значение, большее, чем давление насыщения, соответствующее температуре ТЖМТ, обеспечиваемой системой обогрева. Давление пара при этом должно быть ниже давления, при котором открывается клапан УЗР. Клапан подачи пара закрывают, когда уровень воды в сепараторе достигнет заданного значения.

Далее настоящее изобретение более подробно поясняется со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых приведены возможные варианты его реализации.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1a приведена схема заявленного СПОТ ПГ.

На фиг. 1b приведено увеличенное изображение варианта заявленного СПОТ ПГ с импульсной трубкой.

На фиг. 2a показан вариант исполения УЗР в пусковом режиме.

На фиг. 2b показан вариант исполения УЗР в энергетическом режиме.

На фиг. 2c показан вариант исполения УЗР в режиме расхолаживания.

На фиг. 2d показан вариант исполения УЗР с импульсной трубкой в энергетическом режиме.

На фиг. 3 приведена схема бака СПОТ в виде бассейна выдержки (вид в плане).

На фиг. 4 приведена схема бака СПОТ в виде бассейна выдержки (продольный разрез).

На фигурах позициями отмечены следующие элементы:

1 – испаритель ПГ

2 – сепаратор пара

3 – ТР

4 – бак СПОТ

5 – трубопровод пароводяной смеси

6 – трубопровод слива конденсата

7 – БЗОК

8 – трубопровод подачи пара в ТР из сепаратора

9 – трубопровод выхода пара из сепаратора

10 – трубопровод питательной воды

11 – УЗР

12 – трубопровод котловой воды

13 – электропривод

14 – шток

15 – пружина

16 – сильфон

17 – клапан

18 – водяная полость

19 – канал

20 – направление потока в трубопровод питательной воды

21 – направление потока из ТР

22 – трубопровод подачи пара от ПРК

23 – обратный и отсечные клапаны подачи пара от ПРК

24 – ТОВ

25 – импульсная трубка

26 – металлическая облицовка.

Подробное описание вариантов осуществления изобретения

Заявленная система пассивного отвода тепла через парогенератор, преимущественно для ядерных реакторов с тяжелыми жидкометаллическими теплоносителями, схематично показана на фиг. 1a.

В общем случае СПОТ ПГ включает в себя ПГ, работающий в режиме многократной циркуляции с испарителем 1 ПГ, сепаратором 2 пара, трубопроводами котловой воды 10 и паро-водяной смеси 12, ТР 3, размещенный выше сепаратора 2 в баке 4 СПОТ; трубопроводы 8, подающие пар в ТР 3 из сепаратора пара; трубопроводы 6 слива конденсата из ТР 3 в сепаратор 2 пара; БЗОК 7 на трубопроводах 9 выхода пара из сепаратора 2 и трубопроводах 10 подачи питательной воды в сепаратор 2; устройства отвода тепла конденсации от ТР 3 к конечному поглотителю, например, к воде в баке СПОТ. При этом на трубопроводе 6 слива конденсата установлено прямодействующее УЗР 11, выполненное с возможностью перехода в закрытое состояние в нормальных условиях эксплуатации в энергетических режимах давлением питательной воды или механическим воздействием на шток клапана, например, с помощью электромагнита.

При работе ПГ в режиме многократной циркуляции в испарителе 1 за счет отвода тепла от теплоносителя первого контура вырабатывается пароводяная смесь, которая поступает в сепаратор 2, содержащий достаточно большой объем воды. В сепараторе 2 происходит разделение пароводяной смеси на воду, которая под действием силы тяжести стекает в нижнюю часть сепаратора 2, а сухой насыщенный пар подается в отдельный пароперегреватель или поступает на турбину. Значение уровня воды в сепараторе 2 пара в зависимости от мощности поддерживается автоматически регулятором расхода питательной воды в соответствии с предусмотренным алгоритмом управления. В режиме расхолаживания, когда ПГ отключен от систем турбоустановки посредством БЗОК 7, пар из сепаратора 2 поступает в ТР 3, погруженный в воду бака 4 СПОТ, а образовавшийся конденсат из ТР 3 по трубопроводу 6 и через УЗР 11 поступает в трубопровод 10 питательной воды на участке между БЗОК 7 и сепаратором 2 (см. фиг. 1a, 1b) и далее в водяной объем в нижней части сепаратора 2, где смешивается с отсепарированной водой, имеющей температуру насыщения, значительно более высокую по сравнению с температурой плавления ТЖМТ, и поступает по трубопроводу 12 котловой воды в виде котловой воды на вход ПГ. Это исключает тепловые удары на трубные доски ПГ. Подвод конденсата из ТР 3 после УЗР 11 может осуществляться и непосредственно в сепаратор 2 через дополнительный патрубок.

Вариант исполнения УЗР 11 и режимы его работы приведены на фиг. 2a, 2b, 2c, 2d.

В пусковом режиме (фиг. 2a) при отключенной турбоустановке клапанами 7 электропривод 13 приводит шток 14 в положение, соответствующее регулировке пружины 15 и сильфона 16 на заданное давление пара, различное для ТЖМТ с разной температурой плавления. Положение клапана 17 УЗР определяется давлением в водяной полости 18, передаваемым по каналу 19 в сильфон 16. При этом клапан 17 полностью закрыт при низком уровне остаточного тепловыделения, и полностью открыт при максимальной проектной мощности, обеспечиваемой СПОТ. При работающих питательных насосах УЗР 11 может быть закрыт давлением питательной воды, передаваемым по импульсной трубке 25, в вариантах реализации схемы на согласно фиг. 1b и УЗР 11 согласно фиг. 2d. Перемещение клапана 17 в нижнее положение может быть обеспечено также усилием предусмотренного для этого электромагнита (на фигурах не показан). В этом случае ввод в действие клапана УЗР осуществляется либо активной командой на обесточивание электромагнита, либо происходит пассивно в авариях с потерей электроснабжения, что важно с точки зрения безопасности.

При повышении мощности реактора выше максимальной проектной мощности СПОТ и подготовленной к работе турбоустановке, отсеченной клапанами 7 от реакторной установки, электропривод 13 приводит шток 14 в положение, обеспечивающее увеличение давления пара до значения, при котором возможен прием нагрузки на турбогенератор. После этого БЗОКи 7 открываются и пар поступает на турбоустановку.

В энергетическом режиме (режим ожидания) клапан 17 закрыт пружиной 15 и давлением воды питательных насосов, передаваемым импульсной трубкой 25 (фиг. 2d), или усилием, передаваемым на шток клапана от электромагнита.

В режиме расхолаживания (фиг. 2c) шток 14 находится в положении, соответствующем регулировке пружины 15 и сильфона 16 на давление пара, обеспечивающее полностью открытое положение клапана 17, соответствующее проектной мощности СПОТ ПГ, и полностью закрытое положение клапана 17 при низком уровне мощности остаточного тепловыделения. Давление пара различно для ТЖМТ с разной температурой плавления. Положение клапана 17 определяется разностью усилий пружины 15 и давления в водяной полости 18, передаваемого по каналу 19 (а также зазору между корпусом УЗР 11 и штоком 14) в сильфон 16.

На фиг. 2a, 2b, 2c, 2d стрелкой 20 показано направление потока в трубопровод 10 питательной воды, а стрелкой 21 – направление потока из ТР 3.

Возможен также вариант технической реализации УЗР 11 с использованием средств электроники. Такой регулятор расхода конденсата управляется по заданной в программе зависимости расхода конденсата от давления пара. На подобном принципе в реакторе РБМК работает регулятор расхода питательной воды, который поддерживает заданный уровень воды в барабане-сепараторе.

Заявленный СПОТ ПГ работает следующим образом.

При остановке питательных насосов закрываются БЗОК 7; давление воды, запирающей клапан УЗР 11, снижается, или подается команда на обесточивание электромагнита клапана, и клапан УЗР 11 полностью открывается, а СПОТ пассивно вводится в работу.

По мере снижения уровня мощности остаточного тепловыделения давление пара снижается. При этом клапан 17 под действием пружины 15 будет частично закрываться, обеспечивая расход конденсата тем меньший, чем меньше давление пара превышает давление открытия/закрытия клапана 17. Уменьшение расхода через клапан 17 приводит к повышению уровня конденсата в ТР 3. При этом площадь поверхности контакта пара с поверхностью теплообмена ТР 3 снижается, что ведет к замедлению конденсации пара, поступающего из сепаратора 2, и замедляет снижение давления пара и температуры кипения воды в ПГ, не допуская ее приближения к температуре затвердевания ТЖМТ.

При снижении в процессе расхолаживания уровня мощности остаточного тепловыделения и соответствующего уменьшении давления пара ниже заданного значения клапан 17 полностью закрывается. При этом должна включаться в работу система обогрева реакторной установки, поддерживающая ТЖМТ в жидком состоянии при низком уровне мощности остаточного тепловыделения.

УЗР 11 работает в пассивном режиме за счет гидромеханической связи водяной полости 18 со штоком 14 через сильфон 16 с пружиной 15, так что при снижении давления пара по мере уменьшения мощности остаточного тепловыделения усилие, действующее на клапан 17, становится меньше усилия пружины 15, что приводит к перемещению штока 14 и закрытию клапана 17. После этого уровень воды в ТР 3 повышается, производительность ТР 3 уменьшается, обеспечивая пассивный принцип регулирования давления в зависимости от мощности остаточного тепловыделения и соответствующей ему температуры конденсата в контуре расхолаживания, не допуская ее снижения ниже заданного значения, превышающего температуру плавления ТЖМТ.

В качестве конечного поглотителя тепла может быть использован водяной бак 4 СПОТ (аналогично ЛАЭС-2) или атмосферный воздух (аналогично НВАЭС-2). Использование в качестве конечного поглотителя тепла атмосферного воздуха обеспечивает бесконечный период невмешательства. Однако такое решение удорожает проект вследствие низкой эффективности отвода тепла воздухом, требующей увеличения объема помещений и металлоемкости теплообменного оборудования.

Приведение СПОТ ПГ в рабочее состояние в условиях отсутствия тепловыделения в активной зоне и осушенном втором контуре реакторной установки с исключением затвердевания ТЖМТ для реакторной установки с ПГ, работающими в режиме многократной циркуляции, производится следующим образом.

Во второй контур с осушенными ПГ подается пар, например, по трубопроводу 22 подачи пара от ПРК через обратный и отсечные клапаны 23 подачи пара от ПРК, как показано стрелкой на фиг. 1a.

Давление пара от ПРК должно превышать давление насыщения при температуре выше температуры плавления ТЖМТ на заданное значение, большее, чем давление насыщения, соответствующее температуре ТЖМТ, обеспечиваемой системой обогрева. Давление пара при этом также должно быть ниже давления, при котором клапан 17 открывается. Поступающий пар постепенно конденсируется, и уровень заполнения конденсатом полостей второго контура постепенно растет. Подача пара прекращается, когда уровень воды в сепараторе 2 достигнет проектного значения.

Помимо ТР 3, в водяном объеме баков 4 СПОТ могут размещаться теплообменники 24 охлаждающей воды (ТОВ), которые позволяют использовать систему СПОТ ПГ также в режимах нормальной эксплуатации для планового автономного расхолаживания реактора без использования оборудования турбоустановки.

Бак 4 СПОТ может быть выполнен в виде отдельной металлоконструкции.

Также бак 4 СПОТ может быть выполнен в виде железобетонного бассейна (фиг. 3, 4), входящего в состав технологических помещений реакторного здания, размещенного на такой же высотной отметке здания реакторной установки, что и бак 4 СПОТ в виде отдельной металлоконструкции. Такой бак 4 СПОТ подобен бассейну выдержки отработавших тепловыделяющих сборок и имеет металлическую облицовку 26. В этом варианте в нижнем перекрытии помещения бака 4 СПОТ проходки для трубопроводов 6 слива конденсата из ТР 3 и подачи пара должны быть герметизированными. Такое техническое решение позволяет за счет более эффективного использования объема помещения либо увеличить компактность СПОТ, либо увеличить объем воды в баке 4 СПОТ (бассейне), что повысит период невмешательства.

Таким образом, настоящее изобретение обеспечивает повышение уровня безопасности работы реакторной установки и эффективности СПОТ при отсутствии внешних источников энергии.

Изобретение относится к системам пассивного отвода тепла (СПОТ) ядерного реактора с тяжелым жидкометаллическим теплоносителем (ТЖМТ). Система включает парогенератор с испарителем и сепаратором пара; теплообменник расхолаживания (ТР), трубопроводы, подающие пар из сепаратора пара; трубопроводы слива конденсата из ТР в сепаратор пара; отсечные клапаны на трубопроводах, устройства отвода тепла. На трубопроводе слива конденсата установлено прямодействующее устройство запорно-регулирующее, выполненное с возможностью перехода в закрытое состояние в нормальных условиях эксплуатации в энергетических режимах давлением питательной воды или усилием электромагнита. Для заполнения СПОТ ПГ рабочей средой открывают клапан подачи пара во второй контур с осушенными ПГ и подают пар с давлением, превышающим давление насыщения при температуре выше температуры плавления ТЖМТ на заданное значение, которое больше давления насыщения, соответствующего температуре ТЖМТ, но ниже давления, при котором открывается клапан УЗР. Техническим результатом является повышение безопасности работы установки и эффективности СПОТ при отсутствии внешних источников энергии. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Система пассивного отвода тепла (СПОТ) ядерного реактора через парогенератор (ПГ), в которой ПГ:

включает по меньшей мере один испаритель, сепаратор и трубопроводы пароводяной смеси и котловой воды, соединяющие сепаратор с испарителем,

работает в режиме многократной циркуляции пароводяной смеси и

предназначен преимущественно для ядерных реакторов с тяжелыми жидкометаллическими теплоносителями,

при этом указанная СПОТ содержит:

бак СПОТ,

теплообменник расхолаживания (ТР) со свободным уровнем конденсата, размещённый выше сепаратора в баке СПОТ,

трубопроводы отвода пара из сепаратора в ТР и

трубопроводы слива конденсата из ТР в сепаратор пара,

причем на трубопроводе слива конденсата из ТР установлено прямодействующее устройство запорно-регулирующее (УЗР) с прямодействующим по давлению в системе клапаном УЗР, регулирующим расход через него и соответственно уровень воды в ТР и производительность ТР.

2. Система по п. 1, в которой УЗР выполнено с возможностью перехода клапана УЗР в полностью закрытое состояние в нормальных условиях эксплуатации в энергетических режимах под действием давления питательной воды, перехода клапана УЗР в режим регулирования расхода в УЗР и давления в системе при прекращении подачи питательной воды.

3. Система по п. 1 или 2, содержащая дополнительный теплообменник, размещенный ниже уровня воды в баке СПОТ, для отвода тепла от охлаждающей воды к конечному поглотителю.

4. Система по любому из пп. 1-3, в которой бак СПОТ образован строительными конструкциями, облицованными коррозионно-стойким в воде материалом.

5. Система по любому из пп. 1-4, в которой УЗР содержит по меньшей мере один сильфон, отделяющий шток клапана УЗР от внешней среды, и по меньшей мере одну пружину, передающую усилие на шток клапана УЗР через концевой элемент сильфона, а усилие пружины подобрано так, что клапан УЗР открывается в результате воздействия давления, превышающего заданное значение.

6. Система по п. 5, в которой УЗР содержит устройство, изменяющее усилие сжатия пружины, обеспечивающее изменение давления открытия.

7. Система по п. 1, в которой УЗР имеет полость, ограниченную корпусом УЗР и сильфоном, передающим усилие на шток клапана УЗР, а указанная полость соединена с трубопроводом питательной воды, так что при наличии давления в трубопроводе питательной воды давление питательной воды передается в указанную полость, приводя к сжатию сильфона, перемещению штока клапана УЗР и его закрытию.

8. Система по п. 1, в которой УЗР оснащено приводом штока от электромагнита, удерживающего шток клапана УЗР в закрытом положении, так что после обесточивания удерживающее усилие от электромагнита снимается.

9. Способ заполнения рабочей средой системы пассивного отвода тепла (СПОТ) по любому из пп. 1-8, в котором открывают клапан подачи пара во второй контур с осушенными парогенераторами и подают пар с давлением, превышающим давление насыщения при температуре выше температуры плавления тяжелого жидкометаллического теплоносителя (ТЖМТ) на значение больше, чем давление насыщения, соответствующее температуре ТЖМТ, обеспечиваемой системой обогрева, и ниже давления, при котором открывается клапан устройства запорно-регулирующего, и закрывают клапан подачи пара, когда уровень воды в сепараторе пара достигнет заданного значения.

10. Способ по п. 9 в котором конденсацию пара осуществляют внутри трубок теплообменника расхолаживания (ТР), а охлаждение ТР осуществляют внешней средой снаружи трубок.

11. Способ по п. 9, в котором отвод тепла осуществляют за счет кипения охлаждающей воды и отвода генерируемого пара за пределы бака СПОТ.

12. Способ по п. 9, в котором конденсацию пара осуществляют на внешней поверхности трубок ТР, в которые подают охлаждающую среду.