СИСТЕМА ПАССИВНОГО ОТВОДА ТЕПЛА ЧЕРЕЗ ПРЯМОТОЧНЫЙ 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 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 прямоточном режиме.

Уровень техники

На всех действующих атомных электростанциях (АЭС) третьего поколения для отвода тепла к конечному поглотителю (внешний водоем, градирня, брызгальный бассейн) требуется работа насосов. При этом используют многоканальные системы безопасности, включающие 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 СПОТ согласно патенту РФ RU2713747 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. 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 (см. журнал «Росэнергоатом» № 4, апрель 2008 год, стр. 28-33). Отвод тепла конденсирующегося пара происходит за счет испарения воды в БАОТ с отводом пара в атмосферу. В этом случае период невмешательства по времени ограничен объемом воды в БАОТ.

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 (РУ) 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. «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.

По указанным причинам СПОТ, предложенная для быстрого реактора ALFRED (см. «The ELFR Industrial Plant and ALFRED Demonstrator». Alemberti Alessandro, Luigi Mansani, Monica Frogheri, Ansaldo Nucleare, Italy. Доклад на 4-й международной конференции «Тяжелые жидкометаллические теплоносители в ядерных технологиях (ТЖМТ-2013)», Обнинск, 23-26 сентября 2013 года. Сборник трудов конференции в 2-х томах, Том 1, стр.92. ФГУП «ГНЦ РФ-ФЭИ им. А.И. Лейпунского», Обнинск-2014, ISBN 978-5-906512-39-0 (том 1)), может привести к затвердеванию свинцового теплоносителя в ПГ с прекращением отвода остаточного тепловыделения.

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 отсутствует циркуляция. Для исключения этих негативных процессов должны быть применены соответствующие технические решения, учитывающие режим работы прямоточного ПГ.

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

Таким образом, существует задача разработки СПОТ ПГ, учитывающей особенности режима работы прямоточного 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 управляемого снижения поверхности конденсации пара в ТР.

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение уровня безопасности работы реакторной установки с ТЖМТ и прямоточным ПГ при отсутствии внешних источников энергии.

Краткое раскрытие сущности изобретения

С целью решения поставленной задачи и достижения указанного технического результата предлагается ниже бака СПОТ, в котором под уровнем воды размещен ТР, работающий как конденсатор пара, но выше ПГ разместить сепаратор, предназначенный для сепарации пароводяной смеси при работе РУ в режиме расхолаживания, в который из трубопровода перегретого пара, выходящего из ПГ, после обесточивания РУ и закрытия БЗОК на трубопроводах пара и питательной воды, в сепаратор будет поступать пар по отводящему трубопроводу (пароводяная смесь). Номинальная (максимальная) мощность ТР определяется с учетом переходных процессов при аварийном останове реактора, включая учет конечной скорости снижения мощности реактора и мощность остаточного тепловыделения. Значение этой мощности не превышает 10% номинальной мощности.

После ввода в действие СПОТ парогенератор переходит в режим генерации пароводяной смеси. Циркуляция в контуре, включающем ПГ, сепаратор, опускной участок с котловой водой из сепаратора и подъемный участок с пароводяной смесью, которая поступает в сепаратор, осуществляется за счет естественной конвекции. При этом для ввода в действие указанного контура одновременно с закрытием БЗОК должен открыться клапан на участке между сепаратором и трубопроводом подачи питательной воды после БЗОК.

При этом отсепарированный пар из верхней части сепаратора будет поступать на вход ТР в его верхней части. Слив конденсата из ТР в водяной объем сепаратора производится через установленное на сливном трубопроводе устройство запорно-регулирующее (УЗР), рабочий орган (клапан) которого перемещается, например, под действием разности усилий, создаваемых давлением пара и входящей в состав УЗР пружины. Усилие указанной пружины отрегулировано таким образом, что при снижении давления пара ниже заданного значения, различного для ТЖМТ с различным содержанием висмута (вплоть до его отсутствия), 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 требующему организованного отвода тепла. При достижении этого уровня мощности остаточного тепловыделения необходим переход в другой режим – режим поддержания в горячем состоянии, который может включать ввод в действие системы внешнего подогрева реактора, осушение парогенератора или другие необходимые мероприятия.

На промежуточных уровнях мощности остаточного тепловыделения в реакторе конденсат в ТР частично заполняет межтрубное или внутритрубное пространство, так что оставшаяся поверхность теплообмена, доступная для конденсации поступающего пара, обеспечивает необходимый уровень отводимой мощности при поддержании заданных значений давления пара и соответствующей ему температуры насыщения, превышающей на заданное значение температуру затвердевания ТЖМТ, что исключает его затвердевание в процессе расхолаживания. При этом в контуре ПГ – сепаратор под действием движущегося напора, обусловленного разностью плотностей воды на опускном участке контура и пароводяной смеси на подъемном участке контура, возникает естественная циркуляция.

Для обеспечения устойчивости переходных процессов предпочтительно, чтобы в процессе работы уровень воды в сепараторе не изменялся существенно. Первоначальный (запасенный при подготовке к работе) объем воды в сепараторе должен быть больше, чем сумма объемов воды в ТР с опускной трубой и объемов подъемных трубопроводов от ПГ к сепаратору. Такой запасенный объем воды соответствует наихудшему случаю работы всей системы, т.е. максимальной производительности ТР в режиме расхолаживания и работе ПГ в прямоточном режиме на энергетических уровнях мощности. Вторым крайним случаем является минимальная мощность ТР, при которой он полностью заполнен водой, и минимальная паропроизводительность, при которой подъемный участок от ПГ к сепаратору имеет минимальное паросодержание. При этом в первом случае запасенная и сконденсированная вода должна занимать не более некоторой части сепаратора (например, половину объема), а во втором случае уровень воды не должен опускаться ниже патрубка, отводящего воду из ТР.

Конденсат после УЗР смешивается с отсепарированной водой, образуя котловую воду. Из нижней части сепаратора котловая вода по трубопроводу с открытым после обесточивания запорным клапаном поступает в питательный трубопровод на вход ПГ.

Поскольку в режиме ожидания (энергетический режим работы РУ) запорный клапан на трубопроводе подачи воды из сепаратора в ПГ закрыт, пар в сепараторе вследствие потерь тепла через теплоизоляцию будет конденсироваться. Поскольку сепаратор посредством трубопровода сообщается с трубопроводом перегретого пара, давление в сепараторе будет близко к давлению перегретого пара. Конденсация будет происходить при этом же давлении, а температура конденсата будет равна температуре насыщения при давлении перегретого пара. Тепловые потери от сепаратора будут приводить к непрерывной конденсации поступающего перегретого пара, так что мощность тепловых потерь будет равна произведению расхода на конденсацию на разность энтальпий перегретого пара и воды в сепараторе. Учитывая ограниченность тепловых потерь, величина расхода на конденсацию не будет превышать 1%, что является приемлемой величиной. Вместе с тем, свободные объемы сепаратора и трубопроводов будут непрерывно уменьшаться и постепенно охлаждаться, в пределе – до температуры окружающей среды. Это может вызвать тепловой удар при включении СПОТ в действие и замораживание ТЖМТ в ПГ. Для исключения этих негативных процессов температура воды в сепараторе в режиме ожидания должна находиться на уровне, превышающем температуру затвердевания ТЖМТ. Кроме того, для поддержания СПОТ в режиме ожидания и готовности к переходу в режим расхолаживания в сепараторе должен поддерживаться заданный уровень воды.

Для достижения этих целей предлагается предусмотреть в режиме ожидания слив накапливающегося в сепараторе конденсата через размещенную в сепараторе переливную трубу с открытым верхним торцом на требуемом уровне воды. Переливная труба герметизирована в днище сепаратора, причем нижний торец трубы соединен, например, с конденсатоотводчиком, конденсат из которого по трубопроводу с запорным клапаном сбрасывается в конденсатно-питательный тракт, например, в подогреватель высокого давления.

Для исключения снижения температуры воды в водяном объеме сепаратора в нем ниже уровня переливной трубы устанавливается теплообменник, через который протекает питательная вода. Наличие такого теплообменника обеспечивает близость температуры воды в сепараторе температуре питательной воды, что исключает тепловой удар при отключении питательной воды и переходе к подаче воды из сепаратора в ПГ.

Таким образом, одновременно решаются две технические задачи: обеспечиваются требуемые уровень воды в сепараторе и ее температура в режиме ожидания.

В частности, в соответствии с настоящим изобретением СПОТ ПГ, преимущественно для ядерных реакторов с тяжелым жидкометаллическим теплоносителем, включает в себя прямоточный ПГ, сепаратор с встроенным теплообменником обогреваемым питательной водой и расположенный ниже уровня переливной трубы и трубопроводы, соединяющие их; ТР, размещенный выше сепаратора пара, осуществляющий конденсацию пара; трубопровод, подающий пар из сепаратора пара в ТР; трубопровод слива конденсата из ТР в сепаратор пара; БЗОК на трубопроводах выхода пара из ПГ и подачи в него питательной воды; трубопровод подачи питательной воды в ПГ; устройства отвода тепла конденсации от ТР к конечному поглотителю, например, к воде в баке СПОТ, размещенному выше сепаратора; запорный клапан на трубопроводе подачи котловой воды из сепаратора в трубопровод подачи питательной воды в ПГ; переливную теплообменную трубу в сепараторе, открытую верхним торцом на уровне воды в сепараторе в режиме ожидания, соединенную после выхода из сепаратора, например, с конденсатоотводчиком.

Уровень конденсата в ТР определяет его производительность и отводимую мощность остаточного тепловыделения. Поэтому на трубопроводе слива конденсата из ТР установлено прямодействующее УЗР, регулирующее расход конденсата в зависимости от давления пара 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 пара в системе. При этом УЗР дополнительно имеет возможность 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 РУ 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 питательной воды в ПГ устанавливаются дублированные БЗОК, как и на реакторных установках ВВЭР. В нормальных условиях эксплуатации СПОТ ПГ находится в режиме ожидания, когда клапан УЗР принудительно закрыт давлением воды работающих питательных насосов и/или с помощью электромагнита, а запорный клапан на трубопроводе от сепаратора к трубопроводу питательной воды закрыт. Конденсатоотводчик во всех режимах отводит только избыточную воду и не пропускает пар из объема сепаратора выше переливной трубы.

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 затвердевания ТЖМТ, и поступает в виде котловой воды на вход ПГ. Это исключает тепловые удары на трубные доски ПГ при включении СПОТ в работу.

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

УЗР работает 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 конструктивно может использоваться как выполненная из стали специальная емкость, так и объем соответствующего технологического помещения реакторного здания, стены и нижнее перекрытие которого имеют металлическую облицовку, выполненную из стали, коррозионно-стойкой в воде.

В баке СПОТ может быть размещен теплообменник охлаждающей воды (ТОВ), обеспечивающий активное расхолаживание реактора без связи с турбоустановкой.

Еще одним объектом настоящего изобретения, который решает поставленные задачи и позволяет достичь заявленный технический результат, является способ заполнения СПОТ ПГ и сепаратора рабочей средой, согласно которому открывают клапан подачи пара во второй контур с осушенным ПГ, и с разогретым ТЖМТ первого контура системой обогрева РУ, 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 по сигнализатору уровня или по повышению температуры трубопровода сброса конденсата из конденсатоотводчика до температуры насыщения пара при его давлении во втором контуре. При этом, поскольку ТР охлаждается водой бака СПОТ с существенно более низкой температурой, а величина тепловых потерь от сепаратора существенно меньше теплопередачи в ТР, будет происходить преимущественная конденсация воды в ТР. Последовательно сначала произойдет заполнение конденсатом ТР, а затем заполнение водяного объема сепаратора. При холодной турбоустановке вода из конденсатоотводчика сбрасывается через охладитель в технологический конденсатор.

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

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 приведена схема заявленной СПОТ ПГ.

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

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

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

На фиг. 2d показан вариант исполнения 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).

Краткое описание чертежей

На фигурах позициями отмечены следующие элементы:

1 – ПГ

2 – сепаратор пара

3 – ТР

4 – бак СПОТ

5 – трубопровод перегретого пара

6 – трубопровод слива конденсата из ТР

7 – БЗОК

8 – трубопровод подачи пара в ТР из сепаратора пара

9 – теплообменник подогрева котловой воды

10 – запорный клапан

11 – переливная труба сепаратора

12 – конденсатоотводчик

13 – трубопровод подачи воды из сепаратора

14 – трубопровод отвода конденсата от конденсатоотводчика

15 – трубопровод подвода перегретого пара в сепаратор

16 – трубопровод питательной воды

17 – устройства защиты от превышения давления

18 – УЗР

19 – электропривод

20 – шток

21 – пружина

22 – сильфон

23 – клапан

24 – водяная полость

25 – канал

26 – импульсная трубка

27 – направление потока в трубопровод питательной воды

28 – направление потока из ТР

29 – трубопровод подачи пара от ПРК

30 – обратный и отсечные клапаны подачи пара от ПРК

31 – ТОВ

32 – металлическая облицовка.

Подробное описание вариантов осуществления изобретения

Заявленная система пассивного отвода тепла через прямоточный парогенератор (СПОТ ПГ), преимущественно для ядерных реакторов с тяжелыми жидкометаллическими теплоносителями, схематично показана на фиг. 1.

В общем случае СПОТ ПГ включает в себя ПГ 1, работающий в прямоточном режиме; сепаратор 2 пара; трубопровод 5 перегретого пара; трубопровод 16 питательной воды; ТР 3, размещенный выше сепаратора 2 в баке 4 СПОТ; трубопровод 8, подающий пар в ТР 3 из сепаратора пара; трубопровод 6 слива конденсата из ТР 3 в сепаратор 2 пара; БЗОК 7 на трубопроводе 5 выхода перегретого пара из ПГ 1 и трубопроводе 16 подачи питательной воды в ПГ 1. При этом на трубопроводе 6 слива конденсата установлено прямодействующее УЗР 18, 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. Для защиты второго контура от превышения давления в нем в обязательном порядке должны быть предусмотрены устройства защиты от превышения давления 17, состав которых обычно регламентируется нормами и нормативами безопасности.

При работе ПГ 1 в прямоточном режиме в нем за счет подвода тепла от теплоносителя первого контура вырабатывается перегретый пар, который поступает в турбоустановку. Запорный клапан 10 на трубопроводе 13 подачи воды из сепаратора при этом закрыт. Питательная вода, проходя через теплообменник 9 в сепараторе 2, подогревает котловую воду в сепараторе 2 до температуры близкой температуре питательной воды. При этом, для подогрева котловой воды может быть направлен не полный расход питательной воды, а только его часть. При этом часть воды забирается из основного трубопровода питательной воды, подается в теплообменник по байпасному трубопроводу, после которого она объединяется с основным потоком и поступает в парогенератор 1. Часть перегретого пара по трубопроводу 15 поступает в сепаратор 2, где конденсируется в объеме, необходимом для компенсации тепловых потерь от сепаратора 2. При превышении уровня конденсата уровня переливной трубы 11, избыток конденсата поступает в конденсатоотводчик 12, расположенный ниже сепаратора 2, откуда конденсат отводится по трубопроводу 14 в системы паротурбинной установки. При осушении переливной трубы 11 и трубопровода, соединяющего ее с конденсатоотводчиком 12, последний обеспечивает перекрытие трубопровода 14, на котором он установлен.

В режиме расхолаживания, когда ПГ 1 отключается от систем турбоустановки посредством БЗОК 7 и открывается запорный клапан 10, 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 18 поступает 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 13 на вход ПГ 1. Это исключает тепловые удары на трубные доски ПГ 1.

В сепараторе 2 происходит разделение пароводяной смеси на воду, которая под действием силы тяжести стекает в нижнюю часть сепаратора 2, и сухой насыщенный пар, который поступает в ТР 3.

Сплошные стрелки на фиг. 1 показывают направление течения теплоносителя при нормальной работе РУ, пунктирные стрелки – направление течения теплоносителя после ввода в действие СПОТ. Перечеркнутые пунктирные стрелки означают, что нет течения теплоносителя при вводе в действие СПОТ.

Вариант исполнения УЗР 18 и режимы его работы приведены на фиг. 2a, 2b, 2c, 2d.

В пусковом режиме (фиг. 2a) при отключенной турбоустановке БЗОК 7 электропривод 19 приводит шток 20 в положение, соответствующее регулировке пружины 21 и сильфона 22 на заданное давление пара, различное для ТЖМТ с разной температурой плавления. Положение клапана 23 УЗР определяется давлением в водяной полости 24, передаваемым по каналу 25 в сильфон 22. При этом клапан 23 полностью закрыт при низком уровне остаточного тепловыделения (фиг. 2b) и полностью открыт (фиг. 2c) при максимальной проектной мощности, обеспечиваемой СПОТ. При работающих питательных насосах УЗР 18 может быть закрыт давлением питательной воды, передаваемым по импульсной трубке 26 в предпочтительном, но не обязательном варианте реализации схемы СПОТ ПГ согласно фиг. 2d. Перемещение клапана 23 в нижнее положение может быть обеспечено также усилием предусмотренного для этого электромагнита (на фигурах не показан). В этом случае ввод в действие клапана 23 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 БЗОК 7 от РУ, электропривод 19 приводит шток 20 в положение, обеспечивающее увеличение давления пара до значения, при котором возможен энергетический пуск. После этого БЗОКи 7 открываются и пар поступает на турбоустановку (на фигурах не показана) со сбросом на конденсатор турбоустановки. По достижении уровня мощности реактора до значения, когда возможен прием нагрузки на турбогенератор, сброс пара на конденсатор прекращается и пар требуемых параметров подается на турбину.

В энергетическом режиме (режим ожидания) клапан 23 закрыт пружиной 21 и давлением воды питательных насосов, передаваемым импульсной трубкой 26 (фиг. 2d), или усилием, передаваемым на шток 20 клапана от электромагнита.

В режиме расхолаживания (фиг. 2c) шток 20 находится в положении, соответствующем регулировке пружины 21 и сильфона 22 на давление пара, обеспечивающее полностью открытое положение клапана 23, соответствующее проектной мощности СПОТ ПГ, и полностью закрытое положение клапана 23 при низком уровне мощности остаточного тепловыделения. Давление пара различно для ТЖМТ с разной температурой плавления. Положение клапана 23 определяется разностью усилий пружины 21 и давления в водяной полости 24, передаваемого по каналу 25, а также зазору между корпусом УЗР 18 и штоком 20 в сильфон 22.

На фиг. 2a, 2b, 2c, 2d стрелкой 27 показано направление потока в трубопроводе 6 слива конденсата из ТР, а стрелкой 28 – направление потока из УЗР 18.

Заявленный СПОТ ПГ работает следующим образом.

При остановке питательных насосов закрываются БЗОК 7; давление воды, запирающей клапан УЗР 18, снижается, или подается команда на обесточивание электромагнита клапана, и клапан УЗР 18 полностью открывается, открывается запорный клапан 10 и СПОТ вводится в работу.

По мере снижения уровня мощности остаточного тепловыделения давление пара снижается. При этом клапан 23 под действием пружины 21 будет частично закрываться, обеспечивая расход конденсата тем меньший, чем меньше давление пара превышает давление открытия/закрытия клапана 23. Уменьшение расхода через клапан 23 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 1, не допуская ее приближения к температуре затвердевания ТЖМТ.

При снижении в процессе расхолаживания уровня мощности остаточного тепловыделения и соответствующего уменьшения давления пара ниже заданного значения клапан 23 полностью закрывается. При этом должна включаться в работу система обогрева РУ, поддерживающая ТЖМТ в жидком состоянии при низком уровне мощности остаточного тепловыделения.

УЗР 18 работает в пассивном режиме за счет гидромеханической связи водяной полости 24 со штоком 20 через сильфон 22 с пружиной 21, так что при снижении давления пара по мере уменьшения мощности остаточного тепловыделения усилие, действующее на клапан 23, становится меньше усилия пружины 21, что приводит к перемещению штока 20 и прикрытию клапана 23. 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, работающим в прямоточном режиме, производится следующим образом.

Во второй контур с осушенными ПГ 1, разогретыми ТЖМТ первого контура от системы обогрева РУ, подается пар, например, по трубопроводу 29 подачи пара от ПРК через обратный и отсечные клапаны 30 подачи пара от ПРК, как показано стрелкой на фиг. 1.

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 открывается клапан 23. 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, заданного, например, сигнализатором уровня или определяемом по температуре конденсата на сбросе из конденсатоотводчика 12.

Помимо ТР 3, в водяном объеме баков 4 СПОТ могут размещаться теплообменники 31 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 РУ, что и бак 4 СПОТ в виде отдельной металлоконструкции. Такой бак 4 СПОТ подобен бассейну выдержки отработавших тепловыделяющих сборок и имеет металлическую облицовку 32. Такое техническое решение позволяет за счет более эффективного использования объема помещения либо повысить 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) через парогенератор (ПГ), работающий в прямоточном режиме. В предложенной системе на трубопроводе слива конденсата из теплообменника расхолаживания установлено прямодействующее запорно-регулирующее устройство, 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, обеспечиваемой системой обогрева, но ниже давления, при котором открывается клапан УЗР. Техническим результатом является повышение безопасности работы реакторной установки и эффективности СПОТ при отсутствии внешних источников энергии, при исключении возможности затвердевания ТЖМТ при снижении мощности остаточного тепловыделения. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Система пассивного отвода тепла (СПОТ) через парогенератор, преимущественно для ядерного реактора с тяжелым жидкометаллическим теплоносителем (ТЖМТ), включающая прямоточный парогенератор (ПГ), заполненный водой бак СПОТ со свободным уровнем воды, размещенный выше ПГ, теплообменник расхолаживания (ТР), размещенный под уровнем воды в баке СПОТ, трубопровод отвода пара из бака СПОТ в атмосферу, теплообменник охлаждающей воды (ТОВ), размещенный под уровнем воды в баке СПОТ и отводящий тепло конденсации пара в ТР к конечному поглотителю, быстродействующие отсечные клапаны (БЗОК) на трубопроводах выхода пара из ПГ и трубопроводах подачи питательной воды в ПГ, при этом

ниже бака СПОТ, но выше ПГ размещен сепаратор, из верхней точки которого по трубопроводу подается пар в верхнюю точку ТР,

из трубопровода выхода пара из ПГ выполнен отвод пара в сепаратор,

на трубопроводе слива конденсата из ТР установлено прямодействующее по давлению устройство запорно-регулирующее (УЗР),

трубопровод слива конденсата после УЗР подключен к сепаратору в нижней его части,

нижняя часть сепаратора соединена трубопроводом с запорным клапаном с трубопроводом питательной воды,

в водяном объеме сепаратора размещена переливная труба, герметизированная в днище сепаратора, с открытым верхним торцом на уровне воды в сепараторе в режиме ожидания, нижний торец трубы соединен с конденсатоотводчиком, и

в сепараторе ниже уровня конденсатоотводчика размещен теплообменник, через который протекает питательная вода.

2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что УЗР содержит пружину с устройством, регулирующим усилие пружины, и обеспечивающим закрытое состояние УЗР давлением питательной воды и/или электромагнитным клапаном в нормальных условиях эксплуатации.

3. Система по п. 2, отличающаяся тем, что УЗР работает в пассивном режиме за счет гидромеханической связи водяной полости УЗР со штоком клапана УЗР через сильфонный узел с пружиной, так что при повышении давления пара усилие, действующее на клапан УЗР, превышает усилие пружины и приводит к перемещению штока и открытию клапана.

4. Система по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве бака СПОТ используется весь объем соответствующего технологического помещения реакторного здания, стены и нижнее перекрытие которого имеют металлическую облицовку, выполненную из стали, коррозионно-стойкой в воде.

5. Система по любому из пп. 1-3, 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.

6. Система по любому из пп. 2-5, в которой УЗР содержит по меньшей мере один сильфон, отделяющий шток клапана УЗР от внешней среды, пружина передает усилие на шток клапана УЗР через концевой элемент сильфона, и усилие пружины подобрано так, что клапан УЗР открывается в результате воздействия давления, превышающего заданное значение.

7. Система по любому из пп. 2-6, в которой устройство, регулирующее усилие пружины, обеспечивает изменение давления открытия.

8. Система по любому из пп. 2-7, в которой УЗР имеет полость, ограниченную корпусом УЗР и сильфоном, передающим усилие на шток клапан УЗР, и 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.

9. Система по любому из пп. 2-8, в которой УЗР оснащено приводом штока от электромагнита, удерживающего шток клапана УЗР в закрытом положении, так что после обесточивания удерживающее усилие от электромагнита снимается.

10. Способ заполнения рабочей средой системы пассивного отвода тепла через парогенератор по любому из пп. 1-9, 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.

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

12. Способ по п. 11, в котором конденсацию пара осуществляют на внешней поверхности трубок ТР, в которые подают охлаждающую среду.