СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТИ АТОМНОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ ПОСРЕДСТВОМ ГАЗОВОГО ИНЕРТИЗАТОРА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2023 года по МПК F42D5/45 A62C3/00 

Изобретение относится к способам уменьшения взрывных нагрузок, возникающих при объемных взрывах водородно-воздушных и других взрывоопасных газовых смесей, угрожающих потере целостности защитной оболочки АЭС и промышленных строений взрывоопасных производств.

Известен способ повышения взрывобезопасности, направленный на ослабление энергии взрывной волны, заключающийся в размещении перед защищаемой поверхностью препятствия в виде эластичных оболочек, заполненных негорючей жидкостью, предназначенных для ослабления взрывной волны [1].

Недостатком данного способа является низкая эффективность, большое потребление расходных материалов, постоянная статическая нагрузка на стены и перекрытия защищаемого помещения, что существенно ограничивает возможности его практического применения.

Наиболее близким к заявляемому изобретению по назначению и совокупности существенных признаков является способ повышения взрывобезопасности АЭС [2], заключающийся в расположении перед защищаемой поверхностью препятствий в виде эластичных оболочек, заполненных негорючим газом, при этом эластичные оболочки выполнены из материала, разрушающегося за время и под действием перемещения вдоль поверхности оболочек фронта волны горения или ударной волны, а заполнение оболочек негорючим газом происходит непосредственно после обнаружения в пространстве перед защищаемым объектом горючего газа в опасной концентрации. Если концентрацию горючего газа в помещении удается снизить до безопасного уровня (например, в результате работы системы вентиляции и системы химического окисления горючего газа), то негорючий газ (инертизатор) из оболочек при помощи компрессоров перекачивают обратно в баллоны для последующего использования. Как показали исследования, наиболее сильное ослабление энергии взрывной волны возникает при заполнении эластичных оболочек гелием [2].

Недостатком данного способа является большое время, в течение которого происходит наполнение оболочек негорючим газом, например, гелием, а также наличие объема остаточного атмосферного воздуха в промежутках между оболочками, после напуска в них негорючего газа, ухудшающее защитное действие против взрывной волны.

Известно устройство для реализации способа повышения взрывобезопасности АЭС [2], содержащее оболочки для заполнения негорючим газом, например, гелием, датчики для определения концентрации горючего газа, контроллер, приводящий, при необходимости, в действие механизм подачи негорючего газа, баллоны для хранения гелия, систему распределения подачи гелия и компрессор.

Недостатком данного устройства является удаленное расположение баллонов для хранения негорючего газа, например, гелия, от оболочек для заполнения негорючим газом, например, гелием, в результате чего наполнение оболочек негорючим газом занимает сравнительно большое время. Недостатком также является отсутствие возможности удаления остаточного объема атмосферного воздуха из промежутков между оболочками после напуска в них негорючего газа, что может снижать эффективность ослабления взрывной волны.

Задачей заявляемого изобретения является повышение взрывобезопасности защищаемых объектов.

Техническим результатом данного изобретения является уменьшение времени, в течение которого происходит наполнение оболочек гелием, а также уменьшение объема остаточного атмосферного воздуха в промежутках между оболочками после напуска в них гелия.

Для достижения указанного технического результата в известном способе повышения взрывобезопасности АЭС посредством газового инертизатора, при котором для ослабления воздействия на защищаемую поверхность волны горения или ударной волны перед защищаемой поверхностью располагают препятствия в виде оболочек для заполнения гелием, оболочки выполняют из материала, разрушающегося за время и под действием перемещения вдоль поверхности оболочек фронта волны горения или ударной волны, причем заполнение оболочек гелием производят непосредственно после обнаружения в пространстве перед защищаемым объектом горючего газа в опасной концентрации, предложено дополнительно равномерно размещать на защищаемой поверхности жестко закрепленные трубчатые конструкции, герметичные полости которых заполнять под избыточным давлением гелием, предназначенным для наддува оболочек, при этом оболочки выполнять таким образом, что после их наддува объем остаточного атмосферного воздуха в промежутках между оболочками, а также между оболочками и защищаемой поверхностью, находился в пределах 0 -5% от объема гелия, напускаемого в оболочки. Перемещение оболочек при их наддуве ограничивают дополнительно введенными сетками, а атмосферный воздух из пространства между оболочками и защищаемой поверхностью удаляют с помощью дополнительно введенных дренажных трубок.

Для достижения указанного технического результата в известном устройстве для осуществления способа, содержащем оболочки для заполнения гелием, датчики для определения концентрации горючего газа, контроллер, приводящий, при необходимости, в действие механизм подачи гелия, баллоны для хранения гелия, систему распределения подачи гелия и компрессор, предложено дополнительно ввести трубчатые конструкции, герметичные полости которых заполнены под избыточным давлением гелием, предназначенным для наддува оболочек, дополнительно ввести сетки, ограничивающие перемещение оболочек при их наддуве, трубки подвода гелия высокого и низкого давления, штуцеры для напуска гелия и крепежные монтажные элементы. Трубчатые конструкции состоят из прямолинейных труб, соединенных между собой, при этом оси труб лежат в одной плоскости. Трубчатые конструкции выполняют из металла. Трубчатые конструкции выполняют из стеклопластика. Трубчатые конструкции, состоящие из прямолинейных труб, соединены между собой с образованием ячеистого каркаса, при этом каждая ячейка каркаса выполнена в виде одной из следующих геометрических фигур: треугольника, прямоугольника, пятиугольника, шестиугольника и равнобедренной трапеции. Контуру трубчатых конструкций придают форму прямой или криволинейной плоской фермы. При помощи крепежных монтажных элементов нормально к защищаемой поверхности прикрепляют дренажные трубки, при этом длина дренажных трубок L=S+Si, где S - расстояние от защищаемой поверхности до поверхности сетки, обращенной к оболочкам (м), Si=0,15 - 0,30 м. В качестве материала оболочек используют, в том числе, металлизированный пленочный полиэтилен. Оболочки выполняют в форме призм. Оболочки выполняют в форме цилиндра, принимающего ту форму, которую задают своей геометрией трубчатые конструкции, криволинейные или плоские фермы, а также ограничительная сетка, один конец цилиндра закрыт, а на другом установлен штуцер для напуска гелия.

На фиг. 1 представлена схема способа повышения взрывобезопасности атомной электростанции посредством газового инертизатора и устройство для его осуществления.

На фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1.

На фиг. 3 - трубчатая конструкция в виде прямой плоской фермы.

На фиг. 4 - трубчатая конструкция в виде криволинейной плоской фермы.

На фиг. 5 - оболочка для заполнения гелием в форме усеченной четырехгранной пирамиды с основанием в виде равнобедренной трапеции.

На фиг. 6 - принципиальная схема полусферического радиально -кольцевого купола (каркаса).

На фиг. 7 - купол АЭС с использованием трубчатых конструкций в виде криволинейных плоских ферм и оболочек для заполнения гелием в форме усеченных четырехгранных пирамид с основанием в виде равнобедренных трапеций.

На фиг. 8 - трубчатые конструкции, состоящие из прямолинейных труб, соединенных между собой с образованием ячеистого каркаса, при этом каждая ячейка каркаса выполнена в виде одной из следующих геометрических фигур: треугольника, прямоугольника, пятиугольника, шестиугольника и равнобедренной трапеции.

Устройство для осуществления способа повышения взрывобезопасности АЭС посредством газового инертизатора содержит (фиг. 1, фиг. 2) оболочки 1 для заполнения гелием, датчики 2 для определения концентрации горючего газа, контроллер 3, приводящий, при необходимости, в действие механизм 4 подачи гелия, баллоны для хранения гелия, находящиеся вне реакторного зала (на рисунках не показаны), систему распределения подачи гелия, включающую трубки 5 подвода гелия высокого давления, механизм 4 подачи гелия, гибкие полимерные трубки 6 подачи гелия низкого давления и штуцеры (на рисунках не показаны) для напуска гелия, размещенные на механизме 4 подачи гелия и трубчатых конструкциях 7, компрессор (на рисунках не показан), дополнительно введенные трубчатые конструкции 7 с герметичными полостями для заполнения под избыточным давлением гелием, предназначенным для наддува оболочек 1, дополнительно введенные сетки 8, ограничивающие перемещение оболочек 1 при их наддуве, дренажные трубки 9 и крепежные монтажные элементы 10.

Предлагаемый способ повышения взрывобезопасности АЭС посредством газового инертизатора осуществляется следующим образом.

На защищаемой поверхности 11 (на фиг. 1, фиг. 2 приведен вариант защиты плоской поверхности 11 с использованием трубчатых конструкций 7 в виде прямых плоских ферм (фиг. 3) и оболочек 1 для заполнения гелием в форме прямоугольных параллелепипедов) равномерно размещают трубчатые конструкции 7, жестко закрепленные на защищаемой поверхности 11. На трубчатых конструкциях 7 с помощью крепежных монтажных элементов 10 закрепляют оболочки 1 для заполнения гелием, а также сетки 8 и дренажные трубки 9. Предварительно герметичные полости трубчатых конструкций 7 через штуцеры (на рисунках не показаны) заполняют по трубкам 5 подвода гелия высокого давления, который поступает из стандартных баллонов (на рисунках не показаны), которые размещают известным способом, как правило в специальной газобаллонной станции, вне помещения АЭС, где находится ядерный реактор 12. При обнаружении во взрывоопасном помещении с ядерным реактором 12 датчиками 2 недопустимой концентрации взрывоопасного газа, например, водорода, контроллер 3 подает команду на открытие запорных элементов в механизме 4 подачи гелия, после чего оболочки 1 по гибким полимерным трубкам 6 из полостей трубчатых конструкций 7 начинают наполняться гелием. В процессе заполнения оболочек 1 гелием атмосферный воздух, находящийся вблизи защищаемой поверхности 11, начинает выдавливаться увеличивающимся объемом оболочек 1 из пристеночного пространства. Благодаря наличию сеток 8, ограничивающих перемещение оболочек при их наддуве от защищаемой поверхности, возникает процесс вытеснения атмосферного воздуха из пристеночного пространства через дренажные трубки 9. Оболочки 1, после их наддува, так плотно прижимаются друг к другу, что объем остаточного атмосферного воздуха в промежутках между оболочками 1, а также между оболочками 1 и защищаемой поверхностью 11, находится в пределах 0 - 5% от объема гелия, напускаемого в оболочки. При этом длина L дренажных трубок 9, расположенных нормально к защищаемой поверхности 11 равна: L=S+S₁, где S - расстояние от защищаемой поверхности до поверхности сетки 8, обращенной к оболочкам 1 (м), S₁=0,15 - 0,30 м. Избыточное давление наддува оболочек 1 контролируется механизмом 4 подачи гелия и составляет 1 - 2% от атмосферного давления.

Если концентрацию горючего газа в помещении с ядерным реактором 12 удается снизить до безопасного уровня, например, в результате работы системы вентиляции и системы химического окисления горючего газа (на рисунках не показаны), то гелий из оболочек 1 при помощи компрессора (на рисунках не показан) перекачивают обратно в полости трубчатых конструкций 7 для последующего использования. Таким образом, система защиты помещений от взрывных нагрузок, с использованием оболочек 1 возвращается в исходное рабочее состояние.

При возникновении в помещении с ядерным реактором 12 взрывного горения, возникающая волна горения (или ударная волна), взаимодействуя с оболочками 1 и разрушая их, продолжает свое движение в гелии, в результате чего теряет часть своей энергии и ее силовое воздействие на защищаемую поверхность 11 уменьшается.

Аналогичным образом осуществляется защита криволинейных поверхностей, например, полусфер. Отличие состоит лишь в том, что для криволинейных поверхностей используются криволинейные плоские фермы 7 (фиг. 4) и оболочки в виде, например, усеченной четырехгранной пирамиды (фиг. 5), у которой основанием (стороной, непосредственно примыкающей к защищаемой поверхности 11) является равнобедренная трапеция.

Вариант устройства для осуществления способа повышения взрывобезопасности АЭС посредством газового инертизатора для защиты криволинейной поверхности, например, купола АЭС, с использованием трубчатых конструкций 7 в виде криволинейных плоских ферм (фиг. 4) и оболочек 1 для заполнения гелием в форме усеченных четырехгранных пирамид с основанием в виде равнобедренных трапеций (фиг. 5) представлен на фиг. 6 и фиг. 7. В отличие от крепления каждой криволинейной плоской фермы 7 к защищаемой поверхности 11 (фиг. 1, фиг. 2), в этом варианте криволинейные плоские фермы 7 соединены между собой в единый металлический каркас, так называемый радиально-кольцевой купол, опирающийся при помощи металлических колонн, непосредственно, на фундамент реакторного зала. При этом оболочки 1 для заполнения гелием имеют для каждого фрагмента радиально-кольцевого купола, ограниченного трубчатыми конструкциями 7 и сеткой 8 (фиг. 6), свою индивидуальную «выкройку». Для их плотного прилегания друг к другу после заполнения гелием, каждая оболочка 1 выполняется в форме усеченной четырехгранной пирамиды (фиг. 5), у которой основанием (стороной, непосредственно примыкающей к защищаемой поверхности 11) является равнобедренная трапеция. По мере «перемещения» от верхней части купола (фиг. 6) к его нижнему основанию поперечные размеры оболочек 1 увеличиваются. Во всем остальном вариант устройства защиты купола АЭС не отличается от защиты плоской поверхности (фиг. 1, фиг. 2). Использование такого или подобного ему каркаса, опирающегося посредством колонн на фундамент реакторного зала (фиг. 7), позволяет исключить несколько проблемных моментов: во-первых, криволинейный (или плоский) потолок не подвергается воздействию на него веса трубчатых конструкций 7, а также напряжений, которые могут возникать при креплении конструкций к защищаемой поверхности; во-вторых, упрощаются и становятся менее опасными работы на высоте при монтаже и эксплуатации данного защитного комплекса; в-третьих, исключается вероятность отсоединения и падения с высоты индивидуально закрепленных трубчатых конструкций 7.

В случае использования опорных колонн, изображенных на фиг. 7, в их полостях, как и в однотипных трубчатых конструкциях, можно хранить под давлением гелий для наддува оболочек.

В варианте устройства для осуществления способа повышения взрывобезопасности АЭС посредством газового инертизатора для защиты криволинейной поверхности, например, купола АЭС, может быть использован ячеистый каркас, повторяющий форму защищаемой поверхности 11 и состоящий из соединенных между собой плоских трубчатых конструкций 7 (фиг. 3 и фиг. 4), причем каждая ячейка каркаса выполнена в виде одной из следующих геометрических фигур: треугольника, прямоугольника, пятиугольника, шестиугольника и равнобедренной трапеции (фиг. 8). При этом оболочки 1 размещены в каждой ячейке каркаса и выполнены таким образом, что в надутом состоянии они плотно соприкасаются друг с другом и полностью закрывают всю защищаемую поверхность 11. В этом варианте, также, как и в варианте защиты плоской поверхности, приведенном на фиг. 1 и фиг. 2, используют ограничительную сетку 8 и дренажные трубки 9.

Одной из наиболее универсальных и простых в изготовлении форм оболочек 1 является форма в виде цилиндрического канала (на плоскости - в виде «рукава»). Такие закрытые с двух концов оболочки со штуцерами для напуска гелия могут принимать ту форму, которую задают своим пространственным расположением трубчатые конструкции, криволинейные или плоские фермы 7, а также ограничительная сетка 8.

Оценки удельных (приходящихся на 1 м²) весовых и прочностных характеристик трубчатых конструкций 7 в виде прямых плоских ферм (фиг. 3) показали, что для создания над 1 м² защищаемой поверхности 11 слоя гелия толщиной 1 м потребуется, с учетом веса элементов системы распределения подачи гелия, около 7 кг массы трубчатых конструкций из нержавеющей стали с пределом прочности 500 МПа.

Оценки сделаны для трубчатых конструкций, в которых базовым элементом являлась труба из нержавеющей стали 12Х15Г9НД с внутренним диаметром 80 мм и толщиной стенки 2 мм. Давление газа в полости трубы принималось равным 15 МПа, при этом запас прочности по стали оказывался равным 2. Если оценить вес трубчатых конструкций применительно к площади среднего купола АЭС (около 4000 м²), то он окажется сравнительно небольшим - около 30 тонн, при том, что сам купол весит не менее 15000 тонн.

Сделанные оценки показали, что время заполнения оболочек гелием, по сравнению с прототипом, ориентировочно может быть уменьшено в 5 - 10 раз.

Источники использованной информации

1. Петров А.В. и др. Устройство локализации воздействий взрывных механизмов (бомб). Патент РФ №2125232. 20.01.1999.

2. Агафонов Г.Л. и др. Способ повышения взрывобезопасности АЭС. Патент РФ №2728003 // Изобретения полезные модели. Официальный бюллетень Федеральной службы по интеллектуальной собственности (Роспатент). - 28.07. 2020. - №22.

Изобретение относится к способам уменьшения взрывных нагрузок, возникающих при объемных взрывах водородно-воздушных и других взрывоопасных газовых смесей, угрожающих потере целостности защитной оболочки АЭС и промышленных строений взрывоопасных производств. Способ повышения взрывобезопасности в закрытых помещениях путем ослабления воздействия на защищаемую поверхность волны горения или ударной волны заключается в расположении перед защищаемой поверхностью препятствий в виде оболочек, заполненных гелием, оболочки выполняют из материала, разрушающегося за время и под действием перемещения вдоль поверхности оболочек фронта волны горения или ударной волны, для наддува оболочек гелием на защищаемой поверхности равномерно размещают жестко закрепленные трубчатые конструкции, герметичные полости которых предварительно заполняют под избыточным давлением гелием, заполнение оболочек гелием производят непосредственно после обнаружения в пространстве перед защищаемым объектом горючего газа в опасной концентрации, при этом оболочки закрепляют на трубчатых конструкциях, перемещение оболочек при их наддуве ограничивают сетками, а атмосферный воздух из пространства между оболочками и защищаемой поверхностью удаляют с помощью дренажных трубок. Устройство для осуществления способа содержит оболочки для заполнения гелием, датчики для определения концентрации горючего газа, контроллер, приводящий, при необходимости, в действие механизм подачи гелия, баллоны для хранения гелия, систему распределения подачи гелия и компрессор, трубчатые конструкции с герметичными полостями для заполнения под избыточным давлением гелием, предназначенным для наддува оболочек, сетки, ограничивающие перемещение оболочек при их наддуве, дренажные трубки и крепежные монтажные элементы. Технический результат заключается в уменьшении времени, в течение которого происходит наполнение оболочек гелием, а также уменьшении объема остаточного атмосферного воздуха в промежутках между оболочками после напуска в них гелия. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Способ повышения взрывобезопасности атомной электростанции посредством газового инертизатора, при котором для ослабления воздействия на защищаемую поверхность волны горения или ударной волны перед защищаемой поверхностью располагают препятствия в виде оболочек, заполненных гелием, оболочки выполняют из материала, разрушающегося за время и под действием перемещения вдоль поверхности оболочек фронта волны горения или ударной волны, причем заполнение оболочек гелием производят непосредственно после обнаружения в пространстве перед защищаемым объектом горючего газа в опасной концентрации, отличающийся тем, что дополнительно равномерно размещают на защищаемой поверхности жестко закрепленные трубчатые конструкции, герметичные полости которых заполняют под избыточным давлением гелием, предназначенным для наддува оболочек, при этом оболочки выполняют таким образом, что после их наддува объем остаточного атмосферного воздуха в промежутках между оболочками, а также между оболочками и защищаемой поверхностью находится в пределах 0-5% от объема гелия, напускаемого в оболочки.

2. Способ повышения взрывобезопасности атомной электростанции посредством газового инертизатора по п. 1, отличающийся тем, что перемещение оболочек при их наддуве ограничивают дополнительно введенными сетками, а атмосферный воздух из пространства между оболочками и защищаемой поверхностью удаляют с помощью дополнительно введенных дренажных трубок.

3. Устройство для осуществления способа повышения взрывобезопасности АЭС посредством газового инертизатора, содержащее оболочки для заполнения гелием, датчики для определения концентрации горючего газа, контроллер, приводящий, при необходимости, в действие механизм подачи гелия, баллоны для хранения гелия, систему распределения подачи гелия и компрессор, отличающееся тем, что оно содержит дополнительно введенные трубчатые конструкции, герметичные полости которых заполнены под избыточным давлением гелием, предназначенным для наддува оболочек, дополнительно введенные сетки, ограничивающие перемещение оболочек при их наддуве, трубки подвода гелия высокого и низкого давления, штуцеры для напуска гелия и крепежные монтажные элементы.

4. Устройство для осуществления способа по п. 3, отличающееся тем, что трубчатые конструкции состоят из прямолинейных труб, соединенных между собой, при этом оси труб лежат в одной плоскости.

5. Устройство для осуществления способа по п. 3, отличающееся тем, что трубчатые конструкции выполняют из металла.

6. Устройство для осуществления способа по п. 3, отличающееся тем, что трубчатые конструкции выполняют из стеклопластика.

7. Устройство для осуществления способа по пп. 3, 4, отличающееся тем, что трубчатые конструкции, состоящие из прямолинейных труб, соединены между собой с образованием ячеистого каркаса, при этом каждая ячейка каркаса выполнена в виде одной из следующих геометрических фигур: треугольника, прямоугольника, пятиугольника, шестиугольника и равнобедренной трапеции.

8. Устройство для осуществления способа по пп. 3, 4, 7, отличающееся тем, что контуру трубчатых конструкций придают форму прямой или криволинейной плоской фермы.

9. Устройство для осуществления способа по п. 3, отличающееся тем, что при помощи крепежных монтажных элементов нормально к защищаемой поверхности прикрепляют дренажные трубки, при этом длина трубок L=S+S₁, где S – расстояние от защищаемой поверхности до поверхности сетки, S₁=0,15-0,30 м.

10. Устройство для осуществления способа по п. 3, отличающееся тем, что в качестве материала оболочек используют, в том числе, металлизированный пленочный полиэтилен.

11. Устройство для осуществления способа по пп. 3, 10, отличающееся тем, что оболочки в надутом состоянии имеют форму призм.

12. Устройство для осуществления способа по пп. 3, 10, отличающееся тем, что оболочки выполняют в форме цилиндра, принимающего ту форму, которую задают своей геометрией трубчатые конструкции, криволинейные или плоские фермы, а также ограничительная сетка.