СИСТЕМА ПАССИВНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ АТОМНОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ Советский патент 1995 года по МПК G21C9/00 

Изобретение относится к ядерным энергетическим установкам, касается усовершенствования пассивной системы безопасности и может быть использовано при создании ядерных реакторов и АЭС новых поколений на основе современной концепции максимально надежной защищенности ядерного реактора.

Цель изобретения повышение безопасности при аварии с потерей электроснабжения путем обеспечения надежности привода агрегатов вентиляционной системы, а также интенсификация теплоотвода из-под внутренней оболочки.

Отличительной особенностью изобретения является то, что пассивная система снабжена собственным энергетическим контуром. Такое решение оказывается возможным на современном этапе развития техники благодаря достигнутой высокой надежности работы энергетических агрегатов, возможности создания энергетического контура, запуск и работа которого не требуют вмешательства человека. В изобретении предложено дополнительно создать замкнутый контур естественной циркуляции с легкокипящим теплоносителем, включающий турбину, подключенную к газодувным агрегатам вентиляционной системы защитных оболочек, конденсатор, установленный в вытяжной шахте системы пассивной безопасности, и парогенератор, установленный ниже конденсатора. Разница высот установки конденсатора и парогенератора обеспечивает циркуляцию в дополнительном контуре без использования насосов. Подвод тепла к парогенератору в предлагаемой системе осуществляется из-под внутренней защитной оболочки путем размещения там дополнительного теплообменника и соединения последнего с парогенератором. Дополнительный теплообменник под внутренней защитной оболочкой позволяет интенсифицировать теплоотвод из-под оболочки при аварии, отвод тепла в дополнительный контур энергетического преобразования позволяет полезно использовать отводимое тепло. Для этого турбина дополнительного контура с легкокипящим теплоносителем подключена к газодувным агрегатам.

Для объема под защитной оболочкой 6˙ 10⁴ м³, при величине проточек через неплотности внутренней оболочки до 10% кратности рециркуляции пространства между оболочками, равной 10, гидравлическом сопротивлении тракта, содержащего фильтры, 8˙ 10³ Па потребляемая газодувными агрегатами мощность составляет порядка 10-12 кВт.

В условиях аварии с разгерметизацией первого контура АЭС, когда в объем защитной оболочки поступают радионуклиды, давление парогазовой смеси под внутренней оболочкой может повыситься до 0,2-0,5 МПа, а температура до 120-150^оС.

В шахте системы пассивного отвода тепла воздухоохлаждаемый конденсатор дополнительного контура может быть размещен на отметках 25-30 м, что обеспечивает циркуляцию в дополнительном контуре без насосов.

Конструкция дополнительного теплообменника, размещаемого под внутренней защитной оболочкой, и его соединение с парогенератором дополнительного контура предложены в двух вариантах. В первом теплообменник выполняют из оребренных труб, концы которых пропущены через обе защитные оболочки и подключены к внутреннему объему парогенератора контура с легкокипящим теплоносителем. Таким образом, контур циркуляции легкокипящего теплоносителя как бы продолжен под внутреннюю защитную оболочку и парогенератор дополнительного контура (его объем) служит для хранения легкокипящего теплоносителя и компенсации изменения его объема при работе системы. Такое решение упрощает конструкцию парогенератора и теплообменника дополнительного контура, но снижает надежность из-за возможной потери герметичности дополнительного теплообменника.

Во втором варианте дополнительный теплообменник набран из нагреваемых концов тепловых труб, охлаждаемые концы которых размещены под уровнем жидкости парогенераторов дополнительного контура, что повышает надежность за счет того, что легкокипящий теплоноситель дополнительного контура не контактирует с парогазовой средой под защитной оболочкой даже в случае разгерметизации.

Таким образом, предложенное техническое решение позволяет создать паросиловую установку для привода газодувных и других агрегатов системы безопасности. При этом не требуется электрообеспечение и управление, используется теплота парогазовой смеси под защитной оболочкой, что интенсифицирует теплоотвод при авариях, а охлаждение конденсатора дополнительного контура воздушным потоком в вытяжной шахте системы пассивного отвода тепла не требует дополнительных затрат на охлаждение и не ухудшает условий работы системы аварийного расхолаживания.

На чертеже представлена принципиальная схема одной петли заявляемой системы пассивной безопасности.

Реактор 1 АЭС с парогенератором 2 и другими агрегатами первого контура размещены под двойной защитной оболочкой: наружной 3 и внутренней 4. В пространстве между оболочками поддерживают разрежение с помощью вентиляционной системы 5, оборудованной фильтрами 6 и газодувными агрегатами 7. Вентиляционная система 5 подключена к пространству между оболочками 3 и 4, как это показано на чертеже: воздух отбирается коллекторами на верхней и нижней отметках и подается в среднюю часть пространства между оболочками. Для сброса избыточного количества воздуха система 5 подключена через дроссель 8 к фильтру 9, установленную на входе в вытяжную трубу АЭС. К фильтру 9 подключен также выхлоп из предохранительного клапана 10. В систему пассивного отвода тепла входит вытяжная шахта 11 с размещенными в ней теплообменниками 12, подключенными к парогенератору 2 АЭС, и конденсаторами 13 дополнительного энергетического контура 14.

Для регулирования расхода охлаждающего воздуха вытяжная шихта 11 снабжена жалюзи 15 с приводом от регулятора прямого действия 16.

По высоте ниже конденсатора 13 установлен парогенератор 17 дополнительного контура 14, турбина 18 которого соединена с газодувным агрегатом 7. Для нормальной эксплуатации вентиляционной системы 5 газодувный агрегат 7 снабжен также электродвигателем 19.

В объеме под защитной оболочкой 4 установлен дополнительный теплообменник 20, соединенный с парогенератором 17, в котором находится жидкий легкокипящий теплоноситель дополнительного контура 14. Теплообменник 20 может быть выполнен из оребренных труб, концы которых пропущены через обе защитные оболочки 3 и 4, как это показано на чертеже, и подключены к внутреннему объему парогенератора 17. При этом, в отличие от показанного на чертеже верхние концы оребренных труб целесообразно выводить в паровой объем парогенератора, образуя контур естественной циркуляции. При выполнении дополнительного теплообменника 20 из набора нагреваемых концов тепловых труб охлаждаемые концы этих труб целесообразно разместить под уровнем жидкости в парогенераторе 17, как это показано на чертеже.

На чертеже показаны также другие элементы системы пассивной безопасности АЭС: гидроаккумулятор 21 первой ступени, гидроаккумулятор 22 второй ступени, предохранительные клапаны 23 и 24, а также компенсатор объема 25 и циркуляционный насос 26 первого контура.

Заявляемая система пассивной безопасности работает следующим образом. При нормальной работе АЭС выделяющееся в реакторе 1 тепло циркулирующим с помощью насоса 26 теплоносителем первого контура передается в парогенератор 2. Вырабатываемый пар поступает в турбину АЭС, где тепловая энергия превращается в механическую, и последняя передается на электрогенератор, вырабатывающий электроэнергию потребителям.

Часть электроэнергии используют на собственные нужды АЭС, в том числе на электродвигатель 19, который вращает газодувный агрегат 7 системы 5 вентиляции пространства между защитными оболочками 3 и 4.

За счет работы агрегата 7 и сброса части воздуха через дроссель 8 и фильтр 9 в вытяжную трубу АЭС в пространстве между оболочками 3 и 4 поддерживается небольшое разрежение, достаточное для исключения поступления загрязненного воздуха через неплотности оболочки 3 в окружающую среду независимо от ветровой нагрузки (отрицательной) на любой участок этой оболочки.

Вентиляционная система 5 многократно рециркулирует воздух через фильтр 6, что обеспечивает высокую степень очистки.

Элементы системы пассивной безопасности в режиме нормальной эксплуатации АЭС находятся в состоянии горячего резерва. Жалюзи 15 находятся в закрытом положении, и величина теплоотвода через теплообменник 12 минимальная.

При возникновении аварийного режима с потерей герметичности первого контура происходит быстрое обезвоживание реактора 1, уходит вода из компенсатора объема 25 и, открывая обратный клапан, срабатывает гидроаккумулятор 21 первой ступени. При дальнейшем снижении давления в первом контуре срабатывает гидроаккумулятор 22 второй ступени.

Во время слива воды из гидроаккумуляторов (ориентировочно 10-15 ч) парогенератор 2 расхолаживается по стороне второго контура через теплообменник 12. При этом регулятором прямого действия 16 жалюзи 15 устанавливаются в открытое положение. Поток воздуха в вытяжной шахте 11 (показан на чертеже стрелкой) конденсирует пар, поступающий в теплообменник 12 из парогенератора 2, образующийся конденсат через обратный клапан возвращается в парогенератор, и за счет разницы высотных отметок осуществляется циркуляция теплоносителя второго контура через парогенератор 2, при этом отводят остаточное тепловыделение и аккумулированное под оболочкой 4 тепло.

При аварии с разгерметизацией увеличиваются давление и температура под защитной оболочкой 4, выделяющееся тепло начинает разогревать дополнительный теплообменник 20. По тепловым трубам или благодаря испарению легкокипящего теплоносителя дополнительного контура 14 в трубах теплообменника 20 тепло из-под защитной оболочки поступает в парогенератор 17. За счет охлаждения воздухом конденсатора 13, размещенного выше парогенератора 17 в вытяжной шaхте 11, возникает циркуляция теплоносителя по дополнительному контуру 14, что обеспечивает интенсификацию отвода тепла из-под защитной оболочки 4.

Вырабатываемый в парогенераторе 17 пар приводит во вращение турбину 18, механическая энергия от которой поступает на привод газодувного агрегата 7, который обеспечивает работу вентиляционной системы 5, как это описано выше.

В случае аварии с потерей источников электроэнергии на АЭС электродвигатель 19 отключается и газодувный агрегат 7 приводится во вращение турбиной 18 до тех пор, пока поступает энергия в контур 14, т.е. пока существует достаточная разница температур парогазовой среды под оболочкой 4 и охлаждающего воздуха в вытяжной шахте 11. Благодаря длительной и надежной (даже при отсутствии электроснабжения) работе вентиляционной системы 5 обеспечивается многократная рециркуляция воздуха из пространства между оболочками 3 и 4 через фильтр 6, что исключает утечку радионуклидов в окружающую среду. Кроме того, при рециркуляции воздуха поверхность внутренней защитной оболочки 4 используется для дополнительного отвода тепла.

Таким образом, в сравнении с прототипом, заявляемая система пассивной безопасности позволяет разрешить создаваемое при использовании двойной вентилируемой защитной оболочки противоречие и при надежной локализации радионуклидов в случае аварии обеспечить более интенсивный теплоотвод даже в случае потери электроснабжения.

В качестве легкокипящего теплоносителя дополнительного контура 14 могут быть использованы различные рабочие тела. В таблице приведены результаты оценочных расчетов, выполненных для фреона Ф 113 и перфобензола, в условиях описанной выше аварии с разгерметизацией первого контура.

Из приведенной таблицы следует, что заявляемое техническое решение реализуется при имеющихся в настоящее время возможностях по созданию его элементов.

Сущность изобретения: для повышения безопасности АЭС с двойной вентилируемой защитной облолочкой - внутренней 4 и наружной 3 - последняя снабжена вентиляционной системой 5, газодувный агрегат 7 которой подключен к турбине 18 дополнительного контура 14 с легкокипящим теплоносителем. В случае аварии с разгерметизацией первого контура и потерей источников электроснабжения с помощью теплообменника 20 выделяющееся под оболочкой 4 тепло передают в парогенератор 17. Конденсатор 13 размещен выше парогенератора в вытяжной шахте 11, за счет чего в контуре 14 обеспечивается естественная циркуляция теплоносителя. Работа газодувного агрегата 7 поддерживает в пространстве между оболочками 3 и 4 некоторое разрежение. Воздух из этого пространства рециркулирует в системе и очищается на фильтре 6, а избыток, просочившийся через неплотности, сбрасывается через фильтр 9 и вытяжную трубу АЭС, что исключает попадание радионуклидов в атмосферу. За счет отбора тепла в дополнительный контур 14 интенсифицируется теплоотвод из-под внутренней оболочки 4. 2 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

1. СИСТЕМА ПАССИВНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ АТОМНОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ, содержащая двойную защитную оболочку, вентиляционную систему с фильтрами и газодувными агрегатами, поддерживающую разрежение между оболочками, отличающаяся тем, что, с целью повышения безопасности при аварии с потерей электроснабжения путем обеспечения надежности привода агрегатов вентиляционной системы и интенсификации процесса теплоотвода из-под внутренней оболочки, система дополнительно содержит вытяжную шахту с размещенными в ней теплообменниками, подключенными к парогенераторам атомной электростанции, и дополнительные замкнутый контур естественной циркуляции с легкокипящим теплоносителем, включающим турбину, подключенную к газодувным агрегатам, конденсатор, установленный в вытяжной шахте, и парогенератор, который установлен ниже конденсатора и соединен с дополнительным теплообменником, размещенным под внутренней защитной оболочкой. 2. Система по п.1, отличающаяся тем, что дополнительный теплообменник выполнен из оребренных труб, концы которых пропущены через защитные оболочки и подключены к внутреннему объему парогенератора контура с легкокипящим теплоносителем. 3. Система по п.1, отличающаяся тем, что дополнительный теплообменник выполнен из нагреваемых концов тепловых труб, охлаждаемые концы которых размещены под уровнем жидкости парогенератора дополнительного контура.