Система пассивного отвода тепла атомной электростанции

21 15/18 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПАТЕНТНЫЙ КОМИТЕТ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ СИСТЕМА ПАССИВНОГО ОТВОДА ТЕПЛА АТОМНОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ(71) Заявитель Институт проблем энергетики Национальной академии наук Беларуси(73) Патентообладатель Институт проблем энергетики Национальной Академии наук Беларуси(57) Система пассивного отвода тепла атомной электростанции, содержащая подключенный к парогенератору по пару и по жидкости контур естественной циркуляции с воздухоохлаждаемым конденсатором, тяговую трубу, в которой установлен воздухоохлаждаемый конденсатор, и шиберное устройство с приводом от регулятора прямого действия по давлению пара, отличающаяся тем, что она дополнительно снабжена конденсатором-испарителем и пароструйными насосами, установленными в тяговой трубе, при этом конденсатор-испаритель заполнен водой,патрубком выхода испаряемой среды подключен к пароструйным насосам, трубный пучок конденсатораиспарителя входным участком подключен к выходу пара парогенератора, а выходным - ко входу воздухоохлаждаемого конденсатора с образованием гидрозатвора и оборудован байпасом с паровым дросселем. 2402 1 Изобретение относится к атомным энергетическим установкам, а именно к пассивным системам их безопасности и может быть использовано при создании новых поколений АЭС на основе современной концепции максимально надежной защищенности ядерного реактора, а также при модернизации уже действующих станций. В обеспечении безопасности АЭС определяющей проблемой является надежность отвода остаточных тепловыделений активной зоны реактора при любых возможных авариях, включая исчезновение на длительное время напряжения от всех источников электроэнергии. При таких авариях тепло, выделяемое в реакторе, должно отводиться с помощью системы пассивного отвода тепла (СЛОТ). Приоритетность пассивных средств защиты обусловлена их преимуществом по сравнению с активными системами функционирование без потребления электроэнергии, вмешательства эксплуатационного персонала, функциональная автономность, простота и надежность систем. Например известна Система ослабления последствий аварии на атомной электростанции, разработанная для АЭС с реактором ВВЭР и запатентованная во всех промышленно развитых странах 1, которая содержит установленные в башне барботеры охладители и дождевальную установку под защитной оболочкой реактора, подключенную к циркуляционной системе, оборудованной насосом. В случае аварии эта система позволяет отводить тепло из под защитной оболочки. Однако, для ее работы необходим независимый источник электроснабжения, что снижает ее надежность, а увеличенные габариты башни с барботерами приводят к значительным затратам на сооружение системы. Известны различные технические решения, повышающие эффективность и надежность защиты от ядерной аварии. Например, системы с двойной вентилируемой защитной оболочкой, которые позволяют надежно локализовать радионуклиды в случае аварии за счет поддержания разрежения между оболочками 2. Однако известная установка не может обеспечить достаточно эффективный отвод тепла из-под этих оболочек, кроме того, для удержания разрежения между оболочками необходим надежный и длительный подвод энергии к вентиляционному агрегату. Из известных технических решений наиболее близким объектом к заявляемой установке по совокупности существенных признаков является Принципиальная схема универсальной пассивной системы безопасности, приведенная в 3, принятая автором за прототип. Принятая за прототип установка содержит систему пассивного отвода тепла атомной электростанции,снабженную подключенным к парогенератору по пару и по жидкости контуром естественной циркуляции,оборудованным воздухоохлаждаемым конденсатором, установленным в тяговой трубе, которая снабжена шиберными устройствами с приводом от регулятора прямого действия по давлению пара. Однако в прототипе на начальном этапе аварии с полным прекращением энергоснабжения и управления известная система безопасности не обеспечивает требуемую мощность отвода остаточного тепловыделения от активной зоны реактора, вследствии чего в парогенераторе увеличивается давление до срабатывания предохранительных клапанов, незакрытие которых усугубляет последствия аварии, что в итоге увеличивает опасность и затрудняет проведение противоаварийных мероприятий. Задачей предлагаемого изобретения является создание более надежной системы отвода тепла, использующей пассивные средства и в то же время имеющей увеличенную мощность в первый период аварии,.когда остаточные тепловыделения значительно превышают возможность системы, принятой за прототип,отводить тепло в окружающую среду. В результате решения этой задачи достигнут новый технический результат, заключающийся в повышении надежности пассивной системы отвода тепла, увеличение ее мощности в первый период аварии без значительных увеличений габаритов, затрат на сооружение или появления нежелательных, снижающих общую надежность эффектов, типа возможного срабатывания предохранительных клапанов. Данный технический результат достигнут тем, что в системе пассивного отвода тепла атомной электростанции, содержащей подключенный к парогенератору по пару и по жидкости контур естественной циркуляции,оборудованный воздухоохлаждаемым конденсатором, установленным в тяговой трубе, которая снабжена шиберными устройствами с приводом от регулятора прямого действия по давлению пара, дополнительно установлен конденсатор - испаритель, объем которого заполнен водой, а трубный пучок соединен с выходом пара из парогенератора и с входом в воздухоохлаждаемый конденсатор с образованием гидрозатвора, при этом гидрозатвор снабжен байпасом, оборудованным паровым дросселем, а верхняя зона объема дополнительного конденсатора-испарителя подключена к пароструйным насосам, установленным в тяговой трубе. Отличительной особенностью заявляемого изобретения является то, что система дополнительно снабжена конденсатором-испарителем, объем которого заполнен водой, а трубный пучок соединен с выходом пара из парогенератора и с входом в воздухоохлаждаемый конденсатор с образованием гидрозатвора, при этом гидрозатвор снабжен байпасом, оборудованным паровым дросселем, а верхняя зона объема дополнительного конденсатора-испарителя подключена к пароструйным насосам, установленным в тяговой трубе. 2 2402 1 Такое техническое решение позволяет использовать все преимущества пассивной системы отвода тепла и в то же время значительно увеличить ее возможности по приему остаточных тепловыделений в первый период аварии. Объем воды, хранящийся в дополнительном конденсаторе-испарителе, позволяет в первый период аварии поглотить избыточное количество тепла на его нагрев и испарение, и в то же время получить дополнительное рабочее тело, используя которое в пароструйных насосах, установленных в тяговой трубе и соединенных с верхней зоной объема, увеличивается эффективность отвода тепла через воздухоохлаждаемый конденсатор. Особенность конструкции, заключающаяся в образовании гидрозатвора при соединении трубного пучка дополнительного конденсатора-испарителя с выходом пара из парогенератора и с входом в воздухоохлаждаемый конденсатор и оборудовании этого гидрозатвора байпасом и с паровым дросселем, позволяет автоматически включить ее в работу при увеличении расхода пара и повышении перепада давления, достаточном для продувки гидрозатвора. Следует учитывать, что предлагаемая система успешно срабатывает и при плановом останове реактора,принимая его избыточную мощность, удерживая давление в парогенераторе вблизи номинального уровня и исключая потери теплоносителя. К преимуществам заявляемой установки относится также то, что все основные элементы системы хорошо освоены промышленностью и не требует проведения дополнительных исследований. Существующие методики расчетов ее элементов с высокой достоверностью определяют конструктивные элементы и размеры оборудования, что снижает затраты на создание системы. Таким образом, приведенные отличительные особенности заявляемого изобретения в сравнении с прототипом обеспечивают значительное увеличение мощности заявляемой установки в первый период аварии, что приводит к высокой надежности отвода остаточных тепловыделений реактора, а также более надежное проведение планового останова станции. На фиг. 1 представлена принципиальная схема заявляемой системы. На схеме приведен только один контур СПОТ. Система АЭС обычно состоит из четырех независимых контуров, подключенных к соответствующим парогенераторам четырех петель первого контура реакторной установки. На фиг. 2 изображены графики изменения с момента начала аварии основных параметровост - мощности остаточных тепловыделенийспот - мощности, отводимой СПОТ, принятой за прототипспот с насосом-мощности СПОТ при использовании дополнительной тяги за счет струйных насосовсистемы - мощности заявляемой системы пассивного отвода теплаисп.воды - количество испарившейся в дополнительном конденсаторе испарителя воды. Установка содержит установленные под защитной оболочкой 1 атомный реактор 2 и парогенератор 3, а также агрегаты системы аварийного охлаждения реактора гидроаккумуляторы 4, 5, компенсатор давления 6, арматура предохранительный клапан 7, дроссель 8, обратные клапаны 9 и 10. К парогенератору 3 по пару и по жидкости подключен контур естественной циркуляции, оборудованный воздухоохлаждаемым конденсатором 11, установленным в тяговой трубе 12, которая снабжена шиберными устройствами 13 с приводом от регулятора прямого действия 14 по давлению пара. Система дополнительно снабжена конденсатором-испарителем 15, объем которого заполнен водой, а трубный пучок 16 соединен с выходом пара из парогенератора 3 и с входом в воздухоохлаждаемый конденсатор 11 с образованием гидрозатвора, при этом гидрозатвор снабжен байпасом, оборудованным паровым дросселем 17,а верхняя зона объема дополнительного конденсатора-испарителя 15 подключена к пароструйным насосам 18,установленным в тяговой трубе 12. На трубопроводе возврата конденсата в парогенератор 3 установлен обратный клапан 19. Оболочка 1 защищена предохранительным клапаном 20, выхлоп которого оборудован фильтром 21. Реакторный блок подключен к энергетическому блоку трубопроводом 22, соединяющим парогенератор 3 с турбиной и трубопроводом 23 питательной воды. Заявляемая система пассивного отвода тепла работает следующим образом. При нормальной работе АЭС выделяющееся в реакторе 2 тепло циркулирующим в первом контуре теплоносителем передается в парогенератор 3. Вырабатываемый пар поступает по трубопроводу 22 в турбину,где тепловая энергия превращается в механическую и передается на электрогенератор, вырабатывающий электроэнергию потребителям. Элементы системы пассивной безопасности в режиме нормальной эксплуатации АЭС находятся в состоянии горячего резерва. Шиберы 13 находятся в закрытом положении и величина теплоотвода через воздухоохлаждаемый конденсатор 11 минимальная, определяемая тепловыми потерями, которым соответствует минимальный рас 3 2402 1 ход пара через байпасный трубопровод с дросселем 17. Конденсат, образовавшийся в трубном пучке 16, замыкает гидрозатвор и циркуляция в контуре СПОТ практически отсутствует, так как расход через дроссель 17 определен только теплопотерями. При возникновении аварии с тяжелыми последствиями с полным прекращением энергоснабжения от штатных и резервных источников и, как следствие, с потерей контроля и управления всеми процессами на станции под действием повышения давления в парогенераторе 3 регулятор прямого действия 14 устанавливает шиберы 13 в открытое положение. Поток воздуха в тяговой трубе 12 конденсирует пар, поступающий в конденсатор 11, вследствие чего увеличивается перепад давления на дросселе 17 и происходит продувка трубного пучка 16 дополнительного конденсатора-испарителя 15. Конденсат из конденсатора 11 через обратный клапан 19 возвращается в парогенератор 3 за счет разницы высотных отметок установки парогенератора 3 и воздухоохлаждаемого конденсатора 11. Осуществляемая циркуляция теплоносителя второго контура через парогенератор 3 отводит остаточное тепловыделение реактора 2. В случае аварии с нарушением герметичности первого контура и потерей теплоносителя охлаждение активной зоны реактора осуществляется водой, поступающей из компенсатора давления 6, затем из гидроаккумуляторов высокого 5 и низкого 4 давления, последовательность подключения которых установлена обратными клапанами 9, 10 и дросселем 8. Отвод тепла в окружающую среду при этом осуществляется через парогенератор 3 системой пассивного отвода тепла как это описано выше. На фиг. 2 показано изменение мощности остаточного тепловыделения кривая а и мощности, отводимой через конденсатор 11 за счет естественной тяги в тяговой трубе 12, кривая б. Графики на фиг. 2 наглядно показывают, что в течение, примерно 1000 с на начальной стадии аварии остаточное тепловыделение значительно превышает отводимое только за счет естественной тяги (как это выполнено в прототипе) тепло, что должно привести к увеличению давления теплоносителя, либо к перегреву активной зоны реактора. После продувки трубного пучка 16 поступающий из парогенератора 3 в испаритель-конденсатор 15 теплоноситель вызывает кипение воды, хранящейся в объеме последнего. Генерируемый при этом пар поступает в пароструйные насосы 18, установленные в тяговой трубе 12, что увеличивает расход охлаждающего воздуха и позволяет отводить дополнительное количество тепла через конденсатор 11, что показано на фиг. 2, кривой в. Кроме того, часть поступающего из парогенератора 3 тепла расходуется на нагрев и испарение воды в испарителе 15. Кривой д на фиг. 2 показано количество воды, которое испаряется при этом в испарителе. Как наглядно показано на фиг. 2 (приведены кривые, полученные расчетом для конкретного реактора типа ВВЭР-1000) заявляемая система пассивного отвода тепла имеет мощностную характеристику (кривая г) соответствующую мощностной характеристике остаточного тепловыделения реакторной установки (кривая а), что позволяет избежать значительного повышения давления и срабатывания предохранительных клапанов или перегрева элементов реактора. Таким образом, в заявляемой установке достигнуто повышение надежности пассивной системы отвода тепла, увеличение ее мощности в первый период аварии без значительных увеличений габаритов, затрат на сооружение или появления нежелательных, снижающих общую надежность эффектов, типа возможного срабатывания предохранительных клапанов. Предлагаемое техническое решение позволяет увеличить до 5 раз мощность аварийного охлаждения АЭС на первых наиболее опасных этапах аварии. Это же техническое решение можно использовать для повышения безопасности существующих атомных электростанций, при их модернизации. Оборудование заявляемой установки в основном освоено промышленностью, что делает ее конкурентоспособной с самыми совершенными системами безопасности, в том числе и о установкой, принятой за прототип. Государственный патентный комитет Республики Беларусь. 220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66.