Система пассивного отвода тепла реакторной установки

Авторы патента:

Полезная модель относится к области атомной энергетики и может быть использована в системах пассивного отвода тепла реакторных установок.

Для обеспечения надежного и устойчивого отвода тепла в пассивном режиме неограниченное время без снижения эффективности теплоотвода вследствие выпаривания воды в емкости с запасом воды предлагаемая система пассивного отвода тепла содержит контур циркуляции теплоносителя от источника тепла реакторной установки, теплообменник, погруженный в водный объем герметичной емкости с запасом воды, атмосферную емкость с запасом воды и пароводяной инжектор, который, используя пар из герметичной емкости, пополняет запасы воды в последней водой из атмосферной емкости с запасом воды. Тепло остаточных тепловыделений и излишки пара в герметичной емкости с запасом воды через предохранительный клапан отводятся в окружающую среду. Пароводяной инжектор по пару и по воде соединен трубопроводами с герметичной емкостью с запасом воды и по воде - с атмосферной емкостью с запасом воды. Атмосферная емкость с запасом воды размещена ниже герметичной емкости и на одном уровне с внешним водоемом.

Выполнение системы пассивного отвода тепла предложенным образом позволяет уменьшить запасы воды в располагаемой выше парогенератора герметичной емкости с запасом воды, обеспечить эффективность теплообмена теплообменника в течении всего времени работы системы и отвод остаточных тепловыделений в окружающую среду в пассивном режиме неограниченное время. Это повышает надежность и безопасность работы реакторной установки, в том числе независимость от таких природных воздействий, как цунами.

Известна система по патенту RU 2037893 от 19.06.1995, которая содержит теплообменник и контур циркуляции теплоносителя ядерной энергоустановки, параллельно которому подключен струйный насос в виде инжектора-конденсатора. Вход струйного насоса по инжектируемой среде соединен с выпускным каналом теплообменника, впускной канал которого соединен с теплоисточником в области, предназначенной для конденсата. На выходном трубопроводе струйного насоса установлен обратный клапан, между которым и струйным насосом помещен конденсационный модуль, с помощью которого осуществляется запуск системы. Конденсат из теплоисточника (парогенератора или реактора) поступает в теплообменник, охлаждается в нем и подается в сопло инжектируемого потока струйного насоса. Недостатком такой системы является ограниченность ее действия по времени объемом выпариваемых запасов воды.

Известна система аварийного расхолаживания по патенту RU 111336 от 10.12.2011, в которой отвод остаточных тепловыделений от реактора происходит через промежуточный контур, теплообменник-конденсатор которого размещен в цистерне запаса воды, выпариваемой в атмосферу. После осушения цистерны водяной затвор в цистерне исчезает и теплообменник-конденсатор работает в режиме воздушного теплообменника. Недостатком такой системы является ограниченность времени ее эффективного действия в пассивном режиме запасами воды в цистерне, а также то, что про мере выпаривания воды уменьшаются поверхность теплообменника-конденсатора охлаждаемая водой и эффективность теплопередачи. Отвод остаточных тепловыделений после выпаривания запасов воды может быть недостаточным вследствие низкой эффективности теплоотдачи к воздуху.

Наиболее близким техническим решением является система пассивного отвода тепла через парогенератор по патенту RU 96283 от 20.07.2010. Система содержит парогенератор, соединенный подводящим и отводящим трубопроводами с теплообменником, размещенным внутри емкости с запасом теплоносителя, установленной выше парогенератора. Причем на отводящем трубопроводе установлено пусковое устройство, содержащее два пусковых клапана. При включении системы в работу пар из парогенератора поступает в теплообменник, в котором конденсируется, а конденсат сливается обратно в парогенератор. При этом поверхность теплообменника охлаждается водой, запасенной в атмосферном баке, которая нагревается до кипения, испаряется, и пар сбрасывается в атмосферу. Недостатком такой системы является ограниченность времени ее действия в пассивном режиме объемом выпариваемых запасов воды, поскольку для пополнения запасов воды требуются активные действия. Кроме того по мере выпаривания воды снижается ее уровень в баке и вследствие этого уменьшается поверхность теплообменника охлаждаемая водой, что снижает эффективность теплообмена.

Технической задачей предлагаемой полезной модели является создание системы пассивного отвода тепла реакторной установки обеспечивающей надежный и устойчивый отвод тепла в пассивном режиме неограниченное время без снижения эффективности теплообмена вследствие выпаривания воды в емкости.

Технический результат достигается тем, что емкость с запасом воды выполнена герметичной с возможностью ограничения повышения давления пара в ней при помощи предохранительного клапана, а также введением в систему атмосферной емкости с запасом воды и пароводяного инжектора, соединенного по пару и через обратный клапан по воде с герметичной емкостью с запасом воды, а также по воде с атмосферной емкостью и через обратный клапан с атмосферой. Атмосферная емкость с запасом воды размещена ниже герметичной емкости и соединена трубопроводами с нею и с внешним водоемом, с которым она расположена на одном уровне, при этом на трубопроводе, соединяющем атмосферную и герметичную емкости с запасами воды, размещено пассивное устройство регулирования уровня воды в последней.

Предлагаемое техническое решение представляет собой систему, предназначенную для длительной по времени работы по отводу остаточных тепловыделений за счет выпаривания запасов воды в герметичной емкости и атмосферной емкости, пополняемых в пассивном режиме из внешнего водоема.

Сущность полезной модели поясняется чертежом.

На фигуре 1 представлена схема выполнения системы пассивного отвода тепла реакторной установки (СПОТ). Представлены только те элементы, которые необходимы для понимания основной цели предложения. Оборудование хорошо известное специалистам в данной области на схеме не показано.

Система пассивного отвода тепла включает теплообменник 1 размещенный в водном объеме герметичной емкости 2 с запасом воды, снабженной предохранительным клапаном 3. В атмосферной емкости 4 с запасом воды, расположенной ниже герметичной емкости 2, установлен вне или внутри ее водного объема пароводяной инжектор 5, который подключен по пару и воде соответственно трубопроводами 6 и 7 к герметичной емкости 2 и трубопроводами 8 и 9 соответственно к атмосфере и к водному объему атмосферной емкости 4. На трубопроводах 7 и 8 установлены обратные клапаны 10 и 11. Трубопровод 7 подключен к герметичной емкости 2 выше или ниже уровня воды в ней. Герметичная емкость 2 соединена с атмосферной емкостью 4 трубопроводом 12, на котором установлено пассивное регулирующее устройство 13 для поддержания уровня воды в герметичной емкости 2. Атмосферная емкость 4 соединена трубопроводом 14 с внешним водоемом 15.

Система пассивного отвода тепла работает следующим образом.

Исходно система пассивного отвода тепла находится в состоянии ожидания. При возникновении аварийной ситуации в теплообменник 1 поступает теплоноситель от источника тепла. При поступлении тепла от теплообменника 1 вода в герметичной емкости 2 нагревается и закипает. Поступление пара в паровой объем герметичной емкости 2 увеличивает давление в ней. Образовавшийся пар вместе с остатками воздуха по трубопроводу 6 поступает к пароводяному инжектору 5 и по трубопроводу 8 выходит в атмосферу. По мере снижения концентрации воздуха в составе паровоздушной смеси в камере смешения пароводяного инжектора 5 вследствие конденсации пара создается разрежение, что приводит к подсасыванию воды из атмосферной емкости 4 по трубопроводу 9 и закрытию обратного клапана 11. При этом в нагнетательной камере пароводяного инжектора 5 создается повышенное давление, под действие которого вода по трубопроводу 7 поступает в герметичную емкость 2 и компенсирует выпаривание воды. Уровень воды в герметичной емкости 2 поддерживается с помощью дренирования в атмосферную емкость 4 через пассивное регулирующее устройство 13. Таким образом, обеспечивается непрерывное возмещение выпариваемой воды подпиткой из атмосферной емкости 4. При повышении в герметичной емкости 2 давления пара открывается предохранительный клапан 3, образовавшийся пар поступает в атмосферу и тем самым вместе с ним в атмосферу удаляется тепло остаточных тепловыделений. Запасы воды в атмосферной емкости 4 пополняются поступлением воды по трубопроводу 14 из внешнего водоема 15, с которым она соединена как сообщающиеся сосуды.

Выполнение системы пассивного отвода тепла реакторной установки предложенным конструктивным решением позволяет уменьшить массу воды в размещаемых выше парогенератора аварийных герметичных емкостях запаса воды и увеличить время работы системы в пассивном режиме. Кроме того, поскольку в процессе работы уровень воды в аварийных герметичных емкостях запаса воды не снижается, то сохраняется эффективность теплообмена теплообменника в течение всего времени работы системы. Соединение атмосферной емкости с запасом воды трубопроводом с внешним водоемом обеспечивает неограниченные запасы воды тем самым гарантируя надежный отвод тепла системой в пассивном режиме в окружающую среду неограниченное время, что повышает надежность и безопасность реакторной установки, в том числе независимость от таких природных воздействий как цунами.

1. Система пассивного отвода тепла реакторной установки, содержащая контур циркуляции теплоносителя, теплообменник, погруженный в водный объем емкости с запасом воды, отличающаяся тем, что емкость с запасом воды выполнена герметичной и снабжена устройством ограничения давления, а система пассивного отвода тепла дополнена атмосферной емкостью с запасом воды и пароводяным инжектором с подключением последнего по пару и через обратный клапан по воде к герметичной емкости с запасом воды, к запасу воды в атмосферной емкости, а также через обратный клапан - к атмосфере, при этом герметичная емкость с запасом воды соединена дренажным трубопроводом, на котором установлено пассивное устройство регулирования уровня воды в ней, с атмосферной емкостью запаса воды, расположенной ниже уровня установки герметичной емкости с запасом воды и соединенной трубопроводом с внешним водоемом.

2. Система пассивного отвода тепла реакторной установки по п.1, отличающаяся тем, что атмосферная емкость с запасом воды расположена на одном уровне с внешним водоемом.

3. Система пассивного отвода тепла реакторной установки по п.1, отличающаяся тем, что пароводяной инжектор размещен в атмосферной емкости с запасом воды внутри или вне ее водного объема.

4. Система пассивного отвода тепла реакторной установки по пп.1 и 3, отличающаяся тем, что трубопровод, соединяющий нагнетательную камеру пароводяного инжектора с герметичной емкостью с запасом воды, подключен к последней выше или ниже уровня воды в ней.