Система послеаварийной инертизации
Изобретение относится к системам противоаварийной защиты пожароопасных объектов, конкретно к системам предотвращения разрушения защитных оболочек атомных энергоустановок с водо-водяными реакторами различного типа. Система послеаварийной инертизации состоит из газогенерирующего твердого материала, способного к выделению инертного газа при контакте с нагретой паровоздушной средой. Этот материал заключен в расположенный внутри защитной оболочки водоохлаждаемой ядерной энергоустановки корпус. Корпус снабжен средством для выпуска инертного газа. Корпус выполнен герметичным. Средство для выпуска газа снабжено разрывной мембраной, давление разрыва которой не превышает избыточное давление, создаваемое внутри защитной оболочки при аварийной разгерметизации ядерной энергоустановки, и/или запорным устройством. Управление запорным устройством выведено за пределы защитной оболочки. В качестве газогенерирующего твердого материала выбрано вещество, выделяющее диоксид углерода при увлажнении. Корпус может быть снабжен подвижными створками, образующими грейфер или цангу. Под корпусом располагается приемный чехол в виде поддона. Техническим результатом изобретения является снижение вероятности разгерметизации защитной оболочки ядерной энергоустановки в аварийных условиях. 11 з.п.ф-лы.
Изобретение относится к системам противоаварийной защиты пожароопасных объектов, в первую очередь ядерной энергетики, конкретно к системам предотвращения разрушения защитных оболочек атомных энергоустановок с водо-водяными реакторами различного типа, в том числе кипящих и с водой под давлением.
Известны барьеры и системы обеспечения безопасности атомных станций при тяжелых авариях, сопровождаемых разрушением активной зоны. К основному и последнему барьеру на пути выхода радионуклидов в окружающую среду из поврежденной атомной энергоустановки относится защитная оболочка, герметично охватывающая оборудование первого контура, разрушение которого приводит к выходу радионуклидов в воздушную среду под защитной оболочкой. Практически все тяжелые аварии на АЭС с реакторами, охлаждаемыми водой или натрием, приводят к образованию больших количеств водорода в первую очередь при взаимодействии материалов активной зоны с водой, например, по реакции окисления водой нагретых циркониевых оболочек - твэлов. Опасность выхода водорода заключается в очень быстром выделении большой энергии при его сгорании (или взрыве) в паровоздушной среде, формирующейся при аварии под защитной оболочкой. В частности, расчеты показывают, что для защитной оболочки объемом около 63 000 м3 (типа ВВЭР-1000) выход водорода по реакции "пар - цирконий" для 100%-ного окисления оболочек твэлов составляет около 1000 кг, из которых в паровоздушной среде (59 000 кг воздуха, 86 000 кг пара) сгорает 841 кг водорода, что приводит к росту давления под оболочкой до 0.78 МПа /Будаев М.А., Методика оценки роста давления и температуры при сгорании водорода в локализующих помещениях атомных станций во время аварий. В сб.: Вопросы атомной науки и техники, сер. Физика и техника ядерных реакторов, 1988, вып.5, с. 72-75/. Проектное давление современных защитных оболочек (например, для европейского реактора EPR) составляет около 0.65 МПа. Таким образом, как показывают расчеты, рост давления, вызванный сгоранием водорода, может разрушить защитную оболочку. В связи с недопустимыми последствиями, выходящими за пределы нормативных ограничений, развитие аварии по изложенному сценарию должно быть исключено. Похожий сценарий развития аварии был реализован во время разрушения активной зоны на АЭС "Три Майл Айленд" и только по удачному стечению обстоятельств горение водорода не привело к разрушению защитной оболочки. Для предотвращения подобных последствий на АЭС реализуются различные технические решения по снижению риска быстрого горения водорода. К числу таких мер относится установка сжигателей водорода, как это изложено в патенте США 4780271 (приор. 02/10/1985, кл. G 21 C 9/00) и патенте США 5230859 (приор. 13/06/1989, кл. G 21 C 9/00), или применение тепловых или каталитических рекомбинаторов водорода, как это изложено в стратегии уменьшения риска водородных взрывов на реакторах типа ВВЭР /F.Fineschi, A strategy for dealing with risks due to hydrogen explosions in the containments ofpressurized-water reactors of russian design (WWER), Nuclear Safety, vol.32, no.3, July-September 1991, pp.380-387/. Учитывая резкое снижение работоспособности рекомбинаторов при высаждении во время аварии аэрозолей на активных участках этих устройств, требуются специальные меры по их защите, как это предложено, например, в пат. США 6246739 (публ. 12/06/2001, кл. G 21 C 9/00), согласно которому в проходках, соединяющих верхнюю и нижнюю части подоболочечного пространства, устанавливают улавливающие аэрозоли устройства. Недостатком подобных технических решений является относительно высокая стоимость каталитических рекомбинаторов и их низкая производительность, а также способность всех этих типов устройств стать инициаторами взрывного горения водорода при резком увеличении его концентрации под защитной оболочкой, как это имеет место при тяжелых авариях с высокой скоростью окисления циркониевых элементов активной зоны. Другим методом снижения водородной опасности служит уменьшение концентрации кислорода в водородосодержащей среде, что может быть достигнуто путем использования, например, изобретения по патенту США 3820687 (приор. 05/03/1973, кл. B 67 D 5/08), согласно которому выводят из защищаемой зоны возможного горения кислородсодержащую среду в устройство высокотемпературного окисления углерода, после чего образовавшуюся газовую смесь, обогащенную диоксидом углерода, возвращают в защищаемый объем. Недостатком такого технического решения служит низкая производительность при отсутствии средств принудительной прокачки газовых сред, как это имеет место при аварийном обесточивании АЭС, а также повышенная пожароопасность использования горючих материалов. Возможным решением могло бы служить средство, предложенное в пат. США 4601873 (приор. 14/07/1982, кл. G 21 C 9/00) и состоящее в том, что обеспечивают стратификацию газовых слоев под защитной оболочкой АЭС во время аварии за счет подачи в верхнюю часть подоболочечного пространства инертного газа низкой плотности (например, гелия), что снижает плотность верхних слоев и не позволяет им перемешиваться с нижними слоями. Такая стратификация, по замыслу авторов, могла бы локализовать водородосодержащие слои при безопасных концентрациях составляющих их компонентов. Недостатком такого решения служит возможность образования локальных взрывоопасных участков на нижележащих отметках атомной станции. Наиболее радикальным средством предотвращения горения водорода служит создание под защитной оболочкой среды, концентрация составляющих которой не создает опасности горения водорода. Инертная среда может поддерживаться под оболочкой постоянно, как это рассмотрено в цитируемой выше стратегии уменьшения риска и реализовано в США на некоторых АЭС с реакторами кипящего типа и контейнментами типа MARK-1 и MARK-2, однако при этом резко усложняется нормальное обслуживание энергоустановки для персонала, вынужденного проходить шлюзование и работать в кислородных приборах. Инертизация подоболочечного пространства может производиться и после начала аварии. Такое решение предложено, например, в пат. США 3893514 (приор.23/11/1973, кл. А 62 C 1/14), в зону возгорания подавать инертный газ (азот), снижая концентрацию кислорода ниже уровня, поддерживающего горение. Возможные скорости ввода инертизирующего газа могут превышать 0,3 скорости звука для заполняемой среды, что обеспечивается с помощью трубок Вентури и других газодинамических элементов по пат. ФРГ 4421601 (публ. 24/08/1995, кл. G 21 C 9/06). В пат. ФРГ 4433901 (публ. 28/03/1996, кл. G 21 C 9/06), сжиженный инертный газ хранят при повышенном давлении и подают при открытии отсечного клапана сначала в испаритель, а затем под защитную оболочку. В пат. США 5764716 (приор. 06/01/1997, кл.G 21 C 9/06) для увеличения расхода инертизирующего газового агента с помощью теплоносителя тепло к испарителю подводится из отдельной теплоизолированной емкости-аккумулятора тепла, в которой тепло запасается при нагреве масла, металла или керамики. Инертный газ (например, диоксид углерода) хранится при пониженной температуре либо в жидкой либо в твердой фазе и может быть инжектирован в поток, подаваемый в испаритель, в виде кристаллов или частиц. Для достижения концентрации СO2 15-30% требуемое время не превышает 2 ч при расходе СO2 свыше 10000 кг/ч. При частичной инертизации концентрацию кислорода снижают ниже 17%, при полной - ниже 8%. В пат. США 5872825 (публ. 16/02/1999, кл. G 21 C 9/004) решается задача усовершенствования системы инертизации для предотвращения переопрессовки бетонных конструкций защитной оболочки при увеличении давления, обусловленного подачей под оболочку значительных количеств инертизирующего газа. С этой целью в тракте подачи инертного газа установлен обратимый фильтр-адсорбер, активная часть которого выполнена вращающейся и соединена по второй стороне с трактом вентиляционного сброса газа из-под оболочки в окружающую среду, который открывается при превышении допустимого давления внутри оболочки. Радионуклиды в виде аэрозолей и йод сорбируются фильтром и выдерживаются для распада нестабильных атомов. В процессе переключения фильтра на подачу инертного газа, предварительно нагретого за счет теплового аккумулятора, проходящий через фильтр инертный газ регенерирует адсорбент, унося радионуклиды обратно под оболочку, не давая тем самым попасть им в окружающую среду. Недостатком всех изложенных решений служит сложная система поддержания устройства в рабочем состоянии за счет нагрева теплового аккумулятора, необходимость хранить инертный газ при повышенном давлении и/или пониженной температуре. Частично эти недостатки устраняются при использовании технических решений согласно пат. США 5495511 (приор. 18/08/1994, кл. G 21 C 9/00), в котором источником инертного газа служит разлагающийся при аварийном нагреве материал. Поскольку для многих химических веществ, выделяющих при разложении СO2 или водяной пар, нагрева паровоздушной средой, образующейся при аварии, недостаточно для разложения, то предложено совмещать указанные источники с каталитическими рекомбинаторами, нагреваемыми за счет происходящей в них реакции окисления водорода кислородом воздуха. В качестве материала предложено использовать смитсонит (карбонат цинка), оксалат или карбонат железа, боракс (Na2B4O7
Формула изобретения
1. Система послеаварийной инертизации, состоящая из газогенерирующего твердого материала, способного к выделению инертного газа при контакте с нагретой средой и заключенного в расположенный внутри защитной оболочки водоохлаждаемой ядерной энергоустановки корпус, снабженный средством для выпуска инертного газа, отличающаяся тем, что корпус выполнен герметичным, средство для выпуска газа снабжено разрывной мембраной, давление разрыва которой не превышает избыточное давление, создаваемое внутри защитной оболочки при аварийной разгерметизации ядерной энергоустановки, и/или запорным устройством, управление которым выведено за пределы защитной оболочки, а в качестве газогенерирующего твердого материала выбрано вещество, выделяющее диоксид углерода при увлажнении. 2. Система по п.1, отличающаяся тем, что в качестве газогенерирующего материала выбрана гигроскопичная смесь химических соединений, одним из продуктов реакции которой в водосодержащей среде является диоксид углерода. 3. Система по п. 2, отличающаяся тем, что в качестве одного из компонентов газогенерирующего материала выбран карбонат или бикарбонат щелочного металла. 4. Система по п.3, отличающаяся тем, что в качестве компонента газогенерирующего материала выбрана твердая фаза водорастворимой кислоты. 5. Система по п.4, отличающаяся тем, что в качестве водорастворимой кислоты выбрана лимонная и/или борная кислота. 6. Система по п.4 или 5, отличающаяся тем, что твердая фаза водорастворимой кислоты выбрана в виде гидрата. 7. Система по п.1, отличающаяся тем, что в качестве газогенерирующего материала выбран насыщенный диоксидом углерода адсорбент. 8. Система по п.7, отличающаяся тем, что в качестве адсорбента выбран природный и/или искусственный цеолит и/или силикагель. 9. Система по любому из пп.1-8, отличающаяся тем, что система снабжена средством увеличения поверхности газообмена газогенерирующего материала с окружающей его средой при разгерметизации корпуса. 10. Система по п.9, отличающаяся тем, что средство увеличения поверхности газообмена выполнено в виде расположенного под корпусом приемного чехла, выполненного в виде сплошного или перфорированного тонкостенного поддона, в виде сетки с задающими форму пластинами или в виде гофрированной решетки, а корпус снабжен затвором, выполненным с возможностью свободного самопроизвольного выхода газогенерирующего материала в приемный чехол при разгерметизации корпуса. 11. Система по п. 10, отличающаяся тем, что корпус снабжен подвижными створками, образующими грейфер или цангу, а затвор выполнен в виде узла, удерживающего створки от раскрытия под действием собственного веса и/или веса газогенерирующего материала. 12. Система по п.11, отличающаяся тем, что затвор и запорное устройство выполнены как единое целое и снабжены общим приводом.