Бассейновый ядерный реактор и способ аварийного охлаждения бассейнового ядерного реактора

 

Изобретение относится к ядерной технике. Целью изобретения является повышение надежности, ядерной и радиационной безопасности реактора и увеличение времени на устранение аварии, вызванной разгерметизацией оболочек подзонного пространства, за счет уменьшения утечек теплоносителя и обеспечения надежного расхолаживания реактора. Бак аварийного охлаждения соединен с напорной частью системы циркуляции посредством дополнительной магистрали с клапаном, а также с газовакуумной системой посредством трубопровода, оснащенного клапаном. После заполнения теплоносителем бака аварийного расхолаживания срабатывает клапан на дополнительной магистрали, что переводит реактор на штатный режим циркуляции. Одновременно с этим осуществляется передавливание теплоносителя из бака аварийного охлаждения в надзонное пространство. Кроме того, часть бака аварийного охлаждения может быть расположена в подзонном пространстве, а на отметке, находящейся между горизонтальным экспериментальным каналом и нижним срезом активной зоны, может быть установлена перфорированная перегородка. 2 с. и 2 з.п.ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к ядерной технике и может быть использовано для усовершенствования конструкции бассейновых ядерных реакторов. Целью изобретения является повышение надежности, ядерной и радиационной безопасности реактора и увеличение времени на устранение аварии, вызванной разгерметизацией оболочек подзонного пространства, за счет уменьшения утечек теплоносителя и обеспечения надежного расхолаживания реактора. На чертеже изображена конструкция бассейнового ядерного реактора. Бассейновый ядерный реактор представляет собой конструкцию, содержащую бассейн 1 реактора, заполненный теплоносителем до уровня 2, разделенный перегородкой 3 на надзонное и подзонное пространства 4 и 5 соответственно. Активная зона 6 реактора, расположенная в подзонном пространстве 5 между сплошной перегородкой 3 и перфорированной перегородкой 7, имеет один или несколько горизонтальных экспериментальных каналов (ГЭК) 8 для вывода из активной зоны 6 реактора нейтронного пучка за пределы бассейна 1. В бассейне 1 реактора под уровнем 2 теплоносителя располагается бак 9 аварийного охлаждения, размещенный в надзонном пространстве 4, причем бак 9 может быть разделен на секции, часть которых размещается в подзонном пространстве 5 и заполнена теплоносителем. Бак 9 соединен с подзонным пространством 5 посредством трубопровода 10 с обратным клапаном 11, а также ограничителем 12 расхода. В верхней части бак 9 присоединен к газовакуумной системе 13 посредством трубопровода 14, а при помощи трубопровода 15 с обратным клапаном 16 сообщается с надзонным пространством 4. Трубопроводом 17 бак 9 подключен к штатной системе циркуляции теплоносителя, включающей в себя насос 18, подающий теплоноситель из подзонного пространства 5 по всасывающему трубопроводу 19, напорный трубопровод 20, снабженный, например, двухпозиционным клапаном 21 для подачи теплоносителя как в надзонное пространство 4, так и в бак 9 аварийного охлаждения. В перегородке 3 установлены автоматические клапаны 22 для осуществления режима охлаждения активной зоны естественной циркуляцией теплоносителя. Бассейновый ядерный реактор работает следующим образом. В штатном режиме работы реактора теплоноситель из надзонного пространства 4 проходит через активную зону 6 реактора, охлаждая тепловыделяющие элементы (не показаны), через подзонное пространство 5 и трубопровод 19 насосом 18 подается по напорному трубопроводу 20 через теплообменники второго контура (не показаны) и клапан 21 в надзонное пространство 4. При этом ограничитель 12 расхода открыт, обеспечивая тем самым частичное опорожнение бака 9 аварийного охлаждения за счет разности давлений в баке 9 и подзонном пространстве 5, создаваемой насосом 18. Газовакуумная система 13 может осуществлять удаление продуктов радиолиза теплоносителя через трубопровод 14, а также поддерживать необходимый уровень теплоносителя в секциях бака 9. Направление движения теплоносителя показано стрелками на чертеже. В аварийной ситуации, связанной с прекращением работы насоса 18, теплоноситель поступает из надзонного пространства 4 через активную зону 6 и подзонное пространство 5 в бак 9 аварийного охлаждения по трубопроводу 10 через обратный клапан 11, обеспечивая тем самым принудительное охлаждение активной зоны 6. При этом расход теплоносителя через ограничитель 12 расхода прекращается либо мал по сравнению с расходом через трубопровод 10. После заполнения бака 9, когда остаточное энерговыделение в активной зоне 6 снижено до приемлемого уровня, открываются клапаны 22 и активная зона 6 охлаждается естественной циркуляцией теплоносителя по схеме: надзонное пространство 4 - клапан 22 естественной циркуляции - подзонное пространство 5 - активная зона 6 - надзонное пространство 4. Направление движения теплоносителя в этом случае показано штрихпунктирными стрелками на чертеже. В аварийной ситуации, связанной с разгерметизацией оболочек подзонного пространства 5 или ГЭК 8, теплоноситель из подзонного пространства 5 насосом 18 по трубопроводам 19, 20 и 17 перекачивается в бак 9 аварийного охлаждения путем переключения двухпозиционного клапана 21. При этом сохраняется принудительное охлаждение твэлов активной зоны 6, что исключает возможность их перегрева на первом этапе аварии. Сигнал на срабатывание клапана 21 может поступать от датчиков снижения уровня теплоносителя в бассейне 1 (не показаны). Ограничитель 12 расхода при этом закрывается, клапан 22 закрыт. Уровень 2 теплоносителя снижается до уровня 23, например, при полном заполнении бака 9 и поддерживается постоянным за счет передавливания теплоносителя при помощи газовакуумной системы 13 через трубопровод 15 и клапан 16 в надзонное пространство 4, причем размещение секций бака 9, заполненных теплоносителем, в подзонном пространстве 5 позволяет увеличить время удержания теплоносителя на уровне 23. Уровень 23 выбирается из соображений ядерной и радиационной безопасности, а также условий бескавитационной работы насоса 18. При этом после заполнения бака 9 клапан 21 возвращается в исходное положение, а теплоноситель по штатной системе циркуляции перекачивается насосом из подзонного пространства 5 в надзонное пространство 4. При выбранной схеме расхолаживания реактора поддерживается практически штатная величина давления теплоносителя в подзонном пространстве 5, что обусловлено работой насоса 18, поэтому утечка теплоносителя через негерметичность меньше, чем в случае неработающего насоса 18. Для дальнейшего снижения утечки через разрыв и увеличения тем самым времени на устранение аварии в подзонном пространстве 5 могут быть установлены одна или несколько перфорированных перегородок 7 для создания дополнительного гидравлического сопротивления на пути истекающего теплоносителя. Перфорированные перегородки 7 отсутствуют в области нижнего среза активной зоны 6, всасывающего патрубка насоса 18 и клапана 22 естественной циркуляции, чтобы избежать влияния на штатный режим работы реактора. Утечка теплоносителя в разрыв снижается также за счет изменения уровня столба теплоносителя в бассейне 1 (с уровня 2 до уровня 23) путем уменьшения столба теплоносителя в надзонном пространстве 4. Направление движения теплоносителя в этом случае показано штрихпунктирными стрелками на чертеже. Для прототипа время опорожнения бассейна Т = 2 V_БАС/G, где V_БАС - объем бассейна, м³; G - расход теплоносителя через разрыв, м³/с. Для предлагаемой конструкции в случае, когда насосы после заполнения бака прекращают работу, падение уровня теплоносителя Δh (м) в бассейне 1 реактора составляет Δ h = V_БАК/V_БАС, где V_БАК - объем свободных (незаполненных) секций бака аварийного охлаждения, м³; S_БАС - живое сечение бассейна, м². Расход теплоносителя в разрыв G₃ при этом равен C₃= =, где g - ускорение свободного падения, м/с²; ϕ_а - коэффициент гидравлического сопротивления активной зоны; ϕ_к - коэффициент гидравлического сопротивления тракта утечек; S_а - проходное (живое) сечение активной зоны, м²;
S_к - проходное сечение разрыва, м². Время падения уровня теплоносителя с h - Δh до минимально допустимого из соображений радиационной безопасности h₂, после чего бак начинает подпитывать бассейн и поддерживать уровень, равно
T₁= (h-Δh-h₂)1- . Расход теплоносителя G₄ через разрыв при уровне теплоносителя в бассейне h₂ (м) составляет
G₄=. Время удержания уровня h₂ равно Т₂ = =V_БАК/G₄, после чего уровень теплоносителя в бассейне начнет снова падать и достигает разрыва за время
T₃ = 2h₂ S_БАС/G₄
Полное время Т опорожнения бассейна равно сумме Т₁ + Т₂ + Т₃, но заметив, что Т₁ + Т₃ есть время опорожнения бассейна с уровня h - Δh до уровня разрыва без учета подпитки бака, получим
T = + = + + , где V_С - объем неопорожненных секций бака аварийного охлаждения, м³. Приняв, например,
ϕ_n= 5, ϕ_к = 1,5, S_n= 0,08 м², S_к = 0,053 м²,
V_БАС = 60 м³, V_БАК = 6 м³,
h = 10 м, h₂ = 2 м, получим
для прототипа G = 0,62 м³/с, Т^* = 190 с, где Т^* - время опорожнения бассейна по прототипу;
для описанной конструкции G₃ = 0,37 м³/с, G₄ = 0,17 м³/с;
время опорожнения для описанной конструкции равно
Т = 340 с, Т/Т^* = 1,78. Таким образом, при указанных параметрах в описанном решении по отношению к прототипу время опорожнения бассейна увеличивается в 1,78 раза, т. е. тем самым в ≈1,78 раза увеличивается время на устранение утечек теплоносителя из бассейна реактора. В случае, когда насосы после заполнения бака работают, обеспечивая тем самым определенное, постоянное в процессе опорожнения бассейна через разрыв давление теплоносителя, соответствующее напору h₃ м вод.ст. в подзонном пространстве, до достижения минимально допустимого из соображений радиационной безопасности уровня теплоносителя в бассейне реактора h₂ время полного опорожнения бассейна Т" для описанной конструкции в этом случае определяется следующим образом:
Tʺ = + + . Приняв, например, h₃ = 1 м. вод.ст., а все остальные значения параметров такими же, как в предыдущем примере, получим
T^" = 590 с. Таким образом, при указанных параметрах в описанном техническом решении по отношению к прототипу время опорожнения бассейна увеличивается в 3,1 раза, т. е. тем самым в 3,1 раза увеличивается время на устранение утечек, а также вследствие того, что теплоноситель вытекает в разрыв под меньшим напором, облегчаются работы по устранению аварии. Изобретение сохраняет все преимущества прототипа и позволяет повысить ядерную и радиационную безопасность и надежность работы реактора, а также увеличить запас времени на устранение аварии, связанной с разрывом оболочек подзонного пространства, за счет уменьшения утечки теплоносителя через место разрыва. Кроме того, данное техническое решение позволяет улучшить условия охлаждения твэлов в аварийной ситуации за счет работающего насоса и подпитки теплоносителя из бака аварийного охлаждения; улучшить условия охлаждения твэлов активной зоны при аварии с остановкой насоса за счет регулирования скорости заполнения бака аварийного охлаждения при помощи газовакуумной системы; увеличить объем подзонного пространства, играющего роль естественной задерживающей емкости, за счет поднятия перегородки до уровня или выше верхнего среза активной зоны и размещения в нем секций бака аварийного охлаждения для снижения кислородной активности; дополнительно защитить горизонтальные экспериментальные каналы от нанесения механических повреждений (падение тяжелых предметов в бассейн).

Формула изобретения

1. Бассейновый ядерный реактор, содержащий активную зону с горизонтальными экспериментальными каналами, бак аварийного охлаждения, контур принудительной циркуляции теплоносителя с насосом, перегородку, разделяющую бассейн на надзонное и подзонное пространства и установленную не ниже верхней отметки горизонтального экспериментального канала, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности, ядерной и радиационной безопасности реактора и увеличения времени на устранение аварии, вызванной разгерметизацией оболочек подзонного пространства за счет уменьшения утечек теплоносителя и обеспечения надежного расхолаживания реактора, он снабжен дополнительной магистралью с клапаном, вход в которую расположен в напорной части контура, а выход - в баке аварийного охлаждения, снабженном трубопроводом с клапаном, присоединенным к газовакуумной системе. 2. Реактор по п.1, отличающийся тем, что в подзонном пространстве размещена по крайней мере одна из секций бака аварийного охлаждения, заполненная теплоносителем. 3. Реактор по п.1, отличающийся тем, что в подзонном пространстве не выше нижней отметки горизонтального экспериментального канала, но не ниже нижнего среза активной зоны установлена перфорированная перегородка. 4. Способ аварийного охлаждения бассейнового ядерного реактора, заключающийся в организации принудительной циркуляции теплоносителя из надзонного пространства через активную зону в подзонное пространство и обратно в надзонное пространство за счет напора, создаваемого насосом, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности, ядерной и радиационной безопасности реактора и увеличения времени на устранение аварии, вызванной разгерметизацией подзонного пространства, за счет уменьшения утечек теплоносителя и обеспечения надежного расхолаживания реактора, теплоноситель подают насосом в бак аварийного охлаждения до полного его заполнения, а затем в надзонное пространство, причем уровень теплоносителя в надзонном пространстве после заполнения бака аварийного охлаждения поддерживают постоянным за счет передавливания теплоносителя из бака аварийного охлаждения в надзонное пространство.

РИСУНКИ

Рисунок 1

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Номер и год публикации бюллетеня: 8-2000

Извещение опубликовано: 20.03.2000        

---