Защитная оболочка (варианты) и способ эксплуатации конденсатора в ядерной энергетической установке
Изобретение относится к области атомной техники. Сущность изобретения: защитная оболочка ядерной энергетической установки содержит внутреннее пространство с конденсационной камерой, камерой высокого давления, бассейном реактора и отводную трубу. Она также снабжена конденсатором, соединенным с камерой высокого давления. Отводная труба является элементом внутреннего пространства и соединяет камеру высокого давления с конденсационной камерой. Конденсатор может быть расположен в камере высокого давления, при этом верхний конец отводной трубы расположен выше него. Способ эксплуатации конденсатора в ядерной энергетической установке заключается в том, что неконденсирующиеся газы автоматически отводят из области выше конденсатора. Преимущество изобретения состоит в повышении безопасности при эксплуатации ядерно-технических установок. 3 с. и 10 з.п. ф-лы, 1 ил.
Настоящее изобретение относится к защитной оболочке ядерной энергетической установки: варианты с конденсационной камерой, камерой высокого давления и с расположенным в верхней области камеры высокого давления конденсатором, а также к способу эксплуатации конденсатора в ядерной энергетической установке.
Современные концепции по безопасности в ядерно-технических установках задуманы таким образом, чтобы в случае аварий были ограничены влияния на ядерную энергетическую установку и нагрузка на окружающую среду. Существенным пунктом при этом является, что для каждой рабочей ситуации обеспечено достаточное охлаждение важных компонентов ядерной энергетической установки. Для повышения безопасности предусмотренные для охлаждения устройства аварийного охлаждения, как правило, выполнены в виде пассивных конструкционных элементов, которые являются работоспособными независимо от внешних источников энергии и исключительно за счет физических закономерностей.
Из статьи "SWR 1000 -- кипящий реактор будущего", в Siemens Power Journal, стр.18-22, февраль 1996, Сименс АГ, Германия, номер заказа A96001-U90-A314, известен инновативный замысел конструкции и безопасности для кипящего реактора. В описанном там кипящем реакторе корпус реактора под давлением расположен центрально в защитной, т.е. противоаварийной оболочке. Для аварийного охлаждения кипящего реактора во внутреннем пространстве защитной оболочки предусмотрены замкнутая конденсационная камера и расположенный над ним бассейн реактора. Он является открытым в направлении к центральной области, в которой расположен корпус реактора под давлением. Бассейн реактора образует с центральной областью камеру высокого давления. Выше бассейна реактора, то есть в верхней области камеры высокого давления или, соответственно, защитной оболочки расположен так называемый конденсатор здания. Конденсатор здания находится в соединении с охлаждающей жидкостью расположенного над защитной оболочкой бассейна охлаждения и служит для отвода тепла из камеры высокого давления.
Коэффициент полезного действия конденсатора здания реагирует чувствительно на наличие неконденсирующихся газов, как азот или водород, причем последний может возникать при тяжелых авариях. Дело в том, что неконденсирующиеся газы уменьшают способность конденсатора здания отводить тепло от возможно имеющегося в камере высокого давления пара в бассейн охлаждения. Водород вследствие своего малого удельного веса скапливается в верхней области камеры высокого давления так, что именно в окружающей конденсатор здания среде может иметься высокая концентрация неконденсирующихся газов. Вследствие недостаточного в этом случае теплоотвода через конденсатор здания высокая концентрация приводит к повышению давления в защитной оболочке.
Для теплоотвода из камеры высокого давления в случае аварии известны замыслы, в которых камера высокого давления соединена через путь потока с конденсатором, который расположен в бассейне охлаждения, который находится, например, на защитной оболочке. Через этот путь потока находящийся в случае аварии в камере высокого давления горячий пар попадает вместе с неконденсирующимися газами в конденсатор. Там пар за счет теплоотдачи на бассейне охлаждения охлаждается и конденсируется. Таким образом в конденсаторе образуется смесь из жидкости и неконденсирующихся газов. С тем чтобы радиоактивность не могла попасть в окружающую среду, смесь снова вводят в защитную оболочку. Как правило, предусмотрено устройство разделения газа и жидкости, чтобы отделить неконденсирующиеся газы. Они направляются в конденсационную камеру и заключаются там, чтобы они не могли снова выходить в камеру высокого давления. Жидкость по выбору привлекают для охлаждения корпуса реактора под давлением или также направляют в конденсационную камеру. Для этого в соответствующих трубопроводах часто используют управляющие клапаны. Эта концепция или сравнимые концепции для теплоотвода в случае аварии описаны, например, в US-PS 5102617, US-PS 5149492, US-PS
5570401, ЕР 0681300 А1 и ЕР 0620560 A1. Для всех известных концепций является общим то, что подлежащий охлаждению пар направляют в конденсатор вместе с неконденсирующимися газами.
Из ЕР 0492899 A1 известно предусматривать между конденсационной камерой и камерой высокого давления путь потока. Начиная с определенной разницы давления между этими обеими камерами путь потока автоматически открывается, чтобы вводить в случае аварии для теплоотвода и для снижения давления горячий пар в конденсационную камеру. Путь потока выполнен в виде U-образной трубы, которую можно также обозначить как конденсационная труба. Оба колена U-образной трубы с их соответствующими отверстиями расположены внутри камеры высокого давления или, соответственно, внутри конденсационной камеры. В U-образном или подобном сифону изгибе находится жидкость так, что образованный U-образной трубой путь потока является закрытым, пока давление в камере высокого давления не лежит существенно выше, чем давление в конденсационной камере.
В основе настоящего изобретения лежит задача указания защитной оболочки ядерной энергетической установки с конденсатором, а также способа для эксплуатации конденсатора, причем коэффициент полезного действия конденсатора в основном не ухудшается за счет неконденсирующихся газов.
Направленная на защитную оболочку задача согласно первой форме выполнения решается согласно изобретению за счет того, что защитная оболочка содержит конденсационную камеру, камеру высокого давления, а также конденсатор, который находится в соединении с камерой высокого давления, причем предусмотрена расположенная внутри защитной оболочки отводная труба, которая гидродинамически соединяет верхнюю область камеры высокого давления с конденсационной камерой.
Согласно второй форме выполнения направленная на защитную оболочку задача согласно изобретению решается за счет того, что во внутреннем пространстве защитной оболочки предусмотрены конденсатор и отводная труба, которая гидродинамически соединяет область вокруг конденсатора с конденсационной камерой.
В основе обеих форм выполнения лежит общий изобретательский замысел - обеспечить высокий коэффициент полезного действия конденсатора за счет того, что предотвращают, чтобы неконденсирующиеся газы в слишком высокой концентрации вступали в контакт с конденсатором. Принципиально конденсатор может быть расположен как внутри, так и снаружи камеры высокого давления. Если он расположен снаружи камеры высокого давления, то к нему направляют горячий пар из верхней области камеры высокого давления через путь потока. Согласно первой форме выполнения неконденсирующиеся газы вначале через отводную трубу отводят из камеры высокого давления в конденсационную камеру. В случае конденсатора, расположенного внутри камеры высокого давления, согласно второй форме выполнения предусмотрено, что неконденсирующиеся газы отводят непосредственно из окружающей среды конденсатора с помощью отводной трубы. Конденсатор при этом расположен, в частности, в верхней области камеры высокого давления.
Для обеих форм выполнения является общим, что отводная труба выполнена в виде простой трубы и расположена полностью внутри защитной оболочки. Отводной трубой создано непосредственное и прямое соединение между камерой высокого давления и конденсационной камерой. В образованный отводной трубой путь потока не включены, в частности, никакие другие компоненты.
За счет расположения отводной трубы таким образом в обеих формах выполнения неконденсирующиеся газы нацеленно и прямым путем отводят в конденсационную камеру. Конденсационная камера заполнена до некоторого уровня охлаждающей жидкостью, которая образует так называемый водяной затвор.
Неконденсирующиеся газы представляют собой, например, водород или инертные газы, как воздух или азот. Воздух или азот сравнительно хорошо смешиваются в области конденсатора с паром. Способность конденсатора к теплоотводу может за счет этого существенно ухудшаться. Тогда вследствие меньшего теплоотвода повышается давление в камере высокого давления, а именно так долго, пока смесь пара и инертного газа автоматически перетекает по отводной трубе в конденсационную камеру. Там пар конденсируется в водяном затворе, а неконденсирующиеся газы остаются в газовом пространстве конденсационной камеры. Смесь пара и инертного газа течет в конденсационную камеру так долго, пока концентрация неконденсирующихся газов уменьшится настолько, что конденсатор может опять отводить все подведенное тепло.
Если имеется водород, то он вследствие своего малого удельного веса скапливается в верхней области камеры высокого давления. При наличии большого количества водорода конденсатор окружен водородом. Тогда коэффициент полезного действия конденсатора существенно ухудшен и теплоотвод через конденсатор является малым. Как следствие по сравнению с присутствием инертных газов это приводит к повышению давления в камере высокого давления и к перетеканию почти чистого водорода в конденсационную камеру. Таким образом большая часть водорода направляется в конденсационную камеру. После оттекания водорода конденсатор снова преимущественно окружен паром и может хорошо отводить тепло пара.
Неконденсирующиеся газы остаются в конденсационной камере, которая в значительной степени закрыта относительно камеры высокого давления, и не могут проникнуть в камеру высокого давления. Концентрация неконденсирующихся газов в области конденсатора поэтому остается малой. Следовательно, обеспечивается то, что неконденсирующимися газами в основном не оказывается отрицательного влияния на принцип работы конденсатора.
Существенное преимущество расположения отводной трубы заключается в том, что конденсатор конструктивно может быть выполнен простым. В частности, достаточным является рассчитывать его теплообменную емкость для примерно чистого насыщенного пара. Теплообменную поверхность конденсатора поэтому можно выполнять проще и меньше, чем при отсутствии отводной трубы. Как правило, теплообменные поверхности являются трубами, которые установлены в компактные теплообменные секции.
Дальнейшим преимуществом является то, что для аккумулирования освобожденного, например, при аварии водорода в распоряжении стоит все газовое пространство конденсационной камеры. При аварии нарастание давления в защитной оболочке является поэтому меньшим, чем при отсутствии возможности перетекания для водорода по отводной трубе.
Предпочтительно верхний конец отводной трубы расположен выше конденсатора так, что водород, который вследствие своего малого удельного веса скапливается в верхней области камеры высокого давления выше конденсатора, может нацеленно отводиться.
Чтобы сделать возможным особенно простое выполнение отводной трубы, а также не требующую технического обслуживания и надежную работу отводной трубы, она предпочтительно образует постоянно открытый путь потока. Таким образом в отводной трубе не предусмотрены никакие клапаны, задвижки или подобные запорные механизмы.
В предпочтительной форме выполнения нижний конец отводной трубы погружен в охлаждающуюся жидкость конденсационной камеры. Таким образом пар, который направляется с неконденсирующимися газами по отводной трубе в конденсационную камеру, конденсируется непосредственно с направлением в конденсационную камеру.
В другой предпочтительной форме выполнения нижний конец отводной трубы впадает выше конденсационной трубы, которая ведет, например, от камеры высокого давления в охлаждающую жидкость. Такие конденсационные трубы предусмотрены, чтобы направлять большие количества пара из камеры высокого давления в конденсационную камеру и там конденсировать так, что давление в камере высокого давления и тем самым в защитной оболочке снижается. Конденсационная труба согласно этому погружается в охлаждающую жидкость конденсационной камеры глубже, чем отводная труба, а в отводной трубе имеется меньший водяной столб, чем в конденсационной трубе. Меньшая глубина погружения отводной трубы вызывает то, что при малых авариях с малым выходом пара пар в конденсационную камеру переводится только через отводную трубу, в то время как существенно большие конденсационные трубы остаются закрытыми водяными пробками.
Предпочтительным образом конденсатор гидродинамически находится в соединении с внешним бассейном охлаждения. Такой конденсатор обозначают также как конденсатор здания. Через него тепло из защитной оболочки может отдаваться в окружающую среду защитной оболочки. Бассейн охлаждения может быть при этом расположен на оболочке, в частности, снаружи защитной оболочки.
Направленная на способ для эксплуатации конденсатора в ядерной энергетической установке задача решается согласно изобретению за счет того, что неконденсирующиеся газы отводятся из окрестности конденсатора самостоятельно так, что неконденсирующиеся газы в основном не оказывают влияния на его коэффициент полезного действия.
Другие предпочтительные формы выполнения способа следуют из зависимых пунктов формулы изобретения. Указанные для способа преимущества являются справедливыми по смыслу также относительно защитной оболочки.
Пример выполнения изобретения поясняется в последующем более подробно с помощью чертежа, на котором показано схематическое сечение через защитную оболочку ядерной энергетической установки с кипящим реактором с расположенным над ним бассейном охлаждения.
Центрально в замкнутой защитной оболочке 1, которую обозначают также как противоаварийная оболочка, расположен корпус реактора под давлением 2. Сбоку рядом с корпусом реактора под давлением 2 в защитной оболочке 1 в качестве дальнейшего встроенного оборудования предусмотрены конденсационная камера 4 и расположенный над ней бассейн реактора 8. Бассейн реактора 8 открыт наверх в направлении к внутреннему пространству защитной оболочки 1. Внутреннее пространство обозначается также как камера высокого давления 6. Она образует с бассейном реактора 8 общее пространство высокого давления.
Конденсационная камера 4 и бассейн реактора 8 соответственно заполнены частично охлаждающей жидкостью f, в частности, водой до определенного уровня заполнения n. Максимальный уровень заполнения n в бассейне реактора 8 определен верхним концом перепускной трубы 10. Перепускная труба 10 соединяет бассейн реактора 8 с конденсационной камерой 4 и впадает в охлаждающую жидкость f конденсационной камеры 4. Как только превышен максимальный уровень заполнения n, охлаждающая жидкость f течет от бассейна реактора 8 в конденсационную камеру 4. Бассейн реактора 8 далее через трубопровод затопления 12 соединен с корпусом реактора под давлением 2 и может снабжать его в случае аварии достаточным количеством охлаждающей жидкости f.
Конденсационная камера 4 является в основном замкнутой относительно камеры высокого давления 6. Она находится в соединении с камерой высокого давления 6 только через конденсационную трубу 14. Конденсационная труба 14 погружается в охлаждающую жидкость f конденсационной камеры 4 так, что между конденсационной камерой 4 и камерой высокого давления 6 нет никакого газового обмена. Конденсационная труба 14 в основном закрыта водяной пробкой 15, которая образована водяным столбом в конденсационной трубе 14. Только в случае аварии, когда давление в камере высокого давления 6 возрастает, через конденсационную трубу 14 течет пар для конденсации в конденсационную камеру 4.
В левой половине чертежа в верхней области защитной оболочки 1 и тем самым в верхней области камеры высокого давления 6 расположен конденсатор 16, который обозначают как конденсатор здания. Конденсатор 16 выполнен в виде теплообменника с теплообменными трубами и стоит гидродинамически в соединении с бассейном охлаждения 18. Конденсатор 16 в принципе может быть расположен также в этом бассейне охлаждения 18 вне защитной оболочки 1 и быть соединенным через трубопроводы с внутренним пространством защитной оболочки 1, в частности, камеры высокого давления 6. Бассейн охлаждения 18 расположен вне защитной оболочки 1 на ее крышке 20. Конденсатор 16 принимает тепло из своего окружения внутри защитной оболочки 1 и направляет его дальше к бассейну охлаждения 18. За счет этого тепло может отдаваться из защитной оболочки 1 во внешнюю окружающую среду.
Предпочтительно в области конденсатора 16 расположена отводная труба 22. Существенным является, что ее верхний конец 24 расположен в верхней области камеры высокого давления 6 и, в частности, на уровне выше конденсатора 16. Ее нижний конец 26 впадает в охлаждающую жидкость f конденсационной камеры 4. Отводная труба 22 выполнена в виде простой трубы без встроенного оборудования, которая образует открытый путь потока от камеры высокого давления 6 в охлаждающую жидкость f конденсационной камеры 4. Без встроенного оборудования при этом означает, что никакие клапаны или другие арматуры или компоненты не включены в путь потока.
Глубина погружения отводной трубы 22 в охлаждающую жидкость f является меньше, чем таковая перепускной трубы 10 и конденсационной трубы 14, которая имеет значительно большую площадь поперечного сечения, чем отводная труба 22. Нижний конец 26 отводной трубы 22 поэтому расположен выше соответствующих выходных отверстий 28 конденсационной трубы 14 или, соответственно, перепускной трубы 10.
В случае аварии, например, при разрыве паропровода в защитной оболочке 1 и связанным с этим выходом пара температура и давление в защитной оболочке 1 возрастают. Посредством различных устройств аварийного охлаждения, из которых на Фигуре показаны только конденсатор 16 и бассейн реактора 8 с соответствующим трубопроводом затопления 12, обеспечивается, что конечное давление при аварии в защитной оболочке 1 не превышает допустимого граничного значения. Это достигается в первую очередь за счет охлаждения и конденсации пара. Важную роль при этом играет конденсатор 16, которым тепло из защитной оболочки 1 можно отводить наружу.
В процессе аварии при некоторых условиях высвобождаются неконденсирующиеся газы, в частности, водород, который скапливается в верхней области защитной оболочки 1, то есть в верхней области камеры высокого давления 6. Неконденсирующиеся газы собираются в верхней области камеры высокого давления 6 и приводят к повышению давления в защитной оболочке 1. Вследствие расположения отводной трубы 22 и повышенного давления в области верхнего конца 24 имеющаяся там смесь из пара и неконденсирующихся газов через отводную трубу 22 вытекает из верхней области камеры высокого давления 6 в конденсационную камеру 4. Текущий вместе пар конденсируется в конденсационной камере 4. За счет отводной трубы 22 в области вокруг конденсатора 16 поэтому избегается скопление неконденсирующихся газов, в распоряжении которых стоит все газовое пространство в конденсационной камере 4.
В принципе неконденсирующиеся газы ухудшают коэффициент полезного действия конденсатора 16 за счет того, что они существенно уменьшают теплообменную способность конденсатора 16. При наличии неконденсирующихся газов теплообменник 16 может отводить в единицу времени и площади значительно меньше тепла из пара к бассейну охлаждения 18, чем при отсутствии неконденсирующихся газов. Так как они отводятся из окружающей среды конденсатора 16, конденсатор 16 может быть рассчитан для насыщенного пара. Он не должен содержать таким образом большие и специально выполненные теплообменные поверхности, которые были бы обязательно необходимыми при наличии неконденсирующихся газов, чтобы иметь возможность отводить достаточное количество тепла. Конденсатор 16 может быть поэтому выполнен простым, компактным и тем самым экономичным с точки зрения расходов.
Вследствие небольшой глубины погружения отводной трубы 22 по сравнению с глубиной погружения конденсационной трубы 14 пар из камеры высокого давления 6 в конденсационную камеру 4 будет втекать исключительно по отводной трубе 22, пока в камере высокого давления 6 существует только незначительное избыточное давление по сравнению с давлением в конденсационной камере 4. Только при больших разницах давления между камерой высокого давления 6 и конденсационной камерой 4, которые появляются только кратковременно в исключительных случаях, пар через конденсационную трубу 14 может втекать в конденсационную камеру 4. Конденсационная труба 14 имеет большее поперечное сечение потока и поэтому позволяет направлять в конденсационную камеру 4 в кратчайшее время очень большие количества пара для конденсации.
Согласно настоящей новой идее в защитной оболочке 1 с конденсатором 16 неконденсирующиеся газы из области действия конденсатора 16 автоматически отводятся через путь потока в конденсационную камеру 4. Путь потока при этом образован простой отводной трубой 22. Принцип действия отводной трубы 22 является чисто пассивным так, что не требуются никакие внешние управляющие воздействия. Отводная труба 22 не требует никаких подвижных компонентов и поэтому не требует технического обслуживания. За счет расположения отводной трубы 22 обеспечивается принцип действия конденсатора 16 так, что он конструктивно может быть выполнен простым.
1. Защитная оболочка (1) ядерной энергетической установки, содержащая внутреннее пространство с конденсационной камерой (4), камерой высокого давления (6), бассейном реактора (8), отводную трубу (22) и конденсатор (16), который расположен вне камеры высокого давления (6), но находится в соединении с ней, отличающаяся тем, что отводная труба (22) является элементом внутреннего пространства и соединяет камеру высокого давления (6) с конденсационной камерой (4).
2. Защитная оболочка (1) по п.1, отличающаяся тем, что отводная труба (22) выполнена в виде трубы без встроенного оборудования.
3. Защитная оболочка (1) по п.1, отличающаяся тем, что конденсационная камера (4) содержит охлаждающую жидкость (f), в которую погружен нижний конец (26) отводной трубы (22).
4. Защитная оболочка (1) по п.1, отличающаяся тем, что предусмотрена конденсационная труба (14), ведущая в конденсационную камеру (4), причем конденсационная труба (14) кончается ниже нижнего конца (26) отводной трубы (22).
5. Защитная оболочка (1) по п.1, отличающаяся тем, что конденсатор (16) находится в соединении с бассейном охлаждения (18).
6. Защитная оболочка (1) ядерной энергетической установки, содержащая внутреннее пространство с конденсационной камерой (4), камерой высокого давления (6), бассейном реактора (8), отводную трубу (22) для неконденсирующихся газов и расположенный в камере высокого давления конденсатор (16), отличающаяся тем, что отводная труба (22) соединяет область камеры высокого давления (6), в которой расположен конденсатор (16), с конденсационной камерой (4), причем верхний конец (24) отводной трубы (22) расположен выше конденсатора (16).
7. Защитная оболочка (1) по п.6, отличающаяся тем, что отводная труба (22) выполнена в виде трубы без встроенного оборудования.
8. Защитная оболочка (1) по п.6, отличающаяся тем, что конденсационная камера (4) содержит охлаждающую жидкость (f), в которую погружен нижний конец (26) отводной трубы (22).
9. Защитная оболочка (1) по п.6, отличающаяся тем, что предусмотрена конденсационная труба (14), ведущая в конденсационную камеру (4), причем конденсационная труба (14) кончается ниже нижнего конца (26) отводной трубы (22).
10. Защитная оболочка (1) по п.6, отличающаяся тем, что конденсатор (16) находится в соединении с бассейном охлаждения (18).
11. Способ эксплуатации конденсатора (16) в ядерной энергетической установке, отличающийся тем, что неконденсирующиеся газы автоматически отводят из области выше конденсатора (16).
12. Способ по п.11, отличающийся тем, что неконденсирующиеся газы направляют в конденсационную камеру (4), в частности, в охлаждающую жидкость (f), находящуюся в конденсационной камере (4).
13. Способ по п.11 или 12, отличающийся тем, что неконденсирующиеся газы выводят через нижний конец (26) отводной трубы (22), расположенный выше выходного отверстия (28) конденсационной трубы (14), в находящуюся в конденсационной камере (4) охлаждающую жидкость (f).
