Устройство снижения аварийного давления и локализации последствий аварии в защитной оболочке при разгерметизации первого контура судовой (корабельной) атомной энергетической установки

Изобретение относится к судовой (корабельной) атомной энергетике, а более конкретно к технике локализации и ликвидации последствий аварии атомной паропроизводящей установки с водоводяным реактором на надводном судне (корабле).

В судовой (корабельной) атомной энергетике существуют устройства, ограничивающие попадание в атмосферу радионуклидов с паровоздушной смесью при максимальной проектной аварии, обусловленной разрывом трубопровода первого контура.

Существует система ограничения выброса радионуклидов в окружающую среду при аварии на надводном атомном судне (патент RU 141885 от 20.06.2014. МПК G21C 13/10). Эта система позволяет сбросить за несколько секунд при аварии на судне первый пик избыточного давления радиоактивной паровоздушной смеси в окружающую атмосферу и затем локализовать радионуклиды в защитной оболочке и предотвратить выход радионуклидов в окружающую среду. Таким образом, часть радиоактивной паровоздушной смеси все же попадает в атмосферу и загрязняет окружающую среду, что является ее существенным недостатком. Поэтому рассматриваемая система требует доработки при использовании ее в гражданском судостроении для полной локализации продуктов аварии в защитной оболочке атомной энергетической установки.

Известно устройство снижения аварийного давления и локализации последствий аварии в защитной оболочке реактора типа РБМК (Маргулова Т.X. «Атомные электрические станции». М.: Высшая школа, 1978, стр. 190-196, рис. Х. 17). При разгерметизации первого контура одного из реакторов парогазовая смесь поступает в бассейн барботера по перепускным каналам и через парораспределительный коридор, соединенный с аварийным реакторным боксом обратным клапаном. При барботировании и работе спринклерной системы парогазовая смесь частично конденсируется, а неконденсирующаяся часть поступает через парораспределительный коридор в свободный объем барботера и через клапан перетекает в неаварийный реакторный бокс. При этом обратные клапаны: клапан в аварийном боксе и клапан в парораспределительном коллекторе, разделяющий коридор и неаварийный бокс, остаются закрытыми.

Положительным результатом известного решения является снижение аварийного давления и полная локализация радиоактивного выброса внутри защитной оболочки.

Недостатком такого технического решения является то, что оно не может быть применено в судовой (корабельной) конструкции, так как имеет значительные весогабаритные характеристики в связи с использованием толстостенной защитной оболочки, дополнительного объема помещения неаварийного реакторного бокса, парораспределительного коридора и ряда перепускных каналов и больших запасов воды для работы спринклерной системы.

Наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности и принятым за прототип является устройство снижения аварийного давления в защитной оболочке при разгерметизации первого контура судовой ядерной энергетической установки, реализованное на отечественном атомном лихтеровозе (журнал «Морской флот», 1982, №8, стр. 46-47). Устройство установлено в защитной оболочке реакторного блока, содержащего реакторное, аппаратное помещения и коффердам с цистерной барботажа (камера снижения давления - барботер с бассейном и свободным газовым объемом), и состоит из перепускных каналов, соединяющих аппаратное и реакторное помещения с подводным пространством бассейна барботера. При повышении аварийного давления в реакторном или аппаратном помещении паровоздушная смесь по перепускным каналам поступает под слой воды в барботер, в котором пар конденсируется, а несконденсировавшаяся часть собирается в свободном газовом объеме над уровнем воды барботера.

Недостатками прототипа являются его большие весогабаритные характеристики (объемы барботера и аварийных помещений (реакторного или аппаратного) практически соизмеримы) и повышенные требования прочности к конструкции защитной оболочки барботера и других помещений реакторного блока, обусловленные тем, что при постепенном увеличении давления при аварии достигается его значение, равное предельно допустимому, при котором барботер «запирается», то есть перестает снижать давление в аварийном помещении (значения давлений сравниваются), и защитная оболочка аварийного помещения и барботера может находиться под предельно допустимым давлением длительное время, равное периоду ликвидации аварии, т.е. ориентировочно десятки часов, что приводит к высокому риску утечки высокоактивных радионуклидов за пределы защитной оболочки через негерметичности помещений.

Задачей заявляемого изобретения является создание судового (корабельного) устройства снижения аварийного давления и локализации последствий аварии, обеспечивающего повышение при аварии надежности локализации высокоактивных радионуклидов внутри защитной оболочки путем ограничения и эффективного снижения избыточного давления и создания направленной циркуляции паровоздушной смеси в защищаемых помещениях с исключением выбросов радионуклидов в окружающую среду и очистки от радионуклидов атмосферы аппаратного помещения, уменьшение весогабаритных характеристик защитной оболочки, снижение требований к ее прочности.

Поставленная задача решается с помощью того, что устройство снижения аварийного давления и локализации последствий аварии в защитной оболочке при разгерметизации первого контура судовой (корабельной) атомной энергетической установки, размещенное в защитной оболочке реакторного блока, содержащего реакторное, аппаратное помещения и барботер с бассейном и свободным газовым объемом, причем реакторное и аппаратное помещения имеют общую герметичную перегородку, и состоящее из перепускных каналов, соединяющих аппаратное помещение с подводным пространством бассейна барботера, по изобретению дополнено спринклерной системой, включающей размещенные в аппаратном помещении спринклерную установку и датчик давления с уставками, который выполнен с возможностью подачи сигналов на включение и отключение спринклерной установки, кроме того, оно снабжено предохранительными мембранами, установленными в общей герметичной перегородке реакторного и аппаратного помещения и выполненными с возможностью обеспечения выравнивания давления в этих помещениях при аварии в одном из них, при этом перепускные каналы оснащены предохранительными мембранами на входе со стороны аппаратного помещения и обратными воздушными клапанами, установленными на участках перепускных каналов, расположенных в свободном газовом объеме барботера, причем обратные воздушные клапаны выполнены с возможностью срабатывания при достижении заданного уровня перепада аварийного давления между свободным газовым объемом барботера и аппаратным помещением и обеспечения их сообщения друг с другом для создания направленной циркуляции паровоздушной смеси через барботер.

Дополнение устройства спринклерной системой, включающей размещенные в аппаратном помещении спринклерную установку и датчик давления с уставками для запуска и отключения насоса спринклерной установки, позволяет ограничить максимальное аварийное давление величиной уставки срабатывания насоса и снизить до заданного уровня давление парогазовой смеси в аппаратном помещении при аварии путем включения насоса спринклерной установки, очистить атмосферу в нем от радионуклидов и соответственно снизить уровни возможного радиационного воздействия на членов экипажа судна (корабля) и населения, а также снизить требования к прочности защитной оболочки, позволяя проектировать ее на меньшее предельно допустимое давление и соответственно уменьшить весогабаритные характеристики защитной оболочки.

Размещение и оборудование предохранительными мембранами входов перепускных каналов в аппаратном помещении позволяет выполнить при аварии прямое стравливание парогазовой смеси при достижении заданного уровня давления из аварийного помещения в бассейн барботера.

Оснащение перепускных каналов обратными воздушными клапанами, размещенными в свободном газовом объеме барботера, позволяет осуществить при аварии сообщение аппаратного помещения и свободного газового объема барботера и обратный перепуск радиоактивной газовой смеси из свободного газового объема барботера в аппаратное помещение, исключив эффект «запирания» барботера.

Выполнение обратных воздушных клапанов перепускных каналов с возможностью срабатывания при достижении заданного уровня перепада давления между свободным газовым объемом барботера и аппаратным помещением позволяет в конечном итоге обеспечить направленную циркуляцию паровоздушной смеси через барботер с помощью периодического включения/выключения спринклерной установки и срабатывания обратных клапанов, локализуя последствия аварии внутри защитной оболочки.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где на Фиг. 1 представлена структурная схема устройства снижения аварийного давления и локализации последствий аварии в защитной оболочке при разгерметизации первого контура судовой (корабельной) атомной энергетической установки.

Устройство размещено в защитной оболочке 1 реакторного блока, включающего смежные аппаратное 2 и реакторное 3 помещения, барботер 4, имеющий заполненный водой бассейн 5 и свободный газовый объем 6, и состоит из двух перепускных каналов 7 (количество каналов 7 выбирают из соображений надежности) и спринклерной установки 8, размещенной в аппаратном помещении 2. Перепускные каналы 7, соединяющие аппаратное помещение 2 с барботером 4, опущены под уровень воды бассейна 5 барботера 4. Со стороны аппаратного помещения 2 каждый перепускной канал 7 заглушен предохранительной мембраной 9 и снабжен обратным воздушным клапаном 10, установленным на участке канала 7, расположенном в свободном газовом объеме 6 барботера 4. Общая герметичная перегородка между смежными реакторным 2 и аппаратным 3 помещениями оснащена предохранительными мембранами 11 и 12. В аппаратном помещении 2 установлен датчик давления (не показан) с уставками на включение и отключение насоса (не показан) спринклерной установки 8 в составе спринклерной системы (не показана).

Устройство снижения аварийного давления и локализации последствий аварии в защитной оболочке при разгерметизации первого контура судовой (корабельной) атомной энергетической установки работает следующим образом.

Аварийный разрыв трубопровода атомной энергетической установки в аппаратном 2 или реакторном 3 помещении обусловливает поступление теплоносителя и газа из первого контура в аварийное помещение и сопровождается ростом в нем давления. При превышении перепада давления между смежными помещениями 2 и 3 срабатывает одна из предохранительных мембран (11 или 12), в зависимости от расположения места разрыва трубопровода, соединяющая аппаратное 2 и реакторное 3 помещения. При этом происходит стравливание парогазовой смеси из аварийного помещения в смежное и давление в помещениях 2 и 3 выравнивается. Конструктивная целостность герметичной перегородки между помещениями 2 и 3, на которой размещены мембраны 11 и 12, в процессе аварии не нарушается.

В случае дальнейшего повышения давления в помещениях 2 и 3 срабатывают предохранительные мембраны 9 на каждом перепускном канале 7, при этом происходит прямое стравливание парогазовой смеси из аппаратного помещения 2 в бассейн 5 барботера 4 через перепускные каналы 7. Пар при барботировании через слой воды конденсируется, а неконденсирующийся газ скапливается в свободном газовом объеме 6 барботера 4, что приводит к росту в нем давления. На этом этапе аварии клапаны 10 закрыты.

Если давление в помещениях 2 и 3 продолжает повышаться, то после выравнивания избыточного давления в аварийных помещениях 2, 3 и в свободном газовом объеме 6 барботера 4 и достижения им заданного уровня (меньше предельно допустимого значения) датчик давления в соответствии с первой уставкой выдает сигнал на включение насоса спринклерной установки 8, которая обеспечивает снижение давления в аварийных помещениях 2 и 3 за счет интенсивной конденсации пара в помещении 2. Когда давление в аварийных помещениях 2 и 3 оказывается меньше, чем в свободном газовом объеме 6 барботера 4 и разность давлений достигает заданного уровня, определяемого конструкцией клапанов 10, клапаны 10 открываются, что обеспечивает обратный перепуск газа из свободного газового объема 6 барботера 4 в аппаратное помещение 2 (и соответственно в помещение 3).

После снижения давления в помещениях 2 и 3 до второй уставки датчик давления выдает сигнал на выключение насоса спринклерной установки 8. При продолжающемся истечении теплоносителя первого контура давление в аварийных помещениях 2 и 3 начинает расти, и при превышении им значения давления в свободном газовом объеме 6 барботера клапаны 10 закрываются, при этом перепускные каналы 7 готовы к работе по прямому циклу снижения аварийного давления.

Таким образом, благодаря перепускным каналам 7 создается направленная циркуляция паровоздушной смеси через барботер с помощью периодического включения/выключения спринклерной системы 8 и срабатывания обратных клапанов 10, что позволяет ограничить избыточное аварийное давление в помещениях 2 и 3 защитной оболочки атомной энергетической установки пределами, зависящими от заданных уставок, и снизить утечку высокоактивных радионуклидов в окружающее пространство через негерметичности аварийных помещений.

Использование предлагаемого устройства снижения аварийного давления и локализации последствий аварии в защитной оболочке при разгерметизации первого контура судовой (корабельной) атомной энергетической установки позволяет получить следующие положительные результаты:

- снизить давление и локализовать последствия аварии внутри защитной оболочки;

- исключить выброс радионуклидов в окружающую среду;

- обеспечить эффективную работу барботера по снижению давления в течение всего времени протекания аварии, исключив эффект «запирания» барботера;

- снизить уровни возможного радиационного воздействия на членов экипажа судна (корабля) и населения за счет снижения утечки радионуклидов в окружающую среду путем уменьшения времени нахождения защитной оболочки при большом избыточном давлении и очистки от радионуклидов атмосферы аппаратного помещения путем ее орошения спринклерной системой;

- снизить требования к прочности защитной оболочки, позволяя проектировать ее на меньшее предельно допустимое давление;

- уменьшить весогабаритные характеристики защитной оболочки и ее элементов.