УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВОЗДУШНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ СИСТЕМЫ ПАССИВНОГО ОТВОДА ТЕПЛА ОТ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА

Изобретение относится к области атомной энергетики, а именно к атомным электростанциям, и может быть использовано в ядерных энергоблоках, имеющих систему пассивного отвода тепла (СПОТ) от первого контура реактора атмосферным воздухом независимо от погодных условий.

Известно устройство отвода тепла от ядерного реактора, содержащее парогенератор, соединенный с активной системой отвода тепла, имеющей брызгальный бассейн или градирню, где от реактора отводится тепло к окружающему воздуху (см. книгу Ф.Я.Овчинников, В.В.Семенов «Эксплуатационные режимы водо-водяных энергетических реакторов». Москва, 1988 г., стр.171-176).

В случае необходимости лишнее тепло отводится от реактора активной системой охлаждения, в которой применяются электродвигатели. Однако если произойдет непроектируемая авария, повлекшая за собой полное отключение электропитания электродвигателей, то активная система охлаждения не сможет отводить тепло от реактора.

Основным недостатком активной системы отвода тепла является необходимость включения в работу устройств, требующих электропитания для электродвигателей, насосов, вентиляторов, приводов задвижек и т.д.

Согласно основополагающим документам по «Общим правилам безопасности атомных станций» (ОПБ 88/97 п.4.1.7) при аварийных остановах энергоблоков и атомных станций остаточное тепло целесообразно отводить от реакторной установки непосредственно к конечному теплоносителю - воздуху пассивным образом.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому объекту изобретения является устройство для воздушного охлаждения системы пассивного отвода тепла от ядерного реактора, содержащее концентрично установленный на наружной стенке защитной оболочки входной воздушный торообразный коллектор для образования нижнего выравнивающего объема, воздухозаборную кольцевую щель, выполненную в нижней части торообразного коллектора, дефлектор с выходным воздушным цилиндрическим коллектором, расположенные на куполе защитной оболочки, и образующие верхний выравнивающий объем вертикально смонтированные воздуховоды, соединяющие между собой нижний и верхний выравнивающие объемы, и теплообменники для охлаждения ядерного реактора, установленные на входе в воздуховодах в местах их соединения с входным воздушным торообразным коллектором (см. патент РФ №2072571, опубл. 1997г.).

Суть изобретения заключается в том, что при открытии воздушных заслонок, расположенных в воздуховодах, тепло от реактора через парогенератор и воздушные теплообменники передается атмосферному воздуху.

В этом устройстве поток атмосферного воздуха, охлаждающего теплообменники, входит в воздушный тракт через кольцевую воздухозаборную щель, расположенную в нижней части входного торообразного коллектора. Назначением входного торообразного коллектора является выравнивание давления перед воздушными теплообменниками, расположенными по окружности на защитной оболочке, независимой от направления ветра.

При обтекании воздухом здания АЭС, имеющего цилиндрическую форму, на входе в воздухозаборную щель, которая выполнена в нижней части торообразного коллектора, создается неравномерное поле статического давления с максимальным значением в лобовой части и минимальным - в зоне наибольшей скорости, что затрудняет подачу воздуха к теплообменникам. Следствием нижнего расположения воздухозаборной щели является консольная компоновка на наружной защитной оболочке АЭС оборудования системы пассивного отвода тепла общим весом в сотни тонн. Это ведет к увеличению габаритных размеров здания АЭС, повышает требования к прочности строительных конструкций и, в конечном счете, увеличивает стоимость АЭС.

Специально проведенные исследования по обдуву макета здания АЭС в аэродинамической трубе показали, что в ветровом потоке, обтекающем здание АЭС, по периметру здания формируется неравномерное поле давления, под воздействием которого в отдельных воздуховодах СПОТ, в случае их незащищенности от ветра, может произойти опрокидывание потока воздуха и, как следствие, снижение мощности СПОТ. Так, согласно книге (И.Л.Повх «Аэродинамический эксперимент в машиностроении». Ленинград. «Машиностроение». Ленинградское отделение. 1974 г., стр.480), при скорости ветра - 10 м/с, температуре воздуха - 20°С разность давлений между лобовой и боковыми точками составляет 3 ρν²/2≈180 Па, что сравнимо с нивелирным температурным напором, который в таких системах обычно составляет 80-200 Па (см. Сборник трудов ФГУП «Атомэнергопроект» М.М.Григорьев, Л.В.Егорова «Определение давления в межоболочечном пространстве и расходных характеристиках пассивной системы фильтрации с учетом неплотности оболочек». Вып.5, 2004).

Задачей данного изобретения является повышение надежности работы воздушной системы пассивного отвода тепла при любых ветровых нагрузках и обеспечение компактности конструкции.

Для выполнения поставленной задачи предложено устройство для воздушного охлаждения системы пассивного отвода тепла от ядерного реактора, содержащее концентрично установленный на наружной стенке защитной оболочки торообразный входной воздушный коллектор для образования нижнего выравнивающего объема, воздухозаборную кольцеобразную щель, выполненную в торообразном входном воздушном коллекторе, дефлектор с выходным воздушным коллектором, расположенные на куполе защитной оболочки, вертикально смонтированные воздуховоды, нижние участки которых сообщены с торообразным входным воздушным коллектором, а верхние - с выходным воздушным коллектором, образующим верхний выравнивающий объем, и теплообменники для охлаждения ядерного реактора, установленные в воздуховодах на участках их сообщения с торообразным входным воздушным коллектором. Согласно изобретению устройство снабжено концентрично и вертикально установленным на торообразном входном воздушном коллекторе кольцеобразным экраном, а воздухозаборная кольцеобразная щель выполнена в боковой поверхности торообразного входного воздушного коллектора напротив экрана симметрично, между его верхней и нижней кромками.

Выполнение воздухозаборной щели на боковой поверхности торообразного входного коллектора и установка кольцеобразного экрана обеспечивает уменьшение возмущающих факторов, воздействующих на воздушный поток перед воздухозаборной щелью, так как набегающие и обтекающие потоки воздуха не воздействуют на воздухозаборную щель, которая располагается в «тени» защитного экрана, и между защитным экраном и воздухозаборной щелью создается дополнительная буферная зона для предварительного выравнивания давления на входе в воздухозаборную щель.

Суть изобретения поясняется чертежами, где

на фиг.1 показана схема устройства подачи воздуха в воздушную систему пассивного отвода тепла, смонтированную на здании АЭС;

на фиг.2 - расположение воздухозаборной щели на входном торообразном коллекторе;

на фиг.3 - ветровой поток обтекания здания;

на фиг.4 - ветровой поток обтекания купола здания оболочки.

Устройство для воздушного охлаждения системы пассивного отвода тепла от ядерного реактора состоит из концентрично установленного на наружной стенке 1 защитной оболочки торообразного входного воздушного коллектора 2, внутренняя полость которого образует нижний выравнивающий объем 3. На торообразном воздушном коллекторе 2 концентрично и вертикально установлен кольцеобразный экран 4, внутренняя плоскость которого расположена параллельно боковой поверхности 5 коллектора 2. На боковой поверхности 5 коллектора 2 напротив экрана 4 симметрично его верхней 6 и нижней 7 кромкам выполнена воздухозаборная кольцеобразная щель 8. Над куполом 9 защитной оболочки смонтирован дефлектор, внутри полости патрубка 10 которого смонтирован выходной воздушный коллектор 11, образующий верхний выравнивающий объем 12. Между нижним выравнивающим объемом 3 коллектора 2 и верхним выравнивающим объемом 12 коллектора 11 вертикально, радиально и по форме купола 9 защитной оболочки смонтированы воздуховоды 13. Нижние участки воздуховодов 13 сообщены с нижним выравнивающим объемом 3 коллектора 2, а верхние участки воздуховодов 13 объединены в пучок и сообщены с верхним выравнивающим объемом 12 коллектора 11. В воздуховодах 13 на участках их сообщения с входным воздушным торообразным коллектором 2 установлены воздушные теплообменники 14, которые паровым 15 и конденсатным 16 трактами соединены с парогенератором 17 реактора 18. Над и под теплообменниками 14 располагаются воздушные заслонки 19 и 20, установленные соответственно в верхнем 21 и нижнем 22 проемах. Высота воздуховодов 6 выбрана так, чтобы обеспечивалась проектная мощность СПОТ.

Устройство для воздушного охлаждения системы пассивного отвода тепла от ядерного реактора, преимущественно для блоков ВВЭР, работает в двух основных режимах: в режиме ожидания и в режиме расхолаживания ядерного реактора 18. В режиме ожидания давление и температура пара в теплообменниках 14 равны давлению и температуре насыщенного пара в парогенераторе 17. Воздушные заслонки 19 и 20 закрыты, но за счет поступления воздуха через проектные зазоры в заслонках 19 и 20 воздух в воздуховодах 13 прогрет до температуры, немного меньшей температуры насыщенного пара в парогенераторе 17. Поэтому устройство постоянно готово к работе. Режим расхолаживания ядерного реактора 18 по длительности является относительно кратковременным, но основным по безопасности. Включение в работу системы пассивного отвода тепла от ядерного реактора 18 осуществляется открытием заслонок 19 и 20 по сигналу с пульта управления или по факту обесточивания любой из секций безопасности. При этом воздух в воздуховодах 13 прогрет и существует начальный нивелирный напор, обусловленный разностью плотности наружного воздуха и воздуха в воздуховодах 13.

Рассмотрим два случая работы устройства для воздушного охлаждения системы пассивного отвода тепла от ядерного реактора при обесточивании энергоблока: в отсутствии ветра и при наличии ветра, включая ураганные.

При отсутствии ветра устройство для воздушного охлаждения системы пассивного отвода тепла от ядерного реактора работает как обычная вентиляционная труба на естественной тяге. При дистанционном или автоматическом открытии нижних 20 и верхних 19 заслонок изменяется коэффициент гидравлического сопротивления воздуховодов 13 от 30000 до 25. Воздух в воздуховодах 13 прогрет до температуры, несколько меньшей температуры насыщения в парогенераторе 17, и за счет нивелирного напора, обусловленного разностью плотностей наружного воздуха и горячего воздуха, в воздуховодах 13 возникает и поддерживается естественная циркуляция воздуха. Воздух из окружающей среды подсасывается в буферную зону, расположенную между концентрически расположенным экраном 4 и боковой поверхностью 5 коллектора 2 защитной оболочки, и далее через воздухозаборную щель 8 поступает во входной торообразный коллектор 2, где он окончательно выравнивается. Из входного торообразного коллектора 2 воздух через проемы 22 в верхней части торообразного коллектора 2, в которых находятся нижние воздушные заслонки 20, поступает на воздушные теплообменники 14, где нагревается за счет конденсации пара в теплообменниках 14, и через верхние воздушные заслонки 19 поступает в воздуховоды 13. Далее, пройдя воздуховоды 13, нагретый воздух попадает в выходной коллектор 11, выполняющий роль верхнего выравнивающего объема 12, и через кольцевой зазор 23, образованный выходным коллектором 11 и корпусом 24 дефлектора, попадает в окружающую среду. Пар, сконденсированный в воздушных теплообменниках 14, в виде конденсата поступает в парогенератор 17, за счет чего происходит его расхолаживание и, следовательно, расхолаживание реактора 18.

При ветре устройство для воздушного охлаждения системы пассивного отвода тепла от ядерного реактора работает указанным выше способом с той лишь разницей, что при натекании на здание АЭС потока воздуха со скоростями, вплоть до ураганных значений, возникает картина сложного турбулентного движения воздушных масс с образованием локальных вихревых потоков (фиг.3 и 4). Защитная оболочка представляет собой цилиндр (с отношением диаметра к высоте ˜1,5-1,8), с верхнего торца закрытый эллипсоидом - куполом, а торообразный воздушный коллектор 2 смонтирован на стыке цилиндра с куполом. Купольная часть вносит меньше аэродинамических возмущений (полусфера), чем цилиндрическая. В лобовой части здания (в том числе и на защитном экране) за счет торможения набегающего потока воздуха образуется зона избыточного давления, а на боковых поверхностях и в тыльной части здания и наружной поверхности защитного экрана 4 - зоны разрежения. В силу того, что воздухозаборная щель 8 находится в «тени» защитного экрана 4 за экраном 4, вдоль по периметру здания, отсутствует течение воздуха в тангенциальном направлении и, следовательно, в этой области отсутствует изменение давления, связанное с изменением тангенциальной составляющей скорости обтекания здания набегающим потоком воздуха. В эту область, представляющую собой буферную зону, возможно лишь проникновение возмущений, связанных с диссепацией крупномасштабных вихрей, образующихся при обтекании здания АЭС и разрушающихся при попадании в нее, поскольку масштаб вихрей, определяемый размерами зданий (десятки метров), значительно больше характерного размера буферной зоны, определяемого расстоянием между защитным экраном 4 и поверхностью 5 коллектора 2 (˜1-2 м.). Таким образом, при наличии ветра вплоть до ураганного в буферной зоне происходит предварительное выравнивание давления по длине воздухозаборной щели 8, расположенной по периметру здания АЭС. Из буферной зоны воздух засасывается в воздухозаборную щель 8, частично дросселируется в ней и растекается по нижнему выравнивающему объему 3, где происходит окончательное выравнивание давления перед входом в воздушные теплообменники 14 системы пассивного отвода тепла. Далее процесс отвода тепла протекает описанным выше способом.

Картина работы дефлектора при ветре меняется следующим образом: выходной коллектор 11 и корпус 24 дефлектора создают разрежение в кольцевом зазоре 23, пропорциональное квадрату скорости ветра и обратно пропорциональное расходу воздуха через дефлектор. Геометрические размеры конструктивных элементов дефлектора и воздуховодов 13 подбирают так, что при ветре тяга в воздуховодах 13 увеличивается за счет разрежения, создаваемого дефлектором. При ветре до 10 м/с разрежение, создаваемое дефлектором, составляет (0,02-0,03) от динамического напора ветра и полностью компенсирует воздушное сопротивление устройства. При ветре более 15 м/с появляется избыточное разрежение, усиливающее тягу естественной циркуляции.

Характерной особенностью предлагаемой конструкции является установка кольцеобразного вертикального экрана 4 по периметру торообразного коллектора 2 и выполнение воздухозаборной кольцеобразной щели 8 на боковой поверхности входного торообразного воздушного коллектора 2. Это обусловлено не только необходимостью защиты системы пассивного отвода тепла от влияния ветра на ее тепловую мощность в условиях сложной картины обтекания воздушным потоком главного корпуса атомной станции и значительным количеством возникающих при этом неопределенностей в характеристиках потока, но и обеспечением надежной работоспособности системы в климатических зонах, где возможно обильное выпадение осадков как в летний, так и в зимний период.

Технико-экономическим обоснованием использования предлагаемого устройства для воздушного охлаждения системы пассивного отвода тепла от ядерного реактора является повышение надежности работы этой системы и оптимизация компоновочных решений, позволяющих снизить нагрузки на строительные конструкции, уменьшить габариты здания АЭС и, в конечном счете, снизить стоимость капитальных затрат на строительство АЭС. Предлагаемое устройство нашло свое практическое применение в ряде проектов.