Результат интеллектуальной деятельности: ЛОКАЛИЗУЮЩАЯ СИСТЕМА БЕЗОПАСНОСТИ АТОМНОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ

Изобретение относится к устройствам для противоаварийной защиты ядерных реакторов, называемым в настоящее время локализующими системами безопасности (ЛСБ) атомных электростанций (АЭС), и может быть использовано при локализации последствий аварии на АЭС.

Локализующая система безопасности АЭС включает в себя защитную оболочку для ядерного (энергетического) реактора, оснащенную пассивными и активными конденсаторами, спринклерными и аварийными вентиляционными устройствами, транспортными трубопроводами с необходимой трубопроводной арматурой.

Назначение ЛСБ - в условиях аварии ограничить выделение радиоактивных веществ в пределах зоны локализации аварии и изолировать от окружающей среды то оборудование АЭС, отказ в работе которого может привести к выбросу радиоактивных веществ, превышающему проектное значение.

При возникновении запроектной аварии, вызванной отсутствием охлаждения активной зоны и, как следствие, ее возможное расплавление, расплав (кориум) нарушает целостность корпуса реактора и проникает в защитную оболочку. В защитной оболочке расплав взаимодействует с находящейся там водой, образуется парогазовая смесь и в защитной оболочке поднимается давление, которое угрожает нарушением герметичности оболочки и выходом во вспомогательные помещения и окружающую среду радиоактивных веществ, превышающих проектное значение.

В связи с возможным возникновением запроектной аварии МАГАТЭ рекомендует дополнительно оснащать ЛСБ АЭС системами фильтруемого сброса давления. Более сотни ЛСБ зарубежных АЭС уже оснащены указанными фильтрующими системами. Выполнение рекомендаций МАГАТЭ решено осуществить и на российских АЭС с ВВЭР. Проведенные в связи с этим патентные исследования заявителем настоящего изобретения показали, что в развитии данного вида техники прослеживается тенденция не только по оснащению ЛСБ фильтрующими системами, но и по размещению их в защитной оболочке для улавливания из парогазовой смеси как твердых (аэрозольных), так газообразных радиоактивных веществ.

Рассмотрим некоторые известные из мирового уровня техники решения, в которых отражена данная тенденция и которые могут служить аналогами заявляемой локализующей системы безопасности.

Известна локализующая система безопасности атомной электростанции (см. реферативное описание аналога 1 по заявке ФРГ №3815850, кл. G 21 C 13/10, 1988 и более подробное описание аналога 2 в сборнике отчетов “Усовершенствование системы улавливания продуктов при авариях на АЭС с ВВЭР”, “Проект: R 2.08/95 Результаты. Проекты. Издание: Siemens Power Generation под эгидой EUROPEAN COMISSION, а именно задание 2 “Оценка состояния дел с разработкой систем улавливания продуктов деления на Западе”, с.9, 10, 11, фиг.5), включающая защитную оболочку (в аналоге 2 - контайнмент), расположенный вне защитной оболочки во вспомогательном здании фильтр (в аналоге 2 - металловолоконные фильтры в комбинации с молекулярным ситом), в корпусе которого послойно размещены волоконные фильтрующие элементы (в аналоге 2 - две секции фильтра, причем в одной из них слой “грубых” металлических волокон, в другой шесть слоев тонких металлических волокон), а за ними следует серебросодержащий цеолитовый модуль йодного фильтра. Локализующая система безопасности имеет патрубок ввода в фильтр парогазовой смеси (в аналоге 2 - сбросный трубопровод), оснащенный дросселирующим и запорным устройствами, и патрубок вывода очищенной парогазовой смеси в вентиляционную трубу.

Во время работы атомной электростанции в проектном режиме система фильтруемого сброса давления данной локализующей системы безопасности находится в состоянии ожидания и включается в работу только при повышении давления в защитной оболочке.

В этом случае открывается запорная арматура и парогазовая смесь из защитной оболочки поступает в сбросный трубопровод. В дросселирующем устройстве давление парогазовой смеси снижается до атмосферного. Далее парогазовая смесь проходит через все слои металлических волокон, где улавливаются аэрозоли, а затем - через молекулярное сито, в котором на сорбенте серебросодержащем цеолите улавливаются летучие формы радиоактивного йода.

Достоинством данной системы является то, что в ней осуществляется локализация аварии путем снижения давления образующейся при аварии парогазовой смеси, чем исключается нарушение герметичности защитной оболочки и обеспечивается выброс очищенных от радиоактивных веществ пара и газов.

Однако известная локализующая система безопасности обладает и недостатками.

Во-первых, не достигается полная пассивность работы этой системы во время аварии, так как в связи со значительной разностью между температурой горячей газовой смеси, поступающей в фильтр и температурой сорбента молекулярного сита происходит конденсация пара на сорбенте, в результате чего снижается сорбционная емкость его, а значит и эффективность улавливания летучих форм йода, подтверждением чему служит низкий процент улавливания йода - 91,2%.

Для исключения конденсации на сорбенте необходим перегрев сорбента выше точки росы пара, что влечет за собой снабжение молекулярного сита устройством для нагрева сорбента. Это находится в противоречии с проектными критериями по пассивности работы локализующей системы безопасности, так как перегрев - это активное действие по подводу энергии.

Во-вторых, пассивность работы локализующей системы атомной электростанции не соблюдается и при других мероприятиях локализации аварии, а именно локализации места аварии.

Расположение фильтра во вспомогательном здании, а не в защитной оболочке требует дезактивации фильтрационного оборудования и самого вспомогательного здания, а также строительства бетонной защиты. Все это приводит к увеличению капитальных и эксплуатационных затрат.

Кроме того, с точки зрения безопасности и сейсмостойкости размещение технологического оборудования в контайнменте, а не во вспомогательном здании предпочтительнее, так как проходки в контайнменте имеют класс безопасности 1, а остальные элементы локализующей системы безопасности атомной электростанции классифицируются по самой низкой степени соответствующей национальной или действующей на АЭС системе классификации по безопасности и никакая избыточность давления не предусматривается.

Наиболее близкой к заявляемой и принятой в качестве прототипа является усовершенствованная локализующая система безопасности атомной электростанции (см. сборник отчетов “Усовершенствование системы улавливания продуктов при авариях на АЭС с ВВЭР”, “Проект: R 2/08/95. Результаты. Проекты. Издание: Siemens Power Generation под эгидой EUROPEAN COMISSION, а именно задание 2 “Оценка состояния дел с разработкой систем улавливания продуктов деления на Западе”, с. 11, фиг.8), включающая защитную оболочку (в прототипе - контайнмент) ядерного реактора, помещенный в нее фильтр, в корпусе которого послойно размещены волоконные фильтрующие элементы (в прототипе - металловолоконный фильтр установлен внутри контайнмента), а являющееся частью фильтра молекулярное сито и дросселирующее устройство установлены во вспомогательном здании. Система оснащена патрубками ввода в фильтр очищаемой парогазовой смеси и вывода очищенной парогазовой смеси из фильтра в вентиляционную трубу, а также необходимыми запорными устройствами.

В данной известной системе решена та же задача, что и в вышеописанной системе, и срабатывание всех технологических узлов ее подобно срабатыванию таких же узлов системы-аналога. А для осуществления сброса давления парогазовой смеси в защитной оболочке она сначала фильтруется на многослойных металловолоконных фильтрующих элементах при давлении, равном давлению в защитной оболочке, величина которого уменьшается во время функционирования системы по мере сброса парогазовой смеси из защитной оболочки (так называемое “скользящее давление”). Затем давление снижается в дроссельном устройстве до атмосферного, парогазовая смесь фильтруется в молекулярном сите и через вентиляционную трубу сбрасывается в атмосферу.

Данная система позволяет обеспечить эффективность очистки по аэрозолям более 99,99% благодаря тому, что проходное отверстие в дросселирующем устройстве рассчитано на критическую скорость парогазовой смеси, а объемная и, как следствие, линейная скорость в металловолоконном фильтре остается постоянной и при изменении давления в защитной оболочке.

Однако описанная локализующая система безопасности имеет относительно низкую производительность по парогазовой смеси и низкую пылеемкость из-за образования на входной поверхности металловолоконного фильтра слоя из частиц аэрозоля. При достижении массы слоя приблизительно 3 кг/м² резко возрастает аэродинамическое сопротивление фильтра (см. Сборник отчетов..., рис.6).

Кроме того, данная локализующая система безопасности так же, как и аналог, обладает низкой эффективностью по улавливанию йода - 91,2%.

Существенным недостатком описываемой локализующей системы безопасности является низкая способность пассивного удаления остаточного энерговыделения задержанных нуклидов: 700 Вт/м² для металловолоконных фильтров и 1750 Вт/м² для молекулярных сит. При поперечном сечении этих фильтров 20 м² допустимая величина тепловыделений составит приблизительно 15 и 35 кВт соответственно.

Кроме того, для описываемой локализующей системы безопасности АЭС характерны недостатки, указанные в описании аналога. В связи с тем, что в прототипе только часть фильтра, а именно многослойные металловолоконные фильтрующие элементы, размещены в защитной оболочке, то не может быть достигнута полная пассивность работы ЛСБ. Требуются активные действия по обслуживанию во время и после аварии части фильтра и вспомогательного здания, в котором эта часть фильтра находится. Отсюда и все те нежелательные обстоятельства, требующие дополнительных капитальных и эксплуатационных затрат для исключения недостатков, указанных в том разделе настоящего описания, где шла речь о недостатках аналога.

Авторами настоящей заявки создана такая локализующая система безопасности атомной электростанции, в которой исключены недостатки известных из уровня техники и описанных выше объектов того же назначения.

Заявляемая локализующая система безопасности атомной электростанции, как и прототип, содержит защитную оболочку ядерного реактора, помещенный в нее фильтр, в корпусе которого послойно размещены волоконные фильтрующие элементы, оснащенные запорными устройствами, патрубки ввода в фильтр парогазовой смеси, образующейся при аварии, и снабженный дросселирующим и запорным устройствами патрубок вывода очищенной парогазовой смеси из фильтра в вентиляционную трубу.

Заявляемая локализующая система безопасности атомной электростанции отличается от прототипа тем, что фильтр снабжен дополнительными слоями фильтрующих элементов, расположенными в корпусе по ходу парогазовой смеси перед волоконными фильтрующими элементами, при этом в качестве фильтрующих элементов первых трех по ходу парогазовой смеси дополнительных слоев выбран нейтральный зернистый материал, например SiO₂, TiO₂, Аl₂О₃, а следующего за ними дополнительного слоя - зернистый сорбент марки Термоксид.

В соответствии с зависимым пунктом 2 формулы изобретения локализующая система безопасности атомной электростанции отличается и тем, что гранулы нейтрального зернистого материала каждого последующего по ходу парогазовой смеси слоя мельче гранул предыдущего слоя, а гранулы сорбента марки Термоксид крупнее гранул последнего по ходу парогазовой смеси слоя нейтрального зернистого материала.

В соответствии с зависимым пунктом 3 формулы изобретения локализующая система безопасности атомной электростанции отличается и тем, что поверхность волоконных фильтрующих элементов превышает поверхность фильтрующих элементов из нейтрального зернистого материала.

Усовершенствование локализующей системы безопасности атомной электростанции в соответствии с формулой изобретения, а особенно с признаками отличительной части формулы предполагает достижение следующих преимуществ перед прототипом:

1. Снабжение волоконного фильтра, находящегося в защитной оболочке, дополнительными слоями фильтрующих элементов из нейтрального зернистого материала приводит к тому, что все основные конструктивные элементы локализующей системы безопасности атомной электростанции расположены в защитной оболочке, что по сравнению с аналогом и прототипом исключает выход радиоактивных веществ в окружающую среду даже в случае разрушения корпуса фильтра из-за избыточного энерговыделения от распада радионуклидов и не требует дополнительных затрат по дезактивации и захоронению технологического оборудования после работы атомной электростанции в запроектном режиме.

Кроме того, введение всего технологического оборудования в защитную оболочку и снабжение фильтра дополнительными слоями позволяет не только осуществить сброс избыточного давления при работе атомной электростанции в запроектном режиме, но и максимально очистить от радионуклидов и других вредных примесей выбрасываемую в атмосферу парогазовую смесь.

2. Использование зернистого сорбента марки Термоксид в качестве фильтрующего элемента последнего слоя фильтра обуславливает высокую эффективность по улавливанию йода (свыше 99,9% для молекулярной и свыше 99,0% по органической формам йода), так как температура парогазовой смеси и сорбента существенно выше точки росы парогазовой смеси в течение всего времени работы локализующей системы безопасности атомной электростанции.

3. Предлагаемые выполнение, взаимное расположение и соотношение размеров фильтрующих элементов обеспечивают высокую эффективность улавливания частиц аэрозоля (более 99,9%) всех форм йода, большую пылеемкость и удовлетворительную чистоту поверхности гранул сорбента.

Заявляемое изобретение соответствует всем критериям патентоспособности.

Оно является новым, так как на данный момент заявителем не выявлено ни одного известного из уровня техники решения, характеризуемого такой же совокупностью признаков.

Изобретение промышленно применимо, так как оно охарактеризовано конкретными конструктивными признаками, каждый из которых воспроизводим и не противоречит использованию заявляемого устройства в промышленных условиях. При этом вся совокупность признаков и каждый признак в отдельности направлены на достижение ожидаемого технического результата - удержание давления в защитной оболочке на уровне проектных значений после аварии и уменьшение количества продуктов деления, поступающих в окружающую среду, путем фильтрования сбрасываемой парогазовой смеси.

Для подтверждения сказанного представляем описание локализующей системы безопасности атомной электростанции и ее работы.

Изобретение иллюстрируется чертежом, на котором изображен общий вид локализующей системы безопасности атомной электростанции в разрезе.

Локализующая система безопасности атомной электростанции включает защитную оболочку 1 ядерного реактора 2, помещенный в нее фильтр, в корпусе 3 которого послойно размещены волоконные фильтрующие элементы 4 из металло- или стекловолокна, патрубок 5 ввода в фильтр парогазовой смеси, оснащенный запорным устройством 6, и снабженный дросселирующим 7 и запорными 8 устройствами патрубок 9 вывода очищенной парогазовой смеси из фильтра в вентиляционную трубу 10.

Фильтр снабжен дополнительными слоями 11, 12, 13 и 14 фильтрующих элементов, расположенными в корпусе 3 фильтра по ходу парогазовой смеси перед волоконными фильтрующими элементами 4. В качестве фильтрующих элементов первых трех по ходу парогазовой смеси дополнительных слоев 11, 12, 13 выбран нейтральный зернистый материал, например песок - SiO₂, а следующего за ними дополнительного слоя 14 - зернистый сорбент марки Термоксид. Наиболее оптимальна конструкция фильтра, когда гранулы нейтрального зернистого материала каждого последующего по ходу парогазовой смеси слоя мельче гранул предыдущего слоя, а гранулы сорбента марки Термоксид крупнее гранул последнего по ходу парогазовой смеси слоя нейтрального зернистого материала. Проведенные опытные испытания подтвердили это положение и было рекомендовано принять размеры гранул первого слоя 11 зернистого материала 2,0-4,0 мм, второго слоя 12 (2,0-1,0) мм, третьего слоя 13 (0,4-1,0) мм. Размер гранул слоя 14 сорбента марки Термоксид целесообразно принять (2,0-1,0) мм.

При этом поверхность волоконных фильтрующих элементов слоя 4 превышает поверхность фильтрующих элементов слоев 11, 12 и 13.

В режиме работы АЭС полость корпуса 3 фильтра изолирована от внутренней полости защитной оболочки 1 мембранами 15 и 16.

В случае тяжелой аварии по сценарию, рассчитанному по коду Melcor, с расплавлением активной зоны на атомной электростанции с реактором ВВЭР-1000 через 41 час после начала аварии давление парогазовой смеси в защитной оболочке 1 достигнет максимально допустимой величины - 0,5 МПа. При этом парогазовая смесь будет находиться в перегретом состоянии при температуре 180°С. При таких параметрах происходит разрыв мембран 15 и 16, и парогазовая смесь с максимальным в начальный период времени расходом 7 кг/с поступает в фильтр.

В случае, если разрыв мембран не происходит автоматически, то включение локализующей системы безопасности атомной электростанции производится оператором, который открывает запорные устройства 6 и 8.

Парогазовая смесь из защитной оболочки 1 поступает в корпус 3 фильтра и фильтруется через три слоя 11, 12 и 13 зернистого материала.

При этом в каналах между гранулами зернистого материала осаждается до 95% частиц аэрозолей. В первом по ходу парогазовой смеси слое 11, содержащем зернистый материал с самыми крупными гранулами, осаждаются более крупные частицы аэрозолей, а во втором и третьем по ходу парогазовой смеси слоях 12 и 13, содержащих гранулы, размер которых мельче гранул предыдущего слоя, осаждаются более мелкие частицы аэрозолей. Мельчайшие частицы аэрозолей с потоком парогазовой смеси беспрепятственно проходят через слой сорбента 14, гранулы которого крупнее гранул третьего слоя 13 зернистого материала и осаждаются в слое 4 волоконных фильтрующих элементов. При этом не образуется плотный слой пыли на поверхности волокна, так как пыли мало и мелкие частицы аэрозолей проникают внутрь волокна и там удерживаются.

Кроме того, содержащиеся в парогазовой смеси летучие формы йода улавливаются в слое сорбента 14.

Высокая эффективность термостойкого сорбента по улавливанию йода (свыше 99,9% для молекулярной и свыше 99,0% по органическим формам йода) достигается благодаря температуре сорбента, которая существенно выше температуры точки росы парогазовой смеси в течение всего времени работы локализующей системы безопасности атомной электростанции в запроектном режиме.

Оптимальная температура термостойкого сорбента для эффективного улавливания летучих форм йода из парогазовой смеси обеспечена введением всех элементов локализующей системы безопасности атомной электростанции в защитную оболочку.

Далее очищенная парогазовая смесь проходит через дроссельное устройство 7, в котором давление парогазовой смеси уменьшается до атмосферного и через патрубок вывода 9 поступает в вентиляционную трубу 10, а затем в атмосферу.

Таким образом, заявляемая локализующая система безопасности разрешает важную проблему при эксплуатации атомных электростанций - она обеспечивает защиту населения и окружающей среды от радиационной опасности при запроектных авариях.