CS221558B1 - Vapour-gas crash accumulator - Google Patents

Description

Vynález se týká paroplynového havarijního akumulátoru, který je určen k zabezpečení rychlého a spolehlivého opětovného zaplavení aktivní zóny tlakovodního, respektive vodovodního jaderného reaktoru, a to po vzniku havarijního provozního režimu, vyvolaného porušením celistvosti primárního okruhu, jehož následkem je ztráta chladivá z primárního okruhu.

Doposud jsou realizovány havarijní akumulátory, u kterých pro vytlačování horované vody nacházející se ve spodní části havarijního akumulátoru, je pod vrchním klenutým dnem, respektive víkem, vytvořen plynový prostor vyplněný obvykle dusíkem. Objem plynového prostoru bývá v rozmezí 28 % až 42 % celkového objemu havarijního akumulátoru, takže poměrný objem vodního prostoru havarijního akumulátoru je relativně malý, což · je nevýhodné. Další nevýhodou je skutečnost, že studená bórovaná voda je zcela nasycena dusíkem, jehož tlak dnes bývá až 6 MPa, takže při odtlakování, ohřevu a varu vody během zaplavování aktivní zóny se dusík uvolňuje a nepříznivě ovlivňuje chlazení předehřátého paliva. Poslední vážnou nevýhodou dnešních havarijních akumulátorů je skutečnost, že bórovaná voda proudící z jejich výtokových hrdel nemá optimální teplotu, a to nejen z hlediska možného vzniku a/nebo růstu vad v · konstrukčních materiálech reaktoru v důsledku takto vyvolávaných tepelných rázů, ale i z hlediska teplofyziky a hydrodynamiky vlastního havarijního znovuzaplavování aktivní zóny.

Výše uvedené nevýhody jsou podstatně zmenšeny u chráněného paroplynového havarijního akumulátoru podle tohoto vynálezu, který spočívá v tom, že u akumulátoru je na jeho paroplynový prostor napojeno parní potrubí, které je zakončeno rozdělovačem a opatřeno parní zpětnou armaturou a parní uzavírací armaturou, přičemž vstupní část parního potrubí je přímo nebo nepřímo spojena s parním prostorem parogenerátoru, že v oblasti hladiny pohotové zásoby bórované vody je uvnitř nebo/a vně umístěn parní tepelný výměník, že do zúženého místa výtokového hrdla je zaústěno pomocné parní potrubí nebo teplotechnicky ekvivalentní horkovodní potrubí s armaturami a že vrchní část paroplynového havarijního akumulátoru je · na vnějším povrchu opatřena tepelnou izolací a teplovodným zařízením umístěným pod spodním okrajem tepelné izolace.

Technický pokrok, jehož nositelem · je předmětný paroplynový havarijní akumulátor, možno charakterizovat · i těmito hlavními výhodami. Za prvé, následkem podstatného zmenšení stávajících velikostí plynového prostoru dochází · u chráněného havarijního akumulátoru k žádoucímu zvýšenému využití jeho celkového objemu pro uložení relativně velké pohotové zásoby bórované vody, což dává alternativní možnosti;

buď zmenšit celkový objem havarijního akumulátoru, nebo/a zvětšit zaplavení aktivní zóny. Za druhé, využitím hmoty a energie páry, zavedené do paroplynového havarijního akumulátoru v průběhu prakticky isobarického vytlačování bórované vody, výrazně vzroste střední tlak hnací paroplynové směsi, čímž vzroste výkon celého pasivního dochlazovacího podsystému a zkrátí se doba potřebná k opětovnému zaplavení aktivní zóny. Alternativní výhodou je možnost zmenšení světlosti vodních výtokových potrubí a příslušných uzavíracích i zpětných armatur. Za třetí, plyn přítomný v paroplynovém prostoru chráněného havarijního akumulátoru,· v porovnání s čistě parním vytlačováním bórované vody, zmenšuje množství páry zavedené do akumulátoru a snižuje součinitel přestupu tepla z kondenzující páry do stěny paroplynového havarijního akumulátoru, čímž se zpomaluje pohavarijní přechodný náhřev nádoby tohoto . akumulátru. Za črvté, vstupem páry do paroplynového havarijního akumulátoru až po částečné expanzi plynu — přesněji řečeno hnací paroplynové směsi — je zajištěn potřebný krátký časový interval mezi působením maximálního statického namáhání během pohotového stavu akumulátoru a působením kombinovaného tlakového a nestacionárního · teplotního namáhání během funkce paroplynového havarijního akumulátoru. Krátce řečeno, k superpozici komponent napětí dochází až po částečném tlakovém odlehčení tlakové · nádoby akumulátoru, tj. až po poklesu intenzity prvotního napětí. Za páté, nastavitelným parním ohřevem udržovaná optimálně zvýšená teplota vodní vrstvy při hladině zabraňuje dosycení · spodní studené části zásoby bórované vody dusíkem, čímž se omezuje nepříznivý vliv dusíku desorbujícího · se z bórované · vody na průběh havarijního chlazení přehřátého paliva při · · zaplavování aktivní zóny. Za šesté, · vrstva horké vody při hladině, která za pohotového stavu havarijního akumulátoru vytvoří i v · jeho stěně přechodovou nehomogenní oblast teplotního pole, bude při funkci paroplynového havarijního akumulátoru klesat podél svislé válcové stěny, čímž se zmenší strmost čela teplé vlny, která bude postupně vznikat a šířit se v radiálním směru stěnou v nižších partiích havarijního akumulátoru. Za sedmé, ohřev horní vrstvy bórované vody parou je inherentně bezpečný. Nemůže dojít k varu v ohřívané vrstvě vody, protože bórovaná voda je pod vyšším celkovým tlakem · paroplynového polštáře, než · ·je tlak topné · syté páry v tepelném výměníku. · Za osmé, přisáváním odpovídajícího množství páry, · případně horké vody, studenou · bóróvanóu vodou · · ve výtokovém hrdle, které má · tvar konfuzóru a difuzoru, ·je zajištěn žádoucí optimální individuální předehřev této vody před jejím zavedením do tlakové nádoby lehkovodního jaderného reaktoru, čímž se snižuje čerpání životnosti zejména u vysokotlaké nádoby reaktoru vlivem dosud velkých tepelných rázů, nastávajících při používání studené bórované vo^dy pro ^havarijm znovuzaplavov^ám tiato vodního reaktoru. Za deváté, optimální individuální předehřev studené bórované vody je velmi účelný i z funkčních, tj. teplofyzikálních a hydrodynamických důvodů, neboť náhlý a mohutný vstřik studené bórované vody zejména do prostoru nad aktivní zónou vyvolává velmi prudkou . kontaktní kondenzaci páry a tím i lokální podtlak ve vrchním prostoru reaktoru, · což je příčinou sice krátkodobých, ale přesto velmi nepříznivých až nebezpečných hydrodynamických oscilací či fluktuací v průtoku chladivá aktivní zónou. Za desáté, v souvislosti s redukcí havarijních hydrodynamických účinků chladivá klesá riziko mechanických poruch a geometrických změn jak u různých částí vestavby reaktoru, tak u jeho vnitroreaktorové instrumentace, čímž roste spolehlivost následného odstavení reaktoru mechanic^kým systémem ^pevných a^orWorů. ^během opětovného zaplavování jeho aktivní zóny.

Na výkresu je . jako příklad účelného prove^dení sc^hematick^y zn^ázorn^ěno řešení paroplynového havarijního akumulátoru podle vynálezu, kde je současně naznačeno i jeho napojení na sekundární stranu parogenerátoru. Na výkresu je stylizovaný svislý řez předmětným akumulátorem a schematické zobrazení parogenerátoru. Nádoba 1 paroplynového havarijního akumulátoru má uvnitř vodní prostor 2 a paroplynový prostor 3, do něhož je vložen rozdělovač 7, který tvoří koncovou část parního potrubí 4, v němž je vně instalována parní zpětná armatura S a parm uzavíram armatura 6. ^Začátek parního potrubí 4 je přímo nebo nepřímo prostřednictvím parovodu 23 napojen na parní prostor parogenerátoru 22. V nejnižších místech vodního prostoru 2 se nachází výtokové hrdlo 9, k jehož zúžení sahá konec vnějšího, případně vnitřního pomocného parního potrubí 8 nebo konec horkovodního potrubí 17, které je přes horkovodní zpětnou armaturu 18 a horkovodní uzavírací armaturu 19 napojeno na vodní prostor sekundární strany parogenerátoru 22. Za výtokovým hrdlem 9 se nachází vodní uzavírací armatura 10 spolu se dvěma již neznázorněnými zpětnými armaturami. V úrovni hladiny pohotové zásoby bórované vody je umístěn vnitřní nebo/a vnější nízký parní tepelný výměník 11, jehož vstup je spojen s parním potrubím 4 a výstup prostřednictvím kondenzátního potrubí 12, ve ^kterém je instelov^a re^^m armatura ¹³ a kon^denz^átm uzavírarn armatura ^14, s prostorem sekundární strany parogenerá^toru ²². ^Vrchm č^ást n^ádo^by ^{1 p}aro^pl^ynového havarijního akumulátoru je na vnějším ^povrchu o^patřena te^pelnou kotácí 15 a te^plovodním zařízením 16, které je umístěno níž, než sahá spodní okraj tepelné izolace ¹⁵. Ahernativní proje^m zapojem a jemu odpovídající konstrukční řešení paroplynového havarijního aku^^ulátoru počítá i s tím, že v dolní části nádoby 1 bude vytvořeno ještě druhé výtokové hrdlo 20, které bude přes druhou vodní uzavírací armaturu 21 a dvě již neznázorněné zpětné armatury zapojeno do opačné části či větve primárního okruhu, než do které je zapojeno výtokové hrdlo 9. Je evidentní, že i druhé výtokové hrdlo 20 může být konstruováno s ohledem na obdobný požadavek účelného přihřátí vody jím protékající, a to též pomocí páry nebo horké vody z parogenerátoru 22. Zbývá poznamenat, že paroplynový prostor 3 je propojen prostřednictvím plynového potrubí 26 malé světlosti, v němž je umístěna plynová armatura 27, s již neznázorněnou tlakovou nádobou v dusíkovém hospodářství. Pro lepší názornost je k parogenerátoru 22 přikresleno napájecí potrubí 24 i část potrutt ²⁵ pnmtembLo otouhu. ^R^:^l.L^šení potrubí z hlediska médií odpovídá zvyklostem. Silné linie značí ' páru a tenké vodu, respektive kondenzát, přičemž čárkované ^úse^{ky př}e^dstavuj^í variantm ^ře^šení. Cerchovaně je zn^ázorn^ěn ^dusík a té^čkovan^é stávající ovládací impuls. Funkce znázorněného zařízení spočívá ve vytlačování zásoby bórované vody, která při pohotovém stavu paroplynového havarijního akumulátoru zaujímá vodní prostor 2, paroplynovou směsí nacházející se v paroplynovém prostoru 3, čímž je zabezpečeno opětovné zaplavení aktivní zóny tlakovodního jaderného reaktoru po havárii se ztrátou chladivá. Za pohotového stavu, kdy hladina bórované vody je v místě označeném plným trojúhelníčkem, jsou parní uzavírací armatura 6 a kondenz^átm uzavírací armatura ¹⁴, p^řípa^dně . při variantě . s horkovodním potrubím 17 i horkovodní uzavírací armatura 1.9, otév^řeny. ^Samozřejmě, že i stávající vodní uzavírací armatura 10 a nově uvažovaná druhá vodní uzavíram armatura ²¹ jsou za ^pohotévé^ho stavu rovněž otevřeny. Reeativní přetlak v ^paro^plynovém ^prostoru ³ vů^či Uaku v prostoru sekundám stran^y parogenerótoru ^22, daný tlakem dusíku v plynovém potrubí 26, ^dr^ží v uzav^řen^{é p}otéze parm zpětnou armaturu 5, případně i horkovodní zpětnou armaturu 18, čímž je nádoba 1 paroplynového havarijního akumulátoru oddělena od sekundárního prostoru parogenerátoru 22. Obdobně je pomocí již nenakreslených zpětných armatur, umístěných za vodními uzavíracími · armaturami 10, 21, oddělena nádoba 1 paroplynového havarijního akumulátoru i od primárního okruhu, ve kterém existuje za normátétoo provozu mnohem v^yšší tlak než je tlak v n^ádo^{bě 1} paro^plynov^ého havar^rnho a^kumutátoru. ^Regula^ční amatura 13 ^je nastavena v ^pootév^řen^{é p}o^loze^, čímž ^je nasta^ven o^dpovídaj^íc^í státy pr^ůto^k kondenzátu z ^parrnho tepe^ho výměnku 11 kon^denz^átmm potrutám l² zpat do parogenerátoru 22. Tím je udržována zvolená konstantní zvýsen^á te^plotá Ή ve vrc^hm ^čás ti nádoby 1 paroplynového havarijního akumulátoru 1. Přitom teplota okolí je označována TO a teplota syté páry v parním potrubí 4 je označena T2. Při havarijním úniku chladivá z primárního okruhu dojde záhy po vyrovnání tlaků před a za zpětnými armaturami, zde nezakreslenými, к vytlačování bórované vody výtokovým hrdlem 9, případně i druhým výtokovým hrdlem 20. V prvém časovém úseku bude probíhat adiabatická expanze hnací paroplynové směsi uzavřené ve zvětšujícím se paroplynovém prostoru 3, a to až do doby, kdy její celkový tlak klesne mírně pod tlak syté páry v parním potrubí 4. V okamžiku vzniku odpovídající tlakové diference se začne otevírat parní zpětná armatura 5, takže sytá pára z parogenerátoru 22 začne proudit do rozdělovače 7 a z něho po průchodu mnoha malými otvory i do paroplynového prostoru 3. Od tohoto okamžiku nastává druhý časový úsek funkce, který je charakteristický izobarickým průběhem vytlačování bórované vody. Konec výtoku bórované vody z nádoby 1 paroplynového havarijního akumulátoru je dán, stejně jako u stávajících havarijních akumulátorů, okamžikem, kdy hladina bórované vody klesne na zadanou minimální úroveň označovanou L_Min a prázdným trojúhelníčkem. V tomto okamžiku dojde к vyslání tečkované zobrazeného impulsu, kterým se způsobí pomocí servopohonu uzavření vodní uzavírací armatury 10, případně i druhé vodní uzavírací armatury 21. Při výtoku bórované vody dochází ve výtokovém hrdle 9 к přisávání páry, případně horké vody ze sekundárního okruhu, čímž se dosahuje optimálního předehřátí studené bórované vody před jejím zavedením do vyprázdněného reaktoru, ve kterém je v tu dobu již přehřáté, respektive nedostatečně chlazené jaderné palivo. Rozdělovač 7 zabraňuje nežádoucímu rozvíření horní vrstvy teplé bórované vody, ke kterému by došlo při vstupu páry soustředěným průřezem. Mimoto rozdělovač provedení pomocného parního potrubí 8. Úkolem teploodvodného zařízení 16 je odvádět či rozptylovat tu část tepla dodávaného’ parním tepelným výměníkem 11, která proniká dolů vedením, především stěnou nádoby 1 paroplynového havarijního akumulátoru, do okolí. Tím se zamezuje nežádoucímu ohřevu spodních vrstev bórované vody během pohotového stavu paroplynového havarijního akumulátoru. Teploodvodné zařízení 16 je zobrazeno jako systém žeber omývaných samovolným tahem okolního vzduchu. Účelná mohou být i jiná jeho řešení, například na principu vodního pláště. Funkce zbývajících podružných součástí, jimiž jsou tepelná izolace 15 a plynová armatura 27, jakož i funkci parogenerátoru 22 je zbytečné popisovat. Nutno jen poznamenat, že parní uzavírací armatura 6 a kondenzátní uzavírací arma tura 14 i horkovodní uzavírací armatura 19 slouží к oddělení nádoby 1 paroplynového havarijního akumulátoru 1 od parogenerátoru 22 v případech odstavení jednoho nebo druhého zařízení při jejich provozních kontrolách, údržbě a opravách.

Příkladem konkrétní aplikace vynálezu jsou předběžné technické úvahy vztažené na odpovídající zařízení a parametry médií u standardní jaderné elektrárny se dvěma vodovodními reaktory a jmenovitém elektrickém výkonu 2 x 440 MW. Ke každému reaktoru jsou přiřazeny čtyři paroplynové havarijní akumulátory, u nichž byl původní jednotkový prostor zmenšen na 1/3 až 1/4, takže nová efektivní výška paroplynového prostoru je přibližně 1 m. Celkový tlak v paroplynovém prostoru daný tlakem dusíku v plynovém potrubí je 6 MPa. Tlak syté páry v parogenerátoru je 4,6 MPa. Pokud jde o předehřev vytékající bórované vody parou či horkou vodou z parogenerátoru, předběžně se uvažuje (na základě literárních údajů) optimální teplota okolo 120 °C. Při parním predehrevu stačí přisát к bórované vodě o teplotě 40 °C asi 15 % páry. Při použití horké, respektive vroucí vody z parogenerátorů je nutno ke studené bórované vodě o teplotě 40 °C smíšením přidat již asi 54 % kapalné fáze sekundárního média. Technické výhody a nevýhody obou případů jsou zřejmé. Ve druhém případě, kde už je relativně velká hmota horké vody odebrané ze sekundární strany parogenerátoru vzhledem ke hmotě bórované vody vypuzené z paroplynových havarijních akumulátorů, se podstatně dále zmenšují potřebné rozměry těchto akumulátorů a tyto se ve smyslu čs. autorského osvědčení č. 190 161 stávají zařízením pomocným zajišťujícím dodávku „bóru“ do zaplavovacího média při zachování principu pasivní funkce.

Závěrem možno předpokládat, že po pečlivém ověření zejména experimentálním na stendech pro výzkum komponent bezpečnostních systémů a po provozním vyzkoušení nového paroplynového havarijního akumulátoru, najde předmětný vynález využití na příslušných jaderných elektrárnách, a to jak u nás, tak i v zahraničí. Oprávněnost tohoto předpokladu je dána neustále důraznějším požadavkem, dnes už tvrdě uplatňovaným zejména v průmyslově vyspělých zemích na západě, respektive v zemích s vysokou hustotou osídlení, aby bylo dosahováno co nejvyšší bezpečnosti pří provozování jaderných elektráren. Z tohoto hlediska je možné instalaci chráněného paroplynového havarijního akumulátoru hodnotit jako významnou inovaci důležitého bezpečnostního systému, kterým musí být všechny moderní energetické tlakovodní, respektive vodovodní Jaderné reaktory bezpodmínečně vybaveny.

Claims (4)

1. PŘEDMĚT

   1. Paroplynový havarijní akumulátor, zejména pro jaderné elektrárny s pasivními podsystémy havarijního dochlazování, tvořený tlakovou nádobou s vodním a plynovým prostorem, vyznačený tím, že na paroplynový prostor (3) nádoby (1) paroplynového havarijního akumulátoru je napojeno parní potrubí (4), které je zakončeno rozdělovačem (7) a opatřeno parní zpětnou armaturou (5) a parní uzavírací armaturou (6), přičemž vstupní část parního potrubí (4) je přímo nebo nepřímo spojena s parním prostorem parogenerátoru (22).
2. 2. Nádoba paroplynového havarijního akumulátoru podle bodu 1, vyznačená tím, že je opatřena parním tepelným výměníkem (11), umístěným v oblasti hladiny pohotové zásoby bórované vody uvnitř nebo/a vně nádoby (1) paroplynového havarijního akumulátoru, který je vstupem napojen na parní potrubí (4) a výstupem prostřednictvím kondenzátního potrubí (12) na prostor se-

   VYNALEZU kundární strany parogenerátoru (22), přičemž v kondezátním potrubí (12) je umístěna regulační armatura (13) a kondenzátní uzavírací armatura (14).
3. 3. Nádoba paroplynového havarijního akumulátoru podle bodů 1 a 2, vyznačená tím, že uvnitř nebo vně, anebo v místě dna nádoby (1) paroplynového havarijního akumulátoru je výtahové hradlo (9) se zúženým místem, do kterého je zaústěno pomocné parní potrubí (8) nebo teplotechnicky ekvivalentní horkovodní potrubí (17), ve kterém je umístěna horkovodní zpětná armatura (18) a horkovodní uzavírací armatura (19).
4. 4. Nádoba paroplynového havarijního akumulátoru podle bodů 1, 2 a 3, vyznačená tím, že je na vnějším povrchu své horní části opatřena tepelnou izolací (15) a teploodvodným zařízením (16) umístěným v oblasti nehomogenního stacionárního teplotního pole, tj. pod spodním okrajem tepelné izolace (15).