система послеаварийной инертизации

Формула изобретения

1. Система послеаварийной инертизации, состоящая из газогенерирующего твердого материала, способного к выделению инертного газа при контакте с нагретой средой и заключенного в расположенный внутри защитной оболочки водоохлаждаемой ядерной энергоустановки корпус, снабженный средством для выпуска инертного газа, отличающаяся тем, что корпус выполнен герметичным, средство для выпуска газа снабжено разрывной мембраной, давление разрыва которой не превышает избыточное давление, создаваемое внутри защитной оболочки при аварийной разгерметизации ядерной энергоустановки, и/или запорным устройством, управление которым выведено за пределы защитной оболочки, а в качестве газогенерирующего твердого материала выбрано вещество, выделяющее диоксид углерода при увлажнении.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что в качестве газогенерирующего материала выбрана гигроскопичная смесь химических соединений, одним из продуктов реакции которой в водосодержащей среде является диоксид углерода.

3. Система по п. 2, отличающаяся тем, что в качестве одного из компонентов газогенерирующего материала выбран карбонат или бикарбонат щелочного металла.

4. Система по п.3, отличающаяся тем, что в качестве компонента газогенерирующего материала выбрана твердая фаза водорастворимой кислоты.

5. Система по п.4, отличающаяся тем, что в качестве водорастворимой кислоты выбрана лимонная и/или борная кислота.

6. Система по п.4 или 5, отличающаяся тем, что твердая фаза водорастворимой кислоты выбрана в виде гидрата.

7. Система по п.1, отличающаяся тем, что в качестве газогенерирующего материала выбран насыщенный диоксидом углерода адсорбент.

8. Система по п.7, отличающаяся тем, что в качестве адсорбента выбран природный и/или искусственный цеолит и/или силикагель.

9. Система по любому из пп.1-8, отличающаяся тем, что система снабжена средством увеличения поверхности газообмена газогенерирующего материала с окружающей его средой при разгерметизации корпуса.

10. Система по п.9, отличающаяся тем, что средство увеличения поверхности газообмена выполнено в виде расположенного под корпусом приемного чехла, выполненного в виде сплошного или перфорированного тонкостенного поддона, в виде сетки с задающими форму пластинами или в виде гофрированной решетки, а корпус снабжен затвором, выполненным с возможностью свободного самопроизвольного выхода газогенерирующего материала в приемный чехол при разгерметизации корпуса.

11. Система по п. 10, отличающаяся тем, что корпус снабжен подвижными створками, образующими грейфер или цангу, а затвор выполнен в виде узла, удерживающего створки от раскрытия под действием собственного веса и/или веса газогенерирующего материала.

12. Система по п.11, отличающаяся тем, что затвор и запорное устройство выполнены как единое целое и снабжены общим приводом.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к системам противоаварийной защиты пожароопасных объектов, в первую очередь ядерной энергетики, конкретно к системам предотвращения разрушения защитных оболочек атомных энергоустановок с водо-водяными реакторами различного типа, в том числе кипящих и с водой под давлением.

Известны барьеры и системы обеспечения безопасности атомных станций при тяжелых авариях, сопровождаемых разрушением активной зоны. К основному и последнему барьеру на пути выхода радионуклидов в окружающую среду из поврежденной атомной энергоустановки относится защитная оболочка, герметично охватывающая оборудование первого контура, разрушение которого приводит к выходу радионуклидов в воздушную среду под защитной оболочкой.

Практически все тяжелые аварии на АЭС с реакторами, охлаждаемыми водой или натрием, приводят к образованию больших количеств водорода в первую очередь при взаимодействии материалов активной зоны с водой, например, по реакции окисления водой нагретых циркониевых оболочек - твэлов.

Опасность выхода водорода заключается в очень быстром выделении большой энергии при его сгорании (или взрыве) в паровоздушной среде, формирующейся при аварии под защитной оболочкой.

В частности, расчеты показывают, что для защитной оболочки объемом около 63 000 м³ (типа ВВЭР-1000) выход водорода по реакции "пар - цирконий" для 100%-ного окисления оболочек твэлов составляет около 1000 кг, из которых в паровоздушной среде (59 000 кг воздуха, 86 000 кг пара) сгорает 841 кг водорода, что приводит к росту давления под оболочкой до 0.78 МПа /Будаев М.А., Методика оценки роста давления и температуры при сгорании водорода в локализующих помещениях атомных станций во время аварий. В сб.: Вопросы атомной науки и техники, сер. Физика и техника ядерных реакторов, 1988, вып.5, с. 72-75/.

Проектное давление современных защитных оболочек (например, для европейского реактора EPR) составляет около 0.65 МПа. Таким образом, как показывают расчеты, рост давления, вызванный сгоранием водорода, может разрушить защитную оболочку. В связи с недопустимыми последствиями, выходящими за пределы нормативных ограничений, развитие аварии по изложенному сценарию должно быть исключено.

Похожий сценарий развития аварии был реализован во время разрушения активной зоны на АЭС "Три Майл Айленд" и только по удачному стечению обстоятельств горение водорода не привело к разрушению защитной оболочки.

Для предотвращения подобных последствий на АЭС реализуются различные технические решения по снижению риска быстрого горения водорода. К числу таких мер относится установка сжигателей водорода, как это изложено в патенте США 4780271 (приор. 02/10/1985, кл. G 21 C 9/00) и патенте США 5230859 (приор. 13/06/1989, кл. G 21 C 9/00), или применение тепловых или каталитических рекомбинаторов водорода, как это изложено в стратегии уменьшения риска водородных взрывов на реакторах типа ВВЭР /F.Fineschi, A strategy for dealing with risks due to hydrogen explosions in the containments ofpressurized-water reactors of russian design (WWER), Nuclear Safety, vol.32, no.3, July-September 1991, pp.380-387/.

Учитывая резкое снижение работоспособности рекомбинаторов при высаждении во время аварии аэрозолей на активных участках этих устройств, требуются специальные меры по их защите, как это предложено, например, в пат. США 6246739 (публ. 12/06/2001, кл. G 21 C 9/00), согласно которому в проходках, соединяющих верхнюю и нижнюю части подоболочечного пространства, устанавливают улавливающие аэрозоли устройства.

Недостатком подобных технических решений является относительно высокая стоимость каталитических рекомбинаторов и их низкая производительность, а также способность всех этих типов устройств стать инициаторами взрывного горения водорода при резком увеличении его концентрации под защитной оболочкой, как это имеет место при тяжелых авариях с высокой скоростью окисления циркониевых элементов активной зоны.

Другим методом снижения водородной опасности служит уменьшение концентрации кислорода в водородосодержащей среде, что может быть достигнуто путем использования, например, изобретения по патенту США 3820687 (приор. 05/03/1973, кл. B 67 D 5/08), согласно которому выводят из защищаемой зоны возможного горения кислородсодержащую среду в устройство высокотемпературного окисления углерода, после чего образовавшуюся газовую смесь, обогащенную диоксидом углерода, возвращают в защищаемый объем. Недостатком такого технического решения служит низкая производительность при отсутствии средств принудительной прокачки газовых сред, как это имеет место при аварийном обесточивании АЭС, а также повышенная пожароопасность использования горючих материалов.

Возможным решением могло бы служить средство, предложенное в пат. США 4601873 (приор. 14/07/1982, кл. G 21 C 9/00) и состоящее в том, что обеспечивают стратификацию газовых слоев под защитной оболочкой АЭС во время аварии за счет подачи в верхнюю часть подоболочечного пространства инертного газа низкой плотности (например, гелия), что снижает плотность верхних слоев и не позволяет им перемешиваться с нижними слоями. Такая стратификация, по замыслу авторов, могла бы локализовать водородосодержащие слои при безопасных концентрациях составляющих их компонентов. Недостатком такого решения служит возможность образования локальных взрывоопасных участков на нижележащих отметках атомной станции.

Наиболее радикальным средством предотвращения горения водорода служит создание под защитной оболочкой среды, концентрация составляющих которой не создает опасности горения водорода. Инертная среда может поддерживаться под оболочкой постоянно, как это рассмотрено в цитируемой выше стратегии уменьшения риска и реализовано в США на некоторых АЭС с реакторами кипящего типа и контейнментами типа MARK-1 и MARK-2, однако при этом резко усложняется нормальное обслуживание энергоустановки для персонала, вынужденного проходить шлюзование и работать в кислородных приборах. Инертизация подоболочечного пространства может производиться и после начала аварии. Такое решение предложено, например, в пат. США 3893514 (приор.23/11/1973, кл. А 62 C 1/14), в зону возгорания подавать инертный газ (азот), снижая концентрацию кислорода ниже уровня, поддерживающего горение. Возможные скорости ввода инертизирующего газа могут превышать 0,3 скорости звука для заполняемой среды, что обеспечивается с помощью трубок Вентури и других газодинамических элементов по пат. ФРГ 4421601 (публ. 24/08/1995, кл. G 21 C 9/06). В пат. ФРГ 4433901 (публ. 28/03/1996, кл. G 21 C 9/06), сжиженный инертный газ хранят при повышенном давлении и подают при открытии отсечного клапана сначала в испаритель, а затем под защитную оболочку. В пат. США 5764716 (приор. 06/01/1997, кл.G 21 C 9/06) для увеличения расхода инертизирующего газового агента с помощью теплоносителя тепло к испарителю подводится из отдельной теплоизолированной емкости-аккумулятора тепла, в которой тепло запасается при нагреве масла, металла или керамики. Инертный газ (например, диоксид углерода) хранится при пониженной температуре либо в жидкой либо в твердой фазе и может быть инжектирован в поток, подаваемый в испаритель, в виде кристаллов или частиц. Для достижения концентрации СO₂ 15-30% требуемое время не превышает 2 ч при расходе СO₂ свыше 10000 кг/ч. При частичной инертизации концентрацию кислорода снижают ниже 17%, при полной - ниже 8%. В пат. США 5872825 (публ. 16/02/1999, кл. G 21 C 9/004) решается задача усовершенствования системы инертизации для предотвращения переопрессовки бетонных конструкций защитной оболочки при увеличении давления, обусловленного подачей под оболочку значительных количеств инертизирующего газа. С этой целью в тракте подачи инертного газа установлен обратимый фильтр-адсорбер, активная часть которого выполнена вращающейся и соединена по второй стороне с трактом вентиляционного сброса газа из-под оболочки в окружающую среду, который открывается при превышении допустимого давления внутри оболочки. Радионуклиды в виде аэрозолей и йод сорбируются фильтром и выдерживаются для распада нестабильных атомов. В процессе переключения фильтра на подачу инертного газа, предварительно нагретого за счет теплового аккумулятора, проходящий через фильтр инертный газ регенерирует адсорбент, унося радионуклиды обратно под оболочку, не давая тем самым попасть им в окружающую среду. Недостатком всех изложенных решений служит сложная система поддержания устройства в рабочем состоянии за счет нагрева теплового аккумулятора, необходимость хранить инертный газ при повышенном давлении и/или пониженной температуре.

Частично эти недостатки устраняются при использовании технических решений согласно пат. США 5495511 (приор. 18/08/1994, кл. G 21 C 9/00), в котором источником инертного газа служит разлагающийся при аварийном нагреве материал. Поскольку для многих химических веществ, выделяющих при разложении СO₂ или водяной пар, нагрева паровоздушной средой, образующейся при аварии, недостаточно для разложения, то предложено совмещать указанные источники с каталитическими рекомбинаторами, нагреваемыми за счет происходящей в них реакции окисления водорода кислородом воздуха. В качестве материала предложено использовать смитсонит (карбонат цинка), оксалат или карбонат железа, боракс (Na₂B₄O₇10H₂O) и другие химические соединения, разлагающиеся при температурах, как правило, 300-400^oC. Часть предложенных веществ разлагается и при более низких температурах (100-200^oC), однако этот класс соединений выделяет лишь кристаллизационную воду в виде пара, который и так присутствует в аварийной среде подоболочечного пространства. Таким образом, недостатками данного технического решения являются:

- высокая инерционность системы, связанная с необходимостью нагрева материала до высоких температур, что обуславливает зависимость этого решения от привязки к источникам высокотемпературного тепла (например, рекомбинаторам), которые могут и не обеспечить требуемого нагрева и/или нагрев которых начнется только при больших концентрациях водорода, то есть с определенной задержкой после начала аварии;

- возможность переопрессовки оболочки при выделении больших объемов газа;

- возможность утраты рабочих свойств материала при его нахождении в течение длительного хранения в негерметичном виде (фильтры, предложенные в качестве оболочки материала, газообмена не предотвращают);

- при использовании материалов, выделяющих водяной пар, конденсация последнего под оболочкой при работе спринклерной аварийной системы приводит к увеличению концентраций кислорода и водорода под оболочкой вплоть до перехода к взрывоопасным значениям.

По совокупности признаков, включая конструктивные особенности, данная система является наиболее близким аналогом и взята за прототип.

Техническими результатами предлагаемого изобретения является снижение вероятности разгерметизации защитной оболочки в аварийных условиях.

Указанные технические результаты достигаются тем, что в системе послеаварийной инертизации, состоящей из газогенерирующего твердого материала, способного к выделению инертного газа при контакте с нагретой паровоздушной средой и заключенного в расположенный внутри защитной оболочки водоохлаждаемой ядерной энергоустановки корпус, снабженный средством для выпуска инертного газа, корпус выполнен герметичным, средство для выпуска газа снабжено разрывной мембраной, давление разрыва которой не превышает избыточного давления, создаваемого внутри защитной оболочки при аварийной разгерметизации ядерной энергоустановки, и/или запорным устройством, управление которым выведено за пределы защитной оболочки. Целесообразно в качестве газогенерирующего материала выбрать гигроскопичную смесь химических соединений, одним из продуктов реакции которой в водосодержащей среде является диоксид углерода.

В качестве одного из компонентов газогенерирующего материала может быть выбран карбонат или бикарбонат щелочного металла.

Также возможно в качестве компонента газогенерирующего материала выбрать твердую фазу водорастворимой кислоты.

В качестве водорастворимой кислоты целесообразно выбрать лимонную и/или борную кислоту, а качестве твердой фазы водорастворимой кислоты - гидрат.

Одним из целесообразных вариантов является выбор в качестве компонента газогенерирующего материала, насыщенного диоксидом углерода адсорбента, в качестве которого может быть выбран природный и/или искусственный цеолит и/или силикагель.

Система может быть снабжена средством увеличения поверхности газообмена газогенерирующего материала с окружающей его средой при разгерметизации корпуса, которое в частном случае выполнено в виде расположенного под корпусом приемного чехла, выполненного в виде сплошного или перфорированного тонкостенного поддона, в виде сетки с задающими форму пластинами или в виде гофрированной решетки, а корпус снабжен затвором, выполненным с возможностью свободного самопроизвольного выхода газогенерирующего материала в приемный чехол при разгерметизации корпуса.

Целесообразен также вариант, в котором корпус снабжен подвижными створками, образующими грейфер или цангу, а затвор выполнен в виде узла, удерживающего створки от раскрытия под действием собственного веса и/или веса газогенерирующего материала, причем в частном случае затвор и запорное устройство могут быть выполнены как единое целое и снабжены общим приводом.

Преимущества, а также особенности настоящего изобретения станут понятными во время последующего рассмотрения приведенных ниже лучших вариантов осуществления изобретения.

Основной технический результат достигнут за счет применения в системе послеаварийной инертизации усовершенствованной конструкции и материалов, составляющих основное газогенерирующее устройство, корпус которого согласно изобретению выполнен герметичным, снабжен средством для выпуска инертного газа, которое, в свою очередь, снабжено разрывной мембраной, рассчитанной на аварийное давление, или запорным устройством, управление которого осуществляется извне оболочки. Такое решение позволяет в зависимости от концепции построения защитных барьеров ядерной энергоустановки обеспечить либо полностью пассивный ввод в действие системы инертизации-, либо активный ввод по действию оператора, либо совместить принципы инициирования системы с возложением на разрывную мембрану функций подстраховывающего устройства.

Главное же, что удалось решить выбором газогенерирующего материала, - совмещение трех функциональных преимуществ в предложенной системе:

- пассивный процесс выделения инертного газа (диоксида углерода) при контакте газогенерирующего материала с паровоздушной средой, не требующий подвода тепла к зоне реакции для компенсации ее термического эффекта;

- отсутствие значительной переопрессовки оболочки при подаче инертного газа из системы за счет обмена одного из компонентов подоболочечной среды с существенным парциальным давлением (водяного пара) на другой компонент с близким парциальным давлением;

- ликвидация опасности повышения концентрации кислорода и водорода при послеаварийной конденсации инертизирующего среду водяного пара, перевод которого в жидкую фазу происходит как на поверхностях защитной оболочки и внутренних конструкций, так и в основном за счет подачи воды спринклерной системы, и в отдельных случаях за счет аккумулированного холода ледовых конденсаторов.

Достигается такое сочетание тем, что в качестве газогенерирующего материала выбрана гигроскопичная смесь химических соединений, одним из продуктов реакции которой в водосодержащей среде является диоксид углерода. Тем самым контакт такой смеси с аварийной паровоздушной средой приводит к выводу водяного пара и переводу его в химически связанное состояние за счет прохождения реакции выделения диоксида углерода из реагирующей с водой смеси.

В качестве компонентов такой гигроскопической среды, как показали исследования, целесообразно выбрать смесь карбонатов щелочных металлов (лития, калия, натрия) и дегидратированную (полностью или частично) кислоту, способную длительное время в сухом твердом порошкообразном состоянии храниться в герметичной упаковке в смеси с сухими твердыми карбонатами или бикарбонатами (в частности, с бикарбонатом натрия NaHCO₃) и вступать с ними в реакцию при увлажнении. Наиболее эффективными в данном отношении по результатам экспериментов найдены лимонная кислота (моногидрат, С₆Н₈O₇) и безводная борная кислота (В₂O₃), концентрацию которых в смеси желательно поддерживать на уровне, на 10-20% превышающем стехиометрический.

Высокая гигроскопичность выбранных смесей заставляет особое внимание уделять важному признаку корпуса - его герметичности, чего не требовалось в прототипе, где реакция инициировалась нагревом, и главное, что требовалось - обеспечить эффективный нагрев, например, отбирая тепло от реактивных поверхностей пассивных каталитических рекомбинаторов.

Требование к герметичности даже ужесточается при использовании в качестве газогенерирующего материала насыщенного диоксидом углерода твердого адсорбента, в качестве которого выбран природный и/или искусственный цеолит и/или силикагель, поскольку в этом варианте реализации изобретения корпус будет наполнен диоксидом углерода при давлении, равновесным заданной насыщенности адсорбента при нормальной температуре. Целесообразно, как например в случае использования цеолитов типа NaX или СаА, при температурах 20-30^oC поддерживать избыточное давление на уровне 1-2 атм, что соответствует насыщенности адсорбента 0,25-0,3 г СO₂/г цеолита. Относительно невысокий уровень давления облегчит конструкцию модулей корпуса, упростит задачу поддержания герметичности, не создаст опасности для персонала при ошибочной или аварийной разгерметизации корпуса в целом или одного из его модулей (в период обслуживания и ремонтов), обеспечив в то же время возможность оперативного контроля готовности системы по индикации давления в корпусе, быстрое начальное инертизирующее воздействие при аварии.

Хотя требуемые скорости инертизации относительно невелики (требуется обеспечить заданный выход газа за время не более 2 ч), особое внимание уделено развитию реакционной поверхности материала, для чего система снабжена средством развития газообмена, выполненным, в частном случае, в виде расположенного под корпусом приемного чехла в виде сплошного или перфорированного тонкостенного поддона, в виде сетки с задающими форму пластинами или в виде гофрированной решетки, а также корпус снабжен затвором, выполненным с возможностью свободного самопроизвольного выхода газогенерирующего материала в приемный чехол при разгерметизации корпуса.

Выход материала, учитывая его сыпучий характер, из корпуса в приемный чехол целесообразно выполнить за счет конструктивно включенного в систему затвора, удерживающего створки корпуса, образующими в данном варианте грейфер или цангу, от самопроизвольного раскрытия под действием собственного веса или под действием также и веса газогенерирующего материала:

Учитывая общее назначение затвора и запорного устройства, нацеленных на выполнение одной функции - разгерметизации корпуса, целесообразно выполнение обоих устройств как единое целое с общим приводом.

Особенности рабочего процесса системы послеаварийной инертизации согласно изобретению изложены ниже.

После начала аварии, сопровождаемой разгерметизацией контура водяного охлаждения ядерного реактора, например при разрыве одного из циркуляционных трубопроводов, пространство под защитной оболочкой начинает заполняться водяным паром, а после разогрева металлических оболочек твэлов до температур начала парометаллических реакций под оболочку начинает поступать и водород.

При росте давления под оболочкой и вызванным возникающим при этом перепаде давления разрыве мембраны или по сигналу от аварийных датчиков и ручному или автоматическому открытию запорного устройства система переводится из режима ожидания в рабочее состояние. При этом водяной пар получает доступ к газогенерирующему материалу, что вызывает конденсацию пара, увлажнение материала и начало реакции выделения инертного газа - диоксида углерода. Требуемое количество инертизирующего газа СO₂ в случае защитной оболочки объемом 63,000 м₃ на примере реактора ВВЭР-1000 для практически полной инертизации (более 30 об.%) и вывода подоболочечной среды из взрыво- или пожароопасных концентраций даже при условии конденсации водяного пара составляет около 44,000 кг. Для подачи такого количества СO₂ в случае применения смеси бикарбоната натрия и борной кислоты (по реакции 2NaHCO₃+4Н₃ВО₃-->Na₂B₄О₇+2СO₂+7Н₂O) требуется по стехиометрии около 80,000 кг бикарбоната и 120,000 кг кислоты, которые свяжут более 30,000 кг (около 30 об. %) водяного пара. В случае использования лимонной кислоты (С₆Н₈О₇) с образованием раствора цитрата натрия (C₆H₅Na₃О₇) расход кислоты составит около 70,000 кг, что при близкой стоимости борной и лимонной кислот (около 500 долл. США/т) в 1.5 раза уменьшит затраты на приобретение компонентов смеси.

Для усиления эффекта реакции под корпусом размещен приемный чехол, выполненный, например, в виде перфорированного тонкостенного поддона, в виде сетки с задающими форму пластинами или в виде гофрированной решетки, высыпавшись на которую газогенерирующий материал получает большую поверхность контакта с паровоздушной подоболочечной средой, что ускорит массообменные процессы. Для обеспечения выхода материала из корпуса открывают затвор, удерживающий подвижные створки корпуса от возможности свободного самопроизвольного раскрытия, что и приводит к высыпанию газогенерирующего материала в приемный чехол.

Большей интенсивности увлажнения материала для начала реакции можно добиться размещением приемного чехла в зоне действия водяного распыла, образуемого форсунками спринклерной системы.

При наличии в конструкции защитной оболочки ледовых конденсаторов также целесообразно предусмотреть общую компоновку системы послеаварийной инертизации с модулями, аккумулирующими лед. В этом случае сам лед мог бы служить в смеси с вмороженным в него газогенерирующим материалом, источником инертного газа, выделение которого происходит при расплавлении льда, вызывающем образование жидкой водяной фазы, инициирующей начало реакции.

В целом реализация изложенных технических решений в их взаимосвязи обеспечивает эффективную пассивную послеаварийную инертизацию защищаемого объема, снижая вероятность потери герметичности защитной оболочки - последнего барьера на пути выхода радиоактивных продуктов деления в атмосферу. Необходимо также отметить, что изложенное техническое решение может быть реализовано в качестве средства противопожарной защиты объектов различного типа, в процессе аварии или пожара на которых в защищаемом объеме присутствует существенная концентрация водяного пара или вода в конденсированном состоянии.