Основной принцип 2-й фундаментальной функции безопасности - поддержание охлаждения аз, наличия и состояния охлаждающей воды для обеспечения эффективного теплообмена в нормальных и аварийных условиях.
Для выполнения 2-й ФФБ должны приниматься меры по охлаждению аз в нормальных и аварийных условиях, а также после вывода реактора из действия.
Основной задачей этой функции является предотвращение повреждения твэлов из-за перегрева аз при возникновении дисбаланса между тепловыделением и теплоотводом в аз. Для этого в составе ЭБ предусмотрены специальные устройства и системы охлаждения. Для нормальной эксплуатации - штатная система охлаждения с использованием 1-го контура, а для аварийных - системы и устройства аварийного охлаждения (САОЗ, аварийной подпитки ПГ, СГЕ, БРУ-А, БРУ-К, БРУ-CH, ПК КД и др.).
При использовании нормальной системы охлаждения тепло от аз отводится циркулирующим в 1-м контуре теплоносителем и передается в ПГ рабочему телу. Полученный в ПГ свежий пар используется в ТГ, а отработавший в турбинах сбрасывается в главный конденсатор. ГК охлаждается системой технической воды. Охлаждение технической воды производится с помощью градирен, бассейнов-охладителей или брызгальных бассейнов. Очевидно, нарушение теплообмена в этой теплотехнической цепочке может приводить к перегреву аз (и даже к расплавлению).
Рассматриваемая выше схема характеризует нормальный теплоотвод от аз реактора.
В общем случае в нормальных условиях готовность систем и оборудования для выполнения теплоотвода от аз обеспечивается за счет контроля и поддержания:
- номинальных значений температуры и давления теплоносителя в 1-м контуре;
- уровня в НГ или барабанах-сепараторах;
- систем нормального и аварийного охлаждения в исправном состоянии.
Нормальная система охлаждения может также служить для теплоотвода при различных нарушениях и авариях, не связанных с потерей герметочности, а также для отвода остаточного тепла после аварийного останова реактора.
В аз остаточное тепло выделяется и после останова ЯР (после прекращения цепной реакции деления) за счет радиоактивного распада продуктов деления, накопившихся в аз в процессе работы ЯР. Это тепло отводится в нормальных условиях через ПГ и 2-й контур к конечному поглотителю. В случае невозможности отвода тепла через ПГ остаточное тепло отводится с помощью систем аварийного расхолаживания.
При возникновении аварийных ситуаций в схеме аварийного теплоотвода заложен следующий принцип: в РУ должны предусматриваться дополнительно к нормальной системе охлаждения также аварийные и альтернативные средства для восстановления и поддержания охлаждения аз при авариях в случаях либо отказа системы нормального охлаждения, либо нарушения герметичности 1-го контура (3-го физического барьера).
К этим средствам кроме аварийных систем охлаждения аз относятся:
- система охлаждения РУ через предохранительные клапаны КД с использованием приямков ГО, в которых собирается вытекающий из 1-го контура теплоноситель;
- устройства БРУ-А, БРУ-К, БРУ-СН;
- охлаждение с использованием естественной циркуляции теплоносителя и др.
Практическая реализация 2-й ФФБ в нормальных и аварийных условиях характеризуется некоторыми особенностями и возникающими проблемами безопасности, влияющими на выполнимость этой функции.
Особенности охлаждения аз в рабочих и переходных режимах
Процесс нормального охлаждения реактора в рабочих переходных режимах осуществляется через ПГ и второй контур. При потере внешнего электроснабжения АЭС пар может сбрасываться в конденсатор турбины (БРУ - К), или в атмосферу (БРУ - А), или в случае невозможности функционирования других систем - через предохранительные клапаны ПГ.
Длительное расхолаживание реактора при "холодном останове" может осуществляться с использованием САОЗ низкого давления.
Поскольку охлаждение АЗ в рабочих и переходных режимах возможно лишь при герметичном 1-м контуре, то необходим постоянный контроль плотности (целостности) компонентов 1-го контура. Опыт эксплуатации показывает, что наиболее слабым элементом в системе 1-го контура является коллектор ПГ. Нарушения водно-химического режима 2-го контура может вызывать коррозионное растрескивание коллектора под напряжением.
ПГ играет важную роль в охлаждении аз реактора в этих режимах. Поэтому подача питательной воды должна быть обеспечена во всех условиях и система питания ПГ должна сохраняться, а возникновение отказов (в том числе по общей причине) не должно нарушать питания ПГ. Должна быть надежная защита системы аварийной подачи питательной воды.
Вторым элементом, требующим особого внимания, является корпус реактора, в котором может происходить радиационное охрупчивание. Это требует проверки корпуса реактора и контроля металла под плакировкой, сварных швов и крышки корпуса реактора. Контролю подвергаются также проходка, сварные швы труб, сварные швы в корпусе ПГ.
Для поддержания целостности 1-го контура необходимо контролировать давление в нем, которое регулируется нагревателями КД и впрыском воды в его паровое пространство.
В переходном режиме защита 1-го контура от превышения давления обеспечивается также предохранительными клапанами на КД.
В случае общей потери охлаждения реактора через второй контур при тяжелой аварии целесообразно рассматривать возможность "сброса подпитки" 1-го контура.
Для рассматриваемых режимов возможно возникновение следующих проблем безопасности:
- охрупчивания корпуса реактора и его контроля;
- целостности коллекторов и трубной системы ПГ и смягчения последствий течи коллектора;
- воднохимического режима и его контроля;
- защиты от переопрессовки 1-го контура;
- безопасности КД;
- защиты трубопроводов аварийной подачи питательной воды.
Особенности охлаждения реактора при авариях с потерей теплоносителя
Аварии с течами теплоносителя 1-го контура в нормальных условиях компенсируются системой подпитки-продувки 1-го контура. Если система подпитки не может компенсировать возникшую течь, то вводится в действие САОЗ, которая заполняет аз холодной борированной водой для отвода остаточного тепла. САОЗ обычно включает в себя трехканальные системы:
- впрыска борного раствора высокого давления;
- ввода воды высокого давления;
- гидроемкостей (гидроаккумуляторов) промежуточного давления с борированной водой;
- ввода борированной воды низкого давления.
Эти системы используют в начале запас воды в баках, а затем воду из приямков ГО, вытекающую из негерметичного 1-го контура. Для охлаждения и снижения давления в ГО применяется также спринклерная система.
Рассмотрим особенности охлаждения аз для наиболее характерного случая, связанного с течью из 1-го во 2-й контур при нарушении целостности коллектора ПГ. Разрушение коллектора ПГ приводит к быстрому заполнению ПГ и главного паропровода, для которого нагрузка от горячей воды под давлением может быть чрезмерной.
При этом может быть нарушение охлаждения аз на длительное время из-за потери теплоносителя. Здесь возможны две причины: разрыв паропровода перед отсечными клапанами за пределами ГО или через клапаны БРУ-А, у которых возможен отказ на закрытие. Вышеназванные исходные события и недостаточность охлаждения аз определяют возможность риска повреждения аз и выброса радиоактивности в окружающую среду.
Это объясняется следующим. Прекращение или значительное ухудшение охлаждения аз (отвода остаточных тепловыделений) может привести к кризису теплообмена первого рода и в крайнем случае - к резкому повышению температуры оболочки твэла (до 1200 °C) [29].
При такой температуре происходит пароциркониевая реакция со значительным тепловыделением и возможным пережогом оболочек твэлов и расплавлением аз. В худшем случае это приведет к расплавлению реактора (с возможным расплавлением днища корпуса) с выбросом топливосодержащей массы в ГО, нарушению его целостности и выбросу большого количества РАВ в окружающую среду. Такое гипотетическое рассмотрение тяжелой ядерной аварии предъявляет жесткие требования к необходимости использования всех возможных инженерно-технических средств и СБ для обеспечения отвода остаточных тепловыделений от аз в любых аварийных условиях.
Особенности охлаждения аз при отказе функционирования САОЗ и при перегрузке топлива
Для охлаждения СБ, ГЦН и аварийных насосов питательной воды обычно используется трехканальная система техводоснабжения ответственных потребителей.
При аварии с потерей теплоносителя возникновение отказа функционирования хотя бы одного канала САОЗ создает угрозу ухудшения охлаждения аз, так как это связано с уменьшением запаса теплоносителя.
Очевидно, в начальной фазе аварии с потерей теплоносителя давление 1-го контура выше, чем в системе технического водоснабжения ответственных потребителей. И при повреждении теплообменников САОЗ НД теплоноситель из 1-го контура попадает в систему технической воды ответственных потребителей.
Кроме того, вытекающие струи горячей воды и пара в ГО могут попадать на оборудование и разрушать теплоизоляцию. Изоляционный материал может засорять фильтры "приямков" ГО и теплообменники, что будет ухудшать процесс охлаждения аз САОЗ в рециркуляционном режиме. В этом режиме может быть утечка теплоносителя через уплотнения ГЦН. Это объясняется ухудшением охлаждения уплотнений ГЦН из-за потери подпитки и отказа аварийного насоса в автономном контуре охлаждения, который предназначен для охлаждения воды 1-го контура технической водой ответственных потребителей. Следует подчеркнуть, что выход из строя системы техводоснабжения ответственных потребителей ведет к потере функции отвода тепла от аз как через 2-й, так и через 1-й контуры.
Особенности охлаждения аз при холодном останове и при перегрузке топлива связаны с необходимостью обеспечения длительного охлаждения аз. Отвод тепла от аз и 1 -го контура при холодном останове для рассматриваемого случая может выполняться с помощью САОЗ низкого давления. Однако при определенных аварийных условиях процесс охлаждения аз для рассматриваемого режима может существенно усложниться из-за реальной возможности повреждения теплообменников аварийной системы охлаждения. Таким образом, контроль обеспечения целостности теплообменников САОЗ представляет собой одну из проблем безопасности для данного режима.
В заключение можно назвать основные проблемы безопасности, относящиеся к рассмотренным режимам и требующие особого внимания:
- целостность коллекторов ПГ и смягчение последствий повреждений их;
- целостность трубопроводов пара и питательной воды;
- контроль и регулирование водно-химического режима 1-го и 2-го контуров;
- защита от динамических воздействий при разрывах линий пара и пита тельной воды;
- система охлаждения уплотнений ГЦН;
- целостность теплообменников САОЗ;
- полная потеря электроснабжения;
- аварии при низкой мощности и в режиме останова РУ.
