К настоящему времени имеются разработки парогенераторов с натриевым теплоносителем как с одностенным, так и с многостенным разделением теплоносителя и рабочего тела. Решение вопросов безопасности в этих конструкциях выполнено на совершенно различных уровнях.
Парогенераторы с многостенными теплопередающими трубками были созданы для экспериментальных установок [’’Даунри” (Великобритания), EBR-II (США), БР-5 (СССР)] в конце 50-х годов [1,2]. В это время практически мало что было известно об аварийных режимах при контакте натрия и воды. Предполагалось, что аварийные ситуации в парогенераторах полностью исключаются за счет усложнения конструкции теплопередающих поверхностей (при ограниченных мощностях это было допустимо). По изложенной выше причине в конструкции вообще отсутствовала САЗ.
Переход к промышленным АЭС заставил пересмотреть идеологию проектирования. Повсеместно стали применять одностенные конструкции (установки БОР-60, БН-350, БН-600 в СССР, ’’Феникс” и ’’Супер- Феникс” во Франции, PFR в Великобритании, ’’Энрико Ферми” в США [6-10]). При этом в конструкционном отношении САЗ парогенераторов различных установок имеют много общего.
Подсистема формирования аварийного сигнала при малых течах практически во всех реализованных проектах основана на использовании индикаторов водорода в газе и натрии. При этом повсеместно используется схема с установкой датчиков в каждой газовой полости (если она имеется в модулях БН-350, PFR, ’’Супер-Феникс”, рис. 5.4—5.6) или в общем объеме буферной емкости (’’Феникс”, БН-600, рис. 5.7, 5.8). Датчики водорода в натрии могут быть установлены на каждом модуле (PFR), по одному на группу модулей (БН-600, ’’Феникс”) и по одному на весь натриевый контур (БН-350, ’’Супер-Феникс”).
Что касается акустических систем индикации течи, то их применение не вышло за рамки экспериментальных устройств, а следовательно, они практически не используются для обнаружения протечек воды в натрий. Тем не менее в настоящее время ведутся работы по дальнейшему совершенствованию акустических систем обнаружения малых течей.
Рис. 5.4. Схема САЗ парогенератора АЭС БН-350:
1 - испаритель; 2 - пароперегреватель; 3 - газовый объем; 4 - сепаратор первой ступени; 5 - предохранительная мембрана в газовой полости; 6 - сепаратор второй ступени; 7 - быстродействующая пароводяная арматура; 8 — линия аварийного сброса воды; 9 - расширитель; 10 - индикатор водорода в газе; 11 - индикатор водорода в натрии; 12 - индикатор давления в газовой полости
Кроме того, рассматривается возможность индикации течей с расходом на уровне несколько долей грамма в секунду и более с помощью систем, основанных на использовании эффекта возникновения импульса электрического сигнала при прохождении пузырьков водорода в потоке натрия через датчик. В качестве последнего применяется либо магнитный расходомер, либо индуктивное устройство. Указанные системы индикации просты в изготовлении и эксплуатации, удобны при индикации течей в многомодульной схеме парогенератора (помодульный контроль). Однако степень их эффективности зависит от условий растворения водорода в натрии [59].
Формирование аварийного сигнала в режиме ’’большая течь” происходит или по увеличению давления в натриевом контуре (БН-350, БН-600, где при исходном давлении 0,15-0,25 МПа аварийная уставка находится на уровне 0,25-0,35 МПа), или при аварийном разрыве мембраны в натриевой полости и замыкании контакта при истечении теплоносителя (’’Феникс”, PFR, ’’Супер-Феникс”), либо по регистрации отклонений расхода натрия на натриевых коммуникациях парогенератора (БН-600).
Подсистемы защиты по пароводяному контуру во всех рассматриваемых парогенераторах имеют много общего. Преимущественно используется схема аварийного осушения пароводяного объема в один общий расширитель (например, БН-350, ’’Феникс”, рис. 5.4, 5.5). Исключение составляет парогенератор АЭС PFR, где из каждого модуля пар и вода аварийно сбрасываются в индивидуальный расширитель (рис. 5.6).
В схемах САЗ используется быстродействующая арматура с пневматическим, гидравлическим или электрическим приводами. Время срабатывания составляет 0,5-20 с.
Наибольшее разнообразие наблюдается в реализации подсистемы защиты по натриевому контуру.
Демпфирующие газовые полости размещаются как непосредственно в модулях (БН-350, PFR, ’’Супер-Феникс”), так и в выносных емкостях (БН-600,’’Феникс”).
Рис. 5.5. Схема САЗ парогенератора АЭС ’’Феникс”:
1 — пароперегреватель; 2 - промпароперегреватель; 3 - испаритель; 4 - буферная емкость; 5 - быстродействующая натриевая арматура; 6 - индикатор водорода в натрии; 7 - индикатор водорода в газе; 8 - линия сброса продуктов реакции; 9 - мембраны на линиях натрия; 10 - мембрана на линии газа; 11 - циклонный сепаратор; 12 - быстродействующая арматура по воде; 13 - расширитель
Рис. 5.6. Схема САЗ парогенератора АЭС PFR:
7 — испаритель; 2 - пароперегреватель; 3 — промпароперегреватель; 4 — мембраны 200 мм в линиях натрия; 5 - мембраны 300 мм в линиях натрия; 6 - мембраны 300 мм в линиях газа; 7 - сбросной коллектор; 8 - сепаратор первой ступени; 9 — сепаратор второй ступени; 10 — обратный клапан; 11 — мембрана; 12 - быстродействующая пароводяная арматура; 13 - расширители; 14 — индикатор водорода в натрии; 15 - индикаторы водорода в газе
Предохранительные мембраны используются или только в газовых полостях (БН-350, БН-600), или в комбинации мембран, работающих в газе и натрии (PFR, ’’Феникс”, ’’Супер-Феникс”). Причем в СССР используются принципы принудительного подрыва мембран в газовых полостях (БН-350) или самопроизвольного (БН-600). В зарубежных вариантах применяется самопроизвольный разрыв, связанный с аварийным увеличением давления. Давление разрыва при самопроизвольном разрушении составляет 0,3-1,5 МПа. Принудительный подрыв происходит при увеличении давления от исходного на 0,05-0,1 МПа. Диаметр используемых мембран находится в пределах 150-300 мм. Устройства сброса и сепарации продуктов реакции почти повсеместно применяются двухступенчатыми. Используются либо два бака, сепарация продуктов в которых основана на изменении направления и скорости движения потока (БН-350, БН-600), либо одной из ступеней является циклон (PFR, ’’Супер-Феникс”).
Рис. 5.7. Схема САЗ парогенератора АЭС БН-600:
1 - испаритель; 2 - пароперегреватель; 3 — промпароперегреватель; 4 - буферная емкость; 5 - предохранительная мембрана; 6 - линии сброса продуктов реакции; 7 - сепараторы первой и второй ступеней; 8 - предохранительный клапан; 9 - быстродействующая арматура; 10 - линия аварийного сброса воды; 11 — расширитель; 12 - натриевая арматура; 13 - индикатор водорода в натрии; 14 - индикатор водорода в газе; 15 - индикатор давления в газе; 16 - индикатор пузырьков водорода в натрии; 17 - линия малых протечек натрия; 18 - индикатор расхода натрия; 19 - предохранительный клапан аварийного сброса воды (пара)
В качестве устройств сброса водорода в атмосферу используются либо гидрозатворы совместно с клапанами возвратного действия (БН-350), либо только клапаны (БН-600), либо разрывные мембраны в совокупности с обратным клапаном (-’’Феникс”, PFR). Ha большинстве парогенераторов нет арматуру на натриевом контуре (БН-350, ’’Супер- Феникс”, PFR). На входе и выходе парогенератора АЭС ’’Феникс” имеется вентиль диаметром 450 мм с быстротой действия 6 с. На АЭС БН-600 имеется арматура на каждой группе модулей (секций), установленная на входных и выходных патрубках Ду 350. Время ее срабатывания составляет 60 с.
Несмотря на то что парогенераторы АЭС ’’Феникс” и БН-600 состоят из группы параллельно включенных модулей, установленная арматура не используется для отключения аварийной секции ”на ходу” с сохранением в работе (в случае необходимости) неповрежденных элементов при любом виде течи.
Рис. 5.8. Схема САЗ парогенератора АЭС ’’Супер-Феникс”:
1 — парогенератор; 2 - газовая полость; 3 — мембрана в газовой полости; 4 — мембраны на линии натрия; 5 — сепаратор первой ступени; 6 - сепаратор второй ступени; 7 - индикатор протечек натрия; 8 - индикатор водорода в газе; 9 - индикатор водорода в натрии; 10 - селектор (переключение отбора натрия)
Дело в том, что выбранная на этих парогенераторах схема САЗ не обеспечивает своевременную локализацию зоны реакции в режиме ’’большая течь” с одновременным обеспечением безопасности аварийного и работоспособных модулей. Для условий ’’малая- течь” применительно к парогенератору БН-600 разработан алгоритм отключения секции ”на ходу” с использованием обычных технологических дренажей по натрию и воде. Однако в случае перехода малой течи в большую также работает алгоритм с остановкой всего парогенератора.
В настоящее время для парогенераторов проектируемых АЭС БН-800 (рис. 5.9) и БН-1600 [12] разрабатывается САЗ, позволяющая полностью использовать преимущество секционных конструкций. На этих парогенераторах параллельно включенные модули средней мощности объединяются в секции таким образом, чтобы отключение одной или двух секций не сказывалось серьезным образом на теплогидравлическом режиме остальных.
Рис. 5.9. Схема САЗ парогенератора АЭС БН-800:
1 - испаритель; 2 - пароперегреватель; 3 — быстродействующая натриевая арматура; 4 — линия сброса продуктов реакции; 5 — сбросной коллектор; 6 - сепараторы первой и второй ступеней; 7 - мембрана в натрии; 8 - мембрана в газе; 9 - дублирующая сбросная линия; 10 - быстродействующая арматура по воде (пару); 11 - секционная газовая полость; 12 — сбросной клапан воды (пара); 13 - буферная емкость; 14 - индикатор водорода в газе; 15 - индикатор водорода в натрии; 16 - индикаторы расхода натрия; 17-индикаторы пузырьков газа в потоке натрия
Подсистемы защиты по натрию и воде (пару) используют коллекторный принцип с возможностью переключения натриевой и пароводяной полостей аварийной секции от штатных трактов к сбросным системам. При этом возможно будет использовать один
стандартный алгоритм работы САЗ независимо от вида течи, максимально предотвращать распространение аварийных эффектов из поврежденной секции на натриевый контур, а также сохранять в работе (в случае необходимости) неповрежденные элементы парогенератора.
