Функциональная схема ЯППУ. Устройство основных систем ЯППУ рассмотрим, используя функциональную схему ЯППУ (рис. 1.2) с водо-водяным реактором под давлением, двумя камерами прямоточного ПГ (каждая из которых оснащена своим циркуляционным насосом) и газовой системой КО теплоносителя. Будем считать также, что рассматриваемая установка относится к классу судовых, вследствие чего ее функциональная схема содержит системы заборной воды [1, 2].
Как видно из рисунка, наряду с упоминавшимися выше двумя главными теплопередающими контурами (двухпетлевым первым контуром, обозначенным сплошной жирной линией, и частью второго контура, обозначенного штриховой жирной линией) в состав ЯППУ входят:
контур охлаждения оборудования ППУ, называемый обычно третьим контуром (обозначен заштрихованной линией);
Рис. 1.2. Функциональная схема ЯППУ с реактором типа ВВЭР:
1 — реактор; 2 — ПГ; 3 — циркуляционный насос первого контура; 4 — теплообменник системы очистки теплоносителя; 5 — фильтр системы очистки; 6 — компенсатор объема; 7 — ресиверные баллоны; 8 — резервные баллоны; 9 — подпиточный насос; 10 — подпиточная цистерна; 11 — забортный теплообменник; 12 — теплообменник третьего-четвертого контуров; 13 — насос четвертого контура; 14 — фильтр забортной воды; 15 — расширительный бак; 16 — насос третьего контура; 17 — бак биологической защиты реактора
контур забортной воды, охлаждающей теплоноситель третьего контура, называемый обычно четвертым контуром; система очистки теплоносителя;
система компенсации изменений объема теплоносителя;
система подпитки первого контура;
система автономного расхолаживания реактора*.
*Перечисленные системы выделены на функциональной схеме штриховыми прямоугольниками.
Кроме того, ЯППУ содержит в своем составе не показанные на функциональной схеме систему дренажа и воздухоудаления из первого контура, систему вентиляции и вакуумирования помещений ЯППУ, а также ряд других систем.
В подписи к рис. 1.2 дана расшифровка элементов функциональной схемы. При рассмотрении расшифровки следует иметь в виду, что на схеме не показано резервирование оборудования, опущены некоторая арматура и второстепенные элементы. Это сделано для увеличения наглядности, а также для упрощения задачи пояснения назначения и устройства представленных на функциональной схеме контуров и систем.
Вспомогательные контуры.
Вспомогательные теплопередающие контуры предназначены для охлаждения оборудования ППУ с целью обеспечения необходимых для нормальной работы систем и механизмов температурных -условий и отвода тепла от биологической защиты.
В настоящее время наибольшее распространение получила представленная на рис. 1.2. двухступенчатая схема охлаждения оборудования. Вначале тепло отдается циркулирующей в замкнутом третьем контуре воде высокой чистоты, а затем в теплообменнике третьего-четвертого контуров 12 — забортной воде четвертого контура. Введение третьего контура как промежуточной ступени охлаждения позволяет, повысить надежность ЯППУ, поскольку при этом удается избежать высокой наведенной активности охлаждающей воды при циркуляции ее в зоне интенсивного у- и нейтронного облучения и предотвратить солеотложение на теплоотдающих поверхностях охлаждаемого оборудования.
К числу механизмов и устройств ЯППУ, нуждающихся в охлаждении, относятся: теплообменник 4 системы очистки теплоносителя, электродвигатели циркуляционных насосов первого контура, приводы стержней регулирования и аварийной защиты реактора, корпус ионообменного фильтра системы очистки и некоторое другое оборудование. Кроме того, как было сказано, теплоноситель третьего контура используется для отвода тепла от биологической защиты реактора. В судовых ЯППУ, где биологическая защита реакторов выполняется обычно в виде чередующихся слоев металла и воды, размещенных в общем баке 17, теплосъем обеспечивается посредством прокачки воды третьего контура через бак, как показано на рис. 1,2.
Для предотвращения кавитации подогретой воды третьего контура в циркуляционном насосе 16 в системе поддерживается небольшое избыточное давление посредством подключения к третьему контуру цистерны с водой 75, расположенной на некотором возвышении над ним. Эта же цистерна служит для пополнения утечек и компенсации температурных изменений объема теплоносителя третьего контура, вследствие чего ее обычно называют расширительным баком.
Обычно в состав третьего контура, равно как и четвертого, входят два параллельно включенных насоса, один из которых находится в работе, а второй — в готовности к автоматическому пуску при остановке первого. Используются и другие способы резервирования.
Система очистки теплоносителя.
Эта система, предназначенная для удаления из воды первого контура взвешенных и растворенных примесей, во время эксплуатации ЯППУ, входит в состав подавляющего большинства установок. Несмотря на то что перед заполнением первого контура внутренние поверхности оборудования тщательно промываются, а заливаемый теплоноситель очищается по специальной технологии, при работе ЯППУ концентрация примесей в теплоносителе увеличивается. Основными причинами этого загрязнения являются процессы коррозии и эрозии материалов первого контура, а также возможные нарушения герметичности оболочек твэлов с попаданием в контур продуктов деления ядерного топлива. Опасность подобного загрязнения заключается в том, что активирующиеся при прохождении через реактор примеси и радиоактивные продукты деления топлива увеличивают радиоактивность теплоносителя, в результате чего затрудняется доступ к оборудованию первого контура для его обслуживания. Кроме того, отложение примесей на оболочках твэлов может привести к возникновению локальных перегревов из-за ухудшения условий теплоотвода.
Примеси из теплоносителя удаляются посредством прокачки части теплоносителя через механические и ионообменные фильтры. В первых удаляются взвешенные, а во вторых растворенные примеси. Эти функции могут быть совмещены также в одном фильтре;.
Так как длительная работоспособность ионообменных смол сохраняется лишь при температуре не более 60 °С, обязательным элементом системы очистки является холодильник 4 в котором подаваемый на фильтр 5 теплоноситель охлаждается водой третьего контура.
Показанная на рис. 1.2 схема подключения системы очистки в параллель с реактором не является единственно возможной. В зависимости от соотношения между напором, создаваемым циркуляционными насосами первого контура (ЦНПК), и гидравлическими сопротивлениями системы очистки, реактора и ПГ, а также по иным соображениям могут быть реализованы и другие варианты подключения системы (в параллель с ПГ или ЦНПК). Кроме того, для прокачки теплоносителя в системе очистки может быть использован специальный насос, как это сделано в ЯППУ судна «Саванна».
Система очистки теплоносителя может включаться в работу периодически или действовать непрерывно. В последнем случае расход через фильтр составляет 0,3—0,8% массового расхода теплоносителя в первом контуре.
Система компенсации изменений объема теплоносителя.
Система предназначена для создания начального давления в первом контуре и поддержания его в заданных пределах во время работы ЯППУ посредством компенсации температурных изменений объема теплоносителя. Чрезмерное повышение давления в первом контуре представляет опасность в отношении прочности оборудования, а снижение давления ниже уровня насыщения при имеющейся температуре теплоносителя может привести к запариванию активной зоны, срыву циркуляции теплоносителя и пережогу твэлов.
В состав системы компенсации изменений объема теплоносителя входит один или несколько компенсаторов объема 6 и две группы газовых баллонов высокого давления 7 и 8. Компенсатор объема частично заполнен теплоносителем и соединен по принципу сифона с первым контуром. Верхняя часть компенсатора заполнена газом, выполняющим роль демпфера при изменениях уровня теплоносителя в КО*.
* При увеличении средней температуры теплоносителя в первом контуре вода выдавливается, в КО и уровень в нем растет. Уменьшение средней температуры дает обратный эффект.
Для ограничения отклонений давления в первом контуре при колебаниях средней температуры теплоносителя обычно возникает необходимость увеличения объема газовой подушки в КО посредством подключения к верхней части компенсатора группы газовых баллонов 7, называемых ресиверными баллонами. Вторая группа баллонов 8 предназначена для создания заданного начального давления в первом контуре и для восполнения потерь газа. Поэтому она называется резервной группой.
Большое значение для обеспечения надежной работы установки имеет контроль за уровнем теплоносителя в КО. Чрезмерное снижение уровня опасно возможностью заброса газа в контур с последующим срывом циркуляции теплоносителя, а переполнение КО грозит опрессовкой первого контура. Поэтому компенсаторы всегда оснащаются надежными уровнемерами (часто это ультразвуковые уровнемеры, излучатель и приемник которых монтируется в трубе, расположенной по оси компенсатора).
Система подпитки первого контура. Система служит для восполнения потерь теплоносителя, обусловленных в период нормальной эксплуатации отбором проб воды для радиохимического анализа или частичным дренированием контура при выполнении некоторых технологических операций, а в аварийных ситуациях — утечкой теплоносителя через неплотности оборудования первого контура.
Система подпитки обычно состоит из двух плунжерных подпиТочных насосов 9, способных создавать давление, превышающее рабочее давление в первом контуре, подпиточной цистерны 10 с запасом воды высокой чистоты, трубопроводов и арматуры. Контроль за количеством воды в первом контуре при включении и в процессе работы системы подпитки ведется по показаниям уровнемеров в КО.
В случае необходимости надежного долговременного выключения ядерного реактора при выходе из строя его системы управления насосы системы подпитки могут быть использованы также для подачи в первый контур жидкого поглотителя нейтронов.
Система автономного расхолаживания реактора.
Система предназначена для отвода остаточного тепловыделения после остановки реактора в условиях, когда основное оборудование ЯППУ не используется. Известны разнообразные схемы построения систем автономного расхолаживания. Многие из них сконструированы по принципу создания принудительной циркуляции теплоносителя через активную зону и теплообменник расхолаживания с помощью специальных электронасосов, имеющих автономный источник питания. В других проектах использована естественная циркуляция сред, как, например, в представленной на рис. 1.2 одноконтурной системе автономного расхолаживания с забортным теплообменником 11, спроектированной для первой английской атомной подводной лодки.
Не вдаваясь в анализ достоинств и недостатков тех или иных конструкционных решений, отметим лишь, что безопасность эксплуатации ЯППУ может быть существенно увеличена, если в их составе наряду с основными системами расхолаживания иметь системы автономного охлаждения активной зоны, способные обеспечить теплоотвод в аварийных режимах, связанных с выходом из строя или обесточиванием циркуляционных насосов первого и второго контуров, повреждением оборудования и т, п.
Система дренажа и воздухоудаления из первого контура.
Система служит для сброса в специальные дренажные цистерны радиоактивной воды в процессе воздухоудаления из первого контура, при частичном дренировании контура и при сливе теплоносителя через пробоотборники перед взятием проб для радиохимического анализа.
Каждая паропроизводящая установка оборудуется также системой временного хранения и удаления радиоактивных вод. Радиоактивная вода первого контура, поступающая в какое-либо из помещений ЯППУ, откачивается в одну из дренажных цистерн с помощью дренажного насоса. При этом вода в зависимости от ее активности сливается в разные цистерны, имеющие соответствующую биологическую защиту.
Система вентиляции и вакуумирования помещений Я П ПУ. Система предназначена для удаления радиоактивных газов и аэрозолей, появляющихся в результате активации воздуха и взвешенных в нем мелких частиц или же из теплоносителя в случае его утечки из первого контура, а также для создания разрежения в помещениях ЯППУ.
Для обеспечения радиационной безопасности при эксплуатации ЯППУ системы вентиляции и вакуумирования должны соответствовать определенным требованиям [3]. Согласно этим требованиям все помещения зоны строгого режима должны быть разделены на отдельные газоплотные отсеки, в каждом из которых поддерживается тем большее разрежение, чем выше возможная активность воздуха в помещении. В отсеках зоны ограниченного режима создается меньшее, разрежение, но оно все же, выше разрежения в помещениях других зон. В результате при возникновении неплотностей обеспечивается движение радиоактивного воздуха лишь в одном направлений — из обслуживаемых помещений в необслуживаемые, а там — из помещений с меньшей активностью в помещения с большей активностью.
Наряду с перечисленными в состав ЯППУ входят и другие вспомогательные системы, такие, например, как система дистанционного управления арматурой контуров, система продувки ПГ и т. д. Они в данном разделе не рассматриваются (как второстепенные).
