При полном прекращении энергоснабжения АЭС основной проблемой является отвод остаточного энерговыделения от реактора. В этой ситуации срабатывает БАЗ и деление топлива в активной зоне быстро прекращается. Остаточное энерговыделение в реакторе обусловлено, как уже говорилось 0- и γ-распадом осколков деления и продуктов радиационного захвата. Соотношение между ’’нейтронной” компонентой мощности реактора и компонентой, связанной с распадом осколков, показано на рис. 21. Остаточное энерговыделение быстро спадает лишь в первые минуты процесса. Например, через 1 ч после срабатывания БАЗ мощность остаточного тепловыделения в реакторе БН-600 составляет около 20 МВт, а через 10 ч -12 МВт. Это говорит о том, что в таких ситуациях необходимо надежное и длительное охлаждение реактора. Отвод остаточного энерговыделения от реактора при прекращении энергопитания АЭС называют аварийным расхолаживанием.
Энергоснабжение двигателей циркуляционных и питательных насосов от системы при полном обесточивании прекращается. Поэтому предусматриваются специальные средства, источники энергии для создания в этих условиях циркуляции теплоносителей в контурах установки. При этом максимально используются такие благоприятные факторы, как выбег циркуляционных насосов и турбогенераторов, естественная циркуляция теплоносителей. Выбег насосов и турбогенераторов длится первые 1,5- 2 мин переходного процесса. Но именно на начальном участке процесса, когда мощность реактора еще велика и требуются повышенные расходы теплоносителей в контурах. Напор естественной циркуляции теплоносителя мал, но он может оказаться достаточным в режимах длительного теплоотвода.
В связи с обособленным расположением реактора БН-350 его электроснабжение подразделяется на три категории: системное, автономное и аварийное, не считая надежного электропитания самых ответственных потребителей от аккумуляторных батарей. В энергосистему включены турбогенераторы самой АЭС и ТЭЦ. Автономное энергоснабжение базируется на двух турбогенераторах мощностью по 6 МВт каждый, не включенных в систему. Аварийное энергоснабжение обеспечивается дизель· генераторами, запускаемыми при обесточивании станции. Энергия дизель· генераторов подается на секции автономного электроснабжения. Для подачи питательной воды в парогенераторы БН-350 в различных режимах работы используются насосы нормального водоснабжения (ПЭН), насосы автономного водоснабжения (АПЭН), насосы расхолаживания (аварийного водоснабжения) (НАР).
Рис. 63. Результаты измерения параметров реактора БН-350 при подъеме его мощности в режиме естественной циркуляции натрия в одной теплоотводящей петле:
1-4 - температуры натрия на выходе из активной зоны, на выходе из реактора, на входе в ПТО, на выходе из ПТО соответственно; 5 - расход натрия в первом контуре; б - мощность реактора; 7 - расход натрия во втором контуре
Электродвигатели ПЭН подключены к секциям системного электроснабжения, а электродвигатели АПЭН и НАР - к секциям автономного электроснабжения. АПЭН подают воду в ПГ от всасывающего коллектора питательной воды по трубопроводам, не зависимым от трубопроводов нормального водоснабжения. НАР могут подавать воду как от всасывающего коллектора, так и от баков запаса воды в напорный коллектор или по независимым напорным трубопроводам в ПГ. Такая схема энерго- и водоснабжения позволяет осуществить надежный аварийный теплоотвод во всех возможных ситуациях.
Переходные процессы при исчезновении системного энергоснабжения исследовались на разных уровнях мощности. В этой ситуации срабатывает БАЗ, насосы первого и второго контуров переводятся с 1000 на 250 об/мин. Быстрое снижение расхода натрия через ПГ приводит к падению паросодержания в испарительных каналах, сокращению генерации пара и, следовательно, к кратковременному снижению уровня воды в испарителях и давлениях насыщенного пара, поскольку регуляторы не сразу успевают восстановить их заданное значение. Практическое выравнивание температур в контурах происходит через 30-40 мин после срабатывания БАЗ.
При полном обесточивании, т.е. при исчезновении системного и автономного энергоснабжения, исследовались процессы перехода от принудительной к естественной циркуляции теплоносителя в первом и втором контурах. На рис. 63 представлены результаты одного из экспериментов, проводившихся на одной петле. В исходном состоянии насосы петли работали при частоте вращения 250 об/мин. Одновременно с отключением насосов мощность реактора была снижена до минимально контролируемого уровня. Затем начали постепенный подъем мощности, который привел к росту температур и развитию естественной циркуляции натрия в контурах. При увеличении мощности до 7 МВт расход натрия вырос в первом контуре до 3 %, а во втором - до 2 % номинального. Максимальная мощность, которую можно отвести от реактора в режиме естественной циркуляции по пяти петлям без превышения номинальной температуры на выходе из активной зоны, составляет по расчету около 25 МВт. На реакторе БН-350 проводились также эксперименты с охлаждением натрия второго контура естественной конвекцией воздуха через межмодульное пространство ПГ ’’Надежность” без подачи в него воды. Эксперименты удовлетворительно согласуются с расчетами, которые показывают, что за счет охлаждения воздухом теплоотвод от каждого ПГ может составить 3,5 МВт.
В установке БН-350 при переходе от принудительной циркуляции к естественной во втором контуре важно с достаточно хорошей точностью поддерживать давление пара в ПГ. При плохом качестве регулирования быстрое снижение расхода натрия через ПГ вызывает резкое падение его паропроизводительности и соответственно давления пара. В свою очередь, это вызывает уменьшение температуры насыщения воды в ПГ с естественной циркуляцией пароводяной смеси в трубках Фильда, а следовательно, и температуры натрия в испарителе. При нормальном направлении циркуляции движение натрия в испарителе подъемное. Поэтому падение температуры натрия в испарителе вызывает уменьшение напора естественной циркуляции и соответственно снижение расхода натрия. Снижение расхода натрия снова приводит к дополнительному снижению паропроизводительности, давления пара, температуры насыщения воды, температуры натрия и т.д. Возникает опасность опрокидывания естественной циркуляции натрия во втором контуре. Это показано традиционными методами исследования устойчивости, а также прямыми расчетами переходных процессов во втором контуре. На рис. 64 показаны результаты расчета изменения расхода естественной циркуляции натрия во втором контуре установки типа БН-350 при возмущениях по давлению пара в ПГ. В том случае, когда система регулирования давления поддерживает его с высокой точностью (кривая 7), расход натрия стабилен. Если же клапан регулятора не перемещается из-за неисправности, то естественная циркуляция опрокидывается (кривая 2). В связи с изложенными соображениями, а также из-за сравнительной сложности компоновки второго контура, которая в некоторых случаях может неблагоприятно сказаться на развитии в нем естественной циркуляции теплоносителя, такой режим не используют при эксплуатации реактора. Естественная циркуляция теплоносителя в первом контуре реактора БН-350 очень надежна и устойчива.
Рис. 64. Изменение расхода естественной циркуляции натрия во втором контуре и давления пара в ПГ при изменении задания регулятору давления:
расход и давление соответственно при нормальной работе регулятора; 3, 4 - те же параметры при отказе и остановке регулирующего клапана соответственно
Для аварийного расхолаживания реактора БН-600 также используется основное оборудование его контуров. Сигнал ’’обесточивание” формируется здесь при посадке напряжения на двух из трех секций собственных нужд 6 кВ по двум независимым цепочкам с выдержкой времени или при отключении двух из трех воздушных выключателей 220 кВ с посадкой стопорных клапанов соответствующих турбин. По этому сигналу срабатывает БАЗ и запускаются дизель-генераторы. ГЦН переводится на пониженную частоту вращения, составляющую 0,25 номинальной. От секций собственных нужд напряжением 6 кВ отключаются потребители, не участвующие в аварийном расхолаживании. Для подачи питательной воды в ПГ в режиме аварийного расхолаживания используются специальные АПЭН. Для снижения мощности этих насосов давление в ПГ автоматически снижается до 5,0 МПа путем сброса пара в атмосферу. Время сброса давления составляет 20 с. Двигатели АПЭН получают электропитание от дизель-генераторов мощностью 500 кВт. Источником энергоснабжения ГЦН и насосов технической воды являются дизель-генераторы мощностью 1800 кВт. Время перевода насосов на пониженные обороты составляет 18- 20 с. Время запуска и приема нагрузки для дизель-генераторов ДГ-500 составляет 18-20 с, для ДГ-1800 равно 40-45 с. Для обеспечения всех потребителей электроэнергией до запуска дизель-генераторов используется тепловой выбег турбогенераторов, а после закрытия стопорных клапанов - механический выбег. Испытания показали, что выбегающий турбогенератор с нагрузкой 6,5 МВт обеспечивает энергопитание подключенных к нему потребителей в течение 45 с. Частота вращения вала турбогенератора и, следовательно, частота тока уменьшаются за это время до 0,7 номинальных значений. Для поддержания необходимого напряжения на секциях собственных нужд при уменьшении частоты вращения турбогенераторов в их электрической схеме имеется специальное устройство форсирования возбуждения. Проверка прохождения всех электрических сигналов, необходимых для аварийного расхолаживания, производится при каждом планово-предупредительном ремонте. Изменения температур натрия в контурах при аварийном расхолаживании по описанному алгоритму практически такие же, как и при обычном срабатывании БАЗ без полного обесточивания установки.
Использование естественной циркуляции натрия в контурах реактора БН-600 в режиме аварийного расхолаживания проектом не предусматривалось.
Рис. 65. Изменение температур и расхода натрия в отключенной петле второго контура реактора БН-600 при развитии в ней естественной циркуляции теплоносителя:
1 - температура натрия на входе в насос; 2 - температура натрия на входе в ПГ;
3 - расход натрия, отнесенный к начальному значению перед отключением насосов
Экспериментальные исследования естественной циркуляции проводились на реакторе для выяснения ее устойчивости, количественных характеристик, возможности использования для повышения надежности аварийного расхолаживания при отказах оборудования.
Первый эксперимент был проведен на низком уровне мощности при подогревах натрия в контурах, равных 16 °C. Эксперимент оказался неудачным: он не показал устойчивой естественной циркуляции во втором контуре. Это объяснялось недостаточным качеством поддержания температуры натрия на выходе из ПГ путем изменения расхода питательной воды. Выходная температура натрия в эксперименте упала, а поскольку за ПГ по ходу натрия следует большой подъемный участок трубопровода, то после поступления охладившегося натрия в этот трубопровод началось падение напора естественной циркуляции во втором контуре. Падение напора вызвало дополнительное снижение расхода натрия и его температуры на выходе из ПГ и в результате — нарушение естественной циркуляции теплоносителя во втором контуре. Но такой эксперимент непредставителен. Он не имитирует натурных условий. Ведь в этих условиях начальный подогрев натрия в контурах велик и переход к малым подогревам происходит после значительного падения мощности энерговыделения при развитой естественной циркуляции. Нужно сказать, что в описанном эксперименте в первом контуре реактора, несмотря на малый начальный подогрев, появилась устойчивая естественная циркуляция натрия. Расход ее составлял 2-2,5 % номинального при мощности 1 % номинальной.
Следующий эксперимент был проведен на одной теплоотводящей петле при начальном подогреве натрия во втором контуре, равном 170 °C. Здесь расход естественной циркуляции натрия в петле был устойчивым и достигал 15 % номинального (рис. 65). В эксперименте, проведенном на трех петлях при начальном подогреве натрия в контурах, равном 120 С, возникла устойчивая естественная циркуляция с расходом в первом контуре, равном 3 %, а во втором - 6 % номинального.
Рис. 66. Изменение температуры в реакторе БН-600 при развитии в нем естественной циркуляции натрия (начальная мощность реактора перед остановкой - 50 % от номинальной) :
1, 2 - температуры натрия на входе и выходе натрия первого контура из ПТО первой петли; 3—5 — расходы естественной циркуляции в петлях второго контура; 6, 7 - температуры натрия первой петли на входе ПГ и выходе из него
Имитация натурных условий аварийного расхолаживания проводилась в эксперименте с остановкой реактора при исходной его мощности 50 % номинальной. Эксперимент проводился на трех петлях, начальный подогрев натрия в реакторе составлял 140 °C. И в первом, и во втором контурах возникла устойчивая естественная циркуляция натрия. Некоторые результаты этого эксперимента представлены на рис. 66.
Таким образом, исследования естественной циркуляции теплоносителя в-контурах реактора БН-600 показали достаточно хорошие результаты и возможность ее использования в режиме аварийного расхолаживания. В проектах будущих быстрых реакторов предусматривается такое использование естественной циркуляции теплоносителя в первом контуре реактора при некоторых отказах оборудования. Естественная циркуляция во втором контуре, несмотря на обнадеживающие расчетные и экспериментальные результаты, в этих проектах пока не учитывается из-за чувствительности ее к качеству регулирования параметров ПГ в аварийных условиях и сравнительной сложности компоновки второго контура.
Важной особенностью систем аварийного расхолаживания быстрых реакторов следующего поколения является то, что они проектируются с учетом требования сейсмостойкости, содержащегося в новых нормативных документах по безопасности АЭС. Поскольку третий контур делать сейсмостойким по экономическим соображениям нецелесообразно, для аварийного расхолаживания предусматриваются специальные сейсмостойкие воздушные теплообменники, подключенные ко второму контуру каждой петли. Циркуляция натрия через теплообменники обеспечивается электромагнитными насосами, циркуляция воздуха - естественной тягой. Учет возможности отказов в системе аварийного расхолаживания в соответствии с требованиями ОПБ-82 вынуждает дублировать электромагнитные насосы, дизель-генераторы и некоторую арматуру.
