Зорин В.М. Атомные электростанции

менник системы. Первый контур находится под избыточным давлением, что создает условия для бескавитационной работы насоса.

На втором этапе расхолаживание может производиться и за счет естественной циркуляции теплоносителя. Такая возможность обеспечивается компоновкой оборудования первого контура, в частности его расположением по высотным отметкам: парогенераторы, в которых теплоноситель охлаждается, установлены выше реактора, где теплоноситель нагревается (см. рис. 24.2 и 25.5). Выполненные в обоснование проекта расчеты показали, что мощность, отводимая от активной зоны естественной циркуляцией теплоносителя по четырем петлям при номинальных давлениях в первом и втором контурах, может достигать 10 % номинальной, что заметно выше мощности остаточных тепловыделений на этом этапе.

В практике эксплуатации ВВЭР-1000 естественная циркуляция в первом контуре используется при мощности остаточных тепловыделений от 2 (через 2 ч после останова реактора) до 0,2 % (через месяц после останова). При этом подогрев теплоносителя в реакторе изменяется от 12 до менее 2 °С.

Аварии всегда неожиданны. Поэтому в первые минуты после возникновения аварийной ситуации управление процессами передается автоматике — системам контроля и управления.

При обесточивании ГЦН реактор аварийно останавливается, закрываются стопорные клапаны турбины. При полном обесточивании электростанции, но сохранении резервного электроснабжения от дизель-генераторов вводятся в работу насосы аварийного впрыска бора и аварийного ввода бора для гарантированного перевода реактора в подкритическое состояние. Первый контур остается герметичным.

Пар, образующийся в парогенераторах, сбрасывается в конденсаторы турбины, а при полном обесточивании станции (насосы технического водоснабжения, конденсатные насосы не работают) — через БРУ-А в атмосферу. Включается система аварийной подпитки парогенераторов. Циркуляция теплоносителя в первом контуре плавно переходит с принудительной на естественную за счет выбега ГЦН. Длительный выбег насоса ГЦН-195М достигается благодаря увеличению момента инерции ротора агрегата установкой в электродвигателе массивного маховика. Постоянная выбега равна 30 с, т.е. за это время подача насоса снижается в 2,7 раза. Возможны вскипание теплоносителя и его конденсация в парогенераторах.

Аварии с течью теплоносителя, вызываемые повреждениями оборудования или трубопроводов первого контура, наиболее опасны.

3

«Малая» течь (расходом до 50 м /ч), в значительной и даже в полной мере компенсируемая работой подпиточных насосов системы продувки-подпитки, не вызывает автоматического отключения ГЦН.

541

Падение давления в первом контуре в этом случае может не происходить или быть незначительным.

Течь обнаруживается по увеличению подачи подпиточных насосов и возможному снижению уровня в компенсаторе давления. Останов и расхолаживание РУ производятся при работающих ГЦН. После снижения давления в первом контуре до 2,1 МПа включается система аварийно-планового расхолаживания с подачей раствора борной кислоты из бака-аккумулятора. Парогенераторы неповрежденных петель могут использоваться для расхолаживания в режиме естественной циркуляции.

3

«Средняя» течь (расходом до 300 м /ч) вызывает значительное снижение уровня в компенсаторе давления вплоть до его временного опорожнения. Происходят останов реактора и отключение ГЦН. При снижении давления ниже 10,8 МПа включаются в работу насосы аварийного ввода бора высокого давления с подачей раствора борной кислоты из бака-аккумулятора. После снижения давления ниже 2,1 МПа включается насос аварийно-планового расхолаживания, полностью компенсирующий расход течи. При средней течи уносится теплоты меньше, чем выделяется в реакторе после его останова. Для отвода остаточных тепловыделений используются теплообменник аварийнопланового расхолаживания и естественная циркуляция в неповрежденных петлях первого контура.

3

«Большая» течь (расходом более 300 м /ч) вызывает быстрое опорожнение компенсатора давления, объем воды в котором при номи-

3

нальном режиме равен 55 м . Реактор аварийно останавливается, отключаются ГЦН. Давление в первом контуре быстро падает, и происходит кипение воды в реакторе. Для предотвращения тяжелых последствий аварии здесь требуется работа всех систем безопас-

ности, подающих воду в реактор. По сигналам разрывной защиты t

s10

и p ≥ 0,13 МПа запускаются насосы аварийного ввода бора высокого

го

давления и САОЗ низкого давления. При давлении в первом контуре менее 10,8 МПа в реактор начинает поступать вода от насосов аварийного ввода бора (подача 42 кг/с при p > 10 МПа), при p < 6 МПа про-

3

исходит слив воды из гидроемкостей САОЗ (до 200 м за время

около 1 мин), при p < 2,1 МПа вода от насосов аварийно-планового

1

расхолаживания САОЗ поступает в первый контур (до 220 кг/с). Вода от насосов и гидроемкостей подается как в напорную камеру и далее в активную зону (снизу), так и в сборную камеру реактора с заливом активной зоны сверху. Таким образом, ограничивается возможное возрастание температуры оболочки по всей высоте твэлов. И в этом случае определенная часть теплоты от реактора может отводиться через парогенераторы неповрежденных петель при естествен-

542

ной циркуляции теплоносителя, если этому не препятствует пар, образующийся под крышкой реактора и в коллекторах теплоносителя в парогенераторах.

Максимальной проектной аварией для ВВЭР принят мгновенный

поперечный разрыв главного циркуляционного трубопровода (D =

у

= 850 мм). Именно это исходное событие берется за основу выбора характеристик аварийных систем охлаждения активной зоны. Анализ протекающих при этом процессов, работы оборудования реакторной установки и защитной оболочки в обязательном порядке проводится с помощью верифицированных расчетных кодов, например, RELAP5/МОДЗ.2 или программы ТЕЧЬ-М, некоторые результаты расчета по которой, взятые из [40], приводятся далее.

При такой аварии требуется работа всех систем безопасности, подающих воду в реактор: аварийного ввода бора высокого давления, пассивной и активной частей САОЗ. Но и в этом случае компенсации расхода течи не происходит, а системами безопасности решается задача ограничения роста температуры и глубины окисления оболочек твэлов в результате пароциркониевой реакции. При разрыве горячей нитки ГЦТ выходящий под термооболочку пар выносит всю выделяющуюся в активной зоне теплоту, которая воспринимается водой, разбрызгиваемой форсунками спринклерной системы. При разрыве холодной нитки ГЦТ из него будет вытекать вода без ее прогрева в реакторе, и такая авария является наиболее опасной.

Наибольший расход течи будет при разрыве холодной нитки ГЦТ на входе в реактор. Расчетом получены расходы воды, приведенные в табл. 25.4.

Учитывая сложность подобных расчетов, можно отметить, что совпадение данных табл. 25.4 с приведенными в табл. 25.3 удовлетворительное.

Наиболее тяжелые условия для охлаждения активной зоны создадутся при совпадении разрыва ГЦТ с потерей электропитания собственных нужд, т.е. с обесточиванием энергоблока. В этом случае не могут работать питательные насосы ПТУ, подающие воду в пароге-

Таблица 25.4

Расчетные значения расхода воды при разрыве холодной нитки ГЦТ

543

нераторы, а также другое оборудование нормальной эксплуатации. Осуществляются запуск дизель-генераторов и набор ими нагрузки по специальной программе, в соответствии с которой происходит включение механизмов систем безопасности.

При разрыве холодного трубопровода давление в реакторе резко падает — практически до атмосферного к 25-й секунде после начала аварии. При снижении давления до определенного значения срабатывает аварийная защита, и цепная реакция деления в активной зоне

прекращается.

Расход теплоносителя из напорной камеры (через короткий конец разорвавшегося ГЦТ) вызывает движение его через активную зону

сверху вниз, т.е. приводит к срыву нормальной его циркуляции.

Снижение давления, срыв циркуляции резко ухудшают теплоотвод от твэлов. Практически сразу после разрыва возникает кризис теплообмена, и начинается быстрый рост температуры циркониевых

оболочек.

Теплоноситель в реакторе вскипает, при этом в первую очередь подвержен вскипанию объем под крышкой реактора, где температура наибольшая. Образовавшийся под крышкой пар также способ-

ствует снижению уровня воды в активной зоне.

В соответствии с выполненными расчетами [40] примерно через 7,5 с после начала аварии раствор борной кислоты начинает поступать из ГЕ САОЗ в реактор, в сборную и напорную камеры, к 12-й секунде опорожняется компенсатор давления, на 40-й секунде начинается подача воды от насосов аварийного ввода бора высокого давления и насосов САОЗ низкого давления, на 55-й секунде подача воды из ГЕ заканчивается (рис. 25.9). Минимальный уровень воды в реакторе

3

(ее объем несколько более 20 м ) достигается к 10-й секунде, после чего объем воды начинает увеличиваться, стабилизируясь на уровне

Первый пик температуры оболочки твэлов, обусловленный кризисом теплообмена и равный примерно 1000 °С, достигается примерно к 10-й секунде. Далее температура падает примерно до 800 °С вследствие слива воды из ГЕ САОЗ и снова растет в соответствии с условиями охлаждения при подаче воды от насосов систем безопасности. Второй пик температуры, равный около 1100 °С, расчетом получен при 150—200-й секунде от начала аварии, к 300-й секунде температура оболочек стабилизируется на уровне 200 °С.

Приведенные расчетные данные позволяют судить о напряженности протекающих в реакторе процессов и об их скоротечности, что делает необходимыми автоматические системы контроля и управления ими, по крайней мере в начальный период аварии.

544

Рис. 25.9. Суммарный расход теплоносителя от систем аварийного охлаждения активной зоны (а) и максимальная температура оболочек твэлов (б) при МПА на РУ с ВВЭР-1000 (расчетные данные)

По результатам выполненных расчетов производится анализ состояния твэлов различной мощности. Вклад аварий с потерей теплоносителя первого контура в вероятность серьезного повреждения активной зоны зависит от состава оборудования систем безопасности на конкретной АЭС с учетом его резервирования на момент аварии. Сделан вывод, что вероятность серьезного повреждения активной зоны равна нескольким процентам от общего числа возможных повреждений активной зоны реактора, т.е. является приемлемой.

25.4. Системы безопасности РУ с ВВЭР-440

По мере развития ядерной энергетики ужесточались требования и совершенствовались правила и нормы по обеспечению безопасности атомных электростанций. Разрабатывались и совершенствовались

545

системы безопасности. Этот процесс нашел отражение в составе технологических систем на энергоблоках АЭС с ВВЭР-440, выполненных по проектам В-230 и В-213. Первый энергоблок с реакторной установкой В-230 был введен в эксплуатацию на Кольской АЭС в 1973 г., последний (двенадцатый) — на АЭС «Козлодуй» (Болгария)

в1982 г. Энергоблоки с реакторными установками В-213 вводились

впериод с 1977 (первый блок — на АЭС «Ловииса», Финляндия) по 1999 г. (последний, девятнадцатый по счету блок — на АЭС «Моховце», Словакия); в России работают два энергоблока на Кольской АЭС, выполненные по проекту В-213.

Принципиальные решения по организации технологического процесса, по компоновке для блоков с реакторными установками В-213 близки к принятым для их предшественников — блоков с РУ В-230. Однако концепция безопасности, сформулированная в нормах, привела к существенным изменениям систем безопасности.

В качестве максимальной проектной аварии для блоков с РУ В-213 уже рассматривался мгновенный поперечный разрыв трубопровода первого контура максимального диаметра с истечением теплоносителя из обоих концов. Системы безопасности должны были выполняться как многоканальные (т.е. с резервом), причем каналы должны быть независимыми один от другого. Увеличение масштаба возможной аварии приводило к риску повреждения оболочек твэлов и, следовательно, к необходимости принятия мер, предотвращающих выбросы радиоактивных веществ за пределы герметичных помещений.

Защитные системы безопасности принципиально не отличаются от уже рассмотренных для РУ с ВВЭР-1000 (В-320).

Система аварийного ввода бора высокого давления аналогична системе с таким же названием для ВВЭР-1000. Ее предназначение:

• компенсация потери теплоносителя при малых течах (разрыв

трубопровода с D < 32 мм) без влияния на нормальное расхолажива-

у

ние реактора;

•отвод остаточных тепловыделений и поддержание подкритичности реактора при больших течах;

•компенсация мощностного и температурного эффектов реактивности при разрыве главного паропровода.

Косновному оборудованию каждого из трех независимых каналов системы относятся: насос высокого давления, бак аварийного

3

запаса раствора борной кислоты с концентрацией 40 г/дм , трубопроводы, арматура.

Насос может быть подключен к баку с раствором борной кислоты САОЗ низкого давления и к приямку прочноплотных боксов. Насосы

546

*

подают раствор в неотключаемые части холодных ниток трех петель главного циркуляционного контура.

Система аварийного охлаждения активной зоны низкого давления аналогична активной части САОЗ для ВВЭР-1000.

Ее предназначение:

•подача раствора борной кислоты в реактор для предотвращения чрезмерного повышения температуры твэлов при авариях с большой течью теплоносителя;

•отвод остаточных тепловыделений от активной зоны при ава-

риях с разрывом трубопровода первого контура с D > 32 мм.

у

Основное оборудование каждого из трех независимых каналов системы — насос низкого давления, бак запаса раствора борной кис-

3

лоты с концентрацией не менее 12 г/дм , теплообменник аварийного расхолаживания, трубопроводы, арматура.

При понижении уровня в баках системы насосы переключаются на приямок пола прочноплотных боксов. Насосы двух каналов подают раствор в линии связи с реактором гидроемкостей системы пассивного впрыска, а насос одного канала — в неотключаемые части холодной и горячей ниток одной петли.

Система пассивного впрыска аналогична пассивной части САОЗ для ВВЭР-1000. Ее предназначение:

• залив активной зоны раствором борной кислоты при разрывах

трубопроводов первого контура с D > 32 мм;

у

• поддержание реактора в подкритическом состоянии до начала работы насосов САОЗ.

В систему входят четыре гидроемкости с раствором борной кислоты, трубопроводы связи с нижней напорной и верхней сборной камерами реактора, арматура (обратные клапаны, задвижки). Давление в гидроемкостях создается с помощью азота. Предусмотрена возможность нагрева и автоматического поддержания температуры раствора в гидроемкостях термоэлектронагревателями.

Имеются две системы аварийной подачи питательной воды в парогенераторы для обеспечения надежного теплоотвода от первого контура при полной потере подачи питательной воды в парогенераторы от предусмотренных проектом штатных систем.

Основная система аварийной подпитки парогенераторов включает в себя дополнительные аварийные питательные электронасосы (ДАПЭН), баки запаса обессоленной воды, трубопроводы, арматуру.

В случае обесточивания электростанции, когда ДАПЭН работать не могут, подача воды в парогенераторы осуществляется дополни-

*

На горячей и холодной (после ГЦН) нитках каждой петли ГЦК реакторной установки

с ВВЭР-440 устанавливались запорные задвижки.

547

тельной системой аварийной подачи (ДСАП). На Кольской АЭС одна дополнительная система предусмотрена на четыре блока.

Основное оборудование ДСАП — три дизель-насосные установки (ДНУ), две рабочие и одна резервная, и два бака запаса аварийной питательной воды. Каждая ДНУ выполняется в виде отдельного агрегата. В ее состав, кроме насоса и дизеля, входят электрогенератор собственных нужд, обеспечивающий работу ДСАП независимо от электропитания на АЭС, и электростартер для пуска дизеля, для питания которого предусмотрены две аккумуляторные батареи.

Такая система аварийного питания подчеркивает важную роль парогенераторов в отводе теплоты от реактора в аварийных ситуациях. В более поздних проектах от установки ДНУ отказались, так как дизели и электрогенераторы этих установок фактически дублируют функции систем надежного электропитания, в состав которых входят дизель-электрогенераторы резервного питания собственных нужд АЭС.

Локализующая система безопасности в проекте В-213 дает пример альтернативного герметичной оболочке технического решения при создании барьера на пути возможного распространения радиоактивности.

Основное оборудование первого контура размещается в герметичных помещениях (боксах), рассчитанных на сравнительно небольшое превышение давления (примерно 0,03 МПа). Для локализации последствий аварии здесь предусмотрены две системы: спринклерная, аналогичная рассмотренной для ВВЭР-1000, и барботажновакуумная [41].

Спринклерная система предназначена:

•для снижения давления и поддержания разрежения в герметичных помещениях реакторного отделения при авариях с потерей теплоносителя;

•связывания радиоактивного йода.

Каждый из трех идентичных и независимых каналов системы состоит из спринклерного насоса, водоструйного эжектора, бака запаса спринклерного раствора, коллектора с разбрызгивающими соплами, трубопроводов, арматуры. Вода к спринклерным насосам поступает от приямка парогенераторного бокса, пройдя теплообменник аварийного расхолаживания, относящийся к САОЗ низкого давления. Предусмотрена возможность подачи спринклерными насо-

3

сами раствора борной кислоты с концентрацией не менее 12 г/дм из бака запаса той же системы аварийного охлаждения зоны.

В случае аварии спринклерные насосы включаются по сигналу

3

превышения давления в боксе на 0,01 МПа (на 0,1 кгс/см ). При снижении абсолютного давления в боксе до 0,85 атмосферного спринклерные насосы отключаются. Повторно они могут быть включены оператором при повышении давления до 0,95 атмосферного.

548

Барботажно-вакуумная система — это пассивная локализующая

система безопасности. Ее предназначение:

•защита герметичных помещений от превышения давления выше допустимого (0,01 МПа) при средних и больших течах теплоносителя из первого контура;

•конденсация пара, образующегося при разрыве трубопроводов первого контура, паропровода или питательного трубопровода в герметичном объеме;

•отделение и удержание газообразных продуктов деления, выделившихся при аварии.

Основное оборудование системы — барботажно-конденсацион- ное устройство (БКУ) и ловушки для воздуха и газов — размещено в специальном здании, сообщающемся с герметичными помещениями реакторного отделения посредством коридора (рис. 25.10).

Рис. 25.10. Системы локализации аварий энергоблока с ВВЭР-440(В-213):

1 — герметичные помещения; 2 — главная запорная задвижка; 3 — реактор; 4 —

главный циркуляционный насос; 5 — от спринклерного насоса канала 2; 6 — бокс парогенератора; 7 — разбрызгивающие форсунки; 8 — самозапирающийся перепускной клапан; 9 — водосборник с дырчатым листом; 10 — кожух; 11 — туннельный колпачок; 12 — подводящий канал; 13 — лоток; 14 — шахта локализации; 15 —

обратные клапаны; 16 — воздушная ловушка; 17 — БКУ; 18 — защитная решетка;

19 — соединительный коридор; 20 — парогенератор; 21 — бак со спринклерным раствором; 22 — теплообменник-охладитель; 23 — спринклерный насос; 24 — струйный насос

549

Барботажно-конденсационное устройство состоит из 12 расположенных один над другим лотков, заполненных раствором борной кислоты, с туннельными колпачками и кожухов, ограничивающих объем над уровнем воды в лотках. Этот объем с помощью обратных клапанов соединяется с объемом воздушных ловушек.

В случае аварии вытекающий из течи пар смешивается с воздухом в боксах парогенераторов и циркуляционных насосов и паровоздушная смесь поступает через коридор в шахту БКУ, при этом давление в шахте повышается. Барботаж паровоздушной смеси через воду

влотках возможен при ее проходе по каналам, образованным стенками лотков и туннельными колпачками. При равенстве давлений под кожухом лотков и в шахте этот проход закрыт гидрозатвором, который образуется при определенном уровне воды в лотках (выше нижнего среза колпачков). При повышении давления в шахте гидрозатвор выбивается и начинается барботаж. Пар из смеси конденсируется, отдавая теплоту воде в лотках, а воздух попадает в объем под кожухом. В результате увеличения давления в этом объеме открываются обратные клапаны, и воздух перетекает в ловушки. Барботаж паровоздушной смеси и перетекание воздуха в ловушки продолжаются до тех пор, пока существует разница давлений в шахте и под кожухами лотков. После выравнивания давлений барботаж прекращается, но конденсация пара продолжается на сравнительно холодных поверхностях лотков. Вследствие этого давление в шахте становится ниже давления под кожухами лотков. Воздух начинает вытеснять воду из лотков, которая попадает в специальные водосборники, установленные на кожухах. Водосборники снабжены дырчатым листом, через который вода струями вытекает в объем шахты. Это приводит к интенсивной конденсации пара и снижению давления

вшахте ниже атмосферного: пар сконденсировался, а часть воздуха удерживается в воздушных ловушках. Разрежение в помещениях локализации аварии исключает возможность утечек радиоактивных веществ даже в случае недостаточной плотности бетонных ограждений. В таком состоянии барботажно-вакуумная система может находиться длительное время, необходимое для проведения противоаварийных мероприятий. Разрежение в этот период может поддерживаться и работой спринклерной системы.

Обратим внимание, что работа системы начинается с повышения давления в шахте БКУ. Однако при ложном срабатывании спринклерной системы или при малых течах и включении спринклерного насоса давление в герметичных помещениях и шахте БКУ может снизиться, и воздух под кожухами барботажных устройств, оказавшись под бóльшим давлением, начнет вытеснять воду. Чтобы сохранить барботажные устройства в состоянии готовности к «большой»

550