RU2214634C2 - Post-accident inert-gas generating system - Google Patents
Post-accident inert-gas generating system Download PDFInfo
- Publication number
- RU2214634C2 RU2214634C2 RU2001122034/06A RU2001122034A RU2214634C2 RU 2214634 C2 RU2214634 C2 RU 2214634C2 RU 2001122034/06 A RU2001122034/06 A RU 2001122034/06A RU 2001122034 A RU2001122034 A RU 2001122034A RU 2214634 C2 RU2214634 C2 RU 2214634C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- gas
- water
- generating material
- accident
- housing
- Prior art date
Links
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
- Y02E30/30—Nuclear fission reactors
Landscapes
- Structure Of Emergency Protection For Nuclear Reactors (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к системам противоаварийной защиты пожароопасных объектов, в первую очередь ядерной энергетики, конкретно к системам предотвращения разрушения защитных оболочек атомных энергоустановок с водо-водяными реакторами различного типа, в том числе кипящих и с водой под давлением. The invention relates to emergency protection systems for fire hazardous facilities, primarily nuclear power, specifically to systems for preventing the destruction of the protective shells of nuclear power plants with various types of pressurized water reactors, including boiling and pressurized water.
Известны барьеры и системы обеспечения безопасности атомных станций при тяжелых авариях, сопровождаемых разрушением активной зоны. К основному и последнему барьеру на пути выхода радионуклидов в окружающую среду из поврежденной атомной энергоустановки относится защитная оболочка, герметично охватывающая оборудование первого контура, разрушение которого приводит к выходу радионуклидов в воздушную среду под защитной оболочкой. Known barriers and safety systems for nuclear plants in severe accidents, accompanied by the destruction of the active zone. The main and last barrier to the release of radionuclides into the environment from a damaged nuclear power plant includes a protective shell, hermetically covering the equipment of the primary circuit, the destruction of which leads to the release of radionuclides into the air under a protective shell.
Практически все тяжелые аварии на АЭС с реакторами, охлаждаемыми водой или натрием, приводят к образованию больших количеств водорода в первую очередь при взаимодействии материалов активной зоны с водой, например, по реакции окисления водой нагретых циркониевых оболочек - твэлов. Almost all severe accidents at nuclear power plants with reactors cooled by water or sodium lead to the formation of large quantities of hydrogen, primarily during the interaction of core materials with water, for example, through the oxidation of heated zirconium claddings - fuel rods with water.
Опасность выхода водорода заключается в очень быстром выделении большой энергии при его сгорании (или взрыве) в паровоздушной среде, формирующейся при аварии под защитной оболочкой. The danger of hydrogen escape lies in the very rapid release of large energy during its combustion (or explosion) in a vapor-air medium that forms in an accident under a protective sheath.
В частности, расчеты показывают, что для защитной оболочки объемом около 63 000 м3 (типа ВВЭР-1000) выход водорода по реакции "пар - цирконий" для 100%-ного окисления оболочек твэлов составляет около 1000 кг, из которых в паровоздушной среде (59 000 кг воздуха, 86 000 кг пара) сгорает 841 кг водорода, что приводит к росту давления под оболочкой до 0.78 МПа /Будаев М.А., Методика оценки роста давления и температуры при сгорании водорода в локализующих помещениях атомных станций во время аварий. В сб.: Вопросы атомной науки и техники, сер. Физика и техника ядерных реакторов, 1988, вып.5, с. 72-75/.In particular, the calculations show that for a protective sheath with a volume of about 63,000 m 3 (VVER-1000 type), the hydrogen yield from the steam-zirconium reaction for 100% oxidation of the fuel cladding is about 1000 kg, of which in a vapor-air medium ( 59 000 kg of air, 86 000 kg of steam) burns 841 kg of hydrogen, which leads to an increase in pressure under the shell to 0.78 MPa / Budaev MA, Methodology for assessing the increase in pressure and temperature during the combustion of hydrogen in the localization rooms of nuclear plants during accidents. In: Issues of Atomic Science and Technology, ser. Physics and Technology of Nuclear Reactors, 1988, issue 5, p. 72-75 /.
Проектное давление современных защитных оболочек (например, для европейского реактора EPR) составляет около 0.65 МПа. Таким образом, как показывают расчеты, рост давления, вызванный сгоранием водорода, может разрушить защитную оболочку. В связи с недопустимыми последствиями, выходящими за пределы нормативных ограничений, развитие аварии по изложенному сценарию должно быть исключено. The design pressure of modern containment shells (for example, for the European EPR reactor) is about 0.65 MPa. Thus, calculations show that the increase in pressure caused by the combustion of hydrogen can destroy the protective shell. Due to unacceptable consequences that go beyond the limits of regulatory restrictions, the development of an accident according to the above scenario should be excluded.
Похожий сценарий развития аварии был реализован во время разрушения активной зоны на АЭС "Три Майл Айленд" и только по удачному стечению обстоятельств горение водорода не привело к разрушению защитной оболочки. A similar scenario for the development of the accident was realized during the destruction of the core at the Three Mile Island nuclear power plant, and only by a favorable combination of circumstances, the burning of hydrogen did not lead to the destruction of the containment.
Для предотвращения подобных последствий на АЭС реализуются различные технические решения по снижению риска быстрого горения водорода. К числу таких мер относится установка сжигателей водорода, как это изложено в патенте США 4780271 (приор. 02/10/1985, кл. G 21 C 9/00) и патенте США 5230859 (приор. 13/06/1989, кл. G 21 C 9/00), или применение тепловых или каталитических рекомбинаторов водорода, как это изложено в стратегии уменьшения риска водородных взрывов на реакторах типа ВВЭР /F.Fineschi, A strategy for dealing with risks due to hydrogen explosions in the containments ofpressurized-water reactors of russian design (WWER), Nuclear Safety, vol.32, no.3, July-September 1991, pp.380-387/. To prevent such consequences, various technical solutions are implemented at nuclear power plants to reduce the risk of rapid hydrogen burning. Such measures include the installation of hydrogen burners, as set forth in US Pat. No. 4,780,271 (prior. 02/10/1985, CL G 21 C 9/00) and US Pat. No. 5,230,859 (prior. 13/06/1989, CL. G 21 C 9/00), or the use of thermal or catalytic hydrogen recombiners, as described in the strategy for reducing the risk of hydrogen explosions in WWER reactors / F. Fineschi, A strategy for dealing with risks due to hydrogen explosions in the containments ofpressurized-water reactors of Russian design (WWER), Nuclear Safety, vol. 32, no.3, July-September 1991, pp. 380-387 /.
Учитывая резкое снижение работоспособности рекомбинаторов при высаждении во время аварии аэрозолей на активных участках этих устройств, требуются специальные меры по их защите, как это предложено, например, в пат. США 6246739 (публ. 12/06/2001, кл. G 21 C 9/00), согласно которому в проходках, соединяющих верхнюю и нижнюю части подоболочечного пространства, устанавливают улавливающие аэрозоли устройства. Given the sharp decline in the health of recombiners during planting during an accident aerosols in the active areas of these devices, special measures are required to protect them, as suggested, for example, in US Pat. US 6246739 (publ. 12/06/2001, CL G 21 C 9/00), according to which in the penetrations connecting the upper and lower parts of the subshell space, aerosol collecting devices are installed.
Недостатком подобных технических решений является относительно высокая стоимость каталитических рекомбинаторов и их низкая производительность, а также способность всех этих типов устройств стать инициаторами взрывного горения водорода при резком увеличении его концентрации под защитной оболочкой, как это имеет место при тяжелых авариях с высокой скоростью окисления циркониевых элементов активной зоны. The disadvantage of such technical solutions is the relatively high cost of catalytic recombiners and their low productivity, as well as the ability of all these types of devices to initiate explosive combustion of hydrogen with a sharp increase in its concentration under the protective shell, as is the case in severe accidents with a high oxidation rate of zirconium elements active zones.
Другим методом снижения водородной опасности служит уменьшение концентрации кислорода в водородосодержащей среде, что может быть достигнуто путем использования, например, изобретения по патенту США 3820687 (приор. 05/03/1973, кл. B 67 D 5/08), согласно которому выводят из защищаемой зоны возможного горения кислородсодержащую среду в устройство высокотемпературного окисления углерода, после чего образовавшуюся газовую смесь, обогащенную диоксидом углерода, возвращают в защищаемый объем. Недостатком такого технического решения служит низкая производительность при отсутствии средств принудительной прокачки газовых сред, как это имеет место при аварийном обесточивании АЭС, а также повышенная пожароопасность использования горючих материалов. Another method of reducing hydrogen hazard is to reduce the concentration of oxygen in a hydrogen-containing medium, which can be achieved by using, for example, the invention of US patent 3820687 (prior 05/03/1973, CL B 67 D 5/08), according to which the protected zone of possible combustion of an oxygen-containing medium into a high-temperature carbon oxidation device, after which the resulting gas mixture enriched in carbon dioxide is returned to the protected volume. The disadvantage of this technical solution is the low productivity in the absence of means of forced pumping of gaseous media, as is the case with emergency blackout of nuclear power plants, as well as the increased fire hazard of the use of combustible materials.
Возможным решением могло бы служить средство, предложенное в пат. США 4601873 (приор. 14/07/1982, кл. G 21 C 9/00) и состоящее в том, что обеспечивают стратификацию газовых слоев под защитной оболочкой АЭС во время аварии за счет подачи в верхнюю часть подоболочечного пространства инертного газа низкой плотности (например, гелия), что снижает плотность верхних слоев и не позволяет им перемешиваться с нижними слоями. Такая стратификация, по замыслу авторов, могла бы локализовать водородосодержащие слои при безопасных концентрациях составляющих их компонентов. Недостатком такого решения служит возможность образования локальных взрывоопасных участков на нижележащих отметках атомной станции. A possible solution could be the tool proposed in US Pat. USA 4601873 (prior. 14/07/1982, class G 21 C 9/00) and consisting in the fact that they provide the stratification of gas layers under the protective shell of a nuclear power plant during an accident by supplying inert gas of low density to the upper part of the subshell space ( for example, helium), which reduces the density of the upper layers and does not allow them to mix with the lower layers. Such stratification, as conceived by the authors, could localize hydrogen-containing layers at safe concentrations of their constituent components. The disadvantage of this solution is the possibility of the formation of local explosive areas at the lower elevations of the nuclear power plant.
Наиболее радикальным средством предотвращения горения водорода служит создание под защитной оболочкой среды, концентрация составляющих которой не создает опасности горения водорода. Инертная среда может поддерживаться под оболочкой постоянно, как это рассмотрено в цитируемой выше стратегии уменьшения риска и реализовано в США на некоторых АЭС с реакторами кипящего типа и контейнментами типа MARK-1 и MARK-2, однако при этом резко усложняется нормальное обслуживание энергоустановки для персонала, вынужденного проходить шлюзование и работать в кислородных приборах. Инертизация подоболочечного пространства может производиться и после начала аварии. Такое решение предложено, например, в пат. США 3893514 (приор.23/11/1973, кл. А 62 C 1/14), в зону возгорания подавать инертный газ (азот), снижая концентрацию кислорода ниже уровня, поддерживающего горение. Возможные скорости ввода инертизирующего газа могут превышать 0,3 скорости звука для заполняемой среды, что обеспечивается с помощью трубок Вентури и других газодинамических элементов по пат. ФРГ 4421601 (публ. 24/08/1995, кл. G 21 C 9/06). В пат. ФРГ 4433901 (публ. 28/03/1996, кл. G 21 C 9/06), сжиженный инертный газ хранят при повышенном давлении и подают при открытии отсечного клапана сначала в испаритель, а затем под защитную оболочку. В пат. США 5764716 (приор. 06/01/1997, кл.G 21 C 9/06) для увеличения расхода инертизирующего газового агента с помощью теплоносителя тепло к испарителю подводится из отдельной теплоизолированной емкости-аккумулятора тепла, в которой тепло запасается при нагреве масла, металла или керамики. Инертный газ (например, диоксид углерода) хранится при пониженной температуре либо в жидкой либо в твердой фазе и может быть инжектирован в поток, подаваемый в испаритель, в виде кристаллов или частиц. Для достижения концентрации СO2 15-30% требуемое время не превышает 2 ч при расходе СO2 свыше 10000 кг/ч. При частичной инертизации концентрацию кислорода снижают ниже 17%, при полной - ниже 8%. В пат. США 5872825 (публ. 16/02/1999, кл. G 21 C 9/004) решается задача усовершенствования системы инертизации для предотвращения переопрессовки бетонных конструкций защитной оболочки при увеличении давления, обусловленного подачей под оболочку значительных количеств инертизирующего газа. С этой целью в тракте подачи инертного газа установлен обратимый фильтр-адсорбер, активная часть которого выполнена вращающейся и соединена по второй стороне с трактом вентиляционного сброса газа из-под оболочки в окружающую среду, который открывается при превышении допустимого давления внутри оболочки. Радионуклиды в виде аэрозолей и йод сорбируются фильтром и выдерживаются для распада нестабильных атомов. В процессе переключения фильтра на подачу инертного газа, предварительно нагретого за счет теплового аккумулятора, проходящий через фильтр инертный газ регенерирует адсорбент, унося радионуклиды обратно под оболочку, не давая тем самым попасть им в окружающую среду. Недостатком всех изложенных решений служит сложная система поддержания устройства в рабочем состоянии за счет нагрева теплового аккумулятора, необходимость хранить инертный газ при повышенном давлении и/или пониженной температуре.The most radical way to prevent the burning of hydrogen is to create an environment under the protective shell whose concentration of constituents does not create a danger of hydrogen burning. An inert atmosphere can be maintained under the shell constantly, as described in the risk reduction strategy cited above and implemented in the USA at some nuclear power plants with boiling type reactors and MARK-1 and MARK-2 containers, however, normal maintenance of the power plant for personnel forced to go through airlock and work in oxygen devices. Inertization of the subshell space can be carried out even after the start of the accident. Such a solution is proposed, for example, in US Pat. USA 3893514 (prior 23/11/1973, class A 62 C 1/14), inert gas (nitrogen) is supplied to the ignition zone, reducing the oxygen concentration below the level that supports combustion. Possible input speeds of the inerting gas may exceed 0.3 sound speeds for the medium to be filled, which is ensured by Venturi tubes and other gas-dynamic elements according to US Pat. Germany 4421601 (publ. 24/08/1995, CL G 21 C 9/06). In US Pat. Germany 4433901 (publ. 28/03/1996, class G 21 C 9/06), the liquefied inert gas is stored at elevated pressure and served when the shut-off valve is opened, first into the evaporator and then under the protective sheath. In US Pat. US 5764716 (prior. 06/01/1997, class G 21 C 9/06) to increase the flow of an inerting gas agent using a heat carrier, heat is supplied to the evaporator from a separate heat-insulated heat storage tank, in which heat is stored when heating oil, metal or ceramics. An inert gas (e.g. carbon dioxide) is stored at a reduced temperature in either liquid or solid phase and can be injected into the stream supplied to the evaporator in the form of crystals or particles. To achieve a CO 2 concentration of 15-30%, the required time does not exceed 2 hours at a CO 2 flow rate of more than 10,000 kg / h. With partial inertization, the oxygen concentration is reduced below 17%, with full inertia, below 8%. In US Pat. US 5872825 (publ. 16/02/1999, class G 21 C 9/004) solves the problem of improving the inertization system to prevent overpressure of concrete structures of the containment with increasing pressure due to the supply of significant amounts of inerting gas under the shell. For this purpose, a reversible filter adsorber is installed in the inert gas supply path, the active part of which is rotatable and connected on the second side to the duct for venting gas discharge from under the shell into the environment, which opens when the permissible pressure inside the shell is exceeded. Radionuclides in the form of aerosols and iodine are sorbed by the filter and kept for the decay of unstable atoms. In the process of switching the filter to the supply of an inert gas preheated by a heat accumulator, the inert gas passing through the filter regenerates the adsorbent, taking the radionuclides back under the envelope, thereby preventing them from entering the environment. The disadvantage of all the solutions presented is a complex system for maintaining the device in working condition by heating a heat accumulator, the need to store an inert gas at elevated pressure and / or lower temperature.
Частично эти недостатки устраняются при использовании технических решений согласно пат. США 5495511 (приор. 18/08/1994, кл. G 21 C 9/00), в котором источником инертного газа служит разлагающийся при аварийном нагреве материал. Поскольку для многих химических веществ, выделяющих при разложении СO2 или водяной пар, нагрева паровоздушной средой, образующейся при аварии, недостаточно для разложения, то предложено совмещать указанные источники с каталитическими рекомбинаторами, нагреваемыми за счет происходящей в них реакции окисления водорода кислородом воздуха. В качестве материала предложено использовать смитсонит (карбонат цинка), оксалат или карбонат железа, боракс (Na2B4O7•10H2O) и другие химические соединения, разлагающиеся при температурах, как правило, 300-400oC. Часть предложенных веществ разлагается и при более низких температурах (100-200oC), однако этот класс соединений выделяет лишь кристаллизационную воду в виде пара, который и так присутствует в аварийной среде подоболочечного пространства. Таким образом, недостатками данного технического решения являются:
- высокая инерционность системы, связанная с необходимостью нагрева материала до высоких температур, что обуславливает зависимость этого решения от привязки к источникам высокотемпературного тепла (например, рекомбинаторам), которые могут и не обеспечить требуемого нагрева и/или нагрев которых начнется только при больших концентрациях водорода, то есть с определенной задержкой после начала аварии;
- возможность переопрессовки оболочки при выделении больших объемов газа;
- возможность утраты рабочих свойств материала при его нахождении в течение длительного хранения в негерметичном виде (фильтры, предложенные в качестве оболочки материала, газообмена не предотвращают);
- при использовании материалов, выделяющих водяной пар, конденсация последнего под оболочкой при работе спринклерной аварийной системы приводит к увеличению концентраций кислорода и водорода под оболочкой вплоть до перехода к взрывоопасным значениям.Partially, these disadvantages are eliminated by using technical solutions according to US Pat. USA 5495511 (prior. 18/08/1994, class G 21 C 9/00), in which the source of inert gas is decomposable during emergency heating material. Since for many chemicals that emit CO 2 or water vapor during decomposition, heating with a steam-air medium generated during an accident is not enough for decomposition, it is proposed to combine these sources with catalytic recombiners heated by the reaction of hydrogen oxidation with atmospheric oxygen. As a material, it is proposed to use smithsonite (zinc carbonate), iron oxalate or carbonate, borax (Na 2 B 4 O 7 • 10H 2 O) and other chemical compounds that decompose at temperatures, usually 300-400 o C. Part of the proposed substances decomposes even at lower temperatures (100-200 o C), however, this class of compounds releases only crystallization water in the form of steam, which is already present in the emergency environment of the subshell space. Thus, the disadvantages of this technical solution are:
- high inertia of the system associated with the need to heat the material to high temperatures, which determines the dependence of this solution on binding to high-temperature heat sources (for example, recombiners), which may not provide the required heating and / or heating of which will start only at high hydrogen concentrations, that is, with a certain delay after the start of the accident;
- the possibility of re-pressing the shell when releasing large volumes of gas;
- the possibility of losing the working properties of the material when it is stored for a long time in an unpressurized form (filters proposed as a material shell do not prevent gas exchange);
- when using materials that emit water vapor, condensation of the latter under the shell during operation of the sprinkler emergency system leads to an increase in the concentration of oxygen and hydrogen under the shell up to the transition to explosive values.
По совокупности признаков, включая конструктивные особенности, данная система является наиболее близким аналогом и взята за прототип. By the totality of features, including design features, this system is the closest analogue and is taken as a prototype.
Техническими результатами предлагаемого изобретения является снижение вероятности разгерметизации защитной оболочки в аварийных условиях. The technical results of the invention are to reduce the likelihood of depressurization of the containment in emergency conditions.
Указанные технические результаты достигаются тем, что в системе послеаварийной инертизации, состоящей из газогенерирующего твердого материала, способного к выделению инертного газа при контакте с нагретой паровоздушной средой и заключенного в расположенный внутри защитной оболочки водоохлаждаемой ядерной энергоустановки корпус, снабженный средством для выпуска инертного газа, корпус выполнен герметичным, средство для выпуска газа снабжено разрывной мембраной, давление разрыва которой не превышает избыточного давления, создаваемого внутри защитной оболочки при аварийной разгерметизации ядерной энергоустановки, и/или запорным устройством, управление которым выведено за пределы защитной оболочки. Целесообразно в качестве газогенерирующего материала выбрать гигроскопичную смесь химических соединений, одним из продуктов реакции которой в водосодержащей среде является диоксид углерода. These technical results are achieved by the fact that in a post-emergency inertization system consisting of a gas-generating solid material capable of releasing inert gas upon contact with a heated vapor-air medium and enclosed in a housing equipped with means for releasing an inert gas located inside a protective shell of a water-cooled nuclear power plant, the housing is made hermetic, the means for the release of gas is equipped with a bursting disc, the burst pressure of which does not exceed the excess pressure created inside the containment during emergency depressurization of a nuclear power plant, and / or shut-off device, the control of which is outside the containment. It is advisable to choose a hygroscopic mixture of chemical compounds as a gas-generating material, one of the reaction products of which in a water-containing medium is carbon dioxide.
В качестве одного из компонентов газогенерирующего материала может быть выбран карбонат или бикарбонат щелочного металла. An alkali metal carbonate or bicarbonate may be selected as one of the components of the gas generating material.
Также возможно в качестве компонента газогенерирующего материала выбрать твердую фазу водорастворимой кислоты. It is also possible to select the solid phase of a water-soluble acid as a component of the gas generating material.
В качестве водорастворимой кислоты целесообразно выбрать лимонную и/или борную кислоту, а качестве твердой фазы водорастворимой кислоты - гидрат. It is advisable to choose citric and / or boric acid as the water-soluble acid, and hydrate as the solid phase of the water-soluble acid.
Одним из целесообразных вариантов является выбор в качестве компонента газогенерирующего материала, насыщенного диоксидом углерода адсорбента, в качестве которого может быть выбран природный и/или искусственный цеолит и/или силикагель. One of the feasible options is the choice of a component of a gas generating material saturated with carbon dioxide adsorbent, which can be selected as natural and / or artificial zeolite and / or silica gel.
Система может быть снабжена средством увеличения поверхности газообмена газогенерирующего материала с окружающей его средой при разгерметизации корпуса, которое в частном случае выполнено в виде расположенного под корпусом приемного чехла, выполненного в виде сплошного или перфорированного тонкостенного поддона, в виде сетки с задающими форму пластинами или в виде гофрированной решетки, а корпус снабжен затвором, выполненным с возможностью свободного самопроизвольного выхода газогенерирующего материала в приемный чехол при разгерметизации корпуса. The system can be equipped with a means of increasing the gas exchange surface of the gas-generating material with its environment during case depressurization, which in a particular case is made in the form of a receiving cover located under the case, made in the form of a continuous or perforated thin-walled pallet, in the form of a grid with shape-defining plates or in the form corrugated lattice, and the housing is equipped with a shutter, made with the possibility of free spontaneous exit of gas-generating material into the receiving case during unloading metalization of the case.
Целесообразен также вариант, в котором корпус снабжен подвижными створками, образующими грейфер или цангу, а затвор выполнен в виде узла, удерживающего створки от раскрытия под действием собственного веса и/или веса газогенерирующего материала, причем в частном случае затвор и запорное устройство могут быть выполнены как единое целое и снабжены общим приводом. It is also advisable that the case is equipped with movable flaps forming a grab or collet, and the shutter is made in the form of a unit that keeps the flaps from opening under the influence of their own weight and / or the weight of the gas-generating material, and in the particular case, the shutter and locking device can be made as integrated and equipped with a common drive.
Преимущества, а также особенности настоящего изобретения станут понятными во время последующего рассмотрения приведенных ниже лучших вариантов осуществления изобретения. Advantages as well as features of the present invention will become apparent during a subsequent review of the following best embodiments of the invention.
Основной технический результат достигнут за счет применения в системе послеаварийной инертизации усовершенствованной конструкции и материалов, составляющих основное газогенерирующее устройство, корпус которого согласно изобретению выполнен герметичным, снабжен средством для выпуска инертного газа, которое, в свою очередь, снабжено разрывной мембраной, рассчитанной на аварийное давление, или запорным устройством, управление которого осуществляется извне оболочки. Такое решение позволяет в зависимости от концепции построения защитных барьеров ядерной энергоустановки обеспечить либо полностью пассивный ввод в действие системы инертизации-, либо активный ввод по действию оператора, либо совместить принципы инициирования системы с возложением на разрывную мембрану функций подстраховывающего устройства. The main technical result is achieved through the use in the post-accident inertization system of an improved design and materials that make up the main gas-generating device, the housing of which according to the invention is sealed, equipped with an inert gas discharge means, which, in turn, is equipped with a bursting membrane designed for emergency pressure, or a locking device, which is controlled from outside the shell. This solution allows, depending on the concept of building the protective barriers of a nuclear power plant, to provide either a completely passive commissioning of the inertization system, or an active commissioning by the operator, or to combine the principles of system initiation with the assignment of the functions of the insurance device to the bursting membrane.
Главное же, что удалось решить выбором газогенерирующего материала, - совмещение трех функциональных преимуществ в предложенной системе:
- пассивный процесс выделения инертного газа (диоксида углерода) при контакте газогенерирующего материала с паровоздушной средой, не требующий подвода тепла к зоне реакции для компенсации ее термического эффекта;
- отсутствие значительной переопрессовки оболочки при подаче инертного газа из системы за счет обмена одного из компонентов подоболочечной среды с существенным парциальным давлением (водяного пара) на другой компонент с близким парциальным давлением;
- ликвидация опасности повышения концентрации кислорода и водорода при послеаварийной конденсации инертизирующего среду водяного пара, перевод которого в жидкую фазу происходит как на поверхностях защитной оболочки и внутренних конструкций, так и в основном за счет подачи воды спринклерной системы, и в отдельных случаях за счет аккумулированного холода ледовых конденсаторов.The main thing that we managed to solve by choosing a gas-generating material was the combination of three functional advantages in the proposed system:
- passive process of evolution of inert gas (carbon dioxide) upon contact of the gas generating material with the vapor-air medium, which does not require heat supply to the reaction zone to compensate for its thermal effect;
- the lack of significant re-pressurization of the shell during the supply of inert gas from the system due to the exchange of one of the components of the subshell medium with significant partial pressure (water vapor) to another component with close partial pressure;
- elimination of the danger of an increase in the concentration of oxygen and hydrogen during the post-emergency condensation of water-inerting medium, which is transferred to the liquid phase both on the surfaces of the containment and internal structures, and mainly due to the supply of water to the sprinkler system, and in some cases due to accumulated cold ice condensers.
Достигается такое сочетание тем, что в качестве газогенерирующего материала выбрана гигроскопичная смесь химических соединений, одним из продуктов реакции которой в водосодержащей среде является диоксид углерода. Тем самым контакт такой смеси с аварийной паровоздушной средой приводит к выводу водяного пара и переводу его в химически связанное состояние за счет прохождения реакции выделения диоксида углерода из реагирующей с водой смеси. This combination is achieved in that a hygroscopic mixture of chemical compounds is chosen as the gas generating material, one of the reaction products of which in carbon-containing medium is carbon dioxide. Thus, the contact of such a mixture with an emergency vapor-air medium leads to the withdrawal of water vapor and its transfer to a chemically bound state due to the passage of the reaction of carbon dioxide evolution from the mixture reacting with water.
В качестве компонентов такой гигроскопической среды, как показали исследования, целесообразно выбрать смесь карбонатов щелочных металлов (лития, калия, натрия) и дегидратированную (полностью или частично) кислоту, способную длительное время в сухом твердом порошкообразном состоянии храниться в герметичной упаковке в смеси с сухими твердыми карбонатами или бикарбонатами (в частности, с бикарбонатом натрия NaHCO3) и вступать с ними в реакцию при увлажнении. Наиболее эффективными в данном отношении по результатам экспериментов найдены лимонная кислота (моногидрат, С6Н8O7) и безводная борная кислота (В2O3), концентрацию которых в смеси желательно поддерживать на уровне, на 10-20% превышающем стехиометрический.As components of such a hygroscopic medium, studies have shown, it is advisable to choose a mixture of alkali metal carbonates (lithium, potassium, sodium) and dehydrated (fully or partially) acid, which can be stored in a sealed package in a mixture with dry solids for a long time in a dry solid powder state carbonates or bicarbonates (in particular, with sodium bicarbonate NaHCO 3 ) and react with them when wet. According to the experimental results, citric acid (monohydrate, C 6 H 8 O 7 ) and anhydrous boric acid (B 2 O 3 ) were found to be most effective in this respect, the concentration of which in the mixture is desirable to maintain at a level 10-20% higher than the stoichiometric.
Высокая гигроскопичность выбранных смесей заставляет особое внимание уделять важному признаку корпуса - его герметичности, чего не требовалось в прототипе, где реакция инициировалась нагревом, и главное, что требовалось - обеспечить эффективный нагрев, например, отбирая тепло от реактивных поверхностей пассивных каталитических рекомбинаторов. The high hygroscopicity of the selected mixtures makes it necessary to pay special attention to an important feature of the casing - its tightness, which was not required in the prototype, where the reaction was initiated by heating, and most importantly, what was required was to provide effective heating, for example, by taking heat from the reactive surfaces of passive catalytic recombiners.
Требование к герметичности даже ужесточается при использовании в качестве газогенерирующего материала насыщенного диоксидом углерода твердого адсорбента, в качестве которого выбран природный и/или искусственный цеолит и/или силикагель, поскольку в этом варианте реализации изобретения корпус будет наполнен диоксидом углерода при давлении, равновесным заданной насыщенности адсорбента при нормальной температуре. Целесообразно, как например в случае использования цеолитов типа NaX или СаА, при температурах 20-30oC поддерживать избыточное давление на уровне 1-2 атм, что соответствует насыщенности адсорбента 0,25-0,3 г СO2/г цеолита. Относительно невысокий уровень давления облегчит конструкцию модулей корпуса, упростит задачу поддержания герметичности, не создаст опасности для персонала при ошибочной или аварийной разгерметизации корпуса в целом или одного из его модулей (в период обслуживания и ремонтов), обеспечив в то же время возможность оперативного контроля готовности системы по индикации давления в корпусе, быстрое начальное инертизирующее воздействие при аварии.The tightness requirement is even toughened when using a solid adsorbent saturated with carbon dioxide as a gas generating material, which is selected as natural and / or artificial zeolite and / or silica gel, since in this embodiment the body will be filled with carbon dioxide at a pressure equilibrium with the specified adsorbent saturation at normal temperature. It is advisable, for example, in the case of using zeolites of the NaX or CaA type, at temperatures of 20-30 ° C to maintain an excess pressure of 1-2 atm, which corresponds to an adsorbent saturation of 0.25-0.3 g of CO 2 / g of zeolite. A relatively low pressure level will facilitate the design of the housing modules, simplify the task of maintaining tightness, and will not pose a danger to personnel in case of erroneous or emergency depressurization of the housing as a whole or one of its modules (during maintenance and repairs), while providing the possibility of operational monitoring of system readiness according to the pressure indication in the case, a quick initial inerting effect in the event of an accident.
Хотя требуемые скорости инертизации относительно невелики (требуется обеспечить заданный выход газа за время не более 2 ч), особое внимание уделено развитию реакционной поверхности материала, для чего система снабжена средством развития газообмена, выполненным, в частном случае, в виде расположенного под корпусом приемного чехла в виде сплошного или перфорированного тонкостенного поддона, в виде сетки с задающими форму пластинами или в виде гофрированной решетки, а также корпус снабжен затвором, выполненным с возможностью свободного самопроизвольного выхода газогенерирующего материала в приемный чехол при разгерметизации корпуса. Although the required inertization rates are relatively small (it is required to provide a given gas output in a time of no more than 2 hours), special attention is paid to the development of the reaction surface of the material, for which the system is equipped with a gas exchange development tool, made, in the particular case, in the form of a receiving cover located under the housing in in the form of a continuous or perforated thin-walled pallet, in the form of a grid with defining plates or in the form of a corrugated lattice, and also the body is equipped with a shutter made with the possibility of free moproizvolnogo exit gas generating material into a receiving body cover at depressurization.
Выход материала, учитывая его сыпучий характер, из корпуса в приемный чехол целесообразно выполнить за счет конструктивно включенного в систему затвора, удерживающего створки корпуса, образующими в данном варианте грейфер или цангу, от самопроизвольного раскрытия под действием собственного веса или под действием также и веса газогенерирующего материала:
Учитывая общее назначение затвора и запорного устройства, нацеленных на выполнение одной функции - разгерметизации корпуса, целесообразно выполнение обоих устройств как единое целое с общим приводом.Given the loose nature of the material, it is advisable to carry out the flow of material from the housing to the receiving case by means of a shutter structurally included in the system that holds the body flaps, which in this embodiment form a grab or collet, from spontaneous opening due to its own weight or also to the weight of the gas-generating material :
Given the general purpose of the shutter and the locking device, aimed at performing one function - depressurization of the housing, it is advisable to perform both devices as a unit with a common drive.
Особенности рабочего процесса системы послеаварийной инертизации согласно изобретению изложены ниже. The features of the post-accident inertization system according to the invention are set forth below.
После начала аварии, сопровождаемой разгерметизацией контура водяного охлаждения ядерного реактора, например при разрыве одного из циркуляционных трубопроводов, пространство под защитной оболочкой начинает заполняться водяным паром, а после разогрева металлических оболочек твэлов до температур начала парометаллических реакций под оболочку начинает поступать и водород. After the start of the accident, accompanied by depressurization of the water cooling circuit of the nuclear reactor, for example, when one of the circulating pipelines ruptured, the space under the protective sheath begins to be filled with water vapor, and after heating of the metal cladding of the fuel elements to the temperature of the onset of steam-metal reactions, hydrogen also begins to flow under the shell.
При росте давления под оболочкой и вызванным возникающим при этом перепаде давления разрыве мембраны или по сигналу от аварийных датчиков и ручному или автоматическому открытию запорного устройства система переводится из режима ожидания в рабочее состояние. При этом водяной пар получает доступ к газогенерирующему материалу, что вызывает конденсацию пара, увлажнение материала и начало реакции выделения инертного газа - диоксида углерода. Требуемое количество инертизирующего газа СO2 в случае защитной оболочки объемом 63,000 м3 на примере реактора ВВЭР-1000 для практически полной инертизации (более 30 об.%) и вывода подоболочечной среды из взрыво- или пожароопасных концентраций даже при условии конденсации водяного пара составляет около 44,000 кг. Для подачи такого количества СO2 в случае применения смеси бикарбоната натрия и борной кислоты (по реакции 2NaHCO3+4Н3ВО3-->Na2B4О7+2СO2+7Н2O) требуется по стехиометрии около 80,000 кг бикарбоната и 120,000 кг кислоты, которые свяжут более 30,000 кг (около 30 об. %) водяного пара. В случае использования лимонной кислоты (С6Н8О7) с образованием раствора цитрата натрия (C6H5Na3О7) расход кислоты составит около 70,000 кг, что при близкой стоимости борной и лимонной кислот (около 500 долл. США/т) в 1.5 раза уменьшит затраты на приобретение компонентов смеси.When pressure increases under the shell and the membrane ruptures resulting from this pressure drop occur or due to a signal from emergency sensors and manual or automatic opening of the shut-off device, the system is switched from standby to operating state. In this case, water vapor gains access to the gas-generating material, which causes condensation of the vapor, moistening of the material, and the start of the inert gas evolution reaction - carbon dioxide. The required amount of CO 2 inerting gas in the case of a containment with a volume of 63,000 m 3 using the example of the VVER-1000 reactor for almost complete inertization (more than 30 vol.%) And withdrawal of the subshell medium from explosive or fire hazardous concentrations even when water vapor is condensed is about 44,000 kg To supply such an amount of CO 2 in the case of a mixture of sodium bicarbonate and boric acid (by the reaction of 2NaHCO 3 + 4H 3 BO 3 -> Na 2 B 4 O 7 + 2CO 2 + 7H 2 O), approximately 80,000 kg of bicarbonate are required by stoichiometry and 120,000 kg of acid that will bind more than 30,000 kg (about 30 vol.%) Of water vapor. In the case of using citric acid (C 6 H 8 O 7 ) with the formation of a solution of sodium citrate (C 6 H 5 Na 3 O 7 ), the acid consumption will be about 70,000 kg, which at a close cost of boric and citric acids (about 500 USD / r) 1.5 times reduce the cost of acquiring the components of the mixture.
Для усиления эффекта реакции под корпусом размещен приемный чехол, выполненный, например, в виде перфорированного тонкостенного поддона, в виде сетки с задающими форму пластинами или в виде гофрированной решетки, высыпавшись на которую газогенерирующий материал получает большую поверхность контакта с паровоздушной подоболочечной средой, что ускорит массообменные процессы. Для обеспечения выхода материала из корпуса открывают затвор, удерживающий подвижные створки корпуса от возможности свободного самопроизвольного раскрытия, что и приводит к высыпанию газогенерирующего материала в приемный чехол. To enhance the reaction effect, a receiving cover is placed under the housing, made, for example, in the form of a perforated thin-walled pallet, in the form of a grid with defining plates or in the form of a corrugated grating, upon which the gas-generating material gets a large contact surface with a vapor-air subshell medium, which will accelerate mass transfer processes. To ensure the exit of material from the housing, a shutter is opened, which holds the movable casement flaps from the possibility of free spontaneous opening, which leads to the precipitation of gas-generating material in the receiving case.
Большей интенсивности увлажнения материала для начала реакции можно добиться размещением приемного чехла в зоне действия водяного распыла, образуемого форсунками спринклерной системы. A greater intensity of material wetting to start the reaction can be achieved by placing a receiving cover in the zone of action of the water spray formed by the nozzles of the sprinkler system.
При наличии в конструкции защитной оболочки ледовых конденсаторов также целесообразно предусмотреть общую компоновку системы послеаварийной инертизации с модулями, аккумулирующими лед. В этом случае сам лед мог бы служить в смеси с вмороженным в него газогенерирующим материалом, источником инертного газа, выделение которого происходит при расплавлении льда, вызывающем образование жидкой водяной фазы, инициирующей начало реакции. If there is an ice capacitor in the protective shell design, it is also advisable to provide for the general layout of the post-emergency inertization system with ice storage modules. In this case, the ice itself could serve in a mixture with gas-generating material frozen into it, a source of inert gas, the evolution of which occurs when ice melts, causing the formation of a liquid aqueous phase that initiates the onset of the reaction.
В целом реализация изложенных технических решений в их взаимосвязи обеспечивает эффективную пассивную послеаварийную инертизацию защищаемого объема, снижая вероятность потери герметичности защитной оболочки - последнего барьера на пути выхода радиоактивных продуктов деления в атмосферу. Необходимо также отметить, что изложенное техническое решение может быть реализовано в качестве средства противопожарной защиты объектов различного типа, в процессе аварии или пожара на которых в защищаемом объеме присутствует существенная концентрация водяного пара или вода в конденсированном состоянии. In general, the implementation of the technical solutions outlined in their interconnection provides an effective passive post-accident inertization of the protected volume, reducing the likelihood of loss of containment tightness - the last barrier to the release of radioactive fission products into the atmosphere. It should also be noted that the described technical solution can be implemented as a means of fire protection of various types of objects, in the course of an accident or fire, in which a significant concentration of water vapor or condensed water is present in the protected volume.
Claims (12)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2001122034/06A RU2214634C2 (en) | 2001-08-08 | 2001-08-08 | Post-accident inert-gas generating system |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2001122034/06A RU2214634C2 (en) | 2001-08-08 | 2001-08-08 | Post-accident inert-gas generating system |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2001122034A RU2001122034A (en) | 2003-04-20 |
| RU2214634C2 true RU2214634C2 (en) | 2003-10-20 |
Family
ID=31988314
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2001122034/06A RU2214634C2 (en) | 2001-08-08 | 2001-08-08 | Post-accident inert-gas generating system |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2214634C2 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112683719A (en) * | 2020-11-25 | 2021-04-20 | 中国辐射防护研究院 | Device for measuring release source item under nuclear material fire accident condition and evaluation method |
| RU2778458C1 (en) * | 2022-03-10 | 2022-08-19 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Method for safe handling with gas-generating devices containing chemically active materials |
-
2001
- 2001-08-08 RU RU2001122034/06A patent/RU2214634C2/en not_active IP Right Cessation
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112683719A (en) * | 2020-11-25 | 2021-04-20 | 中国辐射防护研究院 | Device for measuring release source item under nuclear material fire accident condition and evaluation method |
| CN112683719B (en) * | 2020-11-25 | 2023-07-25 | 中国辐射防护研究院 | Nuclear material ignition accident condition release source item measuring device and evaluation method |
| RU2778458C1 (en) * | 2022-03-10 | 2022-08-19 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Method for safe handling with gas-generating devices containing chemically active materials |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2666790C2 (en) | Method and system for emergency and back-up cooling of nuclear fuel and reactors | |
| US10522256B2 (en) | Emergency and back-up cooling of nuclear fuel and reactors and fire-extinguishing, explosion prevention using liquid nitrogen | |
| EP2680272B1 (en) | Nuclear power plant and passive containment cooling system | |
| US3984282A (en) | Passive containment system for a nuclear reactor | |
| JP2015512506A5 (en) | ||
| US3158546A (en) | Nuclear reactor containment method and apparatus | |
| CA2129774C (en) | Device for passively inerting the gas mixture in the reactor containment of a nuclear power plant | |
| EP3998615A1 (en) | Nuclear power plant containment filtering and discharging system and method | |
| US3404067A (en) | Process for removing radioactive materials from the environment of an atomic reactor | |
| RU2142171C1 (en) | Method and device for producing deactivating gas | |
| RU2214634C2 (en) | Post-accident inert-gas generating system | |
| US4797249A (en) | Process for precluding or reducing the danger to a system and the surroundings thereof by reactive mixtures | |
| RU97101489A (en) | METHOD AND DEVICE FOR OBTAINING AN INERTIZING GAS | |
| JPH02281190A (en) | Safe cooling system of nuclear reactor storage structure | |
| D'Ovidio et al. | Lithium fire protection design approach in IFMIF-DONES facility | |
| JPH04348299A (en) | Reactor plant | |
| Snell et al. | Chernobyl: A Canadian Perspective | |
| JPH06281779A (en) | Reactor container cooling device | |
| JPH0377096A (en) | Vent device of reactor container | |
| Kolditz | GKN I and GKN II: Reactor containment pressure relief and measures against hydrogen energy release in case of severe accidents | |
| Bracht et al. | Analysis of strategies for containment venting in case of severe accidents | |
| JPH0675110B2 (en) | Reactor containment facility | |
| RU1299369C (en) | Packing unit for transporting and storing radio-active and fissionable materials | |
| ER | Llimit OF | |
| Chakraborty et al. | A concept of a small controlled, filtered venting system and an add-on decay heat removal system to mitigate the consequences of core-melt accidents |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20130809 |