Гидроёмкости, баки и приямок: запас воды для аварийного охлаждения

• ≈ 6 МПадавление азота над раствором в гидроёмкостях первой ступени ВВЭР-1000
• 4гидроёмкости первой ступени: две подают раствор над активной зоной, две — под неё
• 960 м³раствора в восьми гидроёмкостях второй ступени проекта Нововоронежской АЭС-2
• 24 чподают раствор в реактор гидроёмкости второй ступени — без насосов и электропитания

Зачем нужен запас воды с бором

Самая тяжёлая проектная авария для ВВЭР — разрыв главного циркуляционного трубопровода. Вода первого контура, которая при работе находится под давлением около 16 МПа, вырывается через разрыв и вскипает, давление в контуре падает, и активная зона начинает осушаться. Реактор глушится за секунды, но топливо продолжает выделять остаточное тепло, и без воды оболочки твэлов быстро перегреются.

Поэтому на энергоблоке держат запас воды для системы аварийного охлаждения активной зоны — САОЗ. В воде растворена борная кислота: бор поглощает нейтроны, и цепная реакция не возобновится, даже когда холодная вода охладит активную зону. Это важно, потому что ВВЭР устроен так, что при нагреве реакция ослабевает, а при охлаждении, наоборот, может оживиться. О функциях безопасности и пассивных системах в целом рассказано в статье «Безопасность АЭС».

Вода приходит в несколько очередей. При малой течи давление в контуре остаётся высоким, и раствор подают насосы аварийного охлаждения высокого давления. При большом разрыве давление за секунды падает ниже давления азота в гидроёмкостях — около 6 МПа, — и они сами выдавливают раствор в реактор, пока запускаются насосы. Затем воду подают насосы низкого давления, а вытекшая через разрыв вода собирается в приямке внизу гермооболочки, откуда насосы снова и снова возвращают её в реактор, — это рециркуляция.

Большая течь: как вода возвращается в активную зону

1. Разрыввода вырывается из контура, давление падает, реактор глушится
2. Гидроёмкостидавление ниже ≈ 6 МПа — азот сам выдавливает раствор в реактор
3. Насосынасосы низкого давления подают раствор борной кислоты
4. Рециркуляциявода из приямка снова и снова возвращается в реактор

Гидроёмкости — пассивная часть САОЗ, насосы — активная, и они страхуют друг друга. Гидроёмкостям не нужны ни электропитание, ни команда, но запас воды в них невелик. Насосы могут работать неделями, но им нужны питание и время на пуск, а при обесточивании — ещё и запуск дизель-генераторов.

Гидроёмкости первой ступени

У энергоблока с ВВЭР-1000 четыре гидроёмкости — вертикальных сосуда, в каждом около 50 м³ раствора борной кислоты. Над раствором — азотная подушка под давлением около 6 МПа. Две гидроёмкости подают раствор в реактор над активной зоной, две — под неё, через кольцевой зазор между корпусом и шахтой, так что зону заливают и сверху, и снизу. Гидроёмкости первой ступени есть и у ВВЭР-1200.

В обычной работе давление в контуре — около 16 МПа, намного выше, чем в гидроёмкости, и раствор отделяют от реактора обратные клапаны — по два на каждой линии, один за другим. Клапан годами прижат к седлу перепадом около 10 МПа, но должен открыться, как только перепад сменит знак. Как устроена такая арматура, рассказано в статье «Трубопроводная арматура для АЭС».

Если при течи давление в контуре опустится ниже давления азота, клапаны откроются сами, и азот выдавит раствор в реактор — без сигнала и без электропитания. При большом разрыве это происходит через считанные секунды, а опорожняются гидроёмкости примерно за минуту — как раз пока запускаются насосы.

Кроме обратных клапанов, на каждой линии стоит запорная арматура. Ею гидроёмкость отсекают, когда давление в контуре снижают нарочно, при плановом расхолаживании блока, и закрывают после того, как раствор вышел, чтобы вслед за ним в реактор не пошёл азот: газ в контуре мешал бы охлаждению.

Гидроёмкость системы аварийного охлаждения и приямок (схема). Ёмкость заполнена раствором борной кислоты, над ним — азот под давлением. Пока давление в контуре выше, обратные клапаны закрыты. Если при течи оно упадёт ниже давления азота, клапаны откроются, и раствор сам, без насосов, пойдёт в реактор. Вода, вылившаяся из контура, стекает в приямок внизу гермооболочки, проходит фильтр, и насосы снова подают её в реактор.

Вторая ступень у ВВЭР-1200

Запаса первой ступени хватает, чтобы быстро залить активную зону, но не чтобы долго её охлаждать — это работа насосов. А если при большой течи станция ещё и останется без электроснабжения, насосы не заработают. На такой случай в проекте Нововоронежской АЭС-2 с ВВЭР-1200 предусмотрены гидроёмкости второй ступени — система пассивного залива активной зоны. Впервые её применили на индийской АЭС «Куданкулам» с ВВЭР-1000.

Это восемь сосудов из нержавеющей стали по 120 м³, всего 960 м³ раствора, — по две ёмкости в каждой из четырёх групп. В обычной работе давление в них близко к атмосферному, около 0,1 МПа. Сверху ёмкости связаны с холодной ниткой петли линией с особым клапаном, который открывается, когда давление в контуре опустится примерно до 1,5 МПа. Давления выравниваются, и раствор самотёком уходит в реактор по линиям гидроёмкостей первой ступени.

Главное в этой системе — расход. Воды нужно столько, сколько выкипает от остаточного тепла, а оно со временем спадает. Поэтому расход из каждой ёмкости рассчитан ступенями: около 5 кг/с в первый час, около 2,5 кг/с — примерно до трёх часов, около 1,65 кг/с — примерно до восьми часов и около 0,9 кг/с — до конца суток. Так раствора хватает на 24 часа без насосов и без электропитания.

Расход из одной гидроёмкости второй ступени

• ≈ 5 кг/спервый час
• ≈ 2,5 кг/спримерно до трёх часов
• ≈ 1,65 кг/спримерно до восьми часов
• ≈ 0,9 кг/сдо конца суток

Расход снижается вслед за остаточным тепловыделением — так запаса хватает на сутки без насосов и электропитания.

Приямок и его фильтры

Вода из разрыва, из гидроёмкостей и от спринклерной системы, которая распыляет раствор под куполом, стекает вниз, в приямок гермооболочки. У ВВЭР-1000 его называют баком-приямком: это и запас раствора бора для насосов, и сборник, куда вода возвращается. Как устроены оболочка и спринклерная система, рассказано в статье «Гермооболочка энергоблока».

Из приямка насосы аварийного охлаждения и спринклерные насосы подают воду в реактор и на распыл, прогоняя её через теплообменники, откуда тепло в конце концов уходит с технической водой. Эта рециркуляция и уносит остаточное тепло, пока оно не спадёт.

Слабое место схемы — фильтры приямка. Струя из разрыва срывает теплоизоляцию с трубопроводов и оборудования, смывает краску и пыль, и вода несёт всё это к приямку. Фильтр задерживает мусор, но, забившись, сам перекрывает воде путь: насосам перестаёт хватать подпора на входе, и начинается кавитация, — об этом рассказано в статье «Насосы АЭС». А мелочь, прошедшая сквозь фильтр, может осесть в топливных сборках.

Поэтому фильтры приямков проектируют с большим запасом:

• Площадь. Фильтры собирают из кассет перфорированного листа или сетки большой площади, чтобы слой мусора на них был тонким, а сопротивление — допустимым.
• Отверстия. Их размер выбирают так, чтобы всё, что пройдёт сквозь фильтр, прошло и через насосы, и через активную зону.
• Изоляция. Внутри оболочки предпочитают теплоизоляцию, которая при разрушении не даёт мелкого волокна, например металлическую.
• Расчёт и стенды. Сколько мусора образуется, дойдёт ли он до приямка и какой перепад давления даст на фильтре, проверяют расчётами и испытаниями.

Баки систем безопасности

Гидроёмкости и приямок — не единственные ёмкости, в которых станция держит воду на случай аварии. У каждой своя часть работы:

Концентрированный раствор борной кислоты при охлаждении выпадает кристаллами, которые могут закупорить трубы и арматуру. Поэтому баки и трубопроводы с ним держат в тёплых помещениях или с электрообогревом и следят за температурой.

Все эти ёмкости рассчитывают на землетрясение. Опоры должны удержать полный сосуд, а вода в большом баке при толчках раскачивается и добавляет нагрузку на стенки и днище.

Материалы и изготовление

Гидроёмкость первой ступени — сосуд под давлением в несколько мегапаскалей, и делают её как ответственный сосуд атомной станции: из обечаек и днищ, сваренных между собой, с вваренными патрубками и люком для осмотра. Борная кислота разъедает углеродистую сталь, поэтому всё, что соприкасается с раствором, делают из нержавеющей стали — целиком или в виде антикоррозионной наплавки изнутри.

Гидроёмкость второй ступени ВВЭР-1200 собирают из обечаек и днищ из листовой нержавеющей стали. Это сосуд диаметром около 4,2 м и высотой 10,5 м со стенкой 60 мм, массой около 78 т; его расчётное давление — 3 МПа, срок службы — 60 лет.

Гидроёмкость второй ступени ВВЭР-1200 в цифрах

• ≈ 4,2 мдиаметр сосуда
• 10,5 мвысота
• 60 ммстенка из листовой нержавеющей стали
• ≈ 78 тмасса

Класс безопасности, марку стали, требования к наплавке, объём контроля и давление испытаний задают чертёж и технические условия. Для изготовителя такие сосуды — это сварка по аттестованной технологии, контроль швов радиографией или ультразвуком, капиллярный контроль наплавки и гидравлические испытания пробным давлением выше расчётного. Внутри не должно остаться окалины, стружки и следов масла: всё это уйдёт с раствором в реактор, а хлориды опасны для нержавеющей стали коррозией.

Многие детали заказывают отдельно: патрубки, фланцы и крышки люков, штуцеры уровнемеров, датчиков давления и подвода азота, опоры. Для них важны металл с прослеживаемостью до плавки, точная разделка кромок под приварку и чистые уплотнительные поверхности: крышку люка ставят на шпильки с прокладкой, и риска на зеркале фланца — готовая течь азота. Ещё одна позиция — кассеты фильтров приямка из нержавеющей стали: здесь важны размер и шаг отверстий, отсутствие заусенцев и коробления после сварки.

Сосуд отгружают с паспортом, в котором собраны сертификаты на металл и сварочные материалы, протоколы контроля и испытаний. Типичные ошибки — следы углеродистой стали на нержавеющей поверхности от инструмента и стропов, вода, оставленная в сосуде после гидроиспытаний, и незаглушённые патрубки, через которые при перевозке внутрь попадает грязь.

Проверки в эксплуатации

Гидроёмкости годами стоят без дела, и их готовность подтверждают постоянно. Уровень раствора и давление азота измеряют приборы, выведенные на блочный щит управления, а концентрацию бора периодически определяют в лаборатории по пробам. Пределы этих параметров и сроки проверок задаёт технологический регламент: вышедший за предел параметр восстанавливают за ограниченное время, а если не успели — переводят блок в более безопасное состояние, вплоть до останова.

Изменения параметров многое говорят опытному глазу. Если уровень и давление в гидроёмкости медленно растут, а концентрация бора снижается, — обратные клапаны пропускают воду из контура. Если падает давление азота, — где-то утечка газа: азот подкачивают, а место утечки ищут.

Что подсказывают приборы гидроёмкости

На остановленном блоке проверяют арматуру линий: обратные клапаны — на плотность и свободный ход, запорную арматуру — на срабатывание. Сами сосуды, как и другое оборудование под давлением, периодически осматривают изнутри и снаружи, контролируют их металл и испытывают давлением в сроки, установленные НП-089-15 — правилами устройства и безопасной эксплуатации оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок.

Перед пуском после ремонта осматривают и приямки: забытая ветошь, кусок плёнки или инструмент могут закрыть часть фильтра. Чистота внутри гермооболочки — такое же условие готовности систем безопасности, как исправные насосы и полные гидроёмкости.

Термины

• САОЗСистема аварийного охлаждения активной зоны: подаёт в реактор раствор борной кислоты при течи первого контура.
• ГидроёмкостьСосуд с раствором борной кислоты под давлением азота, который сам подаёт раствор в реактор, когда давление в контуре падает ниже давления азота.
• Азотная подушкаСжатый азот над раствором в гидроёмкости; расширяясь, он выдавливает раствор в реактор.
• Гидроёмкости второй ступениЁмкости системы пассивного залива активной зоны, которые при низком давлении в контуре подают раствор самотёком в течение суток.
• ПриямокУглубление в нижней части гермооболочки, куда стекает вода при аварии и откуда насосы забирают её для рециркуляции.
• РециркуляцияРежим, в котором насосы снова и снова подают в реактор воду, собравшуюся в приямке после аварии.
• Фильтр приямкаСетка или перфорированные кассеты на входе к насосам из приямка, которые задерживают мусор.
• Обратный клапанАрматура, которая пропускает среду только в одну сторону и сама закрывается при обратном перепаде давления.

Частые вопросы

Что такое гидроёмкость САОЗ?

Это сосуд с раствором борной кислоты, над которым находится азот под давлением около 6 МПа. Пока давление в первом контуре выше, раствор отсекают обратные клапаны, а при течи, когда давление падает ниже давления азота, клапаны открываются и азот сам выдавливает раствор в реактор.

Зачем в воде аварийного охлаждения борная кислота?

Бор поглощает нейтроны и не даёт цепной реакции возобновиться, когда холодная вода охлаждает активную зону. У ВВЭР при охлаждении реакция может оживиться, и бор это компенсирует.

Что такое гидроёмкости второй ступени?

Это система пассивного залива активной зоны ВВЭР-1200 в проекте Нововоронежской АЭС-2 — восемь ёмкостей по 120 м³. Они вступают, когда давление в контуре падает примерно до 1,5 МПа, и подают раствор самотёком в течение суток без насосов и электропитания.

Зачем приямку гермооболочки фильтры?

Вода, вытекшая при аварии, несёт обрывки теплоизоляции, краску и пыль. Фильтр не пускает этот мусор к насосам и в активную зону, а чтобы он сам не забился, его делают большой площади и выбирают изоляцию, которая не даёт мелкого волокна.

Как проверяют готовность гидроёмкостей?

Уровень раствора и давление азота постоянно измеряют приборы, концентрацию бора определяют по пробам. На остановленном блоке проверяют обратные клапаны и запорную арматуру, а сами сосуды периодически осматривают и испытывают давлением.