-
Вступ
- 1 Відмінності за типами реакторів
- 1.1 Водо-водяні реактори
- 1.2 Киплячі реактори
- 1.3 Тяжёловодние реактори
- 1.4 Інші типи
- 2 Типові характеристики
- 3 Сучасні тенденції Примітки
Гермооболонка (герметична оболонка; захисна оболонка; контейнментом. Від англ. Containment) - пасивна система безпеки енергетичних ядерних реакторів, головною функцією якої є запобігання виходу радіоактивних речовин в навколишнє середовище при важких аваріях. Гермооболонка є масивна споруда особливої конструкції, в якому розташовується основне обладнання реакторної установки. Гермооболонка є найбільш характерним в архітектурному плані і найважливішим з точки зору безпеки будівлею атомних електростанцій, останнім фізичним бар'єром на шляху поширення радіоактивності [1] [2] [3].
Практично всі енергоблоки, що будувалися останні кілька десятиліть, оснащені захисними оболонками. Їх застосування необхідно для захисту в разі внутрішньої аварії з розривом великих трубопроводів і втратою теплоносія (англ. LOCA, Loss-of-coolant accident), а також в разі зовнішніх подій: землетрусів, цунамі, ураганів, смерчів, падінь літаків, вибухів, ракетних ударів і т.д [1] [4].
Гермооболонка розраховується на виконання своїх функцій з урахуванням всіх можливих механічних, теплових і хімічних впливів, які є наслідком закінчення теплоносія і розплавлення активної зони. Найчастіше гермооболочки мають допоміжне обладнання: локалізуючі системи безпеки для конденсації пари і зниження таким чином тиску, спеціальні вентиляційні системи, оснащеними фільтрами очищення від йоду, цезію і інших продуктів поділу [5] [6].
Залежно від типу реактора і специфічних зовнішніх загроз (наприклад, сейсмічності) конструкція гермооболочек може сильно відрізнятися. Більшість сучасних контейнментом (близько 95%) - оболонкові споруди різного розміру з бетону, армованого чи попередньо-напруженого, найчастіше циліндричної форми [1] [7].
Герметична оболонка - комплексна структура, в яку входять також системи складних трубних і кабельних проходок великого розміру. За Гермооболонка ведуть спеціальний технічний нагляд з регулярними випробуваннями їх функцій і інспекціями державних органів. До матеріалів, монтажу, налагодження та експлуатації ставлять високі вимоги [1] [8].
Перша Гермооболонка в світі була споруджена на АЕС Коннектикут Янки (англ.) Рос. (США), яка була введена в роботу в 1968 році.
1. Відмінності за типами реакторів
1.1. Водо-водяні реактори
АЕС Марбл Хілл (англ.) Рос. в США (реактори Westinghouse (англ.) рос.)
Напівсферична Гермооболонка німецької АЕС Графенхайнфельд (нім.) Рос.
Рівненська АЕС. У радянських реакторах ВВЕР-1000 гермооболонку оточує споруду з допоміжними системами (обстройка).
У Гермооболонка водо-водяних реакторів розташовується основне обладнання реакторної установки: реактор, циркуляційні петлі першого контуру, головні циркуляційні насоси, парогенератори, а також центральний зал, басейн витримки відпрацьованого палива, полярний кран, деякі допоміжні системи та інше обладнання. Майже всі використовуються гермооболочки так званого «сухого» типу [1] [3].
Для водо-водяних реакторів головним чинником, що обумовлює необхідність гермооболочки, є необхідність сприйняття навантаження через підвищення тиску, пов'язаного з розривом трубопроводів першого контуру. У контейнментом завжди підтримується невелике розрідження для пом'якшення дії ударної хвилі. Головною допоміжної системою є спринклерна система, що забезпечує розпилення холодної води з форсунок під куполом для конденсації пари і зниження таким чином тиску [6] [9] [10].
Залізобетонні і попередньо-напружені оболонки вперше з'явилися в США. Перша, залізобетонна, була споруджена на АЕС Коннектикут Янки (англ.) Рос. яка була введена в роботу в 1968 році. Попереднє напруження було вперше застосовано на АЕС Роберт Е. Джина (англ.) Рос. (Пуск в 1969 році), але лише часткове, вертикальне в стінах. Повний попереднє напруження стін і купола було вперше застосовано на АЕС Палісадес (англ.) Рос. (Пуск в 1971 році). Потім практика будівництва гермооболочек з попередньо-напруженого залізобетону стала все ширше поширюватися в США, Канаді, Японії, Бельгії (АЕС Тіанж (англ.) Рос. Блок 1, 1975 рік), Франції (АЕС Фессенхейм (фр.) Рос. Блоки 1 2, 1977 рік), СРСР. Перше застосування такої гермооболочки в радянському реакторобудуванні - АЕС Ловііса (англ.) Рос. c реакторами ВВЕР-440 в Фінляндії (перший блок пущений в 1977 році), потім, починаючи з Нововоронезької АЕС (блок 5, пуск в 1980) в СРСР будувалися блоки з ВВЕР-1000, оснащені Гермооболонка [1] [11].
Гермооболочки водо-водяних реакторів мають великі розміри: зазвичай обсяг від 75 000 до 100 000 м³, в радянських і українських проектах - від 65 000 до 67 000 м³. Такий великий обсяг необхідний для сприйняття енергії, що виділяється при аварії. У більшості випадків вони розраховані на внутрішній тиск в 0,5 МПа. Існує два підходи:
Інші види, крім «сухих» гермооболочек, для водо-водяних реакторів останні десятиліть не споруджуються. Раніше в малій кількості використовувалося ще два типи, що мали менші розміри [1]:
- c льодовим конденсатором в межах гермооболочки, який здатний конденсувати пар в разі аварії (наприклад, станції Секвойя (англ.) рос. і Уоттс Бар (англ.) рос. в США) [6];
- з глибоким розрідженням в гермооболонці, для згладжування різкого впливу і часткової компенсації тиску, що підвищується при аварії.
1.2. киплячі реактори
Спрощене схематичне зображення енергоблоку з поширеним киплячим реактором General Electric
10 - бетонна Гермооболонка;
19 - сталева оболонка;
24 - бак-барботёр
Більшість киплячих реакторів працюють в США, Японії (компанія General Electric і її ліцензіати, Toshiba і Hitachi), Швеції (компанія ABB) і Німеччини (компанія Kraftwerk Union (нім.) Рос.).
Все киплячі реактори проектуються з системами зниження тиску в гермооболонці. Контейнментом складається з двох головних частин - сухий шахти (сухого боксу) реактора (англ. Dry-well) і бака-барботёра (англ. Wet-well). У разі аварії з втратою теплоносія в межах гермооб'ёма, пар направляється за допомогою козирків (направляючих апаратів) в бак-барботёр з водою, де відбувається його конденсація. На додаток є також системи з розпиленням води в гермооб'ёме. У зв'язку з такою конструкцією обсяги оболонок досить малі - близько 1/6 розміру від «сухої» оболонки водо-водяних реакторів. Майже всі допоміжні системи розташовуються в будівлі, що оточує гермооболонку. Ця будівля виконує роль другого контайнменту (англ. Secondary containment), в ньому підтримується слабке розрідження [1] [14] [10].
Більшість перших проектів General Electric і її ліцензіатів в різних країнах мають бетонний контейнментом зі сталевою внутрішньою оболонкою грушоподібної форми, яка відділяє сухий бокс від бака-барботёра. У Скандинавії, блоки компанії ABB, наприклад в Швеції і Фінляндії (АЕС Олкілуото (англ.) Рос.), Оснащені Гермооболонка з попередньо-напруженого залізобетону зі сталевою облицюванням, закритого у верхній частині сталевим куполом. Підстава і верхня частина попередньо-напружені лише частково. У Німеччині енергоблоки Kraftwerk Union (нім.) Рос. спочатку оснащувалися сталевими напівсферичними Гермооболонка, потім проектні рішення змінилися на циліндричні оболонки з попередньо-напруженого залізобетону зі сталевою облицюванням і додатковим захистом від падіння літаків у верхній частині (блоки B і C Гундреммінгенська АЕС (англ.) рос.). В енергоблоках з поліпшеними киплять реакторами, які будує General Electric і його ліцензіати в Японії і Тайвані, гермооблочка інтегрована в будівлю реакторного відділення таким чином, що зменшився загальний розмір споруди і збільшилася сейсмостійкість за рахунок зниження центру ваги [1] [14] [10] .
Для вирішення проблеми накопичення водню, яка стоїть в киплячих реакторах значно гостріше через менших розмірів оболонки, в ранніх конструкціях контейнментом застосовується заповнення сухої шахти реактора інертним газом (наприклад, чистим азотом), в більш пізніх проектах передбачаються системи допалювання водню [6] [ 15].
1.3. Тяжёловодние реактори
Енергоблок АЕС Пікерінг (англ.) Рос. на задньому плані споруда для скидання тиску
АЕС Брюс (англ.) Рос. вакуумне спорудження зліва від енергоблоків
Тяжёловодние реактори в основному відомі під назвою CANDU, це канадське національне спрямування. Ці реактори Канада також будувала в Південній Кореї, Пакистані, Румунії, Китаї та Аргентині. Інша держава, де реактори цього типу є національним напрямком, - Індія. Також їх будував німецький Kraftwerk Union (нім.) Рос. наприклад на АЕС Атуча (англ.) рос. в Аргентині.
Прикладом стандартного для CANDU дизайну гермооболочек можуть послужити чотири енергоблоки АЕС Пікерінг (англ.) Рос. Всі їх циліндричні оболонки, в яких знаходяться обладнання першого контуру і парогенератори, з'єднані з окремо вартим спеціальним «вакуумним» спорудою об'ємом 82 000 м³, в якому підтримується розрідження 0,007 МПа. У разі аварії з підвищенням тиску в гермооболонці одного з блоків, відбувається розрив мембрани на трубопроводі і аварійний блок з'єднується з вакуумним спорудою. Таким чином надлишковий тиск повністю скидається менш, ніж за 30 секунд, навіть в разі неспрацьовування аварійних систем енергоблоків. І гермооболочки, і вакуумне спорудження оснащені спринклерними (розпилювальними) і вентиляційними системами для конденсації пари і зниження тиску. Також в вакуумному спорудженні є додатковий бак з аварійним запасом води для цих цілей. Розрахунковий тиск оболонок реакторів складає 0,42 МПа з вакуумним спорудою і 0,19 МПа без нього. Гермооболочки виконані з попередньо-напруженого залізобетону, вакуумне споруда - із залізобетону. Внутрішнє облицювання оболонок - з гуми на основі епоксидних смол і вінілу, армованої склопластиком, вакуумне спорудження без облицювання. У більш пізніх проектах, наприклад канадської АЕС Брюс (англ.) Рос. облицювання оболонок виконана сталевий, а залізобетон вакуумного споруди попередньо напружений [1] [10] [16].
Гермооболочки індійських реакторів розвивалися в іншому напрямку. На відміну від канадських реакторів, індійські оболонки подвійні, без внутрішнього облицювання і з баком-барботёром в гермооб'ёме. Контейнментом розділений водонепроникними перегородками на сухий бокс і бак-барботёр. У разі аварії пароводяна суміш через вентиляційну систему скидається з сухого боксу в бак-барботёр і конденсується. Блоки АЕС Раджастан (англ.) Рос. (Пуск в 1981 році) став першим в Індії з попередньо-напруженого залізобетону (тільки купол, стіни - із залізобетону). В подальшому проект, АЕС Мадрас (англ.) Рос. застосовано поділ обсягів на сухий бокс і барботёр. Гермооболочки енергоблоків цієї станції частково подвійні, внутрішня оболонка з попередньо-напруженого, а зовнішня - з монолітного, що не армованого бетону. Наступним етапом еволюції стали гермооболочки АЕС Нарора (англ.) Рос. в яких зовнішня оболонка виконана із залізобетону. Потім, на АЕС Какрапар (англ.) Рос. зовнішній купол був виконаний знімним для можливості заміни парогенераторів. Цей дизайн з невеликими змінами використовувався на безлічі індійських енергоблоків [1].
1.4. інші типи
Енергоблок закритою АЕС Донрей (англ.) Рос. (Реактор на швидких нейтронах) у Великобританії зі сталевою Гермооболонка
Реактори-розмножувачі на швидких нейтронах були розроблені і функціонували в декількох країнах (США, Японії, Великобританії, Франції, СРСР), проте в даний момент працює лише єдиний в світі, БН на Белоярской АЕС вУкаіни. Так як теплоносієм в таких реакторах є рідкий метал, а не вода, гермооболочки, бетонні або сталеві, розраховуються на значно менший тиск - 0,05-0,15 МПа [1].
Газоохолоджувальні реактори (Magnox (англ.) Рос. І AGR (англ.) Рос.) - національне спрямування в реакторобудуванні Великобританії. Такі реактори не мають гермооболочек. Основне обладнання в них інтегровано з активною зоною в корпус з попередньо-напруженого залізобетону, який таким чином грає роль контейнмента [1].
Високотемпературні газоохолоджувальні реактори будувалися в 60-е і всі були закриті до кінця 80-х років. У США компанією General Atomics (англ.) Рос. були побудовані кілька енергоблоків станцій Форт-Сент-Врейн (англ.) рос. і Піч-Ботте (англ.) рос. Гермооболочки циліндричної форми із залізобетону c куполом, всередині знаходяться реактор з попередньо-напруженого залізобетону і основне обладнання. Розрахунковий тиск - 0,35 МПа. У Німеччині діяв реактор THTR-300 (англ.) Рос. компанії Nukem (нім.) рос. без гермооболочки, з циліндричним реактором з попередньо-напруженого залізобетону [1].
В енергоблоках з реакторами РБМК, які будувалися в СРСР, гермооболочки не використовувалися через великі розмірів реактора. Роль контейнмента виконує система бетонних боксів навколо реактора, в яких знаходиться основне обладнання, і басейн-барботёр для скидання пари в разі аварійної ситуації [1] [17].
2. Типові характеристики
Будується Нововоронежська АЕС-2. На дальньому плані внутрішня Гермооболонка з отвором в місці, де буде шлюз для проходу персоналу
Монтаж пастки розплаву на Нововоронезької АЕС-2
Сучасні тенденції в спорудженні гермооболочек спрямовані, в основному, в сторону нарощування пасивних, тобто не потребують джерел енергії і сигналу на включення систем. У цьому напрямку активно розвивалися всі аварійні системи в реакторах останнього, 3+ покоління. В даний час ведеться будівництво чотирьох ВВЕР-1200 (Нововоронежська АЕС-2 і Ленінградська АЕС-2) вУкаіни, чотирьох AP1000 (англ.) Рос. (Компанія Westinghouse (англ.) Рос.) В Китаї і двох EPR (англ.) Рос. (Areva спільно з Siemens) в Фінляндії та Франції. Україна вже використовувала нові рішення при будівництві Тяньваньської АЕС в Китаї і АЕС Куданкулам в Індії. Існує і цілий ряд інших проектів різних компаній світу, реалізація яких ще не розпочато.
У всіх нових проектах гермооболочки подвійні, зовнішня для захисту від зовнішніх впливів і внутрішня для локалізації аварій з розгерметизацією першого контуру. У ВВЕР-1200 і EPR зовнішня оболонка із залізобетону, внутрішня з попередньо-напруженого залізобетону. У AP1000 внутрішня оболонка сталева. У всіх проектах між внутрішньою і зовнішньою оболонками в разі аварії організується природна циркуляція повітря для охолодження внутрішньої оболонки [9] [13] [18] [19] [20].
Відомим нововведенням в області пасивної безпеки є каталітичні рекомбінатори водню. Їх можна встановлювати і на вже працюючих блоках (на безлічі по всьому світу вони вже встановлені), в обов'язковий набір елементів вони входять в нових проектах. Рекомбінатори - невеликі пристрої, які у великій кількості встановлюються по всьому гермооб'ёму і забезпечують зниження концентрації водню при аваріях з його виділенням. Рекомбінатори не вимагають джерел енергії і команд на включення - при досягненні невеликій концентрації водню (0,5-1,0%), процес його поглинання рекомбінаторамі починається спонтанно [19] [22].