Герметичная оболочка (герметичное ограждениеОбщие положения обеспечения безопасности атомных станций. Основные термины и определения; защитная оболочкаЗащитная оболочка // Глоссарий Института проблем безопасного развития атомной энергетики РАН; гермообъём; гермозона; контейнмент от ) — пассивная система безопасности энергетических ядерных реакторов, главной функцией которой является предотвращение выхода радиоактивных веществ в окружающую среду при тяжёлых авариях. Гермооболочка представляет собой массивное сооружение особой конструкции, в котором располагается основное оборудование реакторной установки. Гермооболочка является наиболее характерным в архитектурном плане и важнейшим с точки зрения безопасности зданием атомных электростанций, последним физическим барьером на пути распространения радиоактивных материалов и ионизирующих излучений.
Практически все энергоблоки, строившиеся последние несколько десятилетий, оснащены защитными оболочками. Их применение необходимо для защиты в случае внутренней аварии с разрывом крупных трубопроводов и потерей теплоносителя (), а также в случае внешних событий: землетрясений, цунами, ураганов, смерчей, падений самолётов, взрывов, ракетных ударов и т. д.
Гермооболочка рассчитывается на выполнение своих функций с учётом всех возможных механических, тепловых и химических воздействий, которые являются следствием истечения теплоносителя и расплавления активной зоны. Чаще всего гермооболочки имеют вспомогательное оборудование: локализующие системы безопасности для конденсации пара и снижения таким образом давления, специальные вентиляционные системы, оснащённые фильтрами очистки от радиоактивных изотопов иода, цезия и других продуктов деления.
В зависимости от типа реактора и специфических внешних угроз (например, сейсмичности) конструкция гермооболочек может сильно различаться. Большинство современных контейнментов (около 95 %) — оболочечные сооружения различного размера из бетона, армированного или предварительно-напряжённого, чаще всего цилиндрической формы.
Герметичная оболочка — комплексная структура, в которую входят также системы сложных трубных и кабельных проходок большого размера. За гермооболочками ведут специальный технический надзор с регулярными испытаниями их функций и инспекциями государственных органов. К материалам, монтажу, наладке и эксплуатации предъявляются строгие требования.
Первая гермооболочка в мире была сооружена на АЭС Коннектикут Янки (США), которая была введена в работу в 1968 году.
Различия по типам реакторов
Водо-водяные реакторы
В гермооболочках водо-водяных реакторов располагается основное оборудование реакторной установки: реактор, циркуляционные петли первого контура, главные циркуляционные насосы, парогенераторы, а также центральный зал, бассейн выдержки отработавшего топлива, полярный кран, некоторые вспомогательные системы и другое оборудование. Почти все использующиеся гермооболочки так называемого «сухого» типа.
Для водо-водяных реакторов главным фактором, обуславливающим важность гермооболочки, является необходимость восприятия нагрузки из-за повышения давления, связанного с разрывом трубопроводов первого контура. В контейнменте всегда поддерживается небольшое разрежение для смягчения действия ударной волны. Главной вспомогательной системой является спринклерная система, обеспечивающая распыление холодной воды из форсунок под куполом для конденсации пара и снижения таким образом давления.
Железобетонные и предварительно-напряжённые оболочки впервые появились в США. Первая, железобетонная, была сооружена на АЭС Коннектикут Янки, которая была введена в работу в 1968 году. Предварительное напряжение было впервые применено на (пуск в 1969 году), но лишь частичное, вертикальное в стенах. Полное предварительное напряжение стен и купола было впервые применено на АЭС Палисадес (пуск в 1971 году). Затем практика строительства гермооболочек из предварительно-напряжённого железобетона стала всё шире распространяться в США, Канаде, Японии, Бельгии (АЭС Тианж, блок 1, 1975 год), Франции (АЭС Фессенхейм, блоки 1—2, 1977 год), СССР. Первое применение такой гермооболочки в советском реакторостроении — АЭС Ловииса c реакторами ВВЭР-440 в Финляндии (первый блок пущен в 1977 году), затем, начиная с Нововоронежской АЭС (блок 5, пуск в 1980 году), в СССР строились блоки с ВВЭР-1000, оснащённые гермооболочками.
Гермооболочки водо-водяных реакторов имеют большие размеры: обычно объём от 75 000 до 100 000 м³, в советских и российских проектах — от 65 000 до 67 000 м³. Такой большой объём необходим для восприятия энергии, выделяющейся при аварии. В большинстве случаев они рассчитаны на внутреннее давление в 0,5 МПа. Существует два подхода: одиночная оболочка с внутренней металлической облицовкой. Наиболее распространены, используются в большинстве стран, в том числе в США, Японии, России. Имеют в основном цилиндрическую форму, для большинства немецких проектов характерна стальная оболочка полусферической формы.
двойная, часто с большим пространством между оболочками, с внутренней металлической облицовкой или без неё (так называемый «французский» вариант). Внешняя, не напряжённая оболочка для защиты от внешних воздействий и внутренняя, предварительно-напряжённая, для локализации аварий с разгерметизацией первого контура. Во Франции для реакторов мощностью от 1300 МВт используются двойные оболочки, также они применяются в последних энергоблоках в Бельгии. Вариант с двойной гермооболочкой первоначально рассматривался и в СССР для реакторов ВВЭР-1000, однако решением председателя Госкомитета СССР по использованию атомной энергии Петросянца был выбран одиночный вариант. В 2000-х годах для нового проекта АЭС-2006 с реакторами ВВЭР-1200 Россией было решено использовать двойную гермооболочку со стальной внутренней облицовкой. Объём внутренней оболочки — 65 000 м³, между внутренней и внешней оболочками — пространство объёмом 18 000 м³.
Другие виды, кроме «сухих» гермооболочек, для водо-водяных реакторов последние десятилетия не сооружаются. Ранее в малом количестве использовалось ещё два типа, имевших меньшие размеры: c ледовым конденсатором в пределах гермооболочки, который способен конденсировать пар в случае аварии (например, станции «Секвойя» и в США); с глубоким разрежением в гермооболочке, для сглаживания резкого воздействия и частичной компенсации повышающегося давления при аварии.
Типичные характеристики
Геометрия
Чаще всего гермооболочки имеют форму цилиндра с полусферическим куполом, опирающимся на бетонное основание. внутренний диаметр от 37 до 45 метров; толщина стен и купола от 0,8 до 1,3 метра; толщина основания от 1 м (скальная порода или опора на специальное сооружение, как в реакторах ВВЭР-1000) до 5 м (недостаточно твёрдый грунт под основанием, высокая сейсмичность, предварительно-напряжённое основание); полная высота типичных оболочек 50—60 метров.
Проходки
Оборудование внутри гермооболочки связано с многочисленными вспомогательными и аварийными системами снаружи, поэтому через стены необходим вход трубопроводов и кабелей, для чего в гермооболочке предусматривается система герметичных трубных и кабельных проходок различного размера. В среднем их около 120. Самыми большими отверстиями являются: транспортный люк для загрузки/выгрузки оборудования и топлива — диаметр примерно 8 метров; основной и аварийные шлюзы для прохода персонала — по 3 метра; проходки паропроводов — 1,3 метра.
Максимальные расчётные параметры при аварии
давление чаще всего 0,5 МПа; температура чаще всего 150 °C.
Напряжение и прочность
В среднем напряжение цилиндрической части типичного предварительно-напряжённого контейнмента при нормальной эксплуатации — 10 МПа в тангенциальном направлении и 7 МПа в вертикальном направлении, что обеспечивает прочность железобетона порядка 40 МПа.
Облицовка
Внутренняя облицовка, если она имеется, чаще всего из стали, толщиной 6…8 мм. Облицовка требуется для улучшения герметизации и большей устойчивости к нагрузкам.
Расход материалов
Указанные величины сильно разнятся в зависимости от проекта.
Одиночная оболочка с облицовкой (для энергоблока мощностью около 900 МВт): Материал Контейнмент Основание Всего Бетон, м³ 8000 5000 13 000 Арматура, т 1000 800 1800 Преднапряжённая сталь, т 1000 — 1000 Стальная облицовка, т 500 150 650
Двойная оболочка без облицовки (для энергоблока мощностью около 1400 МВт):
Материал Внутренняя оболочка Внешняя оболочка Основание Всего Бетон, м³ 12 500 6000 8000 26 500 Арматура, т 1150 850 1500 3500 Преднапряжённая сталь, т 1500 — — 1500
Кипящие реакторы
Большинство кипящих реакторов работают в США, Японии (компания General Electric и её лицензиаты, Toshiba и Hitachi), Швеции (компания ABB) и Германии (компания Kraftwerk Union).
Все кипящие реакторы проектируются с системами снижения давления в гермооболочке. Контейнмент состоит из двух главных частей — сухой шахты (сухого бокса) реактора () и бака-барботера (). В случае аварии с потерей теплоносителя в пределах гермообъёма, пар направляется с помощью козырьков (направляющих аппаратов) в бак-барботер с водой, где происходит его конденсация. В дополнение имеются также системы с распылением воды в гермообъёме. В связи с такой конструкцией объёмы оболочек довольно малы — около 1/6 размера от «сухой» оболочки водо-водяных реакторов. Почти все вспомогательные системы располагаются в здании, окружающем гермооболочку. Это здание выполняет роль второго контейнмента (), в нём поддерживается слабое разрежение.
Большинство первых проектов General Electric и её лицензиатов в различных странах имеет бетонный контейнмент со стальной внутренней оболочкой грушевидной формы, отделяющей сухой бокс от бака-барботера. В Скандинавии блоки компании ABB, например в Швеции и Финляндии (АЭС Олкилуото), оснащены гермооболочками из предварительно-напряжённого железобетона со стальной облицовкой, закрытого в верхней части стальным куполом. Основание и верхняя часть предварительно-напряжены лишь частично. В Германии энергоблоки Kraftwerk Union первоначально оснащались стальными полусферическими гермооболочками, затем проектные решения изменились на цилиндрические оболочки из предварительно-напряжённого железобетона со стальной облицовкой и дополнительной защитой от падения самолётов в верхней части (блоки B и C АЭС Гундремминген). В энергоблоках с улучшенными кипящими реакторами, которые строит General Electric и его лицензиаты в Японии и на Тайване, гермооблочка интегрирована в здание реакторного отделения таким образом, что уменьшился общий размер сооружения и увеличилась сейсмоустойчивость за счёт понижения центра тяжести.
Для решения проблемы скопления водорода, которая стоит в кипящих реакторах значительно острее из-за меньших размеров оболочки, в ранних конструкциях контейнментов применяется заполнение сухой шахты реактора инертным газом (например, чистым азотом), в более поздних проектах предусматриваются системы дожигания водорода.
Типичные характеристики
Геометрия
Типичная оболочка — цилиндр (часто с шарообразным утолщением в нижней части), установленный на массивной плите и увенчанный плитой из предварительно-напряжённого железобетона со съёмным металлическим колпаком для доступа к реактору. Внутренний диаметр обычно 26, высота 35 метров, у улучшенных кипящих реакторов — диаметр на 3 метра больше при 29,5-метровой высоте.
Проходки
Количество отверстий — около 100, причём под транспортный люк (самое большое отверстие в оболочках водо-водяных реакторов) отсутствует. Шлюзы для персонала имеют диаметр 2,5 метра.
Максимальные расчётные параметры при аварии
Расчётные параметры в среднем несколько выше, чем у оболочек водо-водяных реакторов: давление — обычно 0,6 МПа, температура — 170 °С.
Облицовка
Внутренняя облицовка из стали толщиной 6…10 мм.
Тяжеловодные реакторы