Використання: в конструкціях систем локалізації розплаву активної зони ядерного реактора для підвищення надійності конструкції за рахунок зниження вмісту оксиду заліза в розплаві активної зони. Суть винаходу: пастка встановлена на опорах під корпусом реактора та виконана у вигляді ємності зі сферичним днищем, яка включає теплоизолирующий захисний шар з діоксиду цирконію і зовнішній шар з нержавіючої сталі, на теплоизолирующем захисному шарі розташований насипний додатковий шар з суміші фрагментів пористої високотемпературної кераміки і поглинаючих нейтрони матеріалів. Додатковий шар має максимально можливу зовнішню поверхню, наприклад конусоподібну, і максимально можливу пористість, а в якості високотемпературної кераміки використовують діоксид цирконію. 3 з.п. ф-ли, 1 мул.
Малюнки до патенту РФ 2169953
Винахід відноситься до конструкцій і споруд АЕС, а саме до конструкцій систем локалізації розплаву активної зони ядерного реактора (надалі званими "пастками розплаву"), призначеним для зниження радіоекологічних наслідків важкої аварії. Розплав утворюється при важкої аварії з розплавленням активної зони, що супроводжується руйнуванням корпусу реактора.
Однією з найважливіших завдань зниження тяжкості наслідків важкої аварії на ядерному реакторі є збереження герметичності контайнменту, який є останнім бар'єром на шляху поширення продуктів поділу (ПД) в навколишнє середовище.
Для вирішення цього завдання пропонуються різні варіанти пастки розплаву [1, 2]. Незалежно від її конструктивного оформлення основне призначення пастки полягає в тому, щоб:
вмістити і утримати від поширення всю масу розплаву;
забезпечити зниження температури і ефективне відведення залишкового енерговиділення ПД;
запобігти проплавление підстави шахти реактора (як правило, бетонне) і руйнування основних конструкцій контейнмента всередині герметичної оболонки.
При цьому конструкція пастки розплаву повинна:
зберігати працездатність в пасивному режимі протягом всього періоду експлуатації реакторної установки;
використовувати наявну в реакторної установки воду для охолодження розплаву;
виключати несприятливий вплив на контайнмент як при нормальній експлуатації реакторної установки, так і в ході аварії;
мати легкий доступ для виконання профілактичного огляду і обслуговування;
мати помірні капітальні витрати на спорудження.
При виборі матеріалів для пастки розплаву і їх конструктивного розташування необхідно враховувати:
паро-повітряне середовище як основний компонент середовища, в якій знаходиться пастка після руйнування корпусу високого тиску;
наявність води в пастці незалежно від її вихідного стану;
невизначеність моменту руйнування корпусу, що може істотно впливати, насамперед, на потужність енерговиділення в розплаві;
невизначеність компонентного складу падаючого розплаву, який може містити крім діоксиду урану, Zr, ZrO2. Fe, оксиди багатьох металів, зокрема, Fe, а також продукти поділу в різних формах, які по різному впливають на матеріали пастки;
невизначеність місця падіння первинної струменя, в якому через механічного, хімічного і теплового впливу розплаву на матеріал пастки може відбуватися руйнування і плавлення матеріалу з утворенням первинної каверни, що є зоною концентрації розплаву, з якої може потім відбуватися його осьовий і радіальний поширення;
освіту при взаємодії розплав-матеріал пастки складних сумішей, яке буде приводити до створення на зовнішніх поверхнях нізкоплотний корок з низькою теплопровідністю, що перешкоджають розтіканню розплаву;
поява градієнта температур в обсязі взаємодіючих мас, що приводить до радіального і осьового перерозподілу ПД-джерел енергії. При цьому необхідно враховувати, що концентрація ПД в низькотемпературних зонах може бути максимальною. У високотемпературних зонах, тобто в зонах взаємодії розплав-матеріал підстави, мінімальної, що буде приводити до вирівнювання температур за обсягом провзаємодіяти мас і її різким падінням в поверхневій зоні, зниження потоку енергії в осьовому напрямку в зоні взаємодії розплав-підставу пастки і до збільшення відведення тепла із зовнішнього поверхні розплаву ;
конструкція пастки повинна мінімізувати можливість виникнення парового вибуху і детонації водню.
Очевидно, що одна з основних функцій пастки - забезпечення ефективного відведення тепла від розплаву - найбільш легко можна реалізувати за умови його розподілу на великій поверхні. Такий варіант пастки розглядається в проекті розробляється Європейського водяного реактора (EPR) [3], в якому пропонується розподіляти коріум на площі близько 150 м 2 поза шахтою реактора з наступним затокою плоского шару розплаву водою, що знаходиться в баку-приямку [4].
Незважаючи на цілий ряд переваг цей варіант має і ряд недоліків, які не забезпечують всі зазначені вище вимоги і які обмежують можливість його широкого використання, зокрема:
до кінця не вивчені процеси розтікання розплаву і наслідки, пов'язані із взаємодією розплаву з водою і ін .;
його практично не можна використовувати для модернізації вже діючих реакторів, герметичні приміщення яких, як правило, не здатні вмістити пастки подібних розмірів.
Запропоновано варіанти пасток у вигляді великих ємностей з нержавіючої сталі, які розташовані всередині шахти реактора безпосередньо під корпусом високого тиску [5]. Щоб уникнути структурних змін стали і зниження її міцності в процесі експлуатації пастки, її температура не повинна перевищувати 700 o C [6]. Для виконання цієї умови в різних варіантах пасток використовуються захисні теплоізоляційні покриття з графіту [5]. композиційних матеріалів на основі графіту з додаванням карбідів, силікатів або боридов [7], а також з високотемпературної кераміки [8]; передбачається створення спеціальних теплообмінних пристроїв. Заходи, що вживаються знижують надійність систем.
В якості найбільш перспективного базового матеріалу для використання в пастці розплаву, за допомогою якого перераховані вище умови можуть реалізовуватися оптимальним чином, розглядається діоксид цирконію [9], тому що хімічно він щодо інертний, має досить високу температуру плавлення (
3000 К), термостійкий, стійкий до механічних навантажень, має низьку теплопровідність і т.д. Одним з основних недоліків цього матеріалу є можливість його руйнування в результаті взаємодії з оксидами заліза, які будуть присутні в розплаві коріуму.
Найбільш близьким до винаходу по технічному рішенню є конструкція пастки [10] у вигляді ємності, встановленої на спеціальних опорах в шахті реактора і частково вміщає корпус високого тиску.
Сферичне днище ємності, в якому розміщуватиметься розплав, виконано багатошаровим: внутрішній і зовнішній (опорний) з нержавіючої сталі. Між ними розташований захисний шар у вигляді щільно укладених блоків особливої форми, виготовлених з кераміки на основі ZrO2. Герметизація стиків між блоками виконується цирконієвим бетоном.
Відведення залишкового енерговиділення в розплаві здійснюється за рахунок випромінювання і шляхом охолодження зовнішньої поверхні пастки або повітрям, або водою, яка за рахунок сил гравітації надходить в шахту реактора зі спеціального бака. Цей бак розташований всередині герметичної оболонки поза шахтою і служить для збору води, яка з'являється в контайнмент в ході аварії.
До недоліків цієї конструкції пастки слід віднести можливість руйнування керамічного захисного шару при взаємодії з оксидами заліза, що входять до складу розплаву, а також оксидами, що утворюються за рахунок взаємодії нагрітого шару сталі з повітрям контейнмента або при розкладанні пара. Дослідження показали, що присутність оксиду заліза в розплаві істотно підвищує його корозійну активність по відношенню до ZrO2. в той час як залізо практично з ним не взаємодіє. Як зазначалося раніше, при розвитку аварії змісту оксидів заліза в розплаві може бути невизначеним і досить істотним.
Руйнування захисного керамічного шару може привести, в свою чергу, до проплавлению сталевий опорної стінки і потрапляння розплаву на бетонну основу шахти реактора, а при наявності в ній води і до парового вибуху. Крім того, в даній конструкції пастки не передбачені заходи її захисту від механічних впливів в разі аварії при високому тиску в корпусі реактора.
Технічним результатом, на яке направлено винахід, є утримання розплаву в межах шахти реактора за рахунок зниження вмісту оксиду заліза в розплаві активної зони реактора, яка має контакт з захисним керамічним покриттям з діоксиду цирконію, і підвищення надійності конструкції шахти реактора, поверхні якої захищаються шаром високотемпературної теплової ізоляції з діоксиду цирконію, за умови практично повного виконання вимог, пред'явлених до конструкції та матеріалами пастки розплаву.
Результат досягається тим, що в пастці розплаву активної зони ядерного реактора, встановленої на опорах під корпусом реактора і виконаної у вигляді конструкції, що включає теплоизолирующий захисний шар з діоксиду цирконію і зовнішній шар з нержавіючої сталі, на захисному шарі розташований шар з суміші фрагментів нізкоплотний високотемпературної кераміки і поглинаючих нейтрони матеріалів.
Крім того, в пастці додатковий шар може бути:
мати довільну форму, зокрема конусоподібну;
мати максимально можливу пористість;
в якості високотемпературної кераміки в додатковому шарі використовують діоксид цирконію (можливе використання також ThO2. CeO2. MgO, збідненого UO2. та інших високотемпературних матеріалів).
2. Забезпечити умови для запобігання утворення каверн, локалізується розплав і ініціюють локальне руйнування захисного шару з ZrO2.
3. Забезпечити умови, що виключають прямий контакт розплаву з водою, що виливається з першого контуру перед виходом розплаву і концентрується в нижніх шарах засипки, і знизити тим самим можливість парового вибуху.
4. демпфірованного механічні удари струменя розплаву і вилітають твердих фрагментів активної зони і конструкцій корпусу реактора.
5. Збільшити теплоємність пастки, щоб знизити температуру і послабити процес розкладання фрагментів високотемпературної кераміки; збільшити час до набрання нею чинності коштів охолодження розплаву.
6. Здійснити стратифікацію розплаву: відносно легкі і менш в'язкі компоненти проникнуть на велику глибину як захисного шару, так і фрагментів кераміки, захоплюючи частину енергії ПД; оксиди просочать пористі фрагменти з кераміки, залізо стече на дно пастки, діоксид урану залишається у верхній частині, де простіше здійснити знімання.
7. За рахунок фрагментації струменя розплаву по висоті проміжного шару збільшити поверхню тепловіддачі і тим самим інтенсифікувати процес охолодження (розвинути поверхню теплос'ема, як по горизонталі, так і по вертикалі).
8. За рахунок хімічних реакцій змінити атмосферу в контаймента, зменшивши в ній кількість кисню з тим, щоб знизити ймовірність детонації водню в пароповітряної середовищі.
9. Перерозподілити ПД таким чином, щоб енерговиділення за рахунок їх розпаду мало місце в більшій частині обсягу проміжного шару з тим, щоб основний теплосброс визначався як випромінюванням, так і за рахунок потоків пара, що циркулюють по незаповнених розплавом обсягом проміжного шару.
10. Запобігти можливість розвитку мимовільної реакції поділу палива в цьому шарі за допомогою поглинаючих нейтрони матеріалів.
На фігурі показана принципова схема пастки розплаву, де:
1 - контайнмент;
2 - корпус реактора;
3 - активна зона;
4 - бак-приямок;
5 - теплоізоляційний шар (цеглини з ZrO2);
6 - направляючий екран (сталь);
7 - плавкі пробки (або керовані);
8 - проміжний насипний шар (фрагменти з пористої кераміки ZrO2 + B4 C);
9 - захисний шар корпусу пастки (щільні цеглу або насипний шар з ZrO2);
10 - корпус пастки (сталь);
11 - опори пастки;
12 - підстава шахти реактора (бетон).
Пастка розплаву активної зони розташована в шахті реактора всередині контейнмента 1. Між корпусом реактора 2 і пасткою встановлений направляючий сталевий екран 6, призначений демпфіровать механічний вплив струменя розплавлених матеріалів активної зони реактора 3 і фрагментів корпусу 2 і внутрішньокорпусних конструкцій на елементи пастки. Проміжний 8 і захисний 9 шари пастки розміщені всередині її сталевого корпусу 10, встановленого на опорах 11 на бетонній основі 12 шахти реактора. Для забезпечення більш ефективного відводу тепла від розплаву всередину шахти реактора подається вода з бака-приямка 4 по трубопроводах, які в умовах нормальної експлуатації реактора ізольовані від шахти за допомогою плавких пробок (або керованих) 7, які в аварійних умовах будуть руйнуватися (або відкриватися оператором ) при досягненні заздалегідь заданих температур. Внутрішня поверхня шахти реактора і зовнішня поверхня направляючого екрану мають теплоізолюючий шар 5, виконаний з ZrO2 цегли, що забезпечують цілісність конструкції шахту реактора при впливі на них потоку тепла від розплаву
Пропонована конструкція пастки є по суті пасткою "сухого" типу, тому що в момент першого контакту розплаву з проміжним шаром пастки 8, у верхній його частині вода буде відсутня і тим самим умови для виникнення парового вибуху виключаються.
На початковому етапі утримання розплаву в пастці його охолодження здійснюється головним чином за рахунок нагріву матеріалу пастки, фазових переходів і хімічних реакцій, випромінювання з зовнішньої поверхні і відведення тепла за рахунок природної конвекції паро-повітряної середовища в порах проміжного шару. У міру підвищення температури в шахті реактора для інтенсифікації тепловідведення від пастки можна використовувати воду, що знаходиться в баку-приямку 4 контейнмента 1 і в інших ємностях, розташованих всередині герметичної оболонки.
Пара, що утворюється при контакті води з зовнішньою поверхнею пастки, а також проходить через пори проміжного шару 8, буде виходити з шахти в вищерозташованих приміщення контейнмента 1, де на більш холодних поверхнях буде відбуватися його конденсація. Конденсат, в свою чергу, буде стікати вниз і накопичуватися в баку-приямку 4. Таким чином встановиться режим природної циркуляції теплоносія в контейнментом 1.
Для захисту металевих конструкцій і бетонних стін у верхній частині шахти реактора можливо буде потрібно використовувати додатковий теплоізоляційний шар 5, виконаний, наприклад, з використанням цегли з щільного діоксиду цирконію або іншого високотемпературного матеріалу.
Таким чином, пропонована конструкція пастки за своїми основними характеристиками задовольняє практично всім базовим вимогам, викладеним вище. Її відрізняє простота, відсутність активних елементів управління, які потребують постійного контролю і обслуговування в процесі експлуатації, а також більш висока надійність захисного теплоізоляційного шару з діоксиду цирконію за рахунок зниження вмісту оксидів заліза в розплаві.
5. Patent 2653258 / C, Germany, 1985.
7. Patent 2363845 / C / Germany, 1982.
ФОРМУЛА ВИНАХОДУ
1. Пастка розплаву активної зони ядерного реактора, встановлена на опорах під корпусом ядерного реактора, виконанню у вигляді ємності зі сферичним днищем, що включає теплоизолирующий захисний шар з діоксиду цирконію і зовнішній шар з нержавіючої сталі, яка відрізняється тим, що на теплоизолирующем захисному шарі розташований насипний додатковий шар з суміші фрагментів пористої високотемпературної кераміки і поглинаючих нейтрони матеріалів.
2. Пастка по п.1, що відрізняється тим, що додатковий шар має максимально можливу зовнішню поверхню, наприклад конусоподібну.
3. Пастка по п.1 або 2, яка відрізняється тим, що додатковий шар має максимально можливу пористість.
4. Пастка по п.1, що відрізняється тим, що в якості пористої високотемпературної кераміки використовують діоксид цирконію.