ПАССИВНЫЙ ВЕРТИКАЛЬНЫЙ И ГОРИЗОНТАЛЬНЫЙ ЗАГЛУШАЮЩИЕ УЗЛЫ ДЛЯ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ УТЕЧКИ (РАЗЛИВА) РАСПЛАВА ВНЕ ГЕРМОЗОНЫ ПРИ ТЯЖЕЛОЙ АВАРИИ НА АТОМНОЙ СТАНЦИИ
PASSIVE VERTICAL AND HORIZONTAL MUFFLES UNITS TO PREVENT LEAKAGE (SPILL) OF THE MELT OUT OF TIGHT AREA IN SEVERE ACCIDENTS AT NUCLEAR POWER PLANTS

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к пассивным вертикальным и горизонтальным заглушающим узлам и может быть использовано в атомной энергетике.
ПРЕДШЕСТВУЮЩЕЕ СОСТОЯНИЕ ТЕХНИКИ
Из уровня техники известен пассивный вертикальный заглушающий узел, понижающий вредное воздействие гамма-излучений в обслуживаемых помещениях под шахтой реактора. Этот узел состоит из вертикальной цилиндрической центральной трубы, расположенной на стальной плите, при этом вокруг этой трубы размещена обсадная труба, вмонтированная в бетонную конструкцию. В нижней части трубы имеется монолитный биозащитный цилиндр, состоящий из двух сегментов из текстолита или тефлона. Между двумя сегментами имеется центральное отверстие/канал, через которое проходит подвижный кабель/трос.
Недостатком известного пассивного заглушающего вертикального узла является ненадежность его использования в качестве препятствия разлива расплава по механизму раннего байпаса гермозоны/герметичного объема при тяжелой аварии ядреного реактора атомной станции.
Из уровня техники не известен пассивный горизонтальный заглушающий узел, который использовался бы в горизонтальных или близких к ним (с относительно малым наклоном) трубах в обслуживаемых помещениях под или в стороне от шахты реактора.
ТЕХНИЧЕСКАЯ СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задача изобретения состоит в том, чтобы создать пассивные вертикальные и горизонтальные заглушающие узлы, которые на 100% препятствуют разливу расплава по механизму раннего байпаса гермозоны/герметического объема при тяжелой аварии ядреного реактора атомной станции.
Эти задачи решаются путем создания:
Пассивного вертикального заглушающего узла для предотвращения разлива расплава по механизму раннего байпаса гермозоны/герметического объема при тяжелой аварии на атомной станции, состоящего из вертикальной цилиндрической центральной трубы, зафиксированной на стальной плите. Вокруг этой трубы размещена обсадная труба, вмонтированная в бетонную конструкцию. В нижней части трубы имеется монолитный биозащитный цилиндр, состоящий из двух сегментов. Между двумя сегментами имеется центральное отверстие/канал, через которое проходит подвижный кабель/трос. Пространство между обсадной и вертикальной трубой заполнено бетоном. Над биозащитным цилиндром из двух сегментов расположена заглушающая пробка из двух сегментов, плотно зафиксированных между собой с помощью скоб. При этом канал проходит и между этими двумя сегментами. В сегментах заглушающей пробки есть пустоты, образующие соответствующие полости, а нижний наклон обоих сегментов подпирает закрывающую сферу-заглушку. При этом сфера-заглушка со стороны зафиксирована кабелем/тросом.
Пассивный вертикальный заглушающий узел для предотвращения разлива расплава по механизму раннего байпаса гермозоны/герметического объема при тяжелой аварии в атомной станции характеризуется тем, что сегменты являются термоустойчивыми до 2850 градусов по Цельсию, при этом указанные сегменты выполнены монолитными и изготовлены из чистого карбида титана. Фиксирующие скобы изготовлены из эластичной стали. Закрывающая сфера-заглушка выполнена монолитной и изготовлена из чистого карбида вольфрама. Биозащитный цилиндр из двух сегментов выполнен из огнеупорного бетона с содержанием табулярного корунда от 50% до 96%.
Пассивный горизонтальный заглушающий узел для предотвращения разлива расплава по механизму раннего байпаса гермозоны/герметического объема при тяжелой аварии в атомной станции, состоит из центральной цилиндрической трубы, вмонтированной в бетонную конструкцию с горизонтальным наклоном под углом α от 6 до 30 градусов к горизонтали. В центральной трубе имеется корпусная труба, в которой размещено опорное кольцо, приваренное к корпусной трубе. Опорное кольцо блокирует плотно прижатое к нему конусное седло, торец которого имеет форму лейкобразного конуса, пред которым размещено приваренное к корпусной трубе ограничительное кольцо. Между опорным кольцом и прижимающей плитой установлена натянутая пружина. Между ушком с винтом и гайкой прижимающей плиты и ушком закрепляющего винта, ввинченного в втулку с прилежащего к пружине конца закрывающего органа, размещена соединительная штанга. Закрывающий орган на обоих концах имеет обтекаемые усеченные конусы. Его средняя часть также представляет собой усеченный конус обращенного малым основанием к горловине седла. Канал проходит через вход корпусной трубы, ограничительное кольцо, седло, опорное кольцо, отверстия прижимающей плиты и конец корпусной трубы. Конусные поверхности внутренней стороны ограничительного кольца, торец и внутренняя часть седла, плавно переходят одна в другую. В противоположном конце закрывающего органа, перед ушком ввинченного во втулку закрепляющего винта, имеется штанга, прикрепленная к анкерному элементу, который присоединен к корпусной трубе.
Пассивный горизонтальный заглушающий узел для предотвращения разлива расплава по механизму раннего байпаса гермозоны/герметического объема при тяжелой аварии на атомной станции характеризуется тем, что седло и закрывающий орган являются термоустойчивыми до 2850 градусов по Цельсию, и представляют собой монолитные тела из чистого карбида титана, анкерный элемент присоединен к корпусной трубе с помощью серебряного припоя, а пружина изготовлена из нержавеющей стали.
ПОЯСНЕНИЕ К ПРИЛОЖЕННЫМ ЧЕРТЕЖАМ
Предложенное изобретение проиллюстрировано следующими чертежами:
фиг. 1 - разрез пассивного вертикального заглушающего узла в режиме нормальной эксплуатации;
фиг. 2 - разрез пассивного вертикального заглушающего узла в режиме тяжелой аварии;
фиг. 3 - разрез пассивного горизонтального заглушающего узла в режиме нормальной эксплуатации;
фиг. 4 - разрез пассивного горизонтального заглушающего узла в режиме тяжелой аварии.
ПРИМЕРНОЕ ИСПОЛНЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Пассивный вертикальный заглушающий узел (на фиг. 1 и фиг. 2) для предотвращения утечки (разлива) расплава по механизму раннего байпаса гермозоны/герметического объема при тяжелой аварии в ядерном реакторе атомной станции состоит из вертикальной цилиндрической центральной трубы (1), зафиксированной на стальной плите (2). Вокруг трубы (1) размещена обсадная труба (3), вмонтированная в бетонную конструкцию (4.b). В нижней части трубы (1) размещен монолитный биозащитный цилиндр, состоящий из двух полуцилиндрических сегментов (5.1) и (5.2). Между двумя указанными сегментами (5.1) и (5.2) проходит центральное отверстие/канал (6), через который проходит кабель/трос (8). Пространство между обсадной трубой (3) и вертикальной трубой (1) заполнено бетоном (9). Над биозащитным цилиндром из двух сегментов (5.1) и (5.2) установлена заглушающая пробка из двух сегментов (7.1) и (7.2), плотно стянутых между собой скобами (12.1) и (12.2), при этом канал (6) также проходит и между этими двумя сегментами (7.1) и (7.2). В указанных сегментах есть пустоты, образующие соответствующие полости (10.1) и (10.2), а нижний наклон двух сегментов (7.1) и (7.2), подпирает закрывающую сферу-заглушку (11), которая боковой стороной фиксирована кабелем/тросом (8).
Пассивный вертикальный заглушающий узел для предотвращения разлива расплава по механизму раннего байпаса гермозоны/герметического объема при тяжелой аварии в ядерном реакторе атомной станции характеризуется тем, что сегменты (7.1) и (7.2) термоустойчивы до 2850 градусов по Цельсию, при этом сегменты (7.1) и (7.2) являются монолитными и изготовлены из чистого карбида титана. Фиксирующие скобы (12.1) и (12.2) изготовлены из эластичной стали. Закрывающаяся сфера-заглушка (11) выполнена монолитной и изготовлена из чистого карбида вольфрама. Биозащитный цилиндр из двух сегментов (5.1) и (5.2) изготовлен из огнеупорного бетона, содержащего от 75% до 96% табулярного корунда.
Пассивный горизонтальный заглушающий узел для предотвращения разлива, расплава по механизму раннего байпаса гермозоны/герметического объема при тяжелой аварии в атомной станции состоит из центральной цилиндрической трубы (13), которая находится в бетонной конструкции (4.x) с горизонтальным наклоном трубы α от 6 до 30 градусов к горизонтали. В центральной трубе (13) размещена корпусная труба (14), с приваренным к ней опорным кольцом (15). Опорное кольцо (15) блокирует плотно прижатое к нему конусное седло (16), торец которого (17) имеет вид лейкообразного конуса, перед которым размещено приваренное к корпусной трубе (14) ограничительное кольцо (23). Между опорным кольцом (15) и прижимающей плитой (18) установлена натянутая пружина (19). Между ушком с винтом и гайкой (28) прижимающей плиты (18) и ушком закрепляющего винта (25.2), ввинченного в втулку (26.2) с прилежащего к пружине (19) конца закрывающего органа (20), размещена соединительная штанга (21). Закрывающий орган (20) на обоих концах имеет обтекаемые усеченные конусы (20.1) и (20.2). Его средняя часть (20.3) также представляет собой усеченный конус, обращенный малым основанием к горловине седла (16). Канал проходит через вход корпусной трубы (14), ограничительное кольцо (23), седло (16), опорное кольцо (15), отверстия прижимающей плиты (18) и конец корпусной трубы (14). Конусные поверхности внутренней стороны ограничительного кольца (23), торец (17) и внутренняя часть седла (16) плавно переходят одна в другую. В противоположном конце закрывающего органа (20), перед ушком ввинченного во втулку (26.2) закрепляющего винта (25.1) имеется штанга (24), прикрепленная к анкерному элементу (22), прикрепленного к корпусной трубе (14).
Пассивный горизонтальный заглушающий узел для предотвращения разлива расплава по механизму раннего байпаса гермозоны/герметичного объема при тяжелой аварии в атомной станции характеризуется тем, что седло (16) и закрывающий орган (20) термоустойчивы до 2850 градусов по Цельсию и представляют собой монолитные тела из чистого карбида титана, анкерный элемент (22) прикреплен к корпусной трубе (14) серебряным припоем (27), а пружина (19) изготовлена из нержавеющей стали.
ПРИМЕР ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПАССИВНОГО ВЕРТИКАЛЬНОГО ЗАГЛУШАЮЩЕГО УЗЛА
Когда ядерный реактор работает без аварий в режиме нормальной эксплуатации блока, пассивные вертикальные и горизонтальные заглушающие узлы не влияют на работу ядреного реактора.
Пассивный вертикальный заглушающий узел, в режиме нормальной эксплуатации ядерного реактора (фиг. 1), никаким образом не препятствует работе механизмов движения вверх-вниз кабеля/троса (8), не мешает функционированию всех устройств, например ионизационных камер, которые размещены в вертикальной трубе (1).
В случае тяжелой аварии, при которой в корпусе ядерного реактора атомной станции появляется прорыв (пробоина), через который за пределы корпуса выбрасывается расплав, полученный в результате плавления материалов в активной зоне и внутрикорпусных устройств. Указанный расплав, определенное время после его разлива по полу шахты реактора, разъедает/аблирует бетон по всей его толщине в пространстве между стеной шахты и трубой (1) в бетонной конструкции (4.b). Проникая бесконтрольно в трубу (1), расплав растекается и попадает на верхнюю поверхность заглушающей пробки с полуцилиндрическими сегментами (7.1) и (7.2). Расплав прожигает и прерывает кабель/трос (8), нижняя часть которого падает, освобождая отверстие/канал (6), проходящий по всей центральной оси полуцилиндрических сегментов (7.1) и (7.2). В этот момент закрывающая сфера-заглушка (11), под действием гравитации скатывается по наклонной поверхности полости (10.1) и/или (10.2) на горловину отверстия/канала (6) и заглушает его (фиг. 2). Ввиду того, что специфический вес сферы-заглушки значительно выше соответствующего веса расплава, проникающего в канал (6) и полости (10.1) и (10.2), указанная сфера-заглушка (11) не может всплыть и, таким образом, надежно закрывает отверстие/канал (6). Выбранные материалы для изготовления заглушающей пробки с полуцилиндрическими сегментами (7.1) и (7.2) и закрывающей сферы-заглушки (11) устойчивы к высоким температурам - до 2850 градуса по Цельсию, т.е. выдерживают термическую нагрузку от воздействия упавшего на них расплава. Расплав задерживается в пространстве над заглушающей пробкой с полуцилиндрическими сегментами (7.1) и (7.2) и в объеме ее полостей (10.1) и (10.2). Проведенные температурные анализы показывают, что спустя некоторое время расплав начинает остывать и становится твердым. Эти исследования также свидетельствуют, что температура нижнего конца (края) заглушающей пробки с полуцилиндрическими сегментами (7.1) и (7.2) значительно повышается, но указанная пробка имеет достаточно большой запас теромоустойчивости по отношению к критичной температуре, при этом биозащитный цилиндр с двумя полицентрическими сегментами (5.1) и (5.2) изготовлен из специального бетона. Специальный бетон (9) в пространстве между вертикальной трубой (1) и обсадной трубой (3) препятствует расплаву обойти (байпасировать) заглушающую пробку с полуцилиндрическими сегментами (7.1) и (7.2). Это возможно, потому что уровень бетона (9) находится на достаточной высоте над верхней поверхностью заглушки с полуцилиндрическими сегментами (7.1, 7.2). В результате этого проникший в канал трубы (1) расплав хотя и расплавляет стенку трубы (1), но не может проникнуть в промежуток между трубами (1) и (3). Таким образом застывший расплав остается „захваченным”/застопоренным в промежутке времени, определенном как время т.наз. раннего байпаса гермозоны, при этом его состояние после этого зависит только от скорости абляции бетона и геометрии полученной вследствие этого пробоины в фундаменте/постаменте шахты реактора. Таким образом, в этом режиме тяжелой аварии заглушающий вертикальный узел также целиком и полностью пассивен.
В условиях тяжелой аварии заглушающий вертикальный узел не требует ни человеческого вмешательства, ни потребления электрической или другой энергии, не влияет на пневмо-, гидро- или другую рабочую среду. Пассивный вертикальный заглушающий узел срабатывает только под воздействием самого проникающего в канал вертикальной трубы (1) расплава, то есть действует по принципу внутренней самозащиты посредством естественной обратной связи - инициатором сработки является сам расплав, дальнейшее движение которого останавливает заглушающий вертикальный узел.
ПРИМЕР ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПАССИВНОГО ГОРИЗОНТАЛЬНОГО ЗАГЛУШАЮЩЕГО УЗЛА
Пассивный горизонтальный заглушающий узел в режиме нормальной эксплуатации ядерного реактора атомной станции никаким образом не препятствует работе механизмов ядерного реактора.
В случае тяжелой аварии, при которой в корпусе ядерного реактора атомной станции появляется прорыв (пробоина), через который за пределы корпуса выбрасывается расплав, полученный в результате плавления материалов в активной зоне и внутрикорпусных устройств. Указанный расплав разливается по полу шахты реактора и беспрепятственно проникает в трубу начинающегося от входа корпусной трубы (14, проходного дренажного канала, через ограничительное кольцо (23), седло (16), опорное кольцо (15), отверстия прижимающей плиты (18) и конец (край) корпусной трубы (14). Перемещаясь по наклону канала трубы (13) под углом α (между 6 и 30 градусами), расплав достигает анкерного элемента (22), где расплавляет серебряный припой (27), при этом освобождается соединительный элемент штанги (24). В этот момент закрывающий орган (20), находящийся под воздействием силы растяжения натянутой пружины (19), посредством соединительной штанги (21), прикрепленной к ушку с винтом и гайкой (28) прижимающей плиты (18), притягивается в направлении седла (16), которое с двух концов зафиксировано к внутренней части корпусной трубы (14) через приваренное опорное кольцо (15) и приваренное ограничительное кольцо (23) (фиг. 3).
Закрывающий орган (20) входит в седло (16) (фиг. 4), при этом величина силы натяжения пружины (19), а также обработка соответствующих конусных поверхностей (16) и (20) (в частности средняя часть (20.3) закрывающего органа (20) подобраны таким образом, чтобы обеспечить плотный контакт при закрытии и тем самым гарантировать надежное препятствие на пути расплава. Выбранный материал для изготовления закрывающего органа (20) и седла (16) устойчив к высоким температурам - до 2850 градусов по Цельсию, т.е. выдерживает термическую нагрузку попавшего на них расплава.
Расплав задерживается в пространстве между входом канала дренажного трубопровода (часть горизонтального участка на котором расположена труба (13) и сопряжения поверхностей (16) и (20), которое закрывает проходной дренажный канал, при этом через некоторое время расплав начинает охлаждаться и твердеть. Температура в нижнем крае седла (16), как и труб (13) и (14), в этой области значительно повышается, но в термически стойке сварочные материалы крепления опорного кольца (15) к корпусной трубе (14) имеют достаточный запас термоустойчивости, т.е. опорная функция кольца (15) обеспечена во время всего процесса остывания и затвердения расплава.
Таким образом, застывший расплав остается пойманным/застопоренным в интервале, определенном как время раннего байпаса стены герметичной оболочки, а его состояние в последующем зависит только от скорости абляции бетона и геометрии полученной вследствие этого пробоины в фундаменте/постаменте (4.x) шахты реактора.
Заглушающий горизонтальный узел целиком и полностью пассивен в режиме нормальной эксплуатации ядерного реактора, и никак не препятствует передвижению дренажированного флюида, то есть обеспечивает ему проходимость в условиях минимального гидравлического сопротивления. Это достигается местоположением закрывающего органа (20), который посредством анкерного элемента (22) и выбранной длины штанги (24) надежно зафиксирован на достаточном расстоянии перед горловиной седла (16). Хорошей проходимости дренированного флюида способствует как геометрия самого закрывающего органа (20), концы которого (20.1) и (20.2) имеют форму усеченного конуса, так и плавно переходящие одна в другую внутренние поверхности ограничительного кольца (23), торца (17) и внутренней поверхности седла (16), а также специально выполненные отверстия в прижимающей плите (18).
В условиях тяжелой аварии заглушающий горизонтальный узел не требует человеческого вмешательства, не потребляет электрическую или другую энергию, не влияет на пневмо-, гидро, или другую рабочую среду. Пассивный горизонтальный заглушающий узел срабатывает только под воздействием расплава, проникающего в канал трубы (13) расплава, то есть по принципу внутренней самозащиты посредством естественной обратной связи - сработку горизонтального узла заглушивания с последующей остановкой движения расплава инициирует сам расплав.
16
3
6
Материалы, из которых изготовлены как заглушающий вертикальный, так и заглушающий горизонтальный узлы, характеризуются высокой устойчивостью к сильным нейтронным потокам - до 10 Bq/m, объемной активности воздуха и 10 Gy/h мощностью дозы. В условиях нормальной эксплуатации блока они радиационно-устойчивы с большим запасом времени эксплуатации (проектный срок - более 30-ти лет).