Способ изготовления фермы-консоли устройства локализации расплава
METHOD FOR MANUFACTURING A TRUSS-CONSOLE OF A MELT LOCALIZATION DEVICE

Изобретение относится к технологии изготовления устройства локализации расплава (далее - УЛР), в частности к способам изготовления фермы-консоли УЛР.
Наибольшую радиационную опасность представляют аварии с расплавлением активной зоны, которые могут происходить при множественном отказе систем охлаждения активной зоны.
При таких авариях расплав активной зоны - кориум, расплавляя внутриреакторные конструкции и корпус реактора, вытекает за его пределы, и вследствие сохраняющегося в нем остаточного тепловыделения, может нарушить целостность герметичной оболочки АЭС - последнего барьера на пути выхода радиоактивных продуктов в окружающую среду.
Для исключения этого необходимо локализовать вытекший из корпуса реактора расплав активной зоны (кориум) и обеспечить его непрерывное охлаждение, вплоть до полной кристаллизации. Эту функцию выполняет устройство локализации расплава, которое предотвращает повреждения герметичной оболочки АЭС и тем самым защищает население и окружающую среду от радиационного воздействия при тяжелых авариях ядерных реакторов.
Ферма-консоль защищает корпус, внутренние коммуникации УЛР от разрушения со стороны кориума и является опорой для направляющей плиты, которая передает статические и динамические воздействия на ферму-консоль, раскрепленную в шахте реактора. Ферма-консоль также обеспечивает работоспособность направляющей плиты в случае ее разрушения.
Известен способ [1, 2, 3, 4] изготовления фермы-консоли УЛР, заключающийся в том, что формируют кольцевые обечайки различных диаметров, которые сваривают друг с другом посредством ребер. К верхней и нижней частям указанной сварной конструкции приваривают кольцевые плиты.
Недостатком такого способа изготовления фермы-консоли УЛР является то, что после сварки, ферма-консоль УЛР имеет равную прочность во всех радиальных направлениях. При воздействии запроектных ударных нагрузок со стороны направляющей плиты, принимающей на себя одновременно термомеханические и термохимические воздействия со стороны расплава активной зоны и ударные воздействия со стороны разрушенного днища корпуса реактора, ферма-консоль разрушается не по заданным направлениям, а случайным образом, определяемым процессом изготовления и характером термических обработок сварных соединений. Для несущих элементов фермы-консоли УЛР и элементов раскрепления фермы-консоли УЛР в шахте реактора такие воздействия разрушительны при их большой интенсивности, что связано с действием запроектного давления внутри корпуса реактора, превышающего проектное остаточное давление, которое на момент разрушения днища корпуса должно установиться как результат действий по управлению тяжелой запроектной аварией.
Технический результат заявленного изобретения заключается в повышении надежности устройства локализации расплава.
Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является создание способа изготовления фермы-консоли УЛР, обеспечивающего прогнозируемое разрушение несущих элементов при запроектных авариях, сейсмических воздействиях на шахту реактора и ударных воздействиях на ферму-консоль со стороны направляющей плиты.
Поставленная задача решается за счет того, что способ изготовления фермы-консоли устройства локализации расплава, согласно изобретению, осуществляют таким образом, что формируют две симметричные части фермы-консоли, каждую из которых выполняют из внешней, средней, внутренней полуобечаек, соединенных друг с другом силовыми радиальными и параллельными ребрами, а также верхней и нижней полукруглыми силовыми плитами, посредством сварки, с образованием параллельных и радиальных секторов, после чего, указанные две симметричные части соединяют друг с другом посредством сварки в зоне двух параллельных секторов, расположенных на одной декартовой оси, таким образом, что верхнее горизонтальное соединение соединяет верхние полукруглые силовые плиты, нижнее горизонтальное сварное соединение соединяет нижние полукруглые силовые плиты, вертикальные внешний, внутренний и средний сварные соединения соединяют внешние, внутренние и средние полуобечайки.
Применение способа изготовления фермы-консоли УЛР позволяет обеспечить конструктивную неравномерность между ее несущими элементами, в результате чего, при тепловых расширениях, локализация наибольших деформаций фермы-консоли происходит между параллельными силовыми ребрами вдоль той радиальной оси, вдоль которой расположены сварные соединения, соединяющие две симметричные части фермы-консоли.
Дополнительно, при осуществлении способа изготовления фермы-консоли устройства локализации расплава, согласно изобретению, толщину верхнего и нижнего горизонтальных сварных соединений и вертикальных внешнего, среднего и внутреннего сварных соединений выполняют меньше толщины основного металла и других сварных соединений, что позволяет усилить неравнопрочность несущих элементов фермы-консоли, обеспечивая максимальную концентрацию напряжений в зоне расположения сварных соединений меньшей толщины.
Дополнительно, при осуществлении способа изготовления фермы-консоли устройства локализации расплава, согласно изобретению, вертикальные внешний, внутренний и средний сварные соединения выполнены частично, при этом к внешнему и внутреннему вертикальным сварным соединениям, а также к верхнему и нижнему горизонтальным сварным соединениям присоединены накладные пластины.
На фиг. 1 изображено устройство локализации расплава с фермой-консолью, выполненное в соответствии с заявленным изобретением.
На фиг. 2 изображена ферма-консоль устройства локализации расплава, изготовленная в соответствии с заявленным изобретением.
На фиг. 3 изображена одна из двух симметричных частей фермы-консоли устройства локализации расплава, выполненная в соответствии с заявленным изобретением.
На фиг. 4 изображена ферма-консоль устройства локализации расплава, выполненная в соответствии с заявленным изобретением (соединение двух симметричных частей).
На фиг. 5 изображена ферма-консоль устройства локализации расплава, выполненная в соответствии с заявленным изобретением (соединение двух симметричных частей с размещением накладных пластин на сварных соединениях).
Как показано на фиг. 1, устройство локализации расплава содержит направляющую плиту (1), установленную под корпусом (2) ядерного реактора и опирающуюся на ферму-консоль (3). Под фермой-консолью (3) установлен корпус (4) с наполнителем (7) для приема и распределения расплава. В верхней части корпуса (4) выполнен фланец (5), снабженный тепловой защитой (6). Наполнитель (7) состоит из нескольких установленных друг на друга кассет (8), каждая из которых содержит одно центральное и несколько периферийных отверстий (9).
Ферму-консоль устройства локализации расплава изготавливают следующим образом.
Как показано на фиг. 2, посредством сварки изготавливают одну из двух симметричных частей (28) фермы-консоли УЛР. На фиг. 2 показана только одна из двух симметричных частей фермы-консоли УЛР, т.к. другая часть имеет такую же конструкцию. Каждая симметричная часть (28) фермы-консоли УЛР состоит из следующих несущих элементов: верхней полукруглой силовой плиты (19), нижней полукруглой силовой плиты (20), внешней, внутренней и средней силовых полуобечаек (16), (17), (18), а также силовых ребер (15). Все указанные несущие элементы образуют силовой каркас (13) фермы-консоли УЛР.
Две сформированные симметричные части фермы-консоли УЛР соединяют посредством сварных соединений таким образом, что верхнее горизонтальное сварное соединение (26) соединяет между собой две верхние полукруглые силовые плиты (19), нижнее горизонтальное сварное соединение (27) соединяет две нижние полукруглые силовые плиты (20), а вертикальные внешнее, внутреннее и промежуточное сварные соединения (12), (22), (24) соединяют внешнюю, среднюю и внутреннюю полуобечайки (16), (17), (18), соответственно. В этом случае, горизонтальные сварные соединения (26), (27), располагаясь в одном сечении, и вертикальные сварные соединения (12), (22), (24), располагаясь также в одном сечении, обеспечивают конструктивную неравномерность по отношению к остальным элементам фермы-консоли УЛР, что позволяет локализовать наибольшие деформации несущих элементов фермы-консоли УЛР при тепловых расширениях в створе между параллельными силовыми ребрами (15), вдоль которых расположены сварные соединения.
В одном из вариантов реализации изобретения, толщины (В) горизонтальных сварных соединений (26), (27) и вертикальных сварных соединений (12), (22), (24), соединяющих две симметричные части (28) фермы-консоли УЛР, выполняют меньшими, чем толщины (А) основного металла и других сварных соединений, используемых для изготовления каждой из двух симметричных частей (28).
Для сохранения ударной прочности силового каркаса (13) коэффициент (U), равный отношению общей толщины сварного соединения (В) к толщине основного свариваемого металла (А), должен составлять:
0,8<(U=B/A)<1,0.
При значениях U=1,0 происходит усиление эффекта локализации тепловых расширений силового каркаса (13), а при значениях U<0,8 не обеспечивается ударная прочность сварных соединений силового каркаса (13).
В еще одном из вариантов реализации изобретения, сварку силового каркаса (13), состоящего из двух симметричных частей (28) осуществляют таким образом, что верхнее горизонтальное сварное соединение (26) соединяет между собой верхние полукруглые силовые плиты (19), нижнее горизонтальное сварное соединение (27) соединяет нижние полукруглые силовые плиты (20), а внешняя, внутренняя и средняя силовые полуобечайки (16), (17), (18) соединены частично посредством вертикальных сварных соединений.
В этом случае для сохранения ударной прочности необходимо, чтобы значения коэффициента (W) равного отношению общей площади реального сварного соединения (F), включающего реальные верхние и нижние горизонтальные сварные соединения (26), (27) и реальные вертикальные сварные содинения (12), (22), (24), к общей теоретической площади возможного сварного соединения (Q), выполненного по замкнутому контуру и соединяющего между собой все верхние и нижние полукруглые силовые плиты (19), (20) и полуобечайки (16), (17), (18), удовлетворяли следующему соотношению:
0,75<(W=F/Q)<1,0.
При значениях W=1,0 происходит усиление эффекта локализации тепловых расширений силового каркаса (13), а при значениях W<0,75 не обеспечивается ударная прочность сварных соединений силового каркаса (13). Для увеличения ударной прочности и выполнения критерия 0,75<W<1,0 сверху к сварным соединениям (12), (22), (26), (27) присоединяются накладные пластины (11), увеличивающие площадь указанных сварных соединений между двумя симметричным частями (28) силового каркаса (13).
Как показано на фиг. 3-5, каждая из двух симметричных частей силового каркаса фермы-консоли устройства локализации расплава содержит радиальные силовые ребра (14), параллельные силовые ребра (15), внешнюю силовую полуобечайку (16), внутреннюю силовую полуобечайку (17), среднюю силовую полуобечайку (18), верхнюю силовую полукруглую плиту (19), нижнюю силовую полукруглую плиту (20). В средней силовой обечайке (18) и в верхней силовой полукруглой плите (19) могут быть выполнены отверстия (23) для выхода пара. С внешней стороны внешней силовой полуобечайки (16) установлены лапы-опоры (21) с якорными ребрами (10).
Ферма-консоль устройства локализации расплава, изготовленная посредством заявленного способа, функционирует следующим образом.
При совместных запроектных тепловых и механических воздействиях на силовой каркас (13) со стороны, как зеркала расплава, так и со стороны направляющей плиты (1), возникает опасность неконтролируемого разрушения силового каркаса (13). Для исключения этого явления, силовой каркас (13) фермы-консоли сваривают из двух симметричных частей (28) с помощью верхних и нижних горизонтальных сварных соединений (26), (27) и внешних, внутренних и промежуточных вертикальных сварных соединений (12), (22), (24), которые в совокупности обеспечивают меньшую прочность, чем прочность основного металла и сварных соединений каждой из симметричных частей (28) силового каркаса (13).
При изготовлении фермы-консоли из двух симметричных частей (28), для того, чтобы удержать обе указанные части (28) в проектном положении и не обрушить удерживаемое ими оборудование и материалы в корпус (4) УЛР, обе части (28) силового каркаса (13) независимо раскрепляют, ограничивая их произвольное перемещение. Для этой цели применяются лапы-опоры (21), обеспечивающие раздельное фиксирование каждой части (28) силового каркаса (13).
При ударных воздействиях большой интенсивности применение лап-опор (21) обеспечивает равномерное распределение усилий на шахту (25) реактора со стороны силового каркаса (13) за счет формирования необходимой площади взаимодействия лап-опор (21) с бетоном шахты (25) реактора, подвергающихся волновому нагружению. При применении лапопор (21) волновые нагрузки, передаваемые со стороны внешней силовой обечайки (16) на лапы опоры (21), распределяются по объему бетона шахты (25) реактора, а сами лапы-опоры (21) являются устойчивыми к локальным волновым нагрузкам, и при ударных нагрузках большой интенсивности не разрушаются сами и не приводят к потере прочности бетона шахты (25) реактора.
В момент разрушения корпуса (2) ядерного реактора расплав активной зоны под действием гидростатического и остаточного давлений начинает поступать на поверхность направляющей плиты (1), удерживаемой фермой-консолью (3). Расплав, стекая по направляющей плите (1), нагревает и частично расплавляет ее. Характер взаимодействия расплава с направляющей плитой (1) и результаты этого взаимодействия в значительной степени зависят от давления в корпусе реактора (2), которое делится на две категории: проектное и запроектное.
К проектному давлению относится давление парогазовой среды в корпусе (2) реактора, не превышающее остаточного давления после выполнения мероприятий по снижению давления при протекании тяжелой запроектной аварии. К запроектному давлению относится любое давление, превышающее остаточное давление, и возникающее при неконтролируемом поступлении воды в корпус (2) реактора при разрушении активной зоны или давление, установившееся в корпусе (2) реактора, при неполном выполнении мероприятий по снижению давления.
При проектном давлении внутри корпуса (2) реактора происходит более длительное двухстадийное истечение расплава: сначала, в основном, металлической части расплава, а затем - его оксидной части. Это более длительное истечение расплава на направляющую плиту (1) не приводит к секторному разрушению направляющей плиты (1) и фермы-консоли (3).
При запроектном давлении внутри корпуса (2) реактора возможно быстрое одностадийное струйное напорное истечение расплава, сопровождающееся быстрым аксиальным увеличением отверстия истечения расплава из корпуса (2) реактора. В этом случае, если ранее не произойдет разрушения днища корпуса (2) реактора, спутная струя расплавленных металлов и оксидов может вырезать сквозной по высоте 60° сектор в горизонтальной плоскости в направляющей плите (1) и вступить в прямое взаимодействие с фермой-консолью (3). Силовой каркас (13) обеспечивает прочность и устойчивость фермы-консоли (3) при вертикальном сквозном разрушении 60° сектора фермы-консоли (3) в горизонтальной плоскости.
При значительных тепловых воздействиях на силовой каркас (13) со стороны зеркала расплава наибольшие тепловые деформации возникают во внутренней силовой обечайке, выполненной из соединенных друг с другом внутренних силовых полуобечаек (17) и в верхней силовой плите, выполненой из соединенных друг с другом полукруглых силовых плит (19). Силовой каркас (13) за счет азимутальной несимметричности, обеспеченной чередованием радиальных и параллельных силовых ребер (14), (15), способен термические деформации, возникающие во внутренней силовой обечайке, выполненной из соединенных друг с другом внутренних силовых полуобечаек (17), и в верхней силовой плите (19), выполненой из соединенных друг с другом полукруглых силовых плит (19), локализовать в створе между параллельными силовыми ребрами (15).
Элементы силового каркаса (13) фермы-консоли (3), а именно, параллельные силовые ребра (15), радиальные силовые ребра (14), внутренняя, средняя и внешняя силовые полуобечайки (16), (17), (18), а также верхняя и нижняя силовые полукруглые плиты (19), (20) могут быть выполнены из стали марки 09Г2С.
Толщина силовых плит (19), (20) равна 60 мм.
Суммарная толщина двухсторонних горизонтальных сварных соединений двух частей (28) фермы-консоли равна 50 мм с 10 мм зазором между сварными соединениями.
Толщина вертикальных двухсторонних сварных соединений (22), соединяющих две части (28) фермы-консоли, равна 50 мм с 10 мм зазором между сварными соединениями.
Толщина вертикальных односторонних сварных соединений (12), (24) накладных пластин (21) равна 2×30 мм с зазором между сварными соединениями парных пластин от 20 до 80 мм.
Толщина накладных пластин (11) равна 20 мм.
Таким образом, применение способа изготовления фермы-консоли устройства локализации расплава позволило обеспечить прогнозируемое разрушение несущих элементов фермы-консоли при запроектных авариях, сейсмических воздействиях на шахту реактора и ударных воздействиях на ферму-консоль со стороны направляющей плиты и, как следствие, повысить надежность УЛР.
Источники информации
1. Патент РФ №2576517, МПК G21C 9/016, приоритет от 16.12.2014 г.
2. Патент РФ №2576516, МПК G21C 9/016, приоритет от 16.12.2014 г.
3. Патент РФ №2575878, МПК G21C 9/016, приоритет от 16.12.2014 г.
4. Устройство локализации расплава для АЭС с ВВЭР-1200, И.А. Сидоров, 7-я МНТК «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР», ОКБ «ГИДРОПРЕСС», Россия, 17-20 мая 2011 г.