УСТРОЙСТВО ЛОКАЛИЗАЦИИ РАСПЛАВА АКТИВНОЙ ЗОНЫ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА
NUCLEAR REACTOR CORE MELT LOCALIZATION DEVICE

Изобретение относится к области атомной энергетики, в частности, к системам, обеспечивающим безопасность атомных электростанций (АЭС), и может быть использовано при тяжелых авариях, приводящих к расплавлению активной зоны, разрушению корпуса ядерного реактора и выходу расплава в пространство герметичной оболочки АЭС.
Наибольшую радиационную опасность представляют аварии с расплавлением активной зоны, которые могут происходить при различных сочетаниях отказов (разрушений элементов оборудования) активных и пассивных систем безопасности и систем нормальной эксплуатации, или в условиях полного обесточивания АЭС и невозможности Подать электропитание в установленный проектом АЭС промежуток времени для обеспечения аварийного 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 кориум, вытекший из корпуса реактора, и обеспечить его непрерывное охлаждение, вплоть до полной кристаллизации всех компонентов кориума. Эту функцию выполняет система локализации и охлаждения расплава активной зоны ядерного реактора, которая предотвращает повреждения герметичной оболочки АЭС и, тем самым, защищает население и окружающую среду от радиационного воздействия при тяжелых авариях ядерных реакторов.
Известно устройство [1] для локализации расплава активной зоны ядерного реактора, содержащее ловушку расплава, установленную под днищем корпуса реактора и снабженную охлаждаемой оболочкой в виде многослойного сосуда, наполнитель для разбавления расплава, размещенный в упомянутом многослойном сосуде, нижнюю опору, состоящую из горизонтальной секционной, сплошной или разделенной, закладной плиты, установленной под многослойным сосудом в бетоне шахты реактора, вертикальной цилиндрической трубы, соединяющей корпус ловушки расплава с закладной плитой посредством фиксаторов, и крепежных изделий.
Недостатками данного устройства является то, что при движении расплава в ловушке не обеспечиваются свободные температурные радиальные расширения днища корпуса, а также сохранение целостности днища корпуса и закладной плиты в полу шахты реактора при аксиальных термических расширениях днища корпуса и при ударах, что обусловлено конструктивными особенностями крепления корпуса ловушки расплава с помощью вертикальной цилиндрической трубы к нижней опоре.
А именно, при попадании расплава на днище корпуса ловушки, внутренняя поверхность корпуса ловушки нагревается до температуры близкой к температуре плавления стали, что составляет порядка полутора тысяч градусов Цельсия. И хотя толщина днища корпуса ловушки выполнена не менее чем на 30% толще боковых стенок корпуса ловушки расплава, это все равно приводит к возникновению критических термических напряжений между днищем корпуса, расширяющимся в радиальном направлении; и относительно холодной вертикальной цилиндрической трубой, расширение которой в радиальном направлении происходит только под действием механического нагружения со стороны днища корпуса ловушки. Вертикальная цилиндрическая труба начинает неравномерно деформироваться, как в азимутальном, так и в радиальном направлениях, что в результате приводит к возникновению в ней трещин с последующим разрушением. Разрушение вертикальной цилиндрической трубы приводит к прекращению проектного функционирования корпуса ловушки.
Технический результат заявленного изобретения заключается я в повышении надежности устройства для локализации расплава активной зоны ядерного реактора.
Задачи, на решения которых направлено заявленное изобретение, заключаются в устранении вышеуказанных недостатков.
Поставленные задачи решаются за счет того, что в устройстве для локализации расплава активной зоны ядерного реактора, содержащем ловушку расплава, установленную под днищем корпуса реактора и снабженную охлаждаемой оболочкой в виде многослойного сосуда, наполнитель для разбавления расплава, размещенный в упомянутом многослойном сосуде, нижнюю опору, состоящую из горизонтальной секционной, сплошной или разделенной, закладной плиты, установленной под многослойным сосудом в бетоне шахты реактора, вертикальной цилиндрической трубы, соединяющей корпус ловушки расплава с закладной плитой посредством фиксаторов, и крепежных изделий, согласно изобретению, горизонтальная секционная, сплошная или разделенная, закладная плита имеет радиальные опоры, в нижней части корпуса ловушки расплава с внешней стороны также выполнены радиальные опоры, опирающиеся на радиальные опоры горизонтальной закладной плиты, радиальные опоры горизонтальной закладной плиты и радиальные опоры корпуса ловушки расплава соединены посредством фиксаторов, при этом каждая из радиальных опор горизонтальной закладной плиты и корпуса ловушки расплава, а также фиксатор имеют отверстия овальной формы.
Отличительным признаком заявленного изобретения является нижняя опора, состоящая из горизонтальной секционной, сплошной или разделенной, закладной плиты, имеющей радиальные опоры, и радиальных опор, установленных в нижней части ловушки расплава, при. этом радиальные опоры закладной плиты и ловушки расплава соединены посредством фиксаторов, и имеют отверстия овальной формы.
Это позволяет, при нагревании днища корпуса ловушки расплава и его радиальных опор, обеспечить свободные радиальные термические расширения днища корпуса совместно с его радиальными опорами за счет проскальзывания радиальных опор корпуса вдоль радиальных опор закладной плиты, при этом сохраняя прочную механическую азимутальную и аксиальную связи между радиальными опорами нижней закладной плиты и ловушки расплава за счет изменения положения фиксаторов в овальных отверстиях радиальных опор закладной плиты и ловушки расплава (за счет изменения положения люфтовых зон в овальных отверстиях). При этом исключается риск формоизменения корпуса ловушки расплава и нижней закладной плиты с потерей их работоспособности и риск образования трещин в днище корпуса и в полу шахты реактора, при которых возможно разрушение корпуса ловушки расплава.
При аксиальных термических и механических деформациях корпуса ловушки расплава и в случае удара сохранение целостности днища корпуса и закладной плиты в полу шахты реактора достигается за счет перераспределения нагрузки между всеми радиальными опорами ловушки расплава и нижней закладной плиты. В этом случае часть радиальных опор будет работать на скольжение и растяжение, а часть - на сжатие и срез. В случае воздействия ударной нагрузки на корпус ловушки расплава возникают колебания днища корпуса, при которых все радиальные опоры и фиксаторы работают попеременно на растяжение и сжатие в зоне действия упругих деформаций, вплоть до затухания колебательного процесса.
На фиг. 1 изображено устройство локализации расплава активной зоны ядерного реактора, выполненное в соответствии с заявленным изобретением.
Заявленное изобретение работает следующим образом.
На фиг. 1 изображено устройство локализации расплава (1) активной зоны ядерного реактора, которое содержит ловушку (2) расплава (1), установленную под днищем корпуса реактора и снабженную охлаждаемой оболочкой в виде многослойного сосуда, наполнитель (3) для разбавления расплава (1), размещенный в упомянутом многослойном сосуде, нижнюю опору (4), состоящую из горизонтальной секционной, сплошной или разделенной, закладной плиты (5), установленной под многослойным сосудом в бетоне шахты (6) реактора, имеющей радиальные опоры (7). С внешней стороны нижней части корпуса ловушки (3) расплава (2) выполнены радиальные опоры (8), опирающиеся на радиальные опоры (7) горизонтальной закладной плиты (5). Радиальные опоры (7) горизонтальной закладной плиты (5) и радиальные опоры (8) корпуса ловушки (2) расплава (1) соединены посредством фиксаторов (9), при этом каждая из радиальных опор (8) корпуса ловушки (2) расплава (1) и горизонтальной закладной плиты (5), а также фиксатор (9) имеет отверстия (10) овальной формы.
В момент разрушения корпуса реактора расплав (1) активной зоны под действием гидростатического и избыточного давлений начинает поступать в корпус ловушки (2) и входит контакт с наполнителем (3).
Расплав (1), главным образом, скапливается в центральной части днища корпуса ловушки (2) расплава (1). Температура расплава составляет порядка 2500°С,: что приводит к расширению как корпуса ловушки (2) расплава (1), так и радиальных опор (7), (8). Тем не менее, наличие радиальных опор (8) в нижней части корпуса ловушки (2) расплава (1) и радиальных опор (7) у горизонтальной закладной плиты (5), соединенных друг с другом посредством фиксаторов (9) с отверстиями (10) овальной формы, позволяет сохранить целостность днища корпуса, горизонтальной закладной плиты (5) в полу шахты (6) реактора при неравномерных аксиальных термических расширениях корпуса за счет обеспечения скольжения фиксаторов (9) в овальных отверстиях (10) радиальных опор в аксиальной (вертикальной) плоскости, что обеспечивается небольшим механическим аксиальным люфтом фиксаторов (9), расположенных в овальных отверстиях (10).
При неосесимметричном залповом поступлении расплава (1), например, 60 тонн перегретой стали в течение 30 с, основная ударная и термическая нагрузки приходится на боковую внутреннюю стенку многослойного корпуса ловушки (2) расплава (1).
В этом случае сначала за счет упругих деформаций днища корпуса происходит перераспределение нагрузки между радиальными опорами (7) нижней закладной плиты и радиальными опорами (8) ловушки расплава. Часть ударного механического воздействия поглощается упругими колебаниями днища, корпуса, часть поглощается упругими колебаниями радиальных опор (7), (8), а часть гасится креплениями корпуса к нижней опоре за счет расположения креплений в овальных отверстиях (10) радиальных опор (7), (8) и конструктивных люфтов креплений в этих опорах.
Затем последующий нагрев днища корпуса ловушки. (2) сопровождается его радиальным и аксиальным расширением, при котором радиальные опоры (8) корпуса не оказывают механического сопротивления расширению корпуса в радиальном направлении и увеличении его азимутальных размеров. Изменение положения радиальных опор (8) корпуса ловушки (3) обеспечивается за счет проскальзывания по радиальным опорам (7) горизонтальной закладной плиты (6), установленной в полу шахты реактора. Это позволяет обеспечить разгрузку корпуса ловушки от дополнительных термических и механических нагружений, вызываемых механическими и термическими воздействиями расплава активной зоны на корпус ловушки (2).
Применение нижней опоры позволило повысить надежность устройства для локализации расплава активной зоны ядерного реактора за счет обеспечения свободных радиальных термических расширений днища корпуса ловушки расплава.
Источники информации:
1. Патент РФ №2398294, МПК G21C 9/00, приоритет от 15.04.2009 г.