Опорная система корпуса устройства локализации расплава
SUPPORT SYSTEM OF CASE OF MELT LOCALIZATION DEVICE

Изобретение относится к устройствам локализации расплава (далее - УЛР), снабженным сосудом для приема и распределения расплава, в частности, к механизмам, обеспечивающим закрепление и стабилизацию сосуда для приема и распределения расплава при тяжелых авариях.
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 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.
В частности, одну из основных задач по локализации расплава выполняет корпус УЛР с наполнителем, предназначенный для приема и распределения расплава, который устанавливается в шахту реактора и закрепляется в ней посредством опорных механизмов и крепежных элементов.
В связи с тем, что в условиях ЗПА при различных сценариях выхода расплава из корпуса реактора происходит ударное воздействие на корпус УЛР, которое передается на опорные механизмы и крепежные элементы, необходимо обеспечить условия, исключающие вероятность разрушения указанных элементов, что может привести отрыву корпуса УЛР и его опрокидыванию с последующим выходом расплава за пределы корпуса УЛР и герметичной оболочки.
Известна опорная система [1] корпуса УЛР, содержащая нижнюю и верхнюю опоры, при этом нижняя опора состоит горизонтальной закладной плиты с радиальными опорами, которые соединены с радиальными опорами, размещенными в нижней части корпуса УЛР, а верхняя опора состоит из набора талрепов, каждый из которых содержит регулировочную гайку и тяги, при этом указанные талрепы установлены парами в верхней части корпуса УЛР с внешней стороны фланца, касательно к корпусу УЛР, и соединяют корпус УЛР с закладными плитами, установленными в вертикальной стене шахты реактора.
Недостатком опорной системы является низкая надежность, обусловленная тем, что при запроектном сейсмическом воздействии или ударном залповом неосесимметричном поступлении расплава в корпус с наполнителем, корпус УЛР может сместиться под действием ударных нагрузок и разрушить верхнюю опору, что обусловлено конструктивными особенностями талрепов при воздействии на них ударных нагрузок со стороны корпуса УЛР, при которых происходит разрушение тяг талрепов и регулировочной гайки, так как ударная нагрузка концентрируется именно в этом месте.
Технический результат заявленного изобретения заключается в повышении надежности устройства локализации расплава.
Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является устранение разрушения верхней опоры при запроектном сейсмическом воздействии или ударном залповом неосесимметричном поступлении расплава, и, как следствие, опрокидывания корпуса УЛР и выхода расплава за его пределы.
Поставленная задача решается за счет того, что в опорной системе корпуса устройства локализации расплава, содержащей нижнюю опору, состоящую из радиальных опор, расположенных в нижней части корпуса, верхнюю опору, содержащую талрепы с тягами, на концах которых выполнены отверстия в виде гиперболических поверхностей для соединения корпуса с закладными плитами посредством крепежных изделий, при этом указанные талрепы установлены касательно к корпусу парами таким образом, что продольная ось каждой радиальной опоры проходит в проекции на равноудаленном расстоянии от мест крепления парных талрепов, согласно изобретению, в проушинах тяг каждого талрепа установлены фланцевые упоры, соединенные друг с другом посредством плоских гнутых шпилек, зафиксированных посредством креплений на фланцевых упорах, каждая плоская гнутая шпилька имеет два плоских гиба, расположенных в одной плоскости, обеспечивающих крепление к фланцевым упорам со смещением оси, проходящей через концы плоской гнутой шпильки под плоским углом относительно проекции оси талрепа на плоскость расположения плоской гнутой шпильки.
Отличительным признаком заявленного изобретения является то, что в проушинах тяг каждого талрепа дополнительно установлены фланцевые упоры, соединенные друг с другом посредством плоских гнутых шпилек, зафиксированных посредством креплений на фланцевых упорах, каждая плоская гнутая шпилька имеет два плоских гиба, расположенных в одной плоскости, обеспечивающих крепление к фланцевым упорам со смещением оси, проходящей через концы плоской гнутой шпильки под плоским углом относительно проекции оси талрепа на плоскость расположения плоской гнутой шпильки.
Дополнительно, в устройстве локализации расплава, согласно изобретению, между двумя фланцевыми упорами талрепа может быть установлено три и более плоских гнутых шпильки, образующих прямую многогранную призму.
Такая конструкция талрепов верхней опоры УЛР обеспечивает:
- свободные тепловые радиальные расширения корпуса УЛР в плоскости расположения талрепов (в горизонтальной плоскости) за счет касательного раскрепления талрепов в проушинах корпуса УЛР, при котором любые радиальные расширения корпуса УЛР приводят только к изменению плоского угла касательного положения талрепа относительно образующей корпуса УЛР. При этом исключается риск формоизменения талрепов с потерей их работоспособности и риск образования трещин или разрушения корпуса УЛР;
- непревышение действия радиальных вырывающих сил на закладные детали в бетонной шахте реактора (контролируемое нагружение) за счет распределения ударной радиальной нагрузки между всеми талрепами. В этом случае часть талрепов будет работать на сжатие, часть на растяжение в плоскости расположения талрепов. При этом горизонтальная ударная нагрузка приводит к возникновению плоских колебаний фланца корпуса УЛР, при которых все гнутые шпильки талрепов работают попеременно на растяжение и сжатие в зоне действия упругих деформаций, вплоть до затухания плоских колебаний;
- уменьшение неосесимметричного воздействия на нижнюю опору корпуса УЛР при неосесимметричном аксиальном (вертикальном) ударном нагружении корпуса УЛР в зоне фланца за счет распределения ударной аксиальной нагрузки между всеми талрепами. В этом случае те талрепы, в зоне которых проявилось действие неосесимметричной аксиальной ударной нагрузки, не оказывают механического сопротивления формоизменению фланца корпуса УЛР. При этом фланец корпуса УЛР, в зоне расположения которого проявилось аксиальное ударное воздействие, перераспределяет ударную нагрузку вдоль своего периметра, расщепляя аксиальное ударное воздействие на две дополнительные составляющие с образованием как азимутальных (вдоль периметра корпуса УЛР), так и радиальных (плоских) колебаний. Часть ударного воздействия в виде аксиальных упругих колебаний корпуса УЛР не влияет на талрепы. Часть ударного воздействия в виде азимутальных колебаний гасится талрепами следующим образом: гнутые шпильки работают на растяжение и сжатие в зоне действия упругих деформаций. Часть ударного воздействия в виде радиальных колебаний, распространяющихся в плоскости расположения талрепов, попеременно гасятся ими, как при гашении ударной радиальной нагрузки;
- непревышение действия азимутальных вырывающих сил на закладные детали, расположенные в вертикальной стене шахты реактора при запроектных сейсмических воздействиях на корпус УЛР (гашение крутильных колебаний фланца корпуса УЛР) за счет попеременной работы талрепов на растяжение и сжатие при воздействии плоских крутильных колебаний со стороны фланца корпуса УЛР. Гашение колебаний обеспечивается поглощением энергии упругих деформаций гнутых шпилек вплоть до затухания крутильных колебаний;
- сохранение целостности фланца корпуса УЛР, закладных деталей шахты реактора и верхней опоры, состоящей из талрепов, при аксиальных термических расширениях корпуса УЛР за счет обеспечения проворачиваемости тяг талрепов с проушинами в аксиальной (вертикальной) плоскости, что обеспечивается исполнением гиперболической поверхности отверстий крепления талрепов в вилках корпуса УЛР и в вилках вертикальных закладных плит, установленных в шахте реактора. Исполнение гиперболической поверхности отверстий в креплениях может быть выполнено как на корпусе УЛР, так и на закладных плитах.
На фиг. 1 изображено устройство локализации расплава, выполненное в соответствии с заявленным изобретением.
На фиг. 2 изображено положение парных талрепов вокруг корпуса УЛР.
На фиг. 3 изображен фрагмент корпуса УЛР с парными талрепами. На фиг. 4 изображен талреп с фланцевыми упорами и гнутыми шпильками.
На фиг. 5 изображен фрагмент крепления тяги талрепа с отверстием, выполненным в виде гиперболической поверхности.
На фиг. 6 изображен фрагмент корпуса УЛР с радиальной опорой, имеющей отверстия овальной формы.
Заявленное изобретение работает следующим образом.
На фиг. 1 и 6 изображено УЛР (1), содержащее корпус (2) с наполнителем (4), предназначенный для приема и распределения расплава (3). Корпус (2) УЛР установлен в шахте реактора посредством нижней опоры (5) и верхней опоры (11).
Нижняя опора (5) состоит из горизонтальной закладной плиты (9), имеющей радиальные опоры (8), в нижней части (7) корпуса (2) УЛР с внешней стороны выполнены радиальные опоры (6), опирающиеся на радиальные опоры (8) горизонтальной закладной плиты (9). Радиальные опоры (8) и радиальные опоры (6) соединены посредством фиксаторов (10), при этом каждая из радиальных опор (6) имеет отверстия (21) овальной формы.
Как показано на фиг. 2-5, верхняя опора (11) содержит талрепы (12а), (12б), установленные в верхней части корпуса (2) УЛР таким образом, что продольная ось каждой радиальной опоры (6) проходит в проекции на равноудаленном расстоянии от мест (13) крепления талрепов (12а), (12б), установленных касательно к корпусу (2) УЛР и соединяющих указанный корпус с закладными плитами (22), установленными в вертикальной стене (14) шахты реактора посредством крепежных изделий (19), (20). Тяги (15) талрепов (12а), (12б) имеют отверстия (16), выполненные в виде гиперболических поверхностей. На парные тяги (15) с проушинами установлены фланцевые упоры (23). Фланцевые упоры (23) попарно соединены гнутыми шпильками (24), с двух сторон зафиксированными в каждом фланцевом упоре (23) с помощью креплений (25).
Как показано на фиг. 4-5, тяги (15) талрепов (12а), (12б) имеют отверстия (16), выполненные в виде гиперболических поверхностей, в которые установлены оси (19) креплений (20) верхней опоры (11). При изменении положения тяг (15) талрепов (12а), (12б), соединяющих корпус (2) УЛР с местами (13) креплений талрепов (12а), (12б), тяги (15) поворачиваются в аксиальной плоскости, проходящей через ось каждого талрепа (12а), (12б).
В момент разрушения корпуса реактора, расплав (3) активной зоны, под действием гидростатического и избыточного давлений, начинает поступать в корпус (2) УЛР, в котором термохимически и термомеханически взаимодействует с наполнителем (4).
При неосесимметричном залповом поступлении расплава (3) (например, при поступлении 60 тонн перегретой стали в течение 30 с), основная ударная нагрузка приходится на боковую стенку корпуса (2) УЛР.
Как показано на фиг. 3, в этом случае те талрепы (12а), в зоне которых проявилось действие неосесимметричной аксиальной ударной нагрузки, не оказывают механического сопротивления формоизменению фланца (17) корпуса (2) УЛР. При этом фланец (17) корпуса (2) УЛР, в зоне расположения которого проявилось аксиальное ударное воздействие, перераспределяет ударную нагрузку вдоль своего периметра, расщепляя аксиальное ударное воздействие на две дополнительные составляющие с образованием как азимутальных колебаний, распространяющихся вдоль периметра корпуса (2) УЛР, так и радиальных (плоских) колебаний. Часть ударного воздействия в виде аксиальных упругих колебаний корпуса (2) УЛР не влияет на талрепы (12а), (12б). Часть ударного воздействия в виде азимутальных колебаний гасится талрепами (12а), (12б) следующим образом: гнутые шпильки (24) работают на растяжение и сжатие в зоне действия упругих деформаций.
Ударная радиальная нагрузка гасится следующим образом. Часть талрепов (12а), (12б) будет работать на сжатие, часть на растяжение в плоскости расположения талрепов (12а), (12б). При этом горизонтальная ударная нагрузка приводит к возникновению плоских колебаний фланца (17) корпуса (2) УЛР, при которых все гнутые шпильки (24) талрепов (12а), (12б) работают попеременно на растяжение и сжатие в зоне действия упругопластических деформаций, вплоть до затухания плоских колебаний.
Плоские гнутые шпильки (24), расположенные по граням прямой многогранной призмы, при динамическом воздействии на корпус (2) УЛР, работают на растяжение-сжатие раздельно - каждая гнутая шпилька (24) оказывает знакопеременное воздействие на пару фланцевых упоров (23) в плоскости расположения гибов (26), то есть в плоскости, соответствующей грани прямой многогранной призмы. Это воздействие направлено вдоль оси (28), проходящей через концы плоской гнутой шпильки (24), и составляет плоский угол (29) с проекцией на плоскость расположения гнутой шпильки (24) оси (27), проходящей через концы талрепов (12а), (12б). В результате воздействия плоских гнутых шпилек (24) на фланцевые упоры (23) происходит следующее: при растяжении действующие силы выгибают фланцевые упоры (23) внутрь талрепа (12а), (12б), а при сжатии - наружу.
Если до начала динамического воздействия на корпус (2) УЛР сам талреп (12а) или (12б) испытывает статические изгибные деформации, например, от термомеханического воздействия со стороны корпуса (2) УЛР, то в этом случае плоские гнутые шпильки (24) располагаются по граням многогранной призмы, грани которой имеют вид близкий к параллелограмму. В этом случае после начала динамического воздействия на корпус (2) УЛР фланцевые упоры (23) получают дополнительный момент опрокидывания от воздействия плоских гнутых шпилек (24), при котором плоскости расположения фланцевых упоров (23), являющихся двумя основаниями многогранной призмы, под действием результирующих сил будут стремиться изменить свое изначально перпендикулярное положение относительно оси (27) талрепа (12а), (12б).
Таким образом, выбирая количество граней прямой многогранной призмы, то есть количество плоских гнутых шпилек (24) в одном талрепе (12а) или (12б), конструктивными мерами достигается перераспределение и выравнивание сил, действующих на фланцевые упоры (23) талрепов (12а), (12б) со стороны корпуса (2) УЛР.
Применение в устройстве локализации расплава активной зоны ядерного реактора верхней опоры с гнутыми шпильками и фланцевыми упорами позволило полностью устранить вероятность выхода расплава за пределы корпуса УЛР за счет исключения его опрокидывания и разрушения верхней опоры, даже при запроектном сейсмическом воздействии или ударном залповом неосесимметричном поступлении расплава. Источники информации:
1. Патент РФ №2696619, МПК G21C 9/016, приоритет от 25.09.2018 г.