Ферма-консоль устройства локализации расплава
TRUSS-CONSOLE OF THE MELT LOCALIZATION DEVICE

Изобретение относится к устройствам локализации расплава (далее - УЛР), в частности, к механизмам, обеспечивающим сохранение целостности конструкции УЛР при тяжелых авариях.
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.
Известные конструкции УЛР, предназначенные для локализации и охлаждения расплава, как правило, содержат следующие основные элементы: направляющий аппарат, установленный на специальном опорном элементе - ферме-консоле, корпус с наполнителем из жертвенных материалов. Кроме того, к УЛР подключены различные системы коммуникаций (датчики контрольно-измерительных приборов, каналы орошения кориума, каналы для отвода пара и др.), обеспечивающие функционирование УЛР в условиях тяжелой аварии.
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.
Известна ферма-консоль [1, 2, 3, 4] УЛР, содержащая параллельные и радиальные силовые ребра, внешнюю, среднюю и внутреннюю обечайки, верхнюю силовую плиту и нижнюю силовую плиту, формирующие внутренние и внешние секторы, в которых выполнены трубы-чехлы, обеспечивающие подключение датчиков контрольно-измерительных приборов (КИП), каналы орошения кориума (коллектор с раздающими трубопроводами), обеспечивающие подачу охлаждающей воды от внешних источников, которая по каналам орошения поступает через ферму-консоль сверху на кориум, каналы для отвода пара, обеспечивающие отвод пара из подреакторного помещения бетонной шахты в гермозону на стадии охлаждения кориума в корпусе УЛР, каналы для подвода воздуха, обеспечивающие поступление воздуха для охлаждения направляющей плиты при нормальной эксплуатации.
Недостатком фермы-консоли является то, что она не выдерживает запроектных ударных нагрузок со стороны направляющей плиты, которая принимает на себя одновременно термомеханические и термохимические воздействия со стороны расплава активной зоны и ударные воздействия со стороны разрушенного днища корпуса реактора. Для несущих элементов фермы-консоли и элементов раскрепления фермы-консоли в шахте реактора эти воздействия особенно разрушительны при их большой интенсивности, что связано с действием запроектного давления внутри корпуса реактора, превышающего остаточное давление, которое на момент разрушения днища корпуса реактора установилось как результат действий по управлению тяжелой запроектной аварией.
При секторном проплавлении фермы-консоли расплав активной зоны поступает во внутренние пустотелые секторы фермы-консоли и разрушает их, приводя к потере прочности несущих элементов фермы-консоли.
Технический результат заявленного изобретения заключается в повышении надежности устройства локализации расплава.
Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является обеспечение устойчивого положения и закрепления фермы-консоли в шахте реактора, исключающее разрушение и опрокидывание фермы-консоли при запроектных авариях, сейсмических воздействиях на шахту реактора и ударных воздействия на ферму-консоль со стороны направляющей плиты.
Поставленная задача решается за счет того, что в ферме-консоли устройства локализации расплава, содержащей силовой каркас, состоящий из параллельных и радиальных силовых ребер, внешней, средней и внутренней обечаек, верхней силовой плиты и нижней силовой плиты, формирующих внешние и внутренние параллельные и радиальные секторы, согласно изобретению, в средней силовой обечайке и в верхней силовой плите выполнены отверстия, при этом внутренняя и средняя обечайки установлены таким образом, что удовлетворяют условию 0,15<L/H<0,65, где
L - расстояние между внутренней силовой обечайкой и средней обечайкой,
Η - высота фермы-консоли.
Дополнительно, в ферме-консоли устройства локализации расплава, согласно изобретению, внешние противоположные параллельные секторы, лежащие на одной декартовой оси, и внутренние секторы выполнены пустыми, а внешние радиальные и параллельные противоположные секторы, лежащие на оси, перпендикулярной к оси пустых параллельных секторов, заполнены защитным бетоном.
Дополнительно, в ферме-консоли устройства локализации расплава, согласно изобретению, все внутренние секторы заполнены защитным бетоном.
Дополнительно, в ферме-консоли устройства локализации расплава, согласно изобретению, с внешней стороны внешней обечайки установлены лапы-опоры с якорными ребрами.
Существенным признаком заявленного изобретения является то, что внутренняя и средняя обечайки установлены таким образом, что отношение радиального расстояния от внутренней силовой обечайки до средней силовой обечайки к высоте фермы-консоли устанавливается в диапазоне от 0,15 до 0,65, что обеспечивает устойчивость и прочность фермы-консоли при ударном воздействии на нее со стороны направляющей плиты. Такое соотношение размеров между радиальным расстоянием от внутренней до средней обечайки и высотой фермы-консоли является оптимальным, т.к. отрыв днища корпуса реактора сопровождается ударным воздействием днища на направляющую плиту, при этом направляющая плита передает ударное воздействие на ферму-консоль, которое, в зависимости от характера отрыва днища корпуса реактора, может быть симметричным, при котором направляющая плита действует на верхнюю силовую плиту фермы-консоли по всему периметру контакта, либо несимметричным, при котором днище корпуса реактора отрывается секторно, либо полностью, но отрыв происходит неодновременно в азимутальном направлении.
Еще одним существенным признаком является то, что внешние секторы заполнены защитным бетоном, а в верхней силовой плите выполнены отверстия для отвода газов. Наличие защитного бетона позволяет при проплавлении сектора верхней силовой плиты, контактирующей с расплавом активной зоны, воспрепятствовать заполнению расплавом поврежденного сектора. Расплав не может заполнить поврежденный сектор, т.к. защитный бетон, размещенный во внешнем секторе нагревается, разрушается, плавится, выделяя при этом пары и газы, которые выходят через отверстия, выполненные в верхней силовой плите и средней обечайке. Защитный бетон, отнимая энергию у расплава, снижает температуру зоны взаимодействия. В связи с низкой теплопроводностью защитного бетона, глубина зоны взаимодействия расплава с защитным бетоном остается небольшой на протяжении всего процесса взаимодействия. Защитный бетон прогревается медленно, а истечение из корпуса реактора на первой стадии, в основном, металлической компоненты расплава, происходит достаточно быстро, в течение одной или нескольких минут. На второй стадии из корпуса реактора вытекает, в основном, оксидная компонента расплава, имеющая более высокую температуру, чем металлическая компонента. В этом случае взаимодействие расплава с защитным бетоном будет длиться более продолжительное время и достигать нескольких часов, но расход оксидной компоненты расплава будет значительно меньше и, соответственно, интенсивность взаимодействия расплава с защитным бетоном будет несколько ниже, несмотря на более высокую температуру оксидной части расплава. При применении защитного бетона во внешних секторах, нижняя силовая плита обеспечивает сток тепла от всех элементов силового каркаса, нагреваемых внешними средами, к воде или пароводяной смеси, омывающей нижнюю силовую плиту, обеспечивая работоспособность силового каркаса в условиях его секторного разрушения расплавом активной зоны.
Дополнительно, в ферме-консоли устройства локализации расплава, согласно изобретению, с внешней стороны внешней обечайки установлены лапы-опоры с якорными ребрами, что позволяет обеспечить распределение волновых нагрузок, передаваемых со стороны внешней силовой обечайки на лапы-опоры и, тем самым, сохранить прочность бетона шахты реактора.
Дополнительно, в ферме-консоли устройства локализации расплава, согласно изобретению, внутренние секторы заполнены защитным бетоном.
Для предотвращения негативных последствий от секторного разрушения силового каркаса расплавом активной зоны пустотелые секторы силового каркаса бетонируются защитным бетоном. Это позволяет при проплавлении сектора верхней силовой плиты, контактирующей с расплавом активной зоны, воспрепятствовать заполнению расплавом поврежденного сектора силового каркаса. Расплав не может заполнить поврежденный сектор: защитный бетон нагревается, разрушается, плавится, выделяя при этом пары и газы, которые выходят через отверстия, выполненные в верхней силовой плите и средней силовой обечайке. Защитный бетон, отнимая энергию у расплава, снижает температуру зоны взаимодействия. В связи с низкой теплопроводностью защитного бетона, глубина зоны взаимодействия расплава с защитным бетоном остается небольшой на протяжении всего процесса взаимодействия.
При применении защитного бетона нижняя силовая плита обеспечивает сток тепла от всех элементов силового каркаса, нагреваемых внешними средами, к воде или пароводяной смеси, омывающей нижнюю силовую плиту, обеспечивая работоспособность силового каркаса в условиях его секторного разрушения расплавом активной зоны.
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, выполненная в соответствии с заявленным изобретением.
На фиг. 3 изображена в разрезе ферма-консоль (с отверстиями) устройства локализации расплава, выполненная в соответствии с заявленным изобретением.
На фиг. 4 изображена в разрезе ферма-консоль (без верхней силовой плиты) устройства локализации расплава, выполненная в соответствии с заявленным изобретением.
На фиг. 5 изображен вид сбоку в разрезе фермы-консоли (без верхней силовой плиты) устройства локализации расплава, выполненной в соответствии с заявленным изобретением.
На фиг. 6 изображен вид сверху в разрезе фермы-консоли (внешние секторы заполнены защитным бетоном) устройства локализации расплава, выполненной в соответствии с заявленным изобретением.
На фиг. 7 изображен вид сверху в разрезе фермы-консоли (внешние и внутренние секторы заполнены защитным бетоном) устройства локализации расплава, выполненной в соответствии с заявленным изобретением.
На фиг. 8 изображен вид снизу в разрезе фермы-консоли устройства локализации расплава, выполненной в соответствии с заявленным изобретением.
На фиг. 9 изображен вид снизу фермы-консоли (с нижней силовой плитой) устройства локализации расплава, выполненной в соответствии с заявленным изобретением.
На фиг. 10 изображена ферма-консоль (с отверстиями в верхней силовой плите, лапами-опорами) устройства локализации расплава, выполненная в соответствии с заявленным изобретением.
Как показано на фиг. 1-10, 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). В зоне между верхней кассетой (8) и фланцем (5) по периметру корпуса (4) расположены клапаны (10) подачи воды, установленные в патрубках. Ферма-консоль (3) содержит силовой каркас (13), который состоит из радиальных силовых ребер (14), параллельных силовых ребер (15), внешней силовой обечайки (16), внутренней силовой обечайки (17), средней силовой обечайки (18), верхней силовой плиты (19), нижней силовой плиты (20). Некоторые пустоты, образуемые внешней силовой обечайкой (16), средней силовой обечайкой (18) и радиальными силовыми ребрами (14), заполнены защитным бетоном (22). В средней силовой обечайке (18) и в верхней силовой плите (19) выполнены отверстия (23) для выхода пара. С внешней стороны внешней силовой обечайки (16) установлены лапы-опоры (12) с якорными ребрами (21).
Ферма-консоль устройства локализации расплава работает следующим образом.
При сейсмических воздействиях силовой каркас (13), образуемый радиальными силовыми ребрами (14), параллельными силовыми ребрами (15), внешней силовой обечайкой (16), внутренней силовой обечайкой (17), средней силовой обечайкой (18), верхней силовой плитой (19), нижней силовой плитой (20), обеспечивает жесткость и прочность фермы-консоли (3), подавляя ее колебания в аксиальном направлении за счет увеличенного диаметра внутренней силовой обечайки (17) и блокируя распространение волновых колебаний фермы-консоли (3) в азимутальном направлении за счет азимутальной несимметричности силового каркаса (13), обеспеченной чередованием радиальных силовых ребер (14) и параллельных силовых ребер (15). Использование в силовом каркасе (13) параллельных силовых ребер (15), расположенных параллельно декартовым осям (11) координат с каждой стороны оси и образующих двойной крест, позволяет усилить устойчивость силового каркаса (13) к распространению волновых колебаний фермы-консоли (3) в азимутальном направлении.
Расположенные относительно близко друг к другу внутренняя и средняя силовые обечайки (17), (18) обеспечивают устойчивость и прочность при ударном воздействии направляющей плиты на ферму-консоль (3). Для обеспечения ударной прочности и устойчивости, отношение расстояния L между внутренней силовой обечайкой (17) и средней силовой обечайкой (18) в радиальном направлении к высоте Η фермы-консоли (3) к должно находиться в диапазоне от 0,15 до 0,65.
Это соотношение является оптимальным при различных воздействиях на ферму-консоль (3), в том числе, и при запроектных воздействиях. Отрыв днища корпуса (2) реактора сопровождается ударным воздействием днища на направляющую плиту (1). При этом направляющая плита (1) передает ударное воздействие на ферму-консоль (3). Это воздействие, в зависимости от характера отрыва днища корпуса (2) реактора, может быть симметричным, при котором направляющая плита (1) действует на верхнюю силовую плиту (19) фермы-консоли (3) по всему периметру контакта, либо несимметричным, при котором днище корпуса (2) реактора отрывается секторно, либо полностью, но отрыв происходит неодновременно в азимутальном направлении.
Конструктивно направляющая плита (1) опирается на верхнюю силовую плиту (19) в зоне расположения внутренней силовой обечайки (17) и средней силовой обечайки (18).
При симметричном ударном воздействии при отношении L к Η больше 0,65, расстояние между силовыми обечайками (17), (18) будет достаточно большим, что приведет к перераспределению основной ударной нагрузки в зависимости от положения силовых обечаек (17) и (18). Если средняя силовая обечайка (18) смещается в сторону внешней силовой обечайкой (16), уходя из-под прямого действия ударной нагрузки, то основная нагрузка ложится на внутреннюю силовую обечайку (17), на радиальные и параллельные силовые ребра (14), (15), расположенные между силовыми обечайками (17), (18). В этом случае воздействие на среднюю силовую обечайку (18) будет намного меньше, чем на внутреннюю силовую обечайку (17), что уменьшает прочностные характеристики силового каркаса (13) фермы-консоли (3) для противодействия симметричным ударным воздействиям. Если внутренняя силовая обечайка (17) смещается к центру симметрии фермы-консоли - к центральной аксиальной оси, уходя из-под прямого действия ударной нагрузки, то основная нагрузка ложится на среднюю силовую обечайку (18) на радиальные и параллельные силовые ребра (14), (15), расположенные между силовыми обечайками (17), (18). В этом случае воздействие на внутреннюю силовую обечайку (17) будет намного меньше, чем на среднюю силовую обечайку (18), что уменьшает прочностные характеристики силового каркаса (13) фермы-консоли (3) для противодействия симметричным ударным воздействиям.
При несимметричном ударном воздействии (секторном ударе) днища корпуса (2) реактора или его фрагментов в направляющую плиту (1) происходит локальная (секторная) передача энергии удара через направляющую плиту (1) в верхнюю силовую плиту (19) фермы-консоли (3). Направляющая плита (1) за счет конструктивного исполнения несколько уменьшает интенсивность передаваемого дальше ударного воздействия, увеличивая площадь сектора, которым направляющая плита (1) передает ударную нагрузку на верхнюю силовую плиту (19) фермы-консоли (3). Однако при отношении L к Η больше 0,65, расстояние между силовыми обечайками (17), (18) будет достаточно большим, что приведет к перераспределению ударной нагрузки либо на внутреннюю обечайку (17), либо на среднюю силовую обечайку (18), а радиальные или параллельные силовые ребра (14), (15) могут оказаться в момент удара в периферийной зоне силового воздействия на верхнюю силовую плиту (19). В этом случае прочностные характеристики силового каркаса (13) значительно уменьшаются, что может привести к возникновению значительных ударных деформаций, трещин и локальных разрушений силового каркаса (13) в зоне ударного воздействия.
При симметричном ударном воздействии при отношении L к Η меньше 0,15, расстояние между силовыми обечайками (17), (18) будет достаточно малым, что увеличит силовое воздействие на концы радиальных и параллельных силовых ребер (14), (15), связанных с силовыми обечайками (17), (18). Это приведет к увеличению концентрации напряжений в силовых ребрах (14), (15) и к уменьшению их несущей способности, а, следовательно, и к общему уменьшению прочности силового каркаса (13) фермы-консоли (3).
При несимметричном ударном воздействии (секторном ударе) при отношении L к Η меньше 0,15 расстояние между силовыми обечайками (17), (18) будет достаточно малым, что приведет к перераспределению ударной нагрузки на нижнюю силовую плиту (20), а радиальные или параллельные силовые ребра (14), (15) могут оказаться в момент секторного удара на периферии силового воздействия на верхнюю силовую плиту (19). В этом случае прочностные характеристики нижней силовой плиты (20) значительно уменьшаются, что может привести к ударным деформациям и трещинам в секторе ударного воздействия, что, в целом, уменьшает прочностные характеристики силового каркаса (13) фермы-консоли (3).
Радиальные и параллельные силовые ребра (14), (15) выполняют разные функции по перераспределению нагружений фермы-консоли (3) со стороны направляющей плиты (1). Радиальные силовые ребра (14) сходятся к аксиальной оси силового каркаса (13), что при локальном (секторном) воздействии на ферму-консоль (3) со стороны направляющей плиты (1) в зоне расположения внутренней силовой обечайки (17) обеспечивает перераспределение нагрузок на большее число радиальных силовых ребер (14). Это позволяет перераспределить как общее, так и локальное (секторное) нагружение верхней силовой плиты (19) и внутренней силовой обечайки (17) через радиальные силовые ребра (14) по значительно большей площади на периферии фермы-консоли (3), в зоне заделки внешней силовой обечайки (16), верхней силовой плиты (19), нижней силовой плиты (20) силового каркаса (13) в шахту (25) реактора, то есть обеспечить азимутальное перераспределения (расширение) зоны воздействия, уменьшая таким образом его интенсивность.
При общих или локальных силовых воздействиях со стороны направляющей плиты (1) на верхнюю силовую плиту (19) и внутреннюю силовую обечайку (17) параллельные силовые ребра (15) обеспечивают прямую передачу этих воздействий на периферию силового каркаса (13) в зону заделки внешней силовой обечайки (16), верхней силовой плиты (19), нижней силовой плиты (20) в шахту (25) реактора, практически, без азимутального перераспределения (расширения) зоны воздействия, что не снижает его интенсивность, однако позволяет обеспечить заметную разницу в напряжениях, испытываемых верхней и нижней силовыми плитами (19) и (20) в зонах между радиальными и параллельными силовыми ребрами (14), (15). Таким образом, при воздействии направляющей плиты (1) на силовой каркас (13) в зоне расположения внутренней силовой обечайки (17) радиальные силовые ребра (14) перераспределяют нагрузку по существенно большей площади верхней и нижней силовых плит (19), (20), особенно в периферийной зоне, уменьшая интенсивность напряжений в верхней и нижней силовых плитах (19), (20), а параллельные силовые ребра (15) ограничивают перераспределение этой нагрузки, что создает более высокие напряжения в верхней и нижней силовых плитах (19), (20), ограничивая зоны локального ослабления прочности силового каркаса (13) конструктивно заданными направлениями и площадями. Поэтому параллельные силовые ребра (15) применяются специально для целей заданного ослабления прочности силового каркаса (13) при запроектных воздействиях в заранее ограниченных зонах, расположенных между параллельными силовыми ребрами (15) в верхней и нижней силовых плитах (19), (20), и в целях защиты от такого ослабления прочности остальной части силового каркаса (13).
Силовой каркас (13) одновременно может находиться в различных не только силовых, но и теплогидравлических условиях:
- внешняя силовая обечайка (16) и лапы-опоры (12) находятся в строительном бетоне шахты (25) реактора;
- верхняя силовая плита (19) своей периферийной и средней частями находится в строительном бетоне шахты (25) реактора, своей внутренней частью нагревается от направляющей плиты (1), получающей тепло во время истечения расплава активной зоны из корпуса (2) реактора в наполнитель (7);
- нижняя силовая плита (20) своей периферийной частью находится в строительном бетоне шахты (25) реактора, своей средней частью омывается насыщенной (кипящей) водой, своей внутренней частью находится в перегретой парогазовой смеси и под действием лучистых тепловых потоков, переизлучаемых со стороны оборудования системы локализации и охлаждения расплава активной зоны ядерного реактора;
- внутренняя силовая обечайка (17) находится в перегретой парогазовой смеси и под действием прямых лучистых тепловых потоков со стороны зеркала расплава, или находится под действием прямого нагрева со стороны расплава, стекающего по внутренней силовой обечайке (17).
В этих условиях наличие в силовом каркасе (13) нижней силовой плиты (20) является совершенно необходимым условием работоспособности силового каркаса (13) и фермы-консоли (3) в целом, потому что через нижнюю силовую плиту (20) происходит сток тепла от всех элементов силового каркаса (13), нагреваемых внешними средами, к воде или пароводяной смеси, омывающей нижнюю силовую плиту (20). Чем большая площадь силового каркаса (13) охлаждается водой или пароводяной смесью и чем меньшая его площадь подвергается прямому конвективному нагреву и нагреву прямыми лучистыми тепловыми потоками со стороны зеркала расплава, тем большую термомеханическую нагрузку может выдержать силовой каркас (13).
Для того, чтобы обеспечить эффективный отвод тепла от силового каркаса (13) необходимо обеспечить сток тепла от силового каркаса (13) быстрее, чем накопление тепла в силовом каркасе (13) под действием прямого или косвенного нагрева. Препятствием для эффективного стока тепла от силового каркаса (13) в условиях секторного разрушения направляющей плиты (1) и поступления расплава на верхнюю силовую плиту (19) является сама конструкция силового каркаса (13), состоящая из силовых ребер (14), (15), силовых обечаек (16), (17), (18) и силовых плит (19), (20). Эффективное охлаждение нижней силовой плиты (20) не гарантирует работоспособности силового каркаса (13) в условиях его секторного разрушения расплавом, поступающим через разрушенный сектор направляющей плиты (1). В этих условиях при проплавлении сектора верхней силовой плиты (19), контактирующей с расплавом активной зоны, поврежденный пустотелый сектор (24) силового каркаса (13) быстро заполнится расплавом активной зоны. В области между двумя смежными силовыми ребрами (14), (15), ограниченными силовыми обечайками (17), (18), расплав активной зоны, заполняя пустотелый сектор (24), расплавит (разрушит) элементы силового каркаса (13), ограничивающие его движение. Перетекая в соседние замкнутые пустотелые секторы (24) силового каркаса (13), расплав будет их разрушать. Последствия такого разрушения предсказуемы: падение направляющей плиты (1) с разрушенным днищем корпуса (2) реактора в корпус (4) и, как следствие, разрушение корпуса (4).
Для предотвращения негативных последствий от секторного разрушения силового каркаса (13) расплавом активной зоны пустотелые секторы (24) силового каркаса (13) бетонируются защитным бетоном (22). Это позволяет при проплавлении сектора верхней силовой плиты (19), контактирующей с расплавом активной зоны, воспрепятствовать заполнению расплавом поврежденного сектора силового каркаса (13). Расплав не может заполнить поврежденный сектор: защитный бетон (22) нагревается, разрушается, плавится, выделяя при этом пары и газы, которые выходят через отверстия (23), выполненные в верхней силовой плите (19) и средней силовой обечайке (18). Защитный бетон (22), отнимая энергию у расплава, снижает температуру зоны взаимодействия. В связи с низкой теплопроводностью защитного бетона (22), глубина зоны взаимодействия расплава с защитным бетоном (22) остается небольшой на протяжении всего процесса взаимодействия. Защитный бетон (22) прогревается медленно, а истечение из корпуса (2) реактора на первой стадии, в основном, металлической компоненты расплава, происходит достаточно быстро, в течение одной или нескольких минут. На второй стадии из корпуса (2) реактора вытекает, в основном, оксидная компонента расплава, имеющая более высокую температуру, чем металлическая компонента. В этом случае взаимодействие расплава с защитным бетоном (22) будет длиться более продолжительное время и достигать нескольких часов, но расход оксидной компоненты расплава будет значительно меньше и, соответственно, интенсивность взаимодействия расплава с защитным бетоном (22) будет несколько ниже, несмотря на более высокую температуру оксидной части расплава.
При применении защитного бетона (22) нижняя силовая плита (20) обеспечивает сток тепла от всех элементов силового каркаса (13), нагреваемых внешними средами, к воде или пароводяной смеси, омывающей нижнюю силовую плиту (20), обеспечивая работоспособность силового каркаса (13) в условиях его секторного разрушения расплавом активной зоны.
3
3
В качестве защитного бетона (22) может быть использован, например, самоуплотняющийся мелкозернистый бетон В25, W6, F50, плотность, не менее, 1800 кг/м, или самоуплотняющийся мелкозернистый бетон В50, W6, F50, плотность, не менее, 1800 кг/м, используемый для бетонирования шахты реактора, или бетон, применяемый в тепловых защитах устройства локализации расплава [5].
При значительных тепловых воздействиях на силовой каркас (13) со стороны зеркала расплава наибольшие тепловые деформации возникают во внутренней силовой обечайке (17) и в верхней силовой плите (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 (17) и в верхней силовой плите (19), локализовать в створе между параллельными силовыми ребрами (15) вдоль одной из горизонтальных декартовых осей (11).
При ударных воздействиях большой интенсивности применение лап-опор (12) обеспечивает равномерное распределение усилий на шахту (25) реактора со стороны силового каркаса (13) за счет формирования необходимой площади взаимодействия лап-опор (12) с бетоном шахты (25) реактора, подвергающихся волновому нагружению. При применении лап-опор (12) волновые нагрузки, передаваемые со стороны внешней силовой обечайки (16) на лапы опоры (12), распределяются по объему бетона шахты (25) реактора, а сами лапы-опоры (12) 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 (2) реактора, 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 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 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), однако начало такого истечения расплава может сопровождаться несколькими сопутствующими условиями, оказывающими термомеханическое воздействие ферму-консоль (3).
Сопутствующее условие 1 - мгновенный отрыв днища корпуса (2) реактора полным сечением и осесимметричное движение днища под действием давления внутри корпуса (2) реактора и суммарного веса днища с находящимся в нем расплавом активной зоны вертикально вниз в сторону направляющей плиты (1), что приводит к осесимметричному удару днища по направляющей плите (1). При мгновенном отрыве днища корпуса (2) реактора максимальная энергия прямого удара воздействует на всю направляющую плиту (1), которая передает эту энергию на ферму-консоль (3). Энергию удара на начальном этапе взаимодействия начинает воспринимать верхняя силовая плита (19), которая передает ее через внутреннюю силовую обечайку (17), радиальные и параллельные силовые ребра (14), (15) на остальные элементы силового каркаса (13). Силовой каркас (13) фермы-консоли (3) расщепляет энергию удара и механического перемещения внутренней части силового каркаса (13) на три составляющие:
- на поверхностные плоские волны, расходящиеся в радиальном направлении и распространяющиеся по верхней и нижней силовым плитам (19), (20) от диаметра, на котором расположена внутренняя силовая обечайка (17), до диаметра, на котором расположена внешняя силовая обечайка (16);
- на волны сжатия-растяжения, проходящие по внутренней силовой обечайке (17) в аксиальном и азимутальном направлениях и возбуждающие плоские поверхностные волны, распространяющиеся по радиальным и параллельным силовым ребрам (14), (15);
- на волны сжатия-растяжения, проходящие по средней и внешней силовым обечайкам (18), (16) в аксиальном и азимутальном направлениях, обеспечивающих перераспределение энергии ударной нагрузки между остальными элементами силового каркаса (13) и, в конечном итоге, между лапами-опорами (12).
Сопутствующее условие 2 - неосесимметричный отрыв (волновой отрыв) днища корпуса (2) реактора полным сечением, начинающийся из одной точки и распространяющийся в обе стороны азимутальной оси вдоль образующей днища корпуса (2) реактора со скоростью звуковой волны, и заканчивающийся в диаметрально противоположной точке днища корпуса (2) реактора. При таком отрыве под действием давления внутри корпуса (2) реактора различные точки днища начинают неодновременное движение в сторону направляющей плиты (1), что приводит к косому удару днища по направляющей плите (1). Максимальная энергия косого удара перемещается по направляющей плите в обе стороны азимутальной оси со скоростью движения звуковой волны вдоль образующей днища корпуса (2) реактора. Направляющая плита (1), испытывая воздействие энергии ударной волны со стороны днища корпуса (2) реактора, в свою очередь, передает эту энергию в форме ударной волны на ферму-консоль (3). Энергию ударной волны на начальном этапе взаимодействия начинает воспринимать верхняя силовая плита (19), которая передает ее через радиальные и параллельные силовые ребра (14), (15) на остальные элементы силового каркаса (13). Движение максимальной энергии ударной волны по верхней силовой плите (19) происходит аналогично ее движению по направляющей плите (1), с той лишь разницей, что ударное пятно контакта между направляющей плитой (1) и верхней силовой плитой (19) будет больше, чем ударное пятно контакта днища корпуса (2) реактора с направляющей плитой (1). На верхней силовой плите (19) максимальная энергия ударной волны, получаемая со стороны направляющей плиты (1), будет двигаться по верхней силовой плите (19) в обе стороны азимутальной оси в соответствии со скоростью ее передачи через направляющую плиту (1). Этот волновой процесс, достигнув противоположной точки на диаметре внутренней силовой обечайки (17), продолжит свое движение в обе стороны по азимутальной оси, очень быстро затухая. Силовой каркас (13) фермы-консоли (3) расщепляет энергию ударной волны на три составляющие:
- на поверхностные плоские волны, секторно расходящиеся в радиальном направлении и распространяющиеся, главным образом, по верхней силовой плите (19) от диаметра, на котором расположена внутренняя силовая обечайка (17), до диаметра, на котором расположена внешняя силовая обечайка (16);
- на секторные волны сжатия-растяжения, проходящие по ограниченному ударным возмущением сектору внутренней силовой обечайки (17) в аксиальном и азимутальном направлениях, которые возбуждают плоские поверхностные волны, распространяющиеся по радиальным и параллельным силовым ребрам (14), (15), расположенным в секторе прохождения волны сжатия-разряжения;
- на секторные волны сжатия-растяжения, проходящие по средней и внешней силовым обечайкам (18), (16) в аксиальном и азимутальном направлениях в секторах распространения колебаний, которые обеспечивают перераспределение энергии секторной ударной нагрузки между остальными элементами силового каркаса (13) и, в конечном итоге, между лапами-опорами (12).
Сопутствующее условие 3 - разрушение днища корпуса (2) реактора на несколько фрагментов, каждый из которых движется независимо от других под действием давления внутри корпуса (2) реактора и собственного веса, что приводит к локальным неосесимметричным ударам фрагментов разрушенного днища по направляющей плите (1). Однако энергия таких ударов, передаваемая на ферму-консоль (3), заметно ниже, чем энергия взаимодействия днища корпуса (2) реактора с направляющей плитой (1) из сопутствующего условия 1. Это связано с тем обстоятельством, что при разлете фрагментов днища корпуса (2) реактора направление силы ударов не будет направлено параллельно аксиальной оси - точно вниз, а будет направлено под углом к ней, что перераспределяет энергию ударов между аксиальным и радиальными направлениями направляющей плиты (1). Это приводит к тому, что в радиальной проекции часть энергии ударов разлетевшихся фрагментов днища корпуса (2) реактора будет поглощена самой направляющей плитой (1) и не будет передана на ферму-консоль (3).
Элементы силового каркаса (13), перераспределяя энергию ударной волны между собой, в каждом из трех сопутствующих условий, обеспечивают:
- уменьшение интенсивности воздействия ударной волны за счет поглощения ее энергии в забетонированных секторах (26);
- уменьшение интенсивности воздействия ударной волны за счет перераспределения ее между элементами силового каркаса (13);
- уменьшение интенсивности воздействия ударной волны за счет увеличения времени прохождения ударной волны и изменения ее частотных характеристик.
Чередование радиальных и параллельных силовых ребер (14), (15) обеспечивает демпфирование азимутальных колебаний силового каркаса (13) фермы-консоли (3), вызванных ударными волнами при неосесимметричном отрыве днища корпуса (2) реактора полным сечением.
Рассеивание энергии ударной волны происходит в достаточно узкой зоне в шахте (25) реактора вокруг внешней силовой обечайки (16), но, главным образом, рассеивание энергии происходит через лапы-опоры (12) по всей толщине шахты (25) реактора.
Элементы силового каркаса (13) фермы-консоли (3), а именно, параллельные силовые ребра (14), радиальные силовые ребра (15), внутренняя, средняя и внешняя силовые обечайки (16), (17), (18), а также верхняя и нижняя силовые плиты (19), (20) могут быть выполнены из стали марки 09Г2С.
3
3
В качестве защитного бетона может быть использован, например, самоуплотняющийся мелкозернистый бетон В25, W6, F50, плотность, не менее, 1800 кг/м, или самоуплотняющийся мелкозернистый бетон В50, W6, F50, плотность, не менее, 1800 кг/м, используемый для бетонирования шахты реактора, или бетон, применяемый в тепловых защитах устройства локализации расплава [5].
Диаметр внутренней силовой обечайки (16) равен 5,1 м.
Диаметр средней силовой обечайки (17) равен 5,9 м.
Диаметр внешней силовой обечайки (18) равен 9,2 м.
Высота фермы-консоли (3) равна 2 м.
Таким образом, применение фермы-консоли в составе устройства локализации, содержащей силовой каркас, выполненный из установленных с соблюдением определенных условий силовых и других элементов (ребра, обечайки, плиты, защитный бетон) позволило повысить надежность фермы-консоли при запроектных авариях, связанных с разрушением активной зоны и корпуса реактора, при сейсмических воздействиях на оборудование и шахту реактора, позволило обеспечить устойчивое положение и надежное крепление фермы-консоли в шахте реактора при проектных и запроектных ударных воздействиях на ферму-консоль со стороны направляющей плиты.
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.
5. Патент РФ №2742583, МПК G21C 9/016, приоритет от 18.03.2020 г.