ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ПАССИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ ЗАПРОЕКТНОЙ АВАРИЕЙ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА НА ВНЕКОРПУСНОЙ СТАДИИ ЛОКАЛИЗАЦИИ РАСПЛАВА АКТИВНОЙ ЗОНЫ. ЧАСТЬ 2

Технология неорганических веществ

УДК 621.039

Как было рассмотрено в первой части статьи [1], устройство локализации расплава (УЛР) представляет собой стальной теплообменник-тигель, расположенный в подреакторном пространстве бетонной шахты реактора, охлаждаемый снаружи проточной водой. Охлаждающая вода поступает в бетонную шахту пассивным способом. Внутренняя полость теплообменника УЛР частично заполнена жертвенным материалом (ЖМ) и носит условное название «корзина».

Жертвенные материалы в корзине УЛР реакторов типа ВВЭР

Корзина УЛР представляет собой пространство, ограниченное стенками стального тигля, в котором часть объёма занята ЖМ, а часть остаётся не занятой и предназначена для кориума, который поступит в случае тяжёлой аварии. Именно в корзине УЛР должны пройти процессы расплавления ЖМ, окисление основной части элементарного циркония, образование однородного оксидного расплава, уменьшение его плотности, перемещение слоя расплава - металлической компоненты кориума, состоящей из элементарного железа, циркония, хрома и других компонентов металлических сплавов внут-

Ю.П. Удалов1, Н.Ф. Фёдоров2, Б.А. Лавров3, А.С. Сидоров4

ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ПАССИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ ЗАПРОЕКТНОЙ АВАРИЕЙ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА НА ВНЕКОРПУСНОЙ СТАДИИ ЛОКАЛИЗАЦИИ РАСПЛАВА АКТИВНОЙ ЗОНЫ. ЧАСТЬ 2

Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет) 190013, Санкт-Петербург, Московский пр., д. 26

ОАО «АТОМЭНЕРГОПРОЕКТ»

105005, Москва, ул. Бакунинская, д. 7, с. 1

Для недопущения аварии, подобной Чернобыльской катастрофе, на современных АЭС используются ловушки для локализации расплава активной зоны. Жертвенные материалы и конструкция ловушки, использующейся для этой цели, определяются физико-химическими свойствами расплава и кориума. Исследования физико-химических аспектов взаимодействия расплава с жертвенными материалами позволяют оптимизировать их состав для наилучшего выполнения защитных функций.

Ключевые слова: ядерный реактор, кориум, запредельная авария, жертвенные материалы.

рикорпусных устройств (МКК) вниз и всплытие слоя расплава - оксидной компоненты кориума, состоящей из оксида урана, оксида циркония и растворенного в оксидном расплаве элементарного циркония (ОКК) вверх («инверсия кориума»). Для выполнения этих функций в корзине уЛр содержатся керамические элементы из смеси оксидов железа и алюминия (ПОЖА). Кроме оксидной керамики в корзине помещено значительное количество стальных элементов, функция которых заключается в снижении температуры компонентов кориума за счёт затрат тепла на их нагрев и плавление. Эти элементы носят название «жертвенная сталь».

Как показано в работах [2, 3], процесс взаимодействия МКК, содержащей элементарный цирконий, с ЖМ типа ПОЖА начинается при достижении на границе раздела температуры более 18600С и идёт по механизму жидкофазного горения. Иными словами, процесс идёт с заметной скоростью после расплавления поверхностной зоны ПОЖА (достижения температуры ликвидуса). Аналогичные выводы можно сделать и для температуры начала взаимодействия ОКК (как содержащей элементарный цирконий [4], так и в случае его полного окисления [2]). Косвенно это подтверждается эксперименталь-

1 Удалов Юрий Петрович, д-р хим. наук, профессор, каф. технологии электротермических и плазмохимических производств СПбГТИ(ТУ), e-mail: udalov@lti-gti.ru

2 Федоров Николай Федорович, д-р техн. наук, профессор, заведующий каф. химии и технологии материалов и изделий сорбционной техники СПбГТИ(ТУ), e-mail: sorbent@lti-gti.ru

3 Лавров Борис Александрович, д-р техн. наук, профессор, заведующий каф. технологии электротермических и плазмохимических производств СПбГТИ(ТУ), e-mail: lavrov@lti-gti.ru

4 Сидоров Александр Стальевич, канд. техн. наук, начальник отдела, ОАО «Атомэнергопроект» Дата поступления - 13 сентября 2010 года

но установленным фактом постоянства скорости растворения жертвенного материала в кориуме при любой его температуре выше температуры ликвидуса ЖМ. После термообработки при температуре 13800С, необходимой для получения плотной прочной керамики, материал ПОЖА состоит из зёрен твёрдого раствора со структурой корунда и зёрен шпинельного твёрдого раствора ^е,Д|)304. По данным [5] температура ликвидуса такой смеси при парциальном давлении кислорода 0,021 МПа находится в интервале 1650-17000С.

Керамика, не содержащая оксид алюминия и состоящая на 90% по массе из Fe203 (остальное: бура и портландцемент), начинает взаимодействовать с ОКК при заметно меньших температурах, по данным работы [2], порядка 1200-1300°С. Фронт взаимодействия такой керамики с ОКК, не содержащим элементарного циркония (полностью окисленный кориум), представлен на рисунке 1 (данные получены в эксперименте, выполненном в 2000 г в НИТИ им. Александрова под руководством С.В.Бешта И).

Рис. 1. Микрофотография фронта взаимодействия керамики (граница по линии А-В), содержащей 90% по массе Рв2й3/ с ОКК (состав 71 мас.% и02, 20% 1гй2, 9% Рвйх). Слева от линии АВ - керамика из оксида железа, справа-закалённый расплав, образовавшийся из продуктов взаимодействия кориума и керамики.

Кинетика абляции жертвенного керамического материала рассмотрена в работе [4]. В этой работе решена тепловая задача, позволяющая рассчитать скорость абляции материала ПОЖА. В работе [6] рассмотрена кинетика гетерофазной окислительно-восстановительной реакции и показана роль выделяющейся газовой фазы в увеличении эффективной поверхности взаимодействия расплавленного восстановителя с твёрдым окислителем.

Вышеизложенные данные позволяют рекомендовать оптимизацию состава жертвенного керамического материала в направлении повышения содержания оксида железа (больше, чем в материале ПОЖА). Тогда температура ликвидуса на границе взаимодействия будет иметь температуру менее 15600С, что определяется ликвидусом системы и02+х^г02^е0х, которая образуется на воздухе при смешении оксида железа с ОКК (см. рисунок 2). Из диаграммы плавкости, приведенной на рисунке 2, видно, что при разбавлении расплава ОКК жертвенным керамическим материалом типа ЖКМ, расплав образуется при меньшей температуре, чем с мате-

риалом ПОЖА. Это, в свою очередь, увеличивает надёжность всей конструкции УЛР в целом. Высокая температура оксидного расплава, образовавшегося после растворения ЖМ в ОКК, влечёт то отрицательное последствие, что открытая поверхность такого расплава 5 (см. рисунок 3б) имеет температуру более 1820°, что создаёт критические тепловые нагрузки на тепловые экраны 2 и саму плиту нижнюю (см. рисунок 3).

2М0"?

о изотермам '

Рис. 2. Расчётная диаграмма плавкости системы UO2+x-ZrO2-FeOx для воздушной атмосферы. Область составов АВС- возможные исходные составы ОКК. Температура эвтектики Е1133СРС

Рис. 3. Схематическое изображение момента стекания расплава ОКК в корзину УЛР (а) и момент полного расплавления ЖМ и их смешения с ОКК (б). 1- поток ОКК, 2- тепловой экран из материала БГК, 3- жертвенный керамический материал, 4 - материал ВЦШ, 5-оксидный расплав, образовавшийся в результате смешения ОКК и ЖМ.

Указанные соображения позволяют нам рекомендовать замену керамического материала ПО-ЖА на керамический материал ЖКМ.

Необходимость защиты от интенсивного теплового излучения конструктивных элементов УЛР, находящихся над поверхностью расплава 5 (рисунок 3) вызвало появление тепловых экранов 2, которые изготавливаются из бетона БГК, состав и свойства которого приведены в 1-й части статьи [1]. Благодаря своему минералогическому и гранулометрическому составу, материал БГК в условиях нагрева излучением разрушается по следующему механизму: • при температуре около 1400°С расплавляется мелкодисперсная смесь портландцемента и оксида железа (точка 14 рисунок 4);

расплав системы СаО-БЮг^еОх стекает вниз, захватывая за собой зёрна корунда ; фронт абляции материала БГК соответствует изотерме 14000С, а скорость её перемещения определяется тепловым потоком и теплопроводностью БГК.

Рис. 4. Фотография шлифа границы контакта расплавленного железа с бетоном марки БГК. 13,14,15 - точки микро-зондового анализа (таблица 1).

а)

ж

Ж11ДМН 111

.. у.

, жидкости

.Я •

1 ' + крш ыл |ы £К

7

Г

/.......

**• X" ^ 7 К) ^♦жидкость

•и*

Ре О

4оигго.+б»«>1яо,

б)

Таблица. Результаты микрозондового анализа зоны

контакта расплавленного железа и бетона БГК.

Точка анализа Содержание, мас.%

Fe FeOx MnOy SiO2 Al2Oз

13 99,0

14 98,6 0,3 0,4 -

15 - - 100

Для повышения надёжности работы тепловых экранов необходимо снизить температуру излучающей поверхности 5 (рисунок 3б). Для этого использован известный в металлургии приём создания на поверхности перегретого расплава слоя вспененного шлака, что позволяет снизить температуру излучающей поверхности на 2000С [7]. Известно, что вспенивание расплавов возможно за счёт выделения газа под поверхностью расплава. Для этого есть два способа: 1) подача воды или водяного пара из фурмы, 2) наличие в поверхностном слое шлака с высокой вязкостью, в котором находятся зёрна высших оксидов железа - источника газообразного кислорода. Очевидно, что в корзине УЛР может быть реализован только второй способ. Для его реализации необходимо, чтобы шлак представлял собой двухфазную жидкость. В рассматриваемой химической системе двухфазная жидкость возможна при высокой концентрации оксидов циркония и кремния (рисунок 5а,б). Экспериментальные данные, приведенные на рисунках 6 и 7, показывают, что по мере нарастания концентрации оксида железа от состава 1 к составу 3 пенообразование усиливается. Температура существования двухфазной жидкости для таких составов находится в диапазоне температур ОКК.

Рис. 5. Диаграмма плавкости системы 1гО2-ВЮ2-РеО (расчёт по программе й1АТ№£ 1.2): а) диаграмма плавкости тройной системы, б) сечение от РеО к составу 1

Для практической реализации подачи пено-образующего шлака на поверхность перегретых расплавов (МКК или ОКК) над корзиной УЛР в специальных панелях (обозначены цифрой 4 на рисунке 3) по бетонной технологии закрепляется материал ВЦШ. Эти панели будут отрываться и падать на поверхность 5 расплава (рисунок 3) только после расплавления удерживающих их стальных стержней, то есть при нагреве поверхности выше 1500-16000С. Таким образом, в пассивном режиме будет поддерживаться оптимальная температура поверхности расплава смеси кориума и жертвенных материалов 1600-17000С. Этот диапазон температур оптимален потому, что под шапкой пены температура может быть гораздо выше этого значения, что полезно для активного образования единой ванны расплава в корзине, и в тоже время тепловое излучение с поверхности пены будет в допустимых пределах для сохранения работоспособности плиты нижней и УЛР в целом.

Рис. 6. Пенообразование в системе 7гО2-£Ю2-РеОх. для образцов составов 1,2,3 (рис.10 а). 1а-корка на поверхности образца 1,1б-пузыри, 2а-корка, 2б- пузыри, 2в - дно графитового тигля, 3а-корка, 3б-пузыри

Рис. 7. Результаты плавки состава 3 на поверхности расплавленной стали. 1-корка вспененной массы, 2-капля стали в пене, 3- вспененная масса, 4-газовая полость между поверхностью расплавленной стали и вспененной массой, 5- слой стали

Заключение

Приведенные в статье данные и соображения являются плодом труда большого коллектива про-ектно-конструкторских и научно-исследовательских институтов, которые мы, как достаточно активные участники процесса, постарались обобщить вокруг главной идеи: материалы, которые должны использоваться в устройстве локализации расплава кориума должны иметь такой состав и такое пространственное положение, которые бы обеспечивало бы их оптимальное взаимодействие с целью предотвращения катастрофических последствий тяжелой аварии ядерного реактора с выходом расплавленных топливных масс (кориума) из корпуса реактора без участия оператора (в пассивном режиме).

Литература

1. Удалов Ю.П., Фёдоров Н.Ф. Лавров Б.А., [и др.] Функциональные материалы для пассивного управления запроектной аврией ядерного реактора на внекорпусной стадии локализации расплава активной зоны. Часть 1. // Известия СПбГТИ(ТУ). 2010. № 8(34). С. 17-24.

2. Удалов Ю.П., Морозов Ю.Г., Гусаров В.В., [и др.] Расчётное и экспериментальное исследование взаимодействия расплава кориума с жертвенным материалом. Вопросы безопасности АЭС с ВВЭР. «Исследования процессов при запроектных авариях с разрушением активной зоны». Тр. научно-практического семинара СПб. 12-14 сентября 2000 г / С.Петербургский институт «Атомэнергопроект». СПб.: 2000. С. 161-207.

3. Гусаров В.В., Альмяшев В.И., Хабенский В.Б., [и др.]. Взаимодействие материала на основе оксидов алюминия и железа с расплавом металлов. // Журн. прикл. химии, 2007. Т. 80. Вып. 4. С. 541548.

4. Асмолов В.Г., Сулацкий А.А., Бешта С.В., [и др.]. Взаимодействие расплава активной зоны ядерного реактора с оксидным жертвенным материалом устройства локализации для АЭС с ВВЭР. // Теплофизика высоких температур. 2007. Т. 45. С. 28-37.

5 FactSage software

6. Удалов Ю.П., Германский А.М., Лапшин А.В., [и др.]. Физико-химическая природа диспергирования твёрдой фазы в жидкой: сб. науч. тр. «Компьютерное моделирование при оптимизации технологических процессов электротермических производств». СПб: изд-во СПХФА, 2004. С. 16-29.

7. Волос Д.И. Теплообмен излучением в свободном пространстве дуговой сталеплавильной печи. // Международная научно-техническая конференция. 3-4 ноября 2004 года; г. Архангельск: изд. АГТУ, 2004. 396 с.