Способ проведения автоматизированной термической обработки серпентинитового бетона "сухой защиты" реактора атомной энергетической станции
METHOD FOR CONDUCTING AUTOMATED HEAT TREATMENT OF SERPENTINITE CONCRETE “DRY PROTECTION” OF A REACTOR OF A NUCLEAR POWER PLANT

Изобретение относится к атомной технике и может быть применено при изготовлении «сухой защиты» атомной энергетической станции (АЭС), в частности, для сушки серпентинитового бетона «сухой защиты» реактора АЭС.
Радиационная безопасность персонала АЭС и окружающей среды является ключевой проблемой, эффективное решение которой определяет само существование атомной энергетики.
Основной элемент АЭС с реакторами водяного охлаждения, обеспечивающий безопасность персонала и окружающей среды, «сухая» радиационно-тепловая защита (С3). Она представляет собой самонесущую цилиндрическую конструкцию с металлически армированными стенками, заполненными радиационнозащитным бетоном с серпентинитовым заполнителем, внутри которой расположен ядерный реактор. СЗ предназначена для ослабления гамма-нейтронного излучения и снижения температурных нагрузок на несущие конструкции шахты реактора, а также обеспечения работы системы внекорпусного контроля его мощности.
Известно, что наиболее эффективным замедлителем электронов является водород, а самым водородсодержащим компонентом в бетоне - вода, химически связанная цементом или его заполнителями. В процессе гидратации в бетоне часть воды затворения связывается цементом, часть входит в состав гидросиликатов, часть остается в бетоне в адсорбционном и капиллярном виде. Химически связанная компонентами цемента вода удаляется при нагревании до температуры, превышающей 100°С. При нагревании бетона до температуры 300…400°С процесс дегидратации резко ускоряется. Однако адсорбционно и капиллярно связанная вода, которая также участвует в ослаблении нейтронных потоков, удаляется из бетона даже при нагревании до незначительных температур, возникающих в процессе эксплуатации СЗ. Уменьшение содержания воды в бетоне приводит к ухудшению его защитных свойств. Поэтому в СЗ необходимо применять бетоны, цементы и заполнители которых способны химически связывать наибольшее количество воды.
Несмотря на то, что серпентинитовый бетон успешно применяется в биологической защите объектов ядерной энергетики, в настоящее время возник ряд задач по повышению технологичности создания СЗ ядерных реакторов АЭС и улучшению их защитных свойств. Прежде всего это касается наиболее дорогостоящей и ответственной операции монтажа СЗ - термообработки радиационно-защитного бетона. С одной стороны, для технологичности укладки бетона требуется достаточное количество воды затворения, но ее удаление связано с большими энергетическими и временными затратами, а также с риском ухудшения прочностных свойств СЗ. С другой стороны, снижение количества воды затворения приведет к нарушению технологичности укладки бетона и, как отмечалось выше, снижению защитных свойств СЗ.
Из уровня техники известен способ термической обработки серпентинитового бетона СЗ реактора атомной энергетической установки, раскрытый в патенте CN 110219462, опубликованном 10.09.2019. Способ включает в себя шаги на которых: а) в корпус СЗ помещают термопары и нагревательные элементы так чтобы они не касались корпуса; б) заливают серпентинитовым бетоном форму с термопарами и нагревательными элементами в два этапа, поскольку корпус состоит из двух частей – верхней и нижней; на первом этапе заливают нижнюю часть, после её отверждения устанавливают верхнюю часть корпуса и затем заливают ее; в) после заливки бетон сушат встроенными нагревательными элементами, представляющими собой отдельные стержни с одновременным контролем температуры при помощи термопар; г) затем бетон охлаждают.
Недостатки известного способа следующие:
- температура нагревательных элементов равномерно распределена по всей их длине, что приводит к увеличению парообразования в верхней части «сухой защиты» и, как следствие, к растрескиванию бетона «сухой защиты»;
- нагревательные элементы заливаются бетоном, т.е. они становятся неотделимой частью СЗ реактора; это приводит к отсутствию возможности заменить нагревательные элементы в случае поломки, что, в свою очередь, может привести к неравномерности сушки бетона «сухой защиты» и его растрескиванию;
- термопары размещены редко, поэтому невозможен полноценный контроль температуры по всему объему бетона.
Техническая проблема, на решение которой направлена настоящее изобретение, заключается в устранении недостатков аналога и сохранении надежности и безопасности «сухой защиты» АЭС после термической обработки.
Технический результат, достигаемый при использовании заявленного изобретения, заключается в повышении равномерности распределения и плавности температурного воздействия на бетон «сухой защиты» АЭС с одновременным повышением контролируемости температурного воздействия. Также способ расширяет арсенал способов термической обработки серпентинитового бетона «сухой защиты» АЭС.
Техническая проблема решается, а технический результат достигается за счет того, что способ проведения термической обработки серпентинитового бетона «сухой защиты» реактора атомной энергетической станции (АЭС) включает этапы, на которых: укладывают серпентинитовый бетон «сухой защиты» реактора АЭС с одновременным формированием технологических отверстий, выполненных с возможностью установки в них нагревательных элементов и датчиков температуры; размещают в трубных проходках нагревательные элементы и датчики температуры; увеличивают температуру бетона «сухой защиты» реактора АЭС посредством нагревательных элементов, при этом нагрев бетона чередуется с выдержкой при постоянном значении температуры; плавно расхолаживают бетон «сухой защиты» реактора АЭС при отключенных нагревательных элементах, при этом изменение температуры бетона контролируется посредством указанных датчиков температуры, а нагревательные элементы выполнены различной длины, причем средняя плотность размещения нагревательных элементов в верхней части «сухой защиты» выше, чем в средней части «сухой защиты», а в средней части «сухой защиты» выше чем в нижней части «сухой защиты».
Техническая проблема решается, а технический результат достигается также в следующих частных вариантах реализации способа.
После этапа расхолаживания нагревательные элементы могут быть удалены из технологических отверстий.
Этап увеличения температуры бетона может включать в себя подэтапы, на которых: отверждают бетон при температуре окружающей среды не менее 15°С в течение 72 часов; плавно увеличивают температуру бетона до 110±10°С; выдерживают бетон при температуре 110±10°С в течение 72 часов; плавно увеличивают температуру бетона до 150±25°С; выдерживают бетон при температуре 150±25°С в течение 72 часов; плавно увеличивают температуру бетона до 220±20°С; выдерживают бетон при температуре 220±20°С в течение 48 часов. При этом скорость плавного увеличения температуры бетона не превышает 10°С/ч.
Контроль, изменение и поддержание температуры может осуществляться в автоматическом режиме.
В качестве нагревательных элементов могут применяться трубчатые электронагреватели (ТЭН).
Технологические отверстия формируют равномерно по всему периметру «сухой защиты» АЭС, а нагревательные элементы и датчики температуры распределяют равномерно по всему периметру «сухой защиты» АЭС.
Датчики температуры могут размещаться в три уровня: в верхней, в средней и в нижней частях «сухой защиты» АЭС.
Применение в способе термической обработки нагревательных элементов различной длины, распределенных по всему объему «сухой защиты» АЭС с различной средней плотностью по высоте обеспечивает равномерность распределения по вертикали нагрева бетона, а, следовательно, обеспечивает равномерность осушения бетона и снижает вероятность образования трещин. Формирование технологических отверстий для установки в них нагревательных элементов и датчиков температуры обеспечивает однородность структуры серпентинитового бетона, что также сказывается на улучшении его прочностных характеристик. Кроме того, наличие технологических отверстий позволяет осуществлять замену повреждённых датчиков и нагревательных элементов, что позволяет повысить равномерность распределения температурного воздействия и его контроля.
Как известно, практически любой материал с низкой плотностью при резком повышении температуры подвержен процессу образования микротрещин. К таким материалам, в частности, относится серпентинитовый бетон. Поскольку, на начальной стадии бетон содержит большое количество влаги, то при резком увеличении температуры происходит избыточное парообразование внутри бетона и этот пар приводит к образованию трещин, т.е. серпинтираванный бетон при резком повышении температуры сушки подвержен трещинообразованию. Многоступенчатое увеличение температуры бетона в виде чередования нагрева и продолжительной выдержки при постоянном значении температуры позволяет избежать трещинообразования из-за слишком резкого изменения температуры,
Предложенное размещение нагревательных элементов обеспечивает равномерное распределение нагрева как в вертикальном, так и горизонтальном направлении, что исключает локальное повышение температуры в какой-либо из частей «сухой защиты». Размещение датчиков температуры равномерно по всему объему бетона позволяет проводить высокоточный контроль температурной нагрузки на бетон и своевременно вносить корректировки при возникновении необходимости. Заявленный способ может быть автоматизирован, что так же повысит контролируемость процесса сушки и быстроту реакции на нарушения режима термической обработки «сухой защиты» АЭС.
Таким образом, заявленный способ обеспечивает равномерность распределения и плавность температурного воздействия на бетон «сухой защиты» АЭС с одновременным повышением контролируемости температурного воздействия, а следовательно, позволяет сохранить надежность и безопасность «сухой защиты» АЭС на высоком уровне.
Предложенный способ проведения термической обработки серпентинитового бетона «сухой защиты» реактора АЭС работает следующим образом. В полости несущей конструкции «сухой защиты» реактора АЭС укладывают серпентинитовый бетон. Одновременно с укладкой бетона в нём формируются технологические отверстия для установки в них нагревательных элементов и датчиков температуры. Формирование может осуществляться, например, посредством трубных проходок. Кроме того, технологические отверстия формируют равномерно по всему периметру «сухой защиты» АЭС. В полученных технологических отверстиях равномерно по всему периметру «сухой защиты» АЭС размещают нагревательные элементы и датчики температуры. Предпочтительно, в качестве нагревательных элементов применяются трубчатые электронагреватели (ТЭН). Нагревательные элементы выполнены различной длины и размещаются так, чтобы средняя плотность размещения нагревательных элементов в верхней части «сухой защиты» была выше, чем в средней части «сухой защиты», а в средней части «сухой защиты» была выше чем в нижней части «сухой защиты». Датчики температуры размещают в три уровня: в верхней, в средней и в нижней частях «сухой защиты» АЭС, для обеспечения равномерной сети контроля температуры. Затем начинают непосредственно процесс сушки, увеличивают температуру бетона «сухой защиты» реактора АЭС посредством нагревательных элементов, при этом нагрев бетона чередуется с выдержкой при постоянном значении температуры. Предпочтительно, увеличение температуры бетона включает в себя следующие подэтапы, на которых:
- отверждают бетон при температуре окружающей среды не менее 15°С в течение 72 часов;
- плавно увеличивают температуру бетона до 110±10°С;
- выдерживают бетон при температуре 110±10°С в течение 72 часов;
- плавно увеличивают температуру бетона до 150±25°С;
- выдерживают бетон при температуре 150±25°С в течение 72 часов;
- плавно увеличивают температуру бетона до 220±20°С;
- выдерживают бетон при температуре 220±20°С в течение 48 часов.
При этом скорость плавного увеличения температуры бетона не должна превышать 10°С/ч.
Приведённые временные и температурные характеристики основаны на общеизвестной и доступной информации о составе и характеристиках серпентинитового бетона (см., например, RU 2194316 C2 или RU 2529031 C2).
Далее плавно расхолаживают бетон «сухой защиты» реактора АЭС при отключенных нагревательных элементах. Во время всего процесса сушки изменения температуры бетона контролируются посредством указанных датчиков температуры. По завершению процесса нагревательные элементы удаляют из технологических отверстий.
Предпочтительно, контроль, изменение и поддержание температуры осуществляется в автоматическом режиме.