ШИХТА И ЗАЩИТНЫЙ ОКСИДНЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ УСТРОЙСТВА ЛОКАЛИЗАЦИИ РАСПЛАВА АКТИВНОЙ ЗОНЫ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА
FURNACE CHARGE AND PROTECTIVE OXIDIC MATERIAL FOR NUCLEAR REACTOR ACTIVE ZONE FUSION LOCALISATION DEVICE

Изобретение относится к устройствам для улавливания разрушенной активной зоны ядерного реактора и средствам предотвращения пожаров и накопления взрывчатых газов, конкретно - к шихтам, теплозащитным материалам, и предназначено, в основном, для применения в устройствах локализации расплава активной зоны ядерных реакторов.
Для повышения безопасности атомных электростанций широкое развитие получают пассивные системы безопасности, не требующие в процессе борьбы с аварией питания от внешних источников энергии и участия оператора. Одной из таких систем являются устройства локализации расплава активной зоны ядерного реактора (далее УЛР), содержащие материалы, обеспечивающие удержание и охлаждение расплава активной зоны в пространстве УЛР. В современной ядерной энергетике наибольшее применение получили реакторы водо-водяного типа (ВВЭР) [1]. Основную опасность при аварии на таких реакторах, сопровождающихся плавлением активной зоны, представляет выход расплава активной зоны за пределы корпуса реактора в реакторное пространство. При таком развития аварии неминуемо образование водорода из-за взаимодействия активных восстановителей, содержащихся в расплаве активной зоны (в основном урана и циркония) с парами воды, содержащимися в реакторном пространстве (1). Количество водорода будет тем больше, чем больше воды содержится в атмосфере реакторного пространства и элементах УЛР. Наличие водорода очень опасно из-за возможного протекания реакции окисления его кислородом, сопровождающейся взрывом (2):
<mrow><mi>Z</mi><mi>r</mi><mo>+</mo><mn>2</mn><msub><mi>H</mi><mn>2</mn></msub><mi>O</mi><mo>=</mo><mi>Z</mi><mi>r</mi><msub><mi>O</mi><mn>2</mn></msub><mo>+</mo><mn>2</mn><msub><mi>H</mi><mn>2</mn></msub><mo>↑</mo><mtext>                                                </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><mn>2</mn><msub><mi>H</mi><mn>2</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>O</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mn>2</mn><msub><mi>H</mi><mn>2</mn></msub><mi>O</mi><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>Q</mi><mo>=</mo><mn>250</mn><mtext> </mtext><mi>к</mi><mi>Д</mi><mi>ж</mi><mo>/</mo><mi>м</mi><mi>о</mi><mi>л</mi><mi>ь</mi><mtext> </mtext><msub><mi>H</mi><mn>2</mn></msub><mi>O</mi><mo>,</mo><mtext> </mtext><mi>п</mi><mi>о</mi><mi>т</mi><mi>е</mi><mi>н</mi><mi>ц</mi><mi>и</mi><mi>а</mi><mi>л</mi><mi>ь</mi><mi>н</mi><mi>о</mi><mo>−</mo><mi>в</mi><mi>з</mi><mi>р</mi><mi>ы</mi><mi>в</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mtext>      </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
.
Устройство локализации расплава (УЛР) устанавливают в подреакторном пространстве ядерного реактора под его активной зоной. Оно представляет собой теплозащитную металлическую конструкцию, в которой размещены блоки так называемого жертвенного материала [2]. Жертвенный материал является основным функциональным элементом УЛР, обеспечивающий:
- интенсивное химическое взаимодействие с оксидной частью расплава активной зоны, эффективное охлаждение расплава активной зоны и понижение плотности оксидной части расплава до ее инверсии с металлической частью расплава;
- интенсивное химическое взаимодействие с металлической частью расплава активной зоны, уменьшение образования газообразного водорода путем окисления наиболее активных восстановителей, входящих в ее состав и участвующих в образовании водорода при взаимодействии с парами воды;
- разбавление тепловыделяющего расплава, содержащего делящиеся материалы, с уменьшением плотности энерговыделения от продуктов деления и обеспечением ядерной подкритичности системы;
- отсутствие равновесного или гравитационного расслоения расплава;
- снижение выделения газов, паров и аэрозолей, опасных радиоактивных компонентов;
- стабильность существования образующегося после локализации расплава твердого тела в течение длительного промежутка времени;
- низкие скорости выщелачивания продуктов деления из закристаллизованного тела.
2
3
2
3
Наиболее эффективные в настоящее время жертвенные материалы содержат оксиды железа, алюминия и целевые добавки, например SrO, GdO, LaO [3, 4]. Жертвенные материалы находятся в УЛР в виде пластин, расположенных в кассетах в нижней части УЛР, а также в виде гранул, засыпанных в пристеночном пространстве корпуса УЛР [2, 5]. Опыт эксплуатации ядерных реакторов показал, что для повышения безопасности и надежности локализации расплава активной зоны в условиях запроектной аварии УЛР, кроме жертвенных материалов должен включать неметаллические материалы, выполняющие дополнительные функции.
В частности, для надежного функционирования УЛР необходимо, чтобы все ее конструкционные элементы были надежно защищены от воздействия на них расплава активной зоны (как прямого, связанного с химическим взаимодействием, так и в виде теплового излучения). В качестве теплозащитного материала элементов конструкции УЛР целесообразно использовать материалы:
- имеющие температуру начала плавления выше, чем температура начала активного взаимодействия жертвенного материалы с расплавом активной зоны;
- с низкой теплопроводностью;
- не включающие компоненты, вступающие в химическое взаимодействие с компонентами расплава активной зоны в условиях запроектной аварии;
- выделяющие минимальное количество воды, которое по времени выхода из материала должно быть разделено с выходом кислорода из жертвенного материала.
Перечисленные требования к защитному материалу поясняются ниже.
Важнейшие части УЛР, требующие надежной защиты от воздействия расплава активной зоны ядерного реактора - днище и стенки корпуса УЛР. Корпус испытывает большие тепловые нагрузки из-за того, что период времени до наступления инверсии оксидной и металлической составляющих расплава характеризуется относительно высоким уровнем температур оксидной компоненты расплава. Известно, что для конического днища корпуса характерен низкий уровень критического теплового потока, что ограничивает допустимые тепловые нагрузки. Также опасным является первый период времени после инверсии расплава, когда на днище приходит металлическая составляющая расплава, имеющая более низкую температуру по сравнению с оксидной составляющей, но с существенно большей теплопроводностью. Тепловая защита уменьшает опасность раннего выхода расплава на днище корпуса.
2
3
В состав пластин жертвенного материала входит FeO, который при температуре, приблизительно равной 1400°C, разлагается с выделением кислорода:
<mrow><mn>6</mn><mi>F</mi><msub><mi>e</mi><mn>2</mn></msub><msub><mi>O</mi><mn>3</mn></msub><mo>=</mo><mn>4</mn><mi>F</mi><msub><mi>e</mi><mn>3</mn></msub><msub><mi>O</mi><mn>4</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>O</mi><mn>2</mn></msub><mo>↑</mo><mtext>                                              </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>3</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
.
Выделяющийся кислород потенциально опасен, как компонент реакции окисления водорода (1). Поэтому необходимо, чтобы процесс выделения воды с выделением водорода из функциональных материалов (см. реакцию (2)) был разделен по времени с процессом разложения оксида железа и выделением кислорода.
Учитывая область применения жертвенного материала необходимо, чтобы состав защитного материала не содержал компонентов, не входящих в состав системы расплава активной зоны (U-Z-Fe-O). Это уменьшает вариантность расплава, образующегося при взаимодействии расплава активной зоны с жертвенным материалом, так как добавление новых компонентов системы резко увеличивает сложность прогнозирования ее поведения.
Для защиты элементов конструкции УЛР в [6] предложен бетон. Он разработан специально для применения в УЛР ядерного реактора и включает: вяжущее (смесь портландцементного клинкера и оксида железа в соотношении 1:1), заполнитель (гранулы из спеченных оксидов железа и алюминия в соотношении 7:3), пластифицирующую добавку и затворитель (вода) в соотношении, мас.%: вяжущее - 33-46, заполнитель - 41-49, пластифицирующая добавка - 0,35-0,64, остальное - вода. Комбинация наполнителя с цементом подобрана такой, чтобы обеспечить приемлемую укладку бетонных смесей для защиты элементов конструкции УЛР.
Указанный бетон выбран прототипом настоящего изобретения - по назначению и основному изобретательскому замыслу. Он состоит из легкодоступных дешевых материалов и имеет достаточную прочность. Однако современный уровень понимания процесса работы УЛР показал, что некоторые характеристики этого бетона недостаточны для эффективной и безопасной работы УЛР, а именно:
- в его состав входит большое количество воды, из-за чего велико количество водорода, выделяющегося в реакторное пространство в результате реакции окисления парами воды активных восстановителей (1). Большое количество водорода резко повышает вероятность взрыва в реакторном пространстве из-за реакции окисления водорода кислородом воздуха (2) с большим выделением тепла;
2
3
- он содержит оксид железа (FeO), который разлагается при температуре, приблизительно равной 1400°C, с образованием кислорода (3), так как в местах контакта расплава активной зоны с материалами реакторного пространства температура порядка 2000-2500°C. Выделяющийся кислород увеличивает давление в реакторном пространстве, но, главное - также повышает вероятность взрыва по реакции (2). В прототипе, при взаимодействии с расплавом активной зоны, будут происходить процессы жидкофазного горение [7] содержащихся в расплаве активной зоны активных восстановителей (в основном урана и циркония) по реакции (4):
<mrow><mn>2</mn><mi>Z</mi><mi>r</mi><mo>+</mo><mi>F</mi><msub><mi>e</mi><mn>3</mn></msub><msub><mi>O</mi><mn>4</mn></msub><mo>=</mo><mn>2</mn><mi>Z</mi><mi>r</mi><msub><mi>O</mi><mn>2</mn></msub><mo>+</mo><mn>3</mn><mi>F</mi><mi>e</mi><mtext>                                                </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>4</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
.
В связи с этим, бетон-прототип будет разрушаться и не сможет выполнять функции тепловой защиты:
- он обладает низкой температурой плавления (1420°С). Известно, что для подобных защитных материалов, разрушение происходит при температуре, близкой к температуре начала плавления (1450°C). Для выполнения своей основной функции - теплоизоляции и защите элементов конструкции УЛР необходимо, чтобы температура их разрушения была выше, чем температура разрушения функциональных элементов УЛР. Применительно к нижней части УЛР таким функциональным элементом служит керамический жертвенный материал, температура начала активного взаимодействия с расплавом активной зоны для которого равна 1775°C, что существенно выше температуры разрушения бетона-прототипа (1450°C). Поэтому разрушение защитного бетонного слоя нижнего слоя УЛР произойдет раньше, чем жертвенный материал выполнит свою функцию - взаимодействие с расплавом активной зоны;
- он содержит большое количество оксида кремния (один из основных компонентов портландцемента, используемого в прототипе). При высоком содержании оксида кремния возникает вероятность расслаивания расплава.
Вышеприведенный анализ показал:
- для уменьшения количества выделяющегося водорода, а, значит, и вероятности взрыва (реакция (2)), надо сократить количество воды в используемых в УЛР защитных неметаллических материалах;
- для повышения надежности защиты дна и стенок УЛР надо существенно повысить температуру плавления защитного материала и снизить его теплопроводность для надежной теплоизоляции защищаемых конструкционных элементов УЛР;
- состав защитного материала не должен содержать компонентов, химически взаимодействующих с расплавом активной зоны, сопровождающихся выделением газов, аэрозолей, летучих веществ.
Как было сказано выше, для повышения эффективности и взрывобезопасности работы УЛР аварийного ядерного реактора желательно уменьшить количество выделяющейся воды в реакторное пространство из неметаллических материалов УЛР, повысить теплозащиту дна и стенок УЛР. Поскольку прототип-бетон является основным материалом, выделяющим воду, и недостаточно теплозащитным - целесообразно заменить его специальной шихтой и оксидным защитным материалом, решающим эти проблемы.
Задача изобретения - повысить эффективность и взрывобезопасность работы устройства локализации расплава активной зоны ядерного реактора путем создания шихты и оксидного защитного материала с меньшим содержанием воды и с более высокой температурой плавления.
Прототип-бетон [6] включает в качестве вяжущего тонкомолотую смесь портландцементного клинкера и оксида железа в массовом соотношении 1:1, в качестве заполнителя - гранулы из спеченных оксидов железа и алюминия в массовом соотношении 7:3, пластификатор и воду при следующем соотношении компонентов, мас.%: вяжущее - 33-46, заполнитель - 41-49, пластификатор - 0,35-0,64, остальное - вода. Содержание воды в бетоне 20-25% и его температура начала плавления 1420°C. Эти характеристики необходимо улучшить.
Указанная техническая задача - создание защитного материала с меньшим содержанием воды и более высокой температурой плавления решена тем, что:
1) создана новая шихта для оксидного защитного материала устройства локализации расплава аварийной зоны ядерного реактора, включающая корундовую смесь из крупно- и мелкодисперсного оксида алюминия и алюмокальциевую смесь из моно- и диалюмината кальция, в соотношении, мас.%: корундовая смесь - 55-85, алюмокальциевая смесь - 15-45, при этом весовые отношения крупно- и мелкодисперсного оксида алюминия в корундовой смеси в пределах от 99:1 до 10:1, а весовые отношение моно- и диалюмината кальция в алюмокальциевой смеси в пределах от 1:4 до 1:5;
2) создан новый защитный оксидный материал для ловушки расплава активной зоны ядерного реактора, включающий оксидную шихту и воду, в соотношении мас.%: оксидная смесь - 100%, вода - 5,5-8,0% (сверх 100%), причем оксидная смесь содержит корундовую смесь из крупно- и мелкодисперсного оксида алюминия и алюмокальциевую смесь из моно- и диалюмината кальция, в соотношении, мас.%: корундовая смесь - 55-85, алюмокальциевая смесь - 15-45, при этом весовые отношения крупно- и мелкодисперсного оксида алюминия в корундовой смеси в пределах от 99:1 до 10:1, а весовые отношение моно- и диалюмината кальция в алюмокальциевой смеси в пределах от 1:4 до 1:5.
2
3
2
4
4
7
2
4
4
7
4
7
Необходимость фазового состава оксидной шихты (AlO, CaAlO, CaAlO) определяется требованиями, предъявляемыми к защитному оксидному материалу по минимизации количества выделяемой воды и одновременному достижению высокой температуры плавления. Известно, что количество воды, требуемое для образования кристаллогидратов, обеспечивающих прочность материала, в ряду алюминатов кальция CaAlO, CaAlO уменьшается с увеличением молярной массы, при этом прочностные свойства образуемых ими кристаллогидратов не уменьшаются. Таким образом, при увеличении относительного содержания CaAlO в общей доли алюминатов кальция сохраняется прочность материала при значительном снижении содержания воды в нем.
Применение в оксидном защитном материале мелкодисперсного оксида алюминия усиливает связующие свойства кристаллогидратов алюмината и диалюмината кальция, что позволяет уменьшить количество воды, добавляемое к оксидной шихте для получения оксидного защитного материала без потери прочностных свойств, получаемого материала. Кроме того, одновременное применение крупно- и мелкодисперсного оксида алюминия позволит получить более плотную упаковку частиц и более плотную структуру защитного оксидного материала, намного более устойчивую к воздействию агрессивных реагентов, что особенно важно, учитывая защитные функции заявляемого материала.
Заявляемую шихту можно изготовить, например, из гранул оксида алюминия в мелко- и крупнодисперсном состоянии (таблица 1), диалюмината и моноалюмината кальция (таблица 2).
В качестве крупнодисперсного оксида алюминия можно использовать корундовый заполнитель фракции 2-0 мм, а в качестве мелкодисперсного оксида алюминия - диспергирующие глиноземы марок ADS-3 и/или ADW-1 фирмы «Almatis».
Оксидный защитный материал изготавливают из указанной шихты и воды.
Шихту для защитного материала изготовляют следующим способом: отмеряют в требуемом соотношении компоненты корундовой смеси - крупно- и мелкодисперсный оксид алюминия и алюмокальциевой смеси - моноалюминат и диалюминат кальция. Помещают их в смесительное устройство и перемешивают до полной гомогенизации смеси. Далее полученную массу выгружают в технологическую тару для доставки к месту изготовления функционального оксидного материала.
Изготовление оксидного защитного материала из предложенной оксидной смеси осуществляется следующим образом: отмеряют оксидную шихту и воду в соотношении: оксидная шихта - 100%, вода - 5,5-8,0% (сверх 100%). Затем заливают в растворосмеситель 2/3 отмеренного количества воды, включают перемешивающее устройство, затем засыпают в растворосмеситель всю отмеренную оксидную шихту. После этого заливают в растворосмеситель оставшуюся воду при постоянном перемешивании. Время перемешивания 10-15 мин. Далее полученную массу выгружают в технологическую тару для доставки к месту сборки и монтажа конструкции УЛР.
В Таблице 3 представлены результаты измерений характеристик изготовленных образцов оксидного защитного материала с разным составом шихты (температуры начала/конца плавления, прочность на сжатие и изгиб, кажущаяся плотность, теплопроводность, удельная теплоемкость). Для сравнения последняя строка таблицы - соответствующие характеристики бетона прототипа.
Составы 1, 6, 11 вне заявленной области.
Количество мелкодисперсного оксида алюминия должно быть не менее 0,55%, что является минимальной концентрацией, при которой этот оксид начинает усиливать связующие свойства кристаллогидратов алюминатов кальция в рассматриваемом материале. При уменьшении содержания мелкодисперсного оксида алюминия повышается количество воды, требуемое для придания защитному материалу необходимой прочности за счет образования кристаллогидратов алюминатов кальция (состав 6 в табл.3).
2
4
4
7
2
4
4
7
Составы 1 и 6 (табл.3) характеризуется нарушением указанного соотношения между диалюминатом и моноалюминатом кальция, при котором материал обладает достаточной прочностью, но требования к количеству добавляемой воды значительно снижены. Для состава 1 шихты защитного оксидного материала соотношение CaAlO:CaAlO=1:2, а для состава 6 соотношение CaAlO:CaAlO=1:3, что существенно отличается от заявленного диапазона соотношений для разрабатываемого материала 1:4-1:5. Такое отклонение приводит к повышению содержания воды в материале, что недопустимо, в связи с особенностями эксплуатации материала (см. выше).
Состав 11 оксидной шихты для защитного материала недостаточно прочен. Сравнительные испытания показали, что прочность защитного материала уменьшается при повышении содержания мелкодисперсного оксида алюминия около 10 мас %.
Превышение содержания мелкодисперсного оксида алюминия к крупнодисперсному вышеуказанного отношения (1:10) (для состава 11 такое соотношение равно 1:8,1) приводит к потере прочности и плотности защитного оксидного материала из-за снижения плотности упаковки частиц крупнодисперсного оксида алюминия и присутствующих алюминатов. Этим фактом объясняется и указанный диапазон содержания крупнодисперсного оксида алюминия (55-85), который рассчитан с учетом возможности содержания в нем мелкодисперсного оксида, обеспечивающего снижение содержания воды (уменьшается % добавляемой воды к оксидной шихте за счет усиления связующих свойств алюминатов кальция) в материале при обеспечении необходимой прочности материалу за плотной упаковки частиц мелко- и крупнодисперсного оксида алюминия.
солидус
ликвидус
солидус
ликвидус
Одно из основных мест использования заявленной шихты и оксидного защитного материала в УЛР - покрытие днища и стенок УЛР. Это покрытие защищает корпус УЛР от разрушения тепловым воздействием расплав, в случае его раннего выхода на контакт с ним. Период времени до наступления инверсии оксидной и металлической составляющих расплава характеризуется относительно высоким уровнем температур оксидной составляющей расплава, и его выход па корпус днища крайне нежелателен. Следует отметить, что для конического днища корпуса характерен низкий уровень критического теплового потока, что накладывает ограничения на тепловые нагрузки. Также является опасным первый период времени после инверсии оксидной и металлической составляющих расплава, когда на днище приходит металлическая составляющая расплава, обладающая более низкой температурой по сравнению с оксидной составляющей, но существенно большей теплопроводностью. Для предотвращения опасности раннего выхода расплава на днище корпуса и стенки, их целесообразно покрывать термостойким материалом. Заявленный защитный оксидный материал имеет существенно большую термостойкость по сравнению с прототипом. Его Т находится в пределах 1750-1850°C, Т в пределах 1940-2021°C, а у прототипа Т равна 1420°C, Т равна 1850°C.
Как было сказано выше, для термостойких материалов, контактирующих с расплавом активной зоны, за температуру разрушения можно принять температуру, близкую (несколько выше) к температуре начала плавления. Для оксидного защитного материала она будет равна 1780°C, что соответствует температуре начала активного взаимодействия пластин жертвенного материала с расплавом активной зоны (1775°C). Разрушение защитного материала, которым покрыто днище и стенки, который служит опорой для размещенных пластин жертвенного материала, в условиях запроектной аварии, в отличие от прототипа, произойдет не раньше, чем жертвенный материал начнет выполнять свои функции. Таким образом, использование заявленного оксидного материала для защиты днища, стенок УЛР и ее нижнего слоя обеспечит более надежную локализацию блоков жертвенного материала в УЛР, значительно более надежное функционирование керамического жертвенного материала, повысив эффективность выполнения УЛР необходимых функции по удержанию и охлаждению расплава активной зоны.
2
3
Существенен также факт, что кислородный потенциал оксидной шихты и защитного материала меньше, чем у прототипа, поскольку в нем нет компонентов, способных разлагаться с выделением летучих форм, в том числе кислорода, в отличие от прототипа, в котором присутствует FeO, который при температуре, приблизительно равной 1400°C, разлагается с выделением кислорода по реакции (3). Известно, что выделение кислорода крайне нежелательно, так как оно повышает давление в реакторном пространстве и увеличивает вероятность взрыва водорода.
Состав оксидной шихты и защитного материала исключает процесс жидкофазного горения при взаимодействии его с расплавом активной зоны, поскольку в нем нет компонентов, проявляющих окислительные свойства в условиях запроектной аварии. Это предотвращает разрушение материала.
Существенно меньшее содержание воды в защитном оксидном материале по сравнению с прототипом (5,5-8,0% против 18%) позволит значительно уменьшить количество газообразного водорода в реакторном пространстве, образовавшегося при взаимодействии паров воды, выделившихся из бетона, с активными восстановителями, содержащимися в расплаве активной зоны по реакции (1).
2
3
Проведенные исследования по изучению поведения шихты и материала при нагревании показали, что выделение воды происходит в интервале температур 70-300°C в две стадии: максимальная скорость первой стадии наблюдается при температуре, равной 90°C, что соответствует выделению физически сорбированной воды; максимальная скорость второй стадии наблюдается при температуре, равной 240°C, что соответствует разложению кристаллогидратов кальция и выделению химически связанной воды. Этот факт означает, что взаимодействие выделившейся воды с активными восстановителями, содержащимися в расплаве активной зоны, сопровождаемое выделением водорода (реакция (1)), будет значительно разделено по времени с процессом выделения кислорода из жертвенных материалов, происходящих при температуре, приблизительно равной 1400°C, вследствие разложения FeO по реакции (3). Следовательно, вероятность реакции (2), сопровождающейся взрывом, значительно снижается.
Важным требованием к защитному материалу, как к теплозащитному является низкая теплопроводность, которая предотвращает перегрев защищаемых конструкционных элементов. Для заявленного защитного материала экспериментально определено, что при температуре, равной 1000°C, на горячей стороне значение теплопроводности составляет 2,37-2,45 Вт·м/K. Такая низкая теплопроводность значительно снижает нагрев внешних стенок УЛР, охлаждаемых водой.
2
3
Компоненты оксидной шихты и защитного материала в условиях тяжелой аварии не будут химически взаимодействовать с расплавом активной зоны, выделяя какие-либо летучие вещества. В оксидном материале нет компонентов, способных разлагаться с выделением веществ, повышающих давление паров в реакторном пространстве. Одновременно с этим, AlO, содержащийся в шихте и материале, является хорошим хладагентом, поглощающим тепло при своем плавлении, то есть он способствует снижению температуры расплава активной зоны и охлаждению системы. Тем самым, защитный материал частично будет выполнять функции жертвенного материала.
Одновременное применение в оксидной шихте и в материале одного химического соединения (оксида алюминия) разной дисперсности позволяет, с одной стороны, обеспечить прочность материала, используя крупнодисперсный оксид алюминия как наполнитель, и, с другой стороны, значительно сократить водопотребление оксидной смеси за счет использования мелкодисперсного оксида алюминия, который, как было установлено экспериментально, усиливает связующие свойства кристаллогидратов алюмината и диалюмината кальция, не усложняя при этом химический состав материала.
Приведенные выше результаты экспериментальной проверки параметров защитного оксидного материала показали, что задача изобретения решена. Состав оксидной шихты и оксидного защитного материала для УЛР имеет значительно меньшее содержание воды, более высокую температуру плавления, чем прототип, причем в результате использования этого материала значительно снижается вероятность протекания реакции (2) за счет разделения по времени поступления компонентов реакции в реакторное пространство. При этом другие важные свойства материала (прочность, кажущаяся плотность) не ухудшились.
Применение защитного материала в устройстве локализации расплава активной зоны ядерного реактора повысит надежность и эффективность его работы, и, как следствие, повысит надежность защиты окружающей среды при запроектной аварии ядерного реактора - снизится вероятность водородного взрыва за счет:
1) уменьшения количества выделяемого свободного газообразного водорода;
2) разделения по времени выделения в реакторное пространство паров воды (а, значит, и газообразного водорода) из защитного материала и газообразного кислорода (из пластин жертвенного материала).
Применение шихты и защитного материала повысит защиту элементов конструкции УЛР от преждевременного разрушения за счет более высокой температуры плавления и низкой теплопроводности защитного материала.
Проверить вышеназванные достоинства шихты и защитного материала невозможно в условиях реальной ядерной аварии, но опыт эксплуатации ядерных реакторов в мире и активное непрерывное изучение деталей процессов известных запроектных аварий (авария на четвертом блоке Чернобыльской АЭС, СССР в 1986 г., авария на 1, 2 и 3 блоках АЭС Фукусима-1, Япония в 2011 г.) позволяет утверждать, что предлагаемое решение вносит заметный вклад в повышение безопасности эксплуатации ядерных реакторов.
Технический результат изобретения - разработана шихта и оксидный защитный материал, фазовый и дисперсный состав которых обеспечили им малое содержание воды и высокую температуру плавления. Результат достигнут, кроме нового фазового и дисперсного состава, теоретическим и экспериментальным выбором оптимальных соотношений компонентов шихты и соотношений элементов корундовой и алюмокальциевой смесей.
Заявленные шихта и защитный материал не известны авторам из доступных источников информации.
Технические решения не вытекают явным образом из современного уровня техники, не очевидны для специалиста.
Таким образом, заявленное решение удовлетворяет всем критериям, предъявляемым к изобретениям, оно решило важную техническую задачу - повысило безопасность ядерных реакторов путем разработки новой оксидной шихты и нового защитного оксидного материала с меньшим содержанием воды и более высокой температурой плавления конструктивных элементов ловушки расплава аварийной зоны. Решение было неизвестно из уровня техники, неочевидно для специалиста и может быть изготовлено известными в настоящее время материалами и технологиями.
Источники информации
1. Angelo J.A. Nuclear technology. - USA: Greenwood Press, 2004.
2. Гусаров В.В., Альмяшев В.И., Хабенский В.Б., Бешта С.В., Грановский B.C. Новый класс функциональных материалов для устройства локализации расплава активной зоны ядерного реактора // Рос. хим. ж. 2005. Т.49, N 4. С.42-53.
3. Патент РФ № 2178924, опубликован 27.01.2002.
4. Патент РФ № 2206930, опубликован 20.06.2003.
5. Патент РФ № 2253914, опубликован 10.06.2005.
6. Патент РФ № 2214980, опубликован 27.10.2003 - прототип.
7. Гусаров В.В., Альмяшев В.И. и др. Физико-химическое моделирование горения материалов с суммарным эндотермическим эффектом // Физика и химия стекла. 2007. Т.33. № 5. С.678-685.