СПОСОБ УМЕНЬШЕНИЯ ВРЕМЕНИ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ КОРИУМА И КОРПУС УСТРОЙСТВА ЛОКАЛИЗАЦИИ РАСПЛАВА ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD FOR REDUCING CORIUM CRYSTALLIZATION TIME AND CASE OF MELT LOCALIZATION DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к области атомной энергетики, частности к системам, обеспечивающим безопасность атомных электростанций (далее - АЭС), и может быть использовано при тяжелых авариях, которые приводят к разрушению корпуса реактора АЭС, а также в металлургии и химической промышленности.
Известен ряд конструкций стенки корпуса устройства локализации расплава (далее - УЛР), стенки которых являются многослойными [патент РФ RU 100327 U1 МПК G21C 9/016 от 17.06.2010, патент РФ RU 2576516 C1 МПК G21C 9/016 от 16.12.2014, патент РФ RU 25765177 С1 МПК G21C 9/016 от 16.12.2014; патент РФ RU 2575878 С1 МПК G21C 9/016 от 16.12.2014; патент РФ RU 2696004 С1 МПК G21C 9/00 от 29.08.2018].
В указанных конструкциях стенка корпуса УЛР, через которую происходит теплопередача от кориума в виде расплава к омывающей корпус охлаждающей жидкости, состоит из внешнего и внутреннего металлических слоев, между которыми располагается слой бетона. Следует заметить, что бетон характеризуется, как материал с меньшим коэффициентом теплопроводности и меньшей температурой плавления, по сравнению со сталью, из которой выполняется внешний и внутренний слои стенки корпуса.
Общим недостатком перечисленных аналогов является значительное время существование кориума в расплавленном виде внутри корпуса УЛР, что порождает генерацию и выброс в герметичную оболочку взрывоопасных газов и радиоактивных веществ в газообразном виде. Кроме того, в кориуме в расплавленном виде всегда происходят экзотермические реакции.
Известен способ и система локализации и охлаждения расплава активной зоны ядерного реактора водоводяного типа, стенка корпуса которой является многослойной, а именно: внутренний и внешний слои выполнены из стали, а между ними находится легкоплавкий бетон. Выбор сложной конструкции стенки сделан из-за опасений возникновения кризиса теплоотдачи на внешней поверхности корпуса, контактирующей с охлаждающей жидкостью. Кроме того, в конструкции стенки предусмотрены меридиональные ребра, с возможностью контакта с внешней и внутренней металлическими стенками, с целью усиления конструкции в случае высоких механических, термодеформационных нагрузок (патент РФ RU 2576517 С1 МПК G21C 9/016, заявка 2014150938/07 от 16.12.2014 - прототип).
Недостатком описанной конструкции стенки УЛР является большие временные промежутки кристаллизации корпуса, в течение которых происходит образование, генерация и выброс в герметичную оболочку взрывоопасных газов и радиоактивных веществ в газообразном виде.
Задачей изобретения является устранение перечисленных недостатков и создание способа уменьшения времени кристаллизации кориума за счет повышения значений теплопередачи от содержимого корпуса УЛР к охлаждающей жидкости и корпуса устройства локализации расплава для его реализации, снижения трудозатрат на ее производство.
Решаемая задача заключается в обеспечении кристаллизации расплавленной среды, находящейся в корпусе УЛР, в течение минимального отрезка времени без прямого контакта расплавленной среды с охлаждающей жидкостью.
Решение указанной задачи достигается тем, что, в предложенном способе уменьшения времени кристаллизации кориума, находящегося в корпусе устройства локализации расплава, содержащем стенку и днище, заключающееся в отводе тепла от кориума к омывающей жидкости через стенку корпуса, согласно изобретению, в упомянутой стенке устанавливают меридиональные ребра, одним концом взаимодействующие, по крайней мере, с жидким кориумом, а другим концом - с омывающей охлаждающей жидкостью.
В варианте применения способа, между меридиональными ребрами и внутренней стенкой шахты реактора, над дном шахты реактора, устанавливают цилиндрическую стенку, высоту которой выполняют не более минимального проектного уровня омывающей охлаждающей жидкости и обеспечивают при этом восходящее течение пароводяной смеси между корпусом устройства локализации расплава и цилиндрической стенкой, а между цилиндрической стенкой и внутренней стенкой шахты реактора - нисходящее течение жидкости.
Для реализации указанного способа, предложен корпус устройства локализации расплава, содержащий стенку и днище, в котором, согласно изобретению, в упомянутой стенке установлены меридиональные ребра, одним концом взаимодействующие, по крайней мере, с жидким корпусом, а другим концом - с омывающей охлаждающей жидкостью, при этом высота меридиональных ребер в месте контакта с охлаждающей жидкостью составляет не менее половины их толщины.
В варианте исполнения корпуса, между меридиональными ребрами и внутренней стенкой шахты реактора над дном шахты реактора установлена цилиндрическая стенка, высота которой не превосходит минимальный проектный уровень охлаждающей жидкости.
Технический результат достигается тем, что меридиональные ребра, контактирующие со средой внутри корпуса УЛР, проходит через стенку корпуса, а, кроме того, имеют вылет через наружную поверхность корпуса в охлаждающую жидкость для увеличения площади контакта стенки корпуса и ее элементов с охлаждающей жидкостью. Контакт меридиональных ребер, выполненных из материала с высокой теплопроводностью, внутри УЛР с его содержимым, процессы радиальной и осевой теплопроводности в ребрах, увеличение площади контакта меридиональных ребер, погруженных в охлаждающую жидкость, по сравнению с цилиндрической стенкой, приводит к росту теплопередачи от кориума к охлаждающей жидкости. Меридиональные ребра, прогретые до высоких значений температуры, и имеющие большую площадь контакта с охлаждающей жидкостью, обеспечивают прирост теплоотдачи, несмотря на возможность возникновения кризиса теплоотдачи на части их поверхности на первых этапах расхолаживания кориума, что приводит к уменьшению времени кристаллизации кориума в корпусе УЛР, а также снижению всех отрицательных последствий существования кориума в виде расплава в УЛР.
В варианте применения способа, между меридиональными ребрами и внутренней стенкой шахты реактора, ниже минимального проектного уровня охлаждающей жидкости над дном шахты реактора, устанавливают цилиндрическую стенку для формирования восходящего, между корпусом УЛР и цилиндрической стенкой, а также нисходящего течения между цилиндрической стенкой и внутренней стенкой корпуса шахты реактора.
В варианте исполнения высота меридиональных ребер в месте контакта с охлаждающей жидкостью составляет не менее половины их толщины.
Сущность предложенного технического решения иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 показан продольный разрез УЛР, оснащенного меридиональными ребрами; на фиг.2 - поперечный разрез УЛР, на фиг. 3 и 4 представлен вариант исполнения корпуса УЛР, продольное и поперечное сечение соответственно.
Предложенный способ уменьшения времени кристаллизации кориума может быть реализован при помощи корпуса устройства локализации расплава, имеющего следующую конструкцию.
В корпусе УЛР, в котором находится кориум 1 в виде расплава, внутренняя стенка 2 корпуса выполнена стальной, внутренняя стенка 3 выполнена из слоя бетона, и внешняя стенка 4 выполнена стальной. Возможно выполнение одной сплошной стенки, состоящей из одного слоя. Снаружи корпус УЛР омывается охлаждающей жидкостью 5, которая заполняет зазор между стенкой корпуса УЛР и внутренней поверхностью стенки шахты 6 реактора.
Меридиональные ребра 7 и 8 выполнены в цилиндрической части стенки и в области дна соответственно. Приток тепла от меридиональных ребер 7 и 8, а также от стенки 4 корпуса УЛР к охлаждающей жидкости, находящейся при параметрах насыщения, приводит к парообразованию и формированию подъемного течения двухфазной парожидкостной смеси 9 вдоль меридиональных ребер 7 и 8.
Корпус УЛР расположен над дном шахты реактора 10. В стенке шахты реактора, в области дна, выполнены коридоры для притока жидкости из помещения фильтров (показаны, но не обозначены).
В варианте исполнения, над дном шахты реактора установлена цилиндрическая стенка 11, высота которой выполнена менее минимального проектного уровня охлаждающей жидкости. Указанная стенка расположена между меридиональными ребрами 7 и внутренней поверхностью стенки шахты реактора 6. Данная конструкция позволяет улучшить формирование восходящего и нисходящего течения, увеличить скорость обтекания меридиональных ребер, т.е. повысить теплопередачу от кориума 1 к охлаждающей жидкости 5 через меридиональные ребра 7 и 8.
Предложенный способ уменьшения времени кристаллизации кориума может быть реализован при помощи указанного корпуса устройства локализации расплава следующим образом.
Кориум 1 в виде расплава находится в корпусе УЛР. Высокие температуры расплавов, попадающих в УЛР после проплавления корпуса реактора, вступающих во взаимодействие с наполнителем УЛР, приводят к образованию в корпусе кориума 1 при высокой температуре в виде расплава многокомпонентной парогазовой среды над ним. Это вызывает интенсивный прогрев меридиональных ребер 7 и 8, выполненных из материала с высокой теплопроводностью, сразу же после поступления расплава в УЛР. Сочетание радиальной и осевой теплопроводности в меридиональных ребрах приводит к интенсификации теплообмена ребер с охлаждающей жидкостью, причем на первой стадии указанного процесса стенка фактически не участвует в теплоотдаче от кориума.
Корпус УЛР, расположенный над дном шахты реактора 10, снаружи омывается охлаждающей жидкостью 5.
Охлаждающая жидкость 5, находящаяся при параметрах насыщения, в результате контакта с меридиональными ребрами 7 и 8, а также наружной стенкой корпуса УЛР вскипает, при этом формируется восходящее течение двухфазной пароводяной смеси 9 вдоль стенки 4 корпуса УЛР. Пар удаляется с поверхности раздела в герметичную оболочку, а вдоль внутренней поверхности шахты реактора 6 формируется нисходящее течение. Компенсации потерь охлаждающей жидкости из-за парообразования при теплоотводе от корпуса УЛР производится за счет притока жидкости из помещения фильтров через коридоры в стенке 6 шахты реактора, расположенные в примыкающей к дну 10 шахты реактора области.
Так как прогрев меридиональных ребер 7 и 8, выполненных из металла с высокой теплопроводностью, происходит за незначительное время после поступления расплава в корпус УЛР, задолго до плавления стенки корпуса, то процесс теплопередачи от кориума к охлаждающей жидкости через меридиональные ребра начинается значительно раньше, причем его значения достаточно велики. Кроме того, в меридиональных ребрах из материала с высоким коэффициентом теплопроводности существует как радиальная, так и аксиальная теплопроводность. Это означает наличие дополнительных тепловых потоков с поверхности контакта меридиональных ребер к охлаждающей жидкости. Перечисленное приводит к значительному снижению времени кристаллизации кориума в УЛР, а также уменьшению всех отрицательных последствий существования кориума в виде расплава внутри корпуса УЛР.
Суммарное количество тепла, которое заложено в конструкции УЛР и должно быть отведено охлаждающей жидкостью состоит из: - тепла охлаждения кориума, многокомпонентной среды, до температуры плавления; - теплоты фазового перехода при кристаллизации расплава кориума; - отвода тепла, образующегося в экзотермических реакциях при существовании расплава кориума; - охлаждения корпуса УЛР с кориумом в кристаллическом виде; - остаточного тепловыделения в элементах активной зоны, попавших в корпус УЛР.
В приведенном выше перечислении важным является отвод тепла, образующегося в экзотермических реакциях при существовании расплава кориума, т.к. радиоактивные вещества в газообразном виде образуются, в основном, при протекании указанных реакций, при этом в результате этих реакций образуется часть горючих газов и их соединений, которые затем попадают в герметичную оболочку.
В варианте применения способа, формируют восходящий поток двухфазной пароводяной смеси между цилиндрической стенкой 11 и внешней стенкой 4 корпуса УЛР в результате интенсивного теплоподвода с поверхности меридиональных ребер 7 и 8. Использование цилиндрической стенки 11 приводит к росту паросодержания в восходящем потоке двухфазной смеси. В данном случае, применение цилиндрической стенки 11 позволяет получить увеличение скорости охлаждающей жидкости 5, омывающей меридиональные ребра 7, за счет роста разности весовых столбов жидкости между корпусом УЛР и цилиндрической стенкой 11, с одной стороны, и между упомянутой стенкой 11 и внутренней стенкой шахты реактора 6 с другой стороны. Увеличение скорости потока при обтекании ребристых стенок приводит к росту теплоотдачи. Таким образом, применение цилиндрической стенки 11 способствует повышению теплопередачи от кориума 1 к охлаждающей жидкости 5 через меридиональные ребра 7 и 8, а также через стенку корпуса УЛР.
При существовании кориума в виде расплава образуются горючие и радиоактивные газы, а в расплаве кориума происходят экзотермические реакции. Снижение времени кристаллизации кориума позволяет уменьшить перечисленные процессы газообразования и период экзотермических реакций в кориуме.
Увеличение теплопередачи от кориума к охлаждающей жидкости способствует повышению надежности УЛР, а также создает предпосылки для пересмотра конструкции корпуса УЛР, снижения его массы, технологических решений с точки зрения повышения транспортабельности конструкции. Все перечисленное позволяет снизить материальные затраты на производство УЛР и его транспортировку.
Увеличение теплопередачи от кориума к охлаждающей жидкости способствует повышению надежности УЛР, а также создает предпосылки для пересмотра конструкции исключительно многослойной стенки корпуса УЛР, технологических решений по снижению его массы, решений технологичности производства, возможность повышения транспортабельности конструкции. Все перечисленное позволяет снизить материальные затраты на производство УЛР и его транспортировку.
Использование предложенного технического решения позволит создать способ уменьшения времени кристаллизации кориума за счет повышения значений теплопередачи от содержимого корпуса устройства локализации расплава к охлаждающей жидкости, создает возможности пересмотра конструкции корпуса с целью снижения себестоимости его изготовления.