УСТРОЙСТВО ЛОКАЛИЗАЦИИ РАСПЛАВА С ЗАЩИТНЫМ ПОКРЫТИЕМ

Область техники
Полезная модель относится к ядерной технике, в частности к системам локализации расплава активной зоны атомного реактора, и может быть использована для предотвращения выхода расплава за пределы атомной электростанции (АЭС) при запроектной аварии.
Предшествующий уровень техники
При запроектной аварии на АЭС возможно проплавление корпуса реактора расплавом, образующимся при аварии и состоящим из расплавленных компонентов активной зоны реактора и их обломков. Для противодействия попаданию расплава в окружающую среду в последние десятилетия разрабатываются различные тип устройств локализации расплава (УЛР), назначение которых заключается в улавливании расплава активной зоны с его дальнейшим охлаждением внутри УЛР, при этом охлаждение происходит через стенки УЛР за счет контакта с охлаждающей жидкостью, наполняющей шахту, в которой размещено УЛР, при запроектной аварии. Большое значение для этого процесса имеет устройство стенок УЛР, поскольку они, с одной стороны, должны выдерживать давление и температуру расплава (в случае проплавления стенки УЛР контакт расплава активной с охлаждающей жидкостью может привести к паровому взрыву), что требует увеличения толщины стенок, а с другой стороны - обеспечивать теплообмен между расплавом и охлаждающей жидкостью, что в свою очередь требует уменьшения толщины стенок. Это означает, что их толщина должна быть оптимальной (как правило, около 5 см), при этом важно не допустить коррозии стали, из которой выполнены стенки, поскольку даже небольшое истончение стенки вследствие коррозии или ослабление ее силовых характеристик может привести к ее проплавлению расплавом в сочетании с динамическим давлением со стороны расплава в случае запроектной аварии. Тот факт, что ввиду высокой радиационной нагрузки и требований безопасности шахта УЛР выполнена необслуживаемой и невентилируемой, делает борьбу с коррозией стенок УЛР еще более важной, поскольку отсутствует возможность выведения из нее влаги. Влага может присутствовать в шахте УЛР не только в составе имеющегося там воздуха, но и в результате проливов в шахту после протечек из трубопроводов либо после проектных (т.е. менее тяжелых) аварий, при которых активная зона не расплавляется и не попадает в УЛР, при этом после устранения последствий такой аварии УЛР осушается только изнутри, а снаружи в необслуживаемой шахте остается вода, введенная в шахту для возможного отведения тепла от корпуса УЛР и содержащая гидразингидрат, борную кислоту и прочие вещества, способствующие коррозии стали. Таким образом, для борьбы с коррозией стенок УЛР необходимо применение антикоррозионного защитного покрытия. При этом, однако, такое покрытие должно обладать стойкостью к высоким температурам, поскольку в случае проектной аварии при разогреве реактора, приводящем к высоким температурам, нестойкое покрытие будет осыпаться на дно шахты УЛР, где может быть источником механического дебриса (мусора) и приводить к забиванию фильтров баков приямков. Таким образом, возникает необходимость в недопущении коррозии стенок УЛР.
2
4
2
3
Известно несколько технических решений, связанных со стенками УЛР. В частности, известна стенка корпуса теплообменника (патент РФ на полезную модель №100326, опубл. 10.12.2010 г, МПК G21C 9/016), предназначенного для устройства локализации расплава, представляющего собой кольцевой теплообменник в виде охлаждаемого корпуса, установленного в бетонной шахте под реактором и заполненного жертвенным материалом, при этом стенка корпуса выполнена многослойной, состоящей из внутренней и наружной стенок, размещенных с образованием внутреннего пространства, заполненного гранулированным керамическим материалом, химически подобным жертвенному материалу, в частности, на основе оксида железа FeO и оксида алюминия AlO.
Недостатком такого решения является отсутствие высокотемпературного антикоррозионного покрытия УЛР, приводящее к коррозионному ослаблению и истончению стенок УЛР, что, как было показано выше, отрицательно влияет на безопасность АЭС.
Наиболее близким по технической сути и достигаемому результату является ловушка расплава активной зоны ядерного реактора (патент РФ на изобретение №2169953, опубл. 27.06.2001, МПК G21C 9/016), установленная на опорах под корпусом ядерного реактора, выполненная в виде емкости со сферическим днищем, включающая теплоизолирующий защитный слой из диоксида циркония и внешний слой из нержавеющей стали, отличающаяся тем, что на теплоизолирующем защитном слое расположен насыпной дополнительный слой из смеси фрагментов пористой высокотемпературной керамики (например, из диоксида циркония) и поглощающих нейтроны материалов.
Недостатком такого решения также является отсутствие высокотемпературного антикоррозионного покрытия УЛР, приводящее к коррозионному ослаблению и истончению стенок УЛР, что, как было показано выше, отрицательно влияет на безопасность АЭС.
Раскрытие полезной модели
Задача настоящей полезной модели состоит в разработке устройства локализации расплава атомной электростанции, обладающего повышенной безопасностью за счет применения покрытия с повышенной стойкостью к температурным и радиационным воздействиям.
Технический результат настоящей полезной модели заключается в повышении безопасности устройства локализации расплава атомной электростанции за счет применения покрытия с повышенной стойкостью к температурным и радиационным воздействиям.
Технический результат достигается тем, что в известном устройстве локализации расплава, содержащем охлаждаемую оболочку для защиты наружной теплообменной стенки от динамического, термического и химического воздействий, на оболочку дополнительно нанесен наружный слой защитной эмали, выполненной в виде суспензии тонкодисперсных термоактивированных силикатов, диоксида титана и оксида хрома (III) в толуольном растворе полидиметилсилоксана, содержащего силанольные группы.
Предпочтительно выполнить, что слой защитной эмали имеет толщиной в диапазоне 100-200 мкм.
Органосиликатные композиции представляют собой суспензии мелкодисперсных слоистых силикатов и окислов металлов в толуольных растворах полиорганосилоксанов разветвленного строения - кремнийорганических лаках. В ряде случаев для придания особых свойств в состав органосиликатных композиций (ОС) вводятся специальные добавки. Однако основными компонентами, определяющими комплекс и уровень свойств, являются кремнийорганические полимеры, главные цепи которых построены из чередующихся атомов кремния и кислорода, а органические составляющие представлены углеводородными радикалами, соединенными с кремнием.
После испарения растворителя и отверждения органосиликатные композиции (ОС) образуют полимерный композиционный материал с полиорганосилоксановой матрицей. При этом гидрофобность, такие физико-химические свойства как стойкость к температурным нагрузкам обеспечиваются природой органического радикала у атома кремния, молекулярной и надмолекулярной структурой пленкообразователя.
Уникальный состав органосиликатных композиций придает покрытию высокие эксплутационные показатели: атмосферостойкость, т.е. способностью противостоять впитыванию воды из влажной среды, химическую стойкость, а также позволяет обеспечить работу в широком интервале температур от -60 до +700°С.
В процессе изготовления органосиликатных композиций (ОС) происходит механохимическая прививка молекул полиорганосилоксанов на поверхности частиц кремния наполнителей. В результате этого процесса вблизи поверхности наполнителя образуются зоны уплотненной структуры пленкообразователя. При большом объемном содержании наполнителя в эту зону будет вовлечен весь пленкообразователь. Это приводит к максимуму механической и адгезионной прочности, а также изолирующей способности покрытия.
Кремнийорганические материалы обладают уникальными защитными свойствами. Уникальность защитных свойств обусловлена:
Использованием в составе ОСК кремнийорганических полимеров с высокой степенью гидрофобности.
Применением чешуйчатых наполнителей.
Применение таких наполнителей, как: слюда, тальк, алюминиевая пудра, придают низкую проникающую способность покрытию за счет особенности формы частиц (частицы наполнителей имеют чешуйчатую форму). За счет этого увеличивается диффузионное расстояние для воды и агрессивных веществ, например, кислорода или ионов, вызывающих коррозию, от поверхности покрытия до поверхности метала, вследствие чего затрудняется проникновение агрессивной среды через покрытия к поверхности субстрата.
Щелочной характер талька обеспечивает его противокоррозионное действие и торможение катодной составляющей коррозионного процесса.
В предпочтительном варианте полезной модели защитное покрытие может быть выполнено из органосиликатной композиции ОС-51-03.
Покрытия из атмосферостойких органосиликатных композиций ОС-51-03 различных цветов обладают высокой атмосферостойкостью, а также являются паропроницаемыми и гидрофобными, срок безремонтной эксплуатации на фасадах зданий и сооружений составляет 20 и более лет, покрытия обладают высокой коррозионной стойкостью. Преимуществом также является высокая ремонтопригодность в случае каких-либо нарушений покрытий.
Композиции ОС-51-03 выдерживает до 300°С, из термостойких кремнийорганических материалов горячего отверждения - до 700°С.
Большим преимуществом органосиликатных композиций является то, что после высыхания покрытие становится трудно горючим. На основе ОС были получены многочисленные составы для защиты от атмосферной и химической коррозии, термостойкие, радиационностойкие, термостойкие, электроизоляционные, химически стойкие материалы.
Состав органосиликатной композиции в предпочтительном варианте является следующим:
Отвердитель:
тетрабутоксититан 0,1-0,3%
Основной состав:
полиорганосилоксаны с концевыми силанольными группами,
слоистые гидросиликаты,
оксиды переходных металлов.
Сущность заявленной полезной модели не сводится только к вышеописанным вариантам. Специалисты в области техники могут дополнить ее дополнительными вариантами.
Промышленная применимость
Устройство локализации расплава с защитным покрытием обеспечивает безопасность функционирования во всех режимах работы атомной электростанции и может быть применено в ядерной энергетике.