УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЛОКАЛИЗАЦИИ РАСПЛАВА АКТИВНОЙ ЗОНЫ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА
DEVICE TO CONFINE NUCLEAR REACTOR CORE MELT

Изобретение относится к области повышения безопасности эксплуатации атомной электростанции с реактором водо-водяного типа, а именно к проектированию ловушек для удерживания расплава активной зоны из поврежденного ядерного реактора, охлаждаемых водой, и может быть использовано при конструировании чаши ловушки с целью предотвращения попадания в нее воды.
Известно устройство для локализации и охлаждения кориума аварийного ядерного реактора водо-водяного типа, содержащее реакторную шахту и подреакторное помещение с ловушкой в виде чаши для расплава кориума (см. патент РФ на изобретение № 2253914, опубл. 10.06.2005, МПК G21C 9/016).
При анализе данного устройства из текста описания и чертежей не виден процесс отвода тепла от наружных стен чаши ловушки в момент плавления в ней жертвенного материала.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому объекту является устройство для локализации расплава активной зоны ядерного реактора, содержащее установленные внутри защитной оболочки в шахте реактора плиту перекрытия и расположенную под ней ловушку, имеющую чашу для сбора расплава и систему подачи воды для охлаждения ловушки (см. патент РФ на изобретение № 2187852, опубликовано 2002.08.20, МПК G21C 9/016).
Данная ловушка проста в изготовлении и, должно быть, надежна в работе. Однако, как видно из чертежа, не исключена возможность попадания охлаждаемой воды в чашу ловушки. Попадание воды непосредственно на поверхность расплава, имеющего температуру около 2000 град. С, опасно тем, что происходит мгновенное испарение воды с образованием водорода и кислорода и, как следствие, взрыв.
Задачей данного изобретения является повышение безопасности атомной электростанции, находящейся в возможном аварийном состоянии ядерного реактора, за счет предотвращения попадания охлаждающей воды в чашу с расплавом активной зоны.
Поставленная задача достигается тем, что устройство для локализации расплава активной зоны ядерного реактора, содержащее установленные внутри защитной оболочки в шахте реактора плиту перекрытия и расположенную под ней ловушку, имеет чашу для сбора расплава и систему подачи воды для охлаждения ловушки. Новым является то, что на нижней поверхности плиты перекрытия и на верхнем краю чаши смонтированы соосно один под другим верхний и нижний фланцы, каждый из которых имеет по паре концентрично расположенных колец, при этом первая пара колец одного фланца расположена между кольцами второй пары противоположного фланца. Между кольцами первой пары коаксиально установлен гофрированный рукав, верхний и нижний края которого закреплены соответственно к верхнему и нижнему фланцам. Кроме этого, снаружи и внутри гофрированного рукава во впадинах установлены наружные и внутренние бандажи. Кроме этого, на верхнем краю чаши смонтирована крышка с кольцевыми зигами.
Крепление гофрированного рукава посредством фланцев к плите перекрытия и к чаше ловушки предотвращает попадание охлаждающей воды в чашу. Наличие двух пар колец обеспечивает предохранение гофрированного рукава от повреждения, и в то же время кольца являются направляющими при температурном удлинении чаши. Бандажи обеспечивают поддерживание формы гофр по всей высоте рукава, а крышка предохраняет изнутри кольца и гофрированный рукав от попадания на них частей расплава.
Ниже приводится описание одного из многочисленных вариантов выполнения ловушки для локализации расплава активной зоны ядерного реактора, каждый из которых подчинен единому изобретательскому замыслу, отображенному в нижеприведенной формуле изобретения.
Изобретение поясняется чертежами где:
на фиг.1 показано подреакторное помещение с чашей;
на фиг.2 показана сильфонная защита.
Устройство для локализации расплава активной зоны ядерного реактора состоит из установленной внутри защитной оболочки 1 шахты 2 реактора, в верхней части 3 которой укреплен корпус 4 реактора, а в нижней части 5 размещено подреакторное помещение 6, облицованное гидроизоляционным материалом 7. Подреакторное помещение 6 отделено от места расположения корпуса 4 реактора горизонтально расположенной плитой 8 перекрытия с отверстием 9. На верхней поверхности плиты 8 перекрытия смонтировано жаропрочное направляющее приспособление в виде воронки 10 с горловиной 11 для направления возможного обвала расплава из аварийного корпуса 4 реактора. Под плитой 8 перекрытия установлена ловушка, которая имеет чашу 12 для сбора расплава активной зоны возможно поврежденного корпуса 4 ядерного реактора. Дно 13 чаши 12 в центральной части установлено на опоре 14, которая оперта на нижнюю поверхность 15 подреакторного помещения 6, а верхняя часть чаши 12 соединена с нижней поверхностью плиты 8 перекрытия посредством защитного сильфона. Защитный сильфон представляет собой смонтированные один под другим верхний 16 и нижний 17 фланцы, верхний 16 из которых соосно закреплен к краю 18 отверстия 9 нижней поверхности плиты 8 перекрытия, а нижний фланец 17 закреплен к верхнему краю 19 чаши 12. Нижний 17 и верхний 16 фланцы имеют по паре концентрично расположенных колец, соответственно первая пара 20, 21 и вторая пара 22, 23. При этом первая пара колец 20, 21 фланца 17, например нижнего, соосно и с гарантированным зазором расположена внутри между кольцами 22, 23 второй пары фланца 16, например верхнего. Кроме этого, между кольцами 20, 21 первой пары коаксиально установлен гофрированный рукав 24, верхний 25 и нижний 26 края которого закреплены соответственно к верхнему 16 и нижнему 17 фланцам. Для поддержания необходимой формы гофрированного рукава 24 снаружи и внутри во впадинах установлены наружные 27 и внутренние 28 бандажи. На верхнем краю 19 чаши 12 на уровне нижнего фланца 17 смонтирована крышка 29 с отверстием 30 в центре. Причем край 31 центрального отверстия 30 крышки 29 соединен с нижним краем горловины 11 воронки 10. На крышке 29 имеются кольцевые зиги 32 для компенсации совместных с чашей 12 температурных расширений. Зиги 32 представляют собой кольцеобразную волну, герметично перекрывающую проделанные в крышке просечки. Устройство также имеет систему подачи воды для охлаждения ловушки, состоящую из трубопроводов 33, проложенных в вентиляционных каналах 34, которые расположены по периметру шахты 2 реактора и сообщены с подреакторным помещением 6.
Устройство работает следующим образом. В первый момент возможно возникшей аварии, связанной с прекращением отвода тепла от ядерного ректора, происходит перегрев и расплавление активной зоны и нижней части корпуса 4 реактора. Обломки конструкций корпуса 4 реактора, предположительно днища 13, и конгломерат расплава активной зоны обрушаются на жаропрочное направляющее приспособление, выполненное в виде воронки 10, и по ее горловине 11 направляются в чашу 12 ловушки. В этот момент включается система подачи воды для охлаждения ловушки, в результате чего вода из трубопроводов 33 начинает поступать в подреакторное помещение 6. При заливе ловушки водой нельзя допустить, чтобы вода попала внутрь чаши 12, куда поступает расплав обрушенной конструкции, поскольку он имеет температуру приблизительно 2000 град. С, иначе может произойти взрыв. Такие расплавы можно охлаждать только бесконтактным действием воды. Поэтому применение в устройстве защитного сильфона и крышки 29 предотвращает попадание воды внутрь чаши 12. Для наглядности примера можно представить себе, что происходит с водой, попавшей на нагретую поверхность утюга с температурой 300-350 град. С, образуется микропаровой взрыв.
Объем подреакторного помещения 6, ограничивающийся облицовкой гидроизоляционного материала 7 и стенкой чаши 12 ловушки, заливается водой до определенного уровня, который соответствует уровню ниже нижнего фланца 17, закрепленного на верхнем краю 19 чаши 12 на 600-800 мм. Этот уровень воды обусловлен тем, что исключается нахождение нижнего фланца 17 сильфона в кипящей воде и размывание уплотняющих прокладок, мало того, уплотняющие прокладки выполнены из никеля, что позволяет работать уплотнению без контроля и замены прокладок гарантированно несколько лет (не менее 5 лет).
Чаша 12 с попавшими в нее обломками конструкций и конгломератом расплава активной зоны разогревается и разогревает воду в подреакторном помещении 6, которая начинает кипеть, циркулировать и отводить тепло от чаши 12 ловушки. Пар поднимается вверх и по вентиляционным каналам 34 направляется на охлаждение атмосферным воздухом.
Следует учитывать то, что строительные конструкции, выполненные из железобетона, и конструктивные элементы ловушки, опора 14, горловина 11 и крышка 29 чаши 12 ловушки, выполненные из металла, имеют различные коэффициенты теплопроводности и температурных расширений. Отличие коэффициентов теплопроводности между железобетоном и металлическими конструкциями составляет несколько десятков раз. Отличие коэффициентов температурных расширений составляет до 2-3 раз.
По экспертной оценке ожидается неравномерное распределение по объему чаши 12 энерговыделяющего расплава и, следовательно, неравномерное поле температур по периметру и высоте чаши 12 и неодинаковые температурные удлинения, что приведет к относительным перекосам краев 19 чаши 12. Стенки чаши 12 ловушки начинают удлиняться и расширяться относительно стен подреакторного помещения 6, и перекос может составить 1-2 град. от вертикальной оси. Для предотвращения дальнейшего перекоса стенок чаши 12 включаются в работу две пары колец 20, 21 и 22, 23 защитного сильфона. Кольца первой пары 20 и 21 начинают смещаться вверх и их боковые наружные поверхности упираются во внутренние боковые поверхности колец второй пары 22 и 23, ограничивая тем самым горизонтальное смещение стенок чаши 12. Шлам, который может попасть вместе с охлаждающей водой в подреакторное помещение 6, не сможет повредить гофрированный рукав 24, поскольку он установлен в кольцах 20, 21 и 22, 23, расположенных телескопически. Бандажи 27 и 28 обеспечивают сохранение заданной формы гофрированному рукаву 24 при различных изменениях внешнего и внутреннего давлений и температур.
По факту совместной работы защитного сильфона и крышки 29 чаши 12, которая предохраняет изнутри сильфон от расплавленных конструкционных элементов, конструктивно использованы горловина 11 воронки 10 жаропрочного направляющего приспособления и опора 14 чаши 12 ловушки с обеспечением соосности между ними. Направляющее приспособление и опора 14 установлены в рамной конструкции с фиксированными между собой балками из железобетона, которые имеют меньший коэффициент температурного расширения. В этом случае горловина 11 и чаша 12 ловушки не должны быть жестко связаны между собой. Стенки прогретой чаши, испытывая температурные деформации, компенсируются помимо защитного сильфона и кольцевыми зигами 32, предусмотренными на крышке 29. Зиги 32 обеспечивают независимо от механических и температурных перемещений строительных конструкций сохранение соосности чаши 12 с горловиной 11 воронки 10, не вызывая необратимых изменений в течение всего процесса расхолаживания корпуса 4 поврежденного ядерного реактора.
Технико-экономический эффект состоит в том, что в случае маловероятного возникновения тяжелой аварии, связанной с разрушением ядерного реактора и выпадением из него ядерного топлива, обеспечивается надежное и неограниченное по времени удерживание расплава выпавшего ядерного топлива и повышение тем самым безопасной эксплуатации атомной электростанции.