СИСТЕМА ЛОКАЛИЗАЦИИ И ОХЛАЖДЕНИЯ РАСПЛАВА АКТИВНОЙ ЗОНЫ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА ВОДОВОДЯНОГО ТИПА
SYSTEM FOR LOCALIZATION AND COOLING OF MOLTEN CORE OF NUCLEAR REACTOR OF WATER-COOLED TYPE

Изобретение относится к области атомной энергетики, в частности, к системам, обеспечивающим безопасность атомных электростанций (АЭС), и может быть использовано при тяжелых авариях, приводящих к расплавлению активной зоны, разрушению корпуса ядерного реактора и выходу расплава в пространство герметичной оболочки АЭС.
Наибольшую радиационную опасность представляют аварии с расплавлением активной зоны, которые могут происходить при различных сочетаниях отказов (разрушений элементов оборудования) активных и пассивных систем безопасности и систем нормальной эксплуатации, или в условиях полного обесточивания АЭС, и невозможности подать электропитание в установленный проектом АЭС промежуток времени для обеспечения аварийного охлаждения активной зоны.
При таких авариях расплав активной зоны - кориум, расплавляя внутриреакторные конструкции и корпус реактора, вытекает за его пределы, и вследствие сохраняющегося в нем остаточного тепловыделения может нарушить целостность герметичной оболочки АЭС - последнего барьера на пути выхода радиоактивных продуктов в окружающую среду.
Для исключения этого необходимо локализовать кориум, вытекший из корпуса реактора, и обеспечить его непрерывное охлаждение, вплоть до полной кристаллизации всех компонентов кориума. Эту функцию выполняет система локализации и охлаждения расплава активной зоны ядерного реактора, которая предотвращает повреждения герметичной оболочки АЭС и, тем самым, защищает население и окружающую среду от радиационного воздействия при тяжелых авариях ядерных реакторов.
Известна система [1] локализации и охлаждения расплава активной зоны ядерного реактора водоводяного типа, содержащая ловушку расплава, установленную под днищем корпуса реактора и снабженную охлаждаемой оболочкой в виде многослойного сосуда, состоящего из внешней и внутренней стенок, между которыми расположен заполнитель, и наполнитель для разбавления расплава, размещенный в упомянутом многослойном сосуде.
Недостатком системы является низкая надежность, обусловленная конструктивными особенностями ловушки расплава, при которой кориум, вытекая из корпуса реактора, под, действием как избыточного давления в корпусе реактора, так и гидродинамического давления, обусловленного перепадом уровней между отметками истечения и приема кориума в ловушке расплава, оказывает термомеханическое воздействие на основание корпуса ловушки, ее коническую и торовую части, что приводит к возникновению высокой концентрации тепла в ограниченной зоне, в результате чего происходит перегрев нижней части корпуса ловушки, которая под действием термомеханического воздействия может разрушиться.
Известна система [2] локализации и охлаждения расплава активной зоны ядерного реактора водоводяного типа, содержащая ловушку расплава, установленную под днищем корпуса реактора и снабженную охлаждаемой оболочкой в виде многослойного сосуда, состоящего из внешней и внутренней стенок, между которыми расположен заполнитель, между внутренним и наружным слоем размещены силовые ребра, и наполнитель для разбавления расплава, размещенный в упомянутом многослойном сосуде.
Недостатком системы является низкая надежность, обусловленная конструктивными особенностями ловушки расплава, при которой кориум, вытекая из корпуса реактора, под действием как избыточного давления в корпусе реактора, так и гидродинамического давления, обусловленного перепадом уровней между отметками истечения и приема кориума в ловушке расплава, оказывает термомеханическое воздействие на основание корпуса ловушки, ее коническую и торовую части, что приводит к возникновению высокой концентрации тепла в ограниченной зоне, в результате чего происходит перегрев нижней части корпуса ловушки, которая под действием термомеханического воздействия может разрушиться.
Известна система [3] локализации и охлаждения расплава активной зоны ядерного реактора водоводяного типа, содержащая ловушку расплава, установленную под днищем корпуса реактора и снабженную охлаждаемой оболочкой в виде многослойного сосуда, состоящего из внешней и внутренней стенок, между которыми расположен заполнитель, и наполнитель для разбавления расплава, размещенный в упомянутом многослойном сосуде.
Недостатком системы является низкая надежность, обусловленная конструктивными особенностями ловушки расплава, при которой кориум, вытекая из корпуса реактора, под действием как избыточного давления в корпусе реактора, так и гидродинамического давления, обусловленного перепадом уровней между отметками истечения и приема кориума в ловушке расплава, оказывает термомеханическое воздействие на основание корпуса ловушки, ее коническую и торовую части, что приводит к возникновению высокой концентрации тепла в ограниченной зоне, в результате чего происходит перегрев нижней части корпуса ловушки, которая под действием термомеханического воздействия может разрушиться.
Технический результат заявленного изобретения заключается в повышении надежности системы локализации и охлаждения расплава активной зоны ядерного реактора водоводяного типа.
Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является повышение эффективности отвода тепла от расплава и повышение надежности конструкции.
Поставленная задача решается за счет того, в системе локализации и охлаждения расплава активной зоны ядерного реактора водоводяного типа, содержащей ловушку расплава, установленную под днищем корпуса реактора, состоящую из внешнего и внутреннего корпусов, между которыми расположен заполнитель, наполнитель для разбавления расплава, размещенный во внутреннем корпусе ловушки расплава, согласно изобретению, во внутреннем корпусе ловушки расплава дополнительно размещен демпфер, состоящий из центральной обечайки, силовых ребер, соединенных с центральной обечайкой, наклонных пластин, расположенных между силовыми ребрами, фиксаторов, обеспечивающих крепление демпфера к корпусу ловушки расплава.
пласт
реб
пласт
реб
реб
Дополнительно, в системе локализации и охлаждения расплава активной зоны ядерного реактора водоводяного типа толщина h наклонных пластин демпфера находится в следующем соотношении с толщиной силовых ребер демпфера: 0,1h<h<1,0h, где h - толщина силового ребра демпфера.
Дополнительно, в системе локализации и охлаждения расплава активной зоны ядерного реактора водоводяного типа корпус ловушки расплава в нижней части с внутренней стороны имеет внутренние радиальные опоры, опирающиеся на днище корпуса и соединенные с ним.
Дополнительно, в системе локализации и охлаждения расплава активной зоны ядерного реактора водоводяного типа внутренние радиальные опоры корпуса соединяются с демпфером посредством фиксаторов, при этом каждая из радиальных опор и фиксаторы имеют отверстия круглой или овальной формы.
Одним отличительным признаком заявленного изобретения является демпфер, установленный внутри корпуса ловушки расплава, состоящий из центральной обечайки, силовых ребер, соединенных с центральной обечайкой, наклонных пластин, расположенных между силовыми ребрами, фиксаторов, обеспечивающих крепление демпфера к корпусу ловушки расплава, который обеспечивает защиту днища корпуса ловушки от разрушения струями расплава активной зоны и летящими предметами, например, обломками днища корпуса реактора, а также обеспечивает пассивную гидромеханическую защиту от прямого воздействия перегретых струй расплава активной зоны на часть наполнителя, расположенную в нижней части корпуса, за счет равномерного распределения кинетической энергии расплава по наполнителю.
пласт
реб
пласт
реб
рeб
peб
Еще одним отличительным признаком заявленного изобретения является то, что толщина h наклонных пластин демпфера находится в следующем соотношении с толщиной силовых ребер демпфера: 0,1h<h<1,0h, где h - толщина силового ребра демпфера, что позволяет обеспечить эффективное отклонение перегретых струй расплава активной зоны от прямого попадания в центральную часть днища корпуса. При этом, если толщина ребер является небольшой и составляет, например, от 10 до 30 мм, то необходимо выбрать соотношения, близкие к 1,0h, в противном случае, наклонные пластины не смогут обеспечить отклонение перегретых струй расплава активной зоны.
Еще одним отличительным признаком заявленного изобретения является то, что корпус ловушки расплава в нижней части с внутренней стороны имеет внутренние радиальные опоры, опирающиеся на днище корпуса и соединенные с ним, что обеспечивает радиальные температурные расширения корпуса ловушки и снимает риск разрушения днища корпуса при неосесимметричном температурном нагружении днища, в отличии от применения кольцевых, секторных, хордовых опор, которые при температурных расширениях днища корпуса создают дополнительные механические радиальные и азимутальные напряжения, приводящие к непроектным деформациям днища, к образованию трещин и к нарушению целостности конструкции.
Еще одним отличительным признаком заявленного изобретения является то, что внутренние радиальные опоры корпуса соединяются с демпфером посредством фиксаторов, при этом каждая из радиальных опор и фиксатор имеют отверстия круглой или овальной формы с гарантированным зазором, обеспечивающим работу круглых или овальных элементов фиксатора не только на срез и смятие, но и на изгиб. Например, в качестве круглых элементов могут служить шпильки, пальцы, валы, или трубы, для которых поглощение энергии обеспечивается еще и смятием.
На фиг. 1 представлена система локализации и охлаждения расплава активной зоны ядерного реактора водоводяного типа, с установленным в ловушке демпфером и наполнителем, выполненная в соответствии с заявленным изобретением.
Заявленное изобретение работает следующим образом.
На фиг. 1, в соответствии с заявленным изобретением, изображена система (1) локализации и охлаждения расплава активной зоны ядерного реактора водоводяного типа, содержащая ловушку (2) расплава (3), установленную под днищем реактора и состоящую из внутреннего и внешнего корпусов (4, 5), между которыми расположен заполнитель (6), наполнитель (7) для разбавления расплава (3), размещенный во внутреннем корпусе (4) ловушки (2) расплава (3), при этом во внутреннем корпусе (4) ловушки (2) расплава (3) дополнительно размещен демпфер (8), состоящий из центральной обечайки (9), силовых ребер (10), соединенных с центральной обечайкой (9), наклонных пластин (11), расположенных между силовыми ребрами (10), фиксаторов (12), обеспечивающих крепление демпфера (8) к корпусу ловушки (2) расплава (3).
В момент разрушения корпуса реактора расплав (3) активной зоны, под действием гидростатического и избыточного давлений, начинает поступать во внутренний корпус (4) ловушки (2) расплава (3) и входит контакт с наполнителем (7).
Наполнитель (7) обеспечивает объемное рассредоточение расплава (3) кориума в пределах ловушки (2), и предназначен для доокисления кориума и его разбавления в целях уменьшения объемного энерговыделения и увеличения поверхности теплообмена энерговыделяющего кориума с наружным слоем ловушки (2) расплава (3), а также способствует созданию условий для всплытия топливосодержащих фракций кориума над слоем стали. Наполнитель (7) может быть выполнен из стальных и оксидных компонентов, содержащих оксиды железа, алюминия, циркония, с каналами для перераспределения кориума не только в цилиндрической части, но и донном коническом объеме.
Стальные и оксидные компоненты комплектуются в кассеты цилиндрической формы. Как правило, наполнитель (7), по меньшей мере, содержит первую кассету (13), установленную на днище корпуса ловушки, вторую кассету (14), расположенную над первой кассетой (13), и третью кассету (15), установленную над второй кассетой (14). Третья кассета (15), в свою очередь, может состоять из нескольких кассет, установленных друг на друге.
Наклонные пластины (11) демпфера (8), расположенные между силовыми ребрами (10), устанавливаются от 1 до 5 штук, параллельно друг другу в каждом сегменте между силовыми ребрами (10). Число наклонных пластин (11) более 5 не дает дополнительного перераспределяющего эффекта ввиду того, что толщина наклонных пластин (11) должна уменьшаться для обеспечения необходимого угла наклона пластин (11), обеспечивающего отклонение перегретых струй расплава (3) активной зоны в сторону наполнителя (7).
Число радиальных опор (16) внутреннего корпуса (4) устанавливается в диапазоне от 3 до 10 штук. Число радиальных опор (16) внутреннего корпуса (4) менее 3 не обеспечивают эффективную работу по поглощению кинетической энергии удара, так как в этом случае зона действия удара не перераспределяется по днищу корпуса, а концентрируется в локальных его областях, что может привести к его разрушению. Число радиальных опор (16) внутреннего корпуса (4) более 10 не дает увеличения перераспределяющего эффекта, требует уменьшения толщины силовых ребер (10), что негативно сказывается на их способности поглощать и перераспределять кинетическую энергию удара от падения обломков днища корпуса реактора и поглощать энергию струй расплава (3) активной зоны при истечении расплава (3) из корпуса реактора.
Демпфер (8), на начальной стадии поступления расплава (3) активной зоны из корпуса реактора в наполнитель (7), обеспечивает защиту первой кассеты (13) от разрушения струями расплава (3) активной зоны и летящими предметами (обломками днища корпуса реактора, обломками внутрикорпусных устройств, обломками тепловыделяющих сборок, обломками расположенных выше тепловых защит), а также второй кассеты (14) и третьей кассеты (15), из тех, что непосредственно установлена на вторую кассету (14), от разрушения летящими предметами.
Кроме механической защиты от летящих предметов демпфер (8) обеспечивает пассивную гидромеханическую защиту от прямого воздействия перегретых струй расплава (3) активной зоны на первую кассету (13). Разрушаясь и расплавляясь в процессе истечения расплава (3) активной зоны из корпуса реактора, демпфер (8) перераспределяет кинетическую энергию расплава (3) между первой, второй и третьей кассетами (13, 14, 15). Перераспределение энергии происходит при первом залповом поступлении большого объема расплава (3), содержащего, в основном, жидкую перегретую сталь, за счет гидромеханического отклонения расплавленного металла плоскостями демпфера (8). Ориентация и угол наклона плоскостей демпфера (8) выбраны таким образом, чтобы происходило отклонение струй расплава (3) в сторону вертикальных поверхностей второй и третьей кассет (14, 15).
При залповом поступлении, например, 60 тонн перегретой стали в течение 30 с живучесть демпфера (8) составляет порядка 10 с, но этого времени достаточно, чтобы ограничить первое ударное поступление расплавленной перегретой стали в первую кассету (13) до образования над ней безопасного уровня расплава (3) и перенаправить часть кинетической энергии расплава (3) во вторую и третью кассеты (14, 15), вытекая из которых, расплав (3) увеличивает свой уровень над первой кассетой (13), защищая ее от последующего прямого воздействия кинетической энергии струй расплава (3) и летящих предметов.
В процессе залпового поступления перегретой стали при осесимметричном или неосесимметричном падении струй расплава (3) происходит частичное заполнение наполнителя (7). В этом случае демпфер (8) выполняет функцию гидродинамического гасителя, обеспечивая направленное столкновение струй расплава (3), практически горизонтально выходящих из элементов макропористого наполнителя (7), с вертикальными струями, отклоняемыми наклонными пластинами (11) демпфера (8) в радиальном направлении.
Применение демпфера в составе ловушки расплава позволило повысить надежность системы локализации расплава путем перераспределения энергии, за счет гидромеханического отклонения расплавленного металла плоскостями демпфера.
Источники информации
1. Патент РФ №2576516, МПК G21C 9/016, приоритет от 16.12.2014 г.
2. Патент РФ №2576517, МПК G21C 9/016, приоритет от 16.12.2014 г.
3. Патент РФ №2575878, МПК G21C 9/016, приоритет от 16.12.2014 г. (прототип).