АМПУЛИЗИРОВАННЫЙ ЯДЕРНЫЙ РЕАКТОР

Полезная модель ампулизированного ядерного реактора и его конструкция могут использоваться в составе атомных электростанций, для обеспечения обслуживающему персоналу и окружающей среде максимально полной безопасности при эксплуатации активной части ядерного реактора в случаях сейсмического или внешнего ударного воздействии на него, а также при его авариях, возникающих по тем или иным причинам.
Известна ампулизация стратегических ракет на жидких топливах наземного базирования в шахтах, состоящая в осуществлении на них комплекса конструктивно-технологических и эксплуатационных мероприятий, обеспечивающих предотвращение вредного воздействия на их системы токсичных компонентов ракетных топлив и действия на ракету агрессивной среды не отапливаемой и не вентилируемой шахты при эксплуатации в них ампулизированных ракет в заправленном состоянии в течение длительного времени.
Термин «ампулизация» был впервые использован и введен в технический оборот в Постановлении ЦК КПСС и СМ СССР от 30 марта 1963 года, которым определялась задача разработки ампулизированной ракеты УР-100.. В соответствии с этим Постановлением в КБ «Салют» ГКНПЦ им.М.В.Хруничева в начале 60-х годов, когда это КБ именовалось Филиалом №1 ОКБ-52, возглавлявшимся генеральным конструктором академиком В.М.Челомеем, были разработаны мероприятия по ампулизации жидкостных ракет, которые были введены и осуществлены при разработке ракеты УР-100. (Г.Д.Дермичев, В.Н.Иванов, В.К.Карраск, Е.С.Кулага, Н.В.Нестеровский, Г.Н.Перепелицкий, Г.А.Хазанович. «Ракетный щит Родины» Журнал «Полет». Стр.14. Юбилейный номер, февраль 2001 г.; «Научно-технические разработки ОКБ-23-КБ «Салют», Выпуск 1, Стр.30. Изд. «Воздушный транспорт» 2006 г.)
Затем принцип амулизации был использован) в КБ «Южное» при создании стратегической ракеты Р36 в конце 60-х годов, а затем в конце 70-х годов в ракете «Сатана», созданных под руководством генерального конструктора академика В.Ф.Уткина. (Сборник «Стратегические ракетные комплексы наземного базирования», («Жидкостная МБР тяжелого класса Р-36М2 (15А18М) шахтного базирования», стр.169. Издательство ООО «Военный парад» 2007 г.) Ракета Р36 была создана после того, как в первой половине 60-х годов были сняты с эксплуатации 200 ракет 8К67 этого КБ, потерявших герметичность топливных трактов при их эксплуатации в силу применения в них одно-барьерных разъемных соединений. До этого в США было снято с эксплуатации 57 таких же стратегических ракет «Титан» по той же причине.
Ампулизация ракет УР-100 осуществлялась путем введения внутренней ампулизации, предотвращавшей ракету от вредного воздействия на нее, возникавшего от внутренних факторов, таких, как токсичные компоненты ракетного топлива, и внешней ампулизации, защищавшей ракету от внешних воздействующих факторов среды шахты.. (Е.С.Кулага «Конверсия оборонной науки: физическая модель воздействия внешней и внутренней среды на ампулизированную ракету». Журнал «Конверсия». Выпуск 12/94, стр.6, 1990 г.)
Внутренняя ампулизация обеспечивалась комплексом разработанных конструктивно технологических мероприятий, основное из которых было направлено на создание полностью цельносварной герметичной топливной системы с использованием только неразъемных сварных, биметаллических соединений и двух барьерных разъемных соединений.. (Е.С.Кулага. «Основы обеспечения долговечности топливных систем ампулизированных стратегических ракет на жидких топливах.» Докторская диссертация. 1982 г.)
Внешняя ампулизация обеспечивалась размещением ракеты в герметичном пусковом контейнере, заполнявшимся сухим воздухом для предотвращения агрессивного воздействия на ракету агрессивной среды шахты, в которой размещался контейнер с ракетой на специальных амортизационных устройствах, защищавших ракету от внешних ударных воздействий, приходивших на ударо стойкую шахту с оголовком, в котором размещалось дистанционно управляемое обслуживающее оборудование. (Сборник «Стратегические ракетные комплексы стратегического назначения», «Создание МР - УР-100 (15А15) и МР - УР-100 УТТХ (15А16) стр.127).
Конструкция ампулизированной ракеты в шахте, поясняются с помощью чертежа на фигуре 1.
Как показано на Фиг.1, ракета 1, находящаяся в герметичном контейнере 2, крепится к верхней части ствола 3 шахты с помощью амортизационных устройств 4, которые гасят усилия колебания грунта, приходящие на ракету от сейсмического и ударного воздействия на шахту и сохраняют прочность и стабильность заданного пространственного положения ракеты. Крыша шахты 5 открывается на шарнирных устройствах 6, а сама шахта имеет в верхней части оголовок 7, в котором располагается связное и пусковое оборудование 8, а также оборудование для периодического автоматизированного контроля технического состояния систем ракеты и воздушной среды в шахте. Ракета располагается в контейнере с помощью бугелей 9 на которых она выходит по направляющим из контейнера во время ее старта., прорвав герметизирующую пленку 10 Топливные магистрали ракеты жестко соединятся с трубопроводами контейнера с помощью разъемных блоков 11, автоматически разъединяющихся ходом ракеты. Заполнение баков ракеты топливом в шахте производится через заправочные горловины 12, располагающиеся на контейнере в верхней ее части, в результате чего баки ракеты с топливом полностью изолируются от шахты и находятся в ракете в виде ампул, что и послужило основанием для определения такого конструктивного решения, как ампулизация ракет. Ее реализация на серии ракет УР-100 явилась первым осуществлением подобного принципа в мировом наземном шахтном ракетостроении. Эксплуатация ампулизированной ракеты и шахты, с находящимся оборудованием в оголовке, происходит в автоматическом режиме без присутствия обслуживающего персонала, в так называемом безлюдном режиме.
Осуществленная ампулизация в ракетах позволила им надежно сохранять свою работоспособность и эксплуатироваться непрерывно в течение длительного времени в заправленном состоянии в невентилируемых и не отапливаемых шахтах, без какого - либо вредного воздействия среды шахты на ракету и влияния на окружающую среду ракет с токсичными и взрывоопасными компонентами ракетных топлив, находящихся в баках ракеты,. Потеря герметичности, из более чем 1000 изготовленных ракет УР-100 первого поколения, произошла только на 12 ракетах, изготовленных на одном и том же заводе по причине производственных отклонений имевших место на этом заводе при первоначальном этапе отработки техпроцесса изготовления.. Взрыв, произошедший по причине ошибки оператора, был всего только на одной ракете, находившихся на эксплуатации в течение многих лет. Сейчас срок длительности непрерывной эксплуатации ампулизированных ракет начинает превосходить 35 лет
В силу успешности многолетнего использования ампулизации в жидкостных ракетах стратегического назначения шахтного базирования вполне целесообразно и необходимо использовать этот принцип и в конструкции ядерных реакторов, атомных электростанций, актуальность чего стала весьма очевидной после событий в Чернобыле и на атомном реакторе Фукусима-1.
Недостаток использовавшегося вида внешней ампулизации ракет с помощью герметичного контейнера состоит в обеспечении безопасности эксплуатации ракет только от пагубного атмосферного воздействия среды шахты на ракету. Этот вид внешней ампулизации ракет и конструкция крыши шахты не обеспечивает безопасность окружающей среде от воздействия жидких токсичных компонентов ракетного топлива при потере герметичности топливных трактов или при внутреннем взрыве самой заправленной ракеты, происходящей по тем или иным причинам.
Задача ампулизации ядерного реактора с использованием для этой цели его шахтного сооружения, состоит в разработке конструктивного его осуществления, позволяющего согласно данной полезной модели получить полезный технический эффект, состоящий в предотвращении внешних ударных воздействий на ядерный реактор при землетрясении или при террористическом ударном внешнем воздействии на него, а также локализовать вредное воздействие активной части ядерного реактора на внешнюю среду, которое возможно в случае его повреждения при технологической аварии, сопровождающимися, например, взрывом активной рабочей части ядерного реактора, как это было на атомной станции в Чернобыле, или газовыми взрывами внутри реактора произошедшими на атомной станции Фукусима-1
Данная задача решается тем, что, ампулизированный ядерный ректор, предназначенный для обеспечения обслуживающему персоналу и окружающей среде максимально полной безопасности, размещающийся в монтажном корпусе, согласно данной полезной модели, состоит из активной ядерной части реактора, ударо стойкого шахтного сооружения с оголовком, а также обслуживающей, управляющей, контрольной и связной аппаратуры всего реактора, его активная ядерная часть устанавливается на амортизаторах в шахте, в герметизированном оголовке располагается на своих амортизаторах основное, дистанционно управляемое обслуживающее, управленческое, контролирующее и связное оборудование всего реактора, крыша шахты уплотняется по ее периметру, в газовых и жидкостных служебных магистралях, выходящих от активной ядерной части реактора в оголовок, располагаются сильфонные упругие вставки между нею и корпусом шахты, в нижней части шахты оборудуется входной тоннель в ствол шахты с герметизированной входом, а также вентиляционный тоннель, с дистанционно управляемой заглушкой, в котором устанавливается редуктор и поглотитель радиационно опасных веществ отходящих газов из ствола шахты, в монтажном корпусе, над крышей шахты, располагается герметизирующая заглушка, устанавливаемая на дистанционно управляемых пирозамках.
Данная задача также решается тем, что в ампулизированном ядерном реакторе в верхней части корпуса шахты неподвижно крепится стакан, в котором, на горизонтальной его полке, по внешнему ее периметру, имеются узлы крепления амортизаторов подвески активной рабочей части реактора, внутри стакана располагается подвижная обойма, которая нижней своей частью входит в опорное кольцо стакана и опирается на нижнюю горизонтальную полку стакана и герметизирующаяся по внешнему периметру с помощью сильфонной герметизации, которая в верхней своей части приваривается к горизонтальной к полке обоймы, а в нижней части приваривается к горизонтальной полке стакана, по периметру обоймы внутри ее, располагаются опорные амортизаторы крепления обоймы, которые в верхней своей части присоединяются к горизонтальной полке обоймы, а в нижней части присоединяются к горизонтальной полке стакана., на горизонтальной полке, по внутреннему периметру обоймы, устанавливаются замки крепления крыши шахты к обойме и фиксируются с помощью дистанционно управляемых механизмов, крыша шахты имеет неподвижное двух барьерное уплотнение с обоймой, имеющее две полимерные прокладки и опорное кольцо на горизонтальной полке, по своему периметру крыша шахты имеет подвижное двух барьерное ее уплотнение со стаканом, с кольцевым, например, резьбовым прижимом
Конструкция ампулированного ядерного реактора далее поясняется с помощью рисунков и 3. На Фиг.1 приводится схема конструкции ампулизированного ядерного реактора и на Фиг.3. приводится схема конструкции уплотнения по периметру крыши шахты ампулизированного ядерного реактора
Как показано на Фиг.2, активная рабочая часть 1 ампулизированного ядерного реактор устанавливается на амортизаторах 2 в шахте 3 с герметизированным оголовком 4, в котором располагается на своих амортизаторах, дистанционно управляемое, основное обслуживающее управляющее контрольное и связное оборудование 5 всего ядерного реактора, крыша шахты имеет уплотнение 7 по ее периметру. Выходящие из активной рабочей части реактор жидкостные и газовые его служебные магистрали 8 имеют упругие сильфонные вставки располагающиеся до герметичного входа магистралей в корпус шахты. В нижней части шахты располагается входной тоннель 10 с герметичной силовой дверью 11 для проход обслуживающего персонала в шахту из оголовка без вскрытия крыши, а также дренажный тоннель 12, с герметичной дистанционно управляемой заглушкой 13, имеющий поглотитель 1 радиационной составляющей отходящих газов из шахты с редуктором 15, установленным магистрали, снижающим давление в газе для предотвращения проскока не очищенного газ через поглотитель при дренировании шахты. В монтажном корпусе 16 устанавливается по, крышей 17 на пирозамках 18 герметизирующая заглушка 19, которая может опускается положение 20.
Как показано на Фиг.3, в ампулизорованном ядерном реакторе в верхней части корпуса шахты крепится стакан 21 в котором, на горизонтальной его полке, по внешнему ее периметру имеются узлы 22 крепления амортизаторов подвески активной ядерной части реактора, внутри стакана располагается подвижная обойма 23, которая нижней своей частью входит в опорное кольцо 24 стакана и опирается на нижнюю горизонтальную полку 25 стакана герметизирующаяся по внешнему периметру с помощью сильфонной герметизации 26, которая в верхней своей части приваривается к горизонтальной полке 27 обоймы сварным швом 28, в нижней части приваривается сварным швом 29 к горизонтальной полке стакана, по периметру обоймы, внутри ее, располагаются опорные амортизаторы 30 крепления обоймы, верхней своей части присоединяющиеся к горизонтальной полке обоймы, а в нижней части горизонтальной полке стакана на горизонтальной полке обоймы, по внутреннему ее периметру, устанавливаются замки 31 крепления крыши шахты к обойме, фиксирующиеся помощью дистанционно управляемых механизмов 32, крыша шахты имеет неподвижное двубарьерное уплотнение 33 с двумя полимерными прокладками 34 при опоре ее на опорное кольцо 35 обоймы горизонтальной полки обоймы и подвижное двух барьерное уплотнение 3 крыши шахты со стаканом, которое обжимается кольцевым прижимом 37, например, помощью резьбового соединения, содержащее две полимерные прокладки 38, разделительным кольцом 39, в зазорах между уплотняемыми поверхностями, так же, как и неподвижном уплотнении, имеются «усы» 40 полимера прокладок.
Эксплуатация ампулизированного реактора при аварийной ситуации осуществляете следующим образом. Безопасность от воздействия не нормированных внешних ударных водных., воздушных или иных факторов обеспечивается заглубленным расположением все частей реактора в ударо стойком и загерметизированном шахтном сооружении
Усилия от сейсмического или ударного воздействия, приходящие от конструкции шахты в активную ядерную часть реактора и на оборудование в оголовке, гасятся их амортизаторами, тем самым обеспечивается сохранение их целостности. При этом, упругие вставки в газовых жидкостных магистралях, выходящих из активной ядерной части, компенсируют разности перемещения тех частей магистралей, которые закреплены неподвижно на ней и на ствол шахты. Предотвращение выхода опасных веществ из активной ядерной части реактора окружающую среду, появление которых возможно при ее аварии, осуществляется следующим образом. Под давлением газовой среды в стволе шахты, возникающего при аварии активной ядерной части реактора, крыша шахты, удерживаемая своими амортизаторами, поднимается и на величине ее хода «L» происходит поглощение амортизаторами выделившейся той части энергии, которая остается от поглощения ее за счет упругой деформации стенок, крыши и днища шахты. Дренирование шахтного ствола производится в случае установившегося нежелательно высокого равновесного давления в стволе шахты, при необходимости длительного хранения законсервированного аварийного реактора.
В зависимости от степени опасности аварии, при необходимости подрываются пирозамки на герметизирующей заглушке шахты реактора, подвешенной в монтажном корпусе над крышей шахты реактора, и опустившись, она надежно закрывает шахтное сооружение от выхода из него каких либо газовых выделений и радиоактивных веществ, превращая весь ядерный реактор и его активную ядерную часть, в контролируемо управляемый могильник
Используемые двух барьерные уплотнения будут надежно предотвращать, как кратковременное, так и длительное проникновение через них газовых выделений, образующихся при аварии. Это подтверждается следующими практическими данными их эксплуатации в стратегических ракетах УР-100 и ракете носителе «Протон».
Основное уплотнение в таких соединениях достигается за счет наличия в них, так называемых, «усов», показанных в точке «а» узла «В» на Фиг.3, располагающихся в зазорах hi между уплотняемыми поверхностями, которые образуются в процессе обжатия прокладки за счет вытекания ее материала в зазоры.
Надежность обоих двух барьерных соединений обеспечивается выбором, в зависимости от его диаметра, требующегося зазора между уплотняемыми поверхностями, их материала и применения соответствующего материала прокладки, а также определением величины необходимого давления обжатия соединения, для образования «усов». Кроме того, в неподвижном соединении высота опорного кольца Н на горизонтальной полке обоймы выбирается таким образом, чтобы при соответствующем зазоре hz и высоте полимерных прокладок bз, было обеспечено надежное и качественное образование «усов».
Неподвижное двух барьерное уплотнение применено в заправочных горловинах топливных магистралей ампулизиррванной ракеты УР-100, которые надежно предотвращают проникновение паров компонентов ракетных топлив в заправочных горловинах на этих ракетах вот уже более 35 лет использования более чем на 1000 таких ракетах..
Подвижные и неподвижные двух барьерные уплотнение также используются в топливных магистралях ракеты-носителя «Протон», эксплуатирующегося более 45 лет и не на одном из них не наблюдалось протечки компонентов топлива в этих соединениях.
Надежность обеспечения безопасности эксплуатации ампулизированных ядерных реакторов в случаях сейсмического или внешнего ударного воздействия на них, а также при аварии их активной ядерной части, или обслуживающего какого либо оборудования, осуществляемая согласно настоящей полезной модели путем их ампулизации, может подтверждаться массовой многолетней эксплуатацией ампулизированных ракет серии УР-100 и ракеты носителя «Протон», принципы внешней ампулизации которых перенесены на внешнюю ампулизацию шахтных атомных реакторов с использованием для этих целей соответствующей конструкции шахтного сооружения ядерного реактора и расположением основного его обслуживающего и управляющего оборудования в заглубленном шахтном оголовке, каждые из которых устанавливаются на своих амортизаторах.
Изготовление крыши, стакана и обоймы шахты с необходимой точностью и принимаемыми допусками для двух барьерного уплотнения, может быть, например, обеспечена при их изготовлении на Сызранском заводе тяжелого машиностроения, у которого имеется карусельный станок с диаметром план-шайбы равным 19 метрам.