ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНАЯ СИСТЕМА ЛОКАЛИЗАЦИИ ТЯЖЁЛОЙ АВАРИИ АТОМНОГО РЕАКТОРА С РАЗРУШАЮЩИМСЯ ПОЛОМ РЕАКТОРА И ЛОВУШКОЙ БОЛЬШОЙ ПЛОЩАДИ
NUCLEAR REACTOR HEAVY ACCIDENT DIFFERENTIAL LOCALISATION SYSTEM WITH BREAKING REACTOR FLOOR AND LARGE SURFACE AREA TRAP

Ловушка расплава (Устройство локализации расплава) - опциональная часть гермооболочки ядерного реактора, конструкция, служащая для локализации расплава активной зоны ядерного реактора в тяжелых авариях с расплавлением активной зоны реактора и проплавлением корпуса реактора. Является одной из систем пассивной атомной безопасности. Обеспечивает изоляцию фундамента от расплава, подкритичность расплава и охлаждение расплава.
Ловушки расплава, спроектированные в России, используются на Тяньваньской АЭС (эксплуатируется с 2007 года, реакторы ВВЭР-1000), АЭС Куданкулам и являются частью проектов ВВЭР-1200 (Нововоронежская АЭС-2, Ленинградская АЭС-2 [2], Балтийская АЭС [3]), ВВЭР-ТОИ.
В российских гермооболочках ловушка расплава сооружается непосредственно под реактором (на дне шахты реактора) и представляет собой конусообразную металлическую конструкцию общим весом около 750 тонн. Ловушка заполняется специальным, так называемым жертвенным материалом (наполнителем), состоящим в основном из оксидов железа и алюминия. Наполнитель растворяется в расплаве топлива для уменьшения его объемного энерговыделения и увеличения поверхности теплообмена, а вода по специальным трубопроводам в корпусе ловушки заливает эту массу.
В европейских реакторах EPR ловушка представляет собой наклонную поверхность, установленную под реактором. По ней расплав, прожегший корпус, направляется в бассейн с водой и охлаждаемым металлическим днищем специальной конструкции.
Основными недостатками вышеперечисленных ловушек являются большая стоимость проекта и жертвенных материалов, низкая естественная теплоотдача, необходимость постоянного активного охлаждения водой расплава.
Основной причиной, приводящей к расплаву ядерного топлива в реакторе, является недостаточность потока охладителя или его отсутствие в первом контуре блока АЭС.
Причиной недостаточности охладителя в первом контуре реактора может стать техническая неисправность либо нарушение правил эксплуатации.
При максимальных рабочих нагрузках кратковременное аварийное прекращение подачи охладителя в рабочую зону может вызвать газопаровой выброс с последующим разрушением реактора.
Расплав ядерного топлива внутри ядерного реактора, с выбросом огромного количества энергии, превышающего допустимые рабочие пределы давления, ведет к механическому разрушению герметичного контура реактора.
Существующие системы локализации расплава активной зоны ядерного реактора, предусматривают их применение в случае проплавления основания корпуса реактора. Однако проплавлению корпуса ядерного реактора предшествует резкое повышение давления внутри реактора, приводящее к разрушению корпуса реактора и выбросу большой части ядерного топлива в окружающую среду.
Первичной задачей «Дифференциальной системы локализации аварии атомного реактора» является не допустить разрушения внешнего герметичного контура ядерного реактора (1) (Фиг. 1, 2) в результате аварийного превышения давления, ядерного взрыва внутри реактора. В дальнейшем - локализовать расплав ядерного топлива и стабилизировать процесс распада в зонах естественного остывания.
Предлагаемая система локализации аварии предусматривает:
- поглощение начальной ударной волны от ядерного взрыва или газопарового аварийного выброса;
- прием, распределение и хранение с естественным охлаждением аварийных сплавов ядерного топлива.
В предлагаемой дифференциальной системе локализации тяжелой аварии атомного реактора ловушка ядерного расплава состоит из приемного устройства (2) и горизонтальных шахт (3).
Конструктивно приемное устройство ловушки (2), располагается в пределах подреакторного пространства. В состав приемного устройства ловушки входят заборники расплава (4) с наклонными направляющими.
Горизонтальные шахты (3) располагаются по периметру, в пределах основного корпуса блока АЭС (5), поярусно, на необходимую глубину.
Равномерная дифференция аварийного расплава по горизонтальным шахтам (3), достигается за счет конструктивной особенности полотна основания реактора (6) (Фиг. 2) несущей решетки основания реактора (8) (Фиг. 2) и расположения заборников расплава (4) (Фиг. 1) ловушки.
Конструктивно ловушка должна обеспечить одномоментный сброс ударной волны до критического уровня сохранения верхней и боковых конструкций ядерного реактора и распределение аварийного расплава в шахтах (3) (Фиг. 1) с естественным охлаждением без прожига бетонных конструкций.
Поглощение ударной волны или газопарового аварийного выброса достигается конструктивной особенностью основания ядерного реактора (7) (Фиг. 1). Прочность конструкции полотна основания (6) ядерного реактора не должна превышать прочности верхней и боковых конструкций ядерного реактора. Разрушение полотна основания (6) ядерного реактора при аварийных нагрузках должно быть спланированным, то есть предусмотренным проектными изысканиями. Активное аварийное разрушение нижней части реактора должно выглядеть в виде одновременного разрыва на мелкие части всей конструкции полотна основания реактора по примеру разбитого закаленного стекла. Либо в виде возможности мгновенного прорыва небольших оконных проемов со стороной до 20 см по всей площади пола реактора.
Возможность первоначального разрушения (разрыва) полотна основания ядерного реактора (6) до момента критичности разрушения боковых и верхней частей реактора достигается уникальностью конструкции основания реактора (7).
Полотно основания реактора (6) укладывается на прочную несущую решетку основания реактора (8) (Фиг. 2) с клеткой до 20 см, толщиной стенок не более 3-5 см, высотой, позволяющей выдерживать критичные нагрузки давления внутри реактора. Прочная несущая решетка основания реактора выполняется из высокопрочного и термостойкого материала, является частью конструкции ядерного реактора, своей внешней стороной опирается и монолитно стыкуется со стенами ловушки. Конструкция прочной несущей решетки основания реактора должна выдерживать закритичные ударные и температурные нагрузки до полного слива аварийного расплава. При этом полотно основания реактора при достижении запредельных, аварийных нагрузок должно разрушаться (выдавливаться) в пределах клетки несущей решетки основания реактора. Для достижения прямоугольного разрыва, в виде оконных проемов, полотно основания реактора предварительно форматируется рисками ослабления прочности. Полотно основания ядерного реактора разрушается только по внутреннему периметру реактора, при этом корпус реактора монолитно опирается на несущие стены ловушки. Конструктивно предлагаемое изобретение требует больших изыскательных и проектных работ по изменению основания ядерного реактора.
Предлагаемая конструкция полотна и несущей решетки основания ядерного реактора, разрушающегося до момента прочности разрушения стен и загрузочной плиты (верхней части) реактора, позволяет выполнить задачу гашения ударной волны, снизить давление, одномоментно удалить ядерный расплав из реактора, не допустить выхода радионуклидов в окружающую среду, а также равномерно слить ядерный расплав по всему периметру приемного устройства ловушки (2).
Прочные бетонные стены приемного устройства ловушки (2) для приема расплава ядерного топлива являются основанием и фундаментом для ядерного реактора (1). Конструктивно ловушка имеет основную вертикальную шахту и боковые горизонтальные ответвления (горизонтальные шахты) (3), устроенные посекторно, по периметру вокруг приемного устройства ловушки.
Данный вариант конструкции ловушки предполагает, размещение приемного устройства (2) аварийного расплава в пределах подреакторного пространства, с боковыми горизонтальными ответвлениями, шахтами (3), в пределах основного корпуса блока АЭС (5) (Фиг. 1).
Горизонтальные шахты конструктивно выполняются в виде стандартных бетонных шахт с основаниями у заборников расплава (4), горизонтально расширяющимися по площади, по периметру блока АЭС (5).
Бетонные конструкции шахт одновременно являются несущим фундаментом здания и агрегатов блока АЭС.
Конструктивно приемное устройство ловушки (2) и горизонтальные шахты (3) являются монолитным бетонным блоком и являются прочным несущим основанием для ядерного реактора, здания блока АЭС и его внутренних технологичных агрегатов.
Количество горизонтальных шахт рассчитывается исходя из предполагаемого количества аварийного расплава, равномерно растекшегося по горизонтальной площади шахт, с возможностью естественного остывания, без подачи охладителя. Наполняемость шахт зависит от высоты подъема входного отверстия над полом в шахту и не должна превышать 5 см. Таким образом, естественное заполнение расплавом горизонтальной шахты составит по площади от 100 и более кв. м с высотой расплава до 5 см. Зная объем ожидаемого аварийного расплава, планируем количество горизонтальных шахт.
Конструктивной особенностью горизонтальной шахты (3) является ее ограниченная наполняемость, то есть при полном заполнении аварийным расплавом высотой до 5 см происходит естественное перетекание расплава в нижние шахты. Процесс заполняемости шахты регулируется при помощи заборников расплава (4) (Фиг. 1), выступающих во внутрь приемного устройства ловушки (2). Наклон заборника в сторону шахты обеспечивает естественное стекание расплава в шахту с дальнейшим распределением по расширяющейся горизонтальной поверхности шахты.
Конструктивное расположение заборников аварийного расплава (4) должно обеспечивать равномерное распределение расплава между всеми шахтами (3). От расчетного времени наполнения расплавом шахты зависит температурная стойкость заборников. После наполнения расплавом шахты желателен процесс полного разрушения заборника, это ускорит распределение расплава в нижние шахты.
Гарантированное естественное охлаждение расплава, замедление его разогрева, минимизация образования водорода и предотвращения образования повторной критичности достигается большой площадью и объемом горизонтальных шахт, количество которых можно увеличивать в глубину неограниченно.
После аварийного взрыва и разрушения полотна основания реактора необходимо предусмотреть одномоментное прекращение подачи охладителя в реактор с целью недопущения повторного образования газопарового выброса. Активно включается и используется штатная система снижения давления внутри реактора для предотвращения возникновения взрывоопасных концентраций водорода.
Без подачи охладителя цепная реакция приведет к полному расплаву ядерного топлива и его вытеканию в ловушку с дифференцируемым распределением расплава по горизонтальным шахтам.
Предлагаемая конструкция горизонтальных шахт позволяет создать большую удельную поверхность теплоотвода через бетонные стены в окружающем грунте. Предусмотренные во внешних стенах шахт заглушенные технические отверстия позволяют частичное извлечение расплава для дальнейшей переработки.
Вышеописанная система локализации аварии способна обеспечить локализацию ядерной аварии типа Чернобыльской или Японской в Фокусиме.
СЛА с дифференциальной системой локализации тяжелой аварии атомного реактора с разрушающимся полотном основания реактора и ловушкой с большой площадью и объемом для хранения аварийного расплава соответствует наивысшему стандарту противостояния террористической угрозе. Т.е. при намеренных действиях персонала АЭС или террористов, приведших к критическому расплаву ядерного топлива в реакторе, взрывным давлением разрушится полотно основания в реакторе, расплав сбрасывается в приемное устройство ловушки (2), равномерно распределяется по горизонтальным шахтам (3), герметичный контур ядерного реактора сохранен. Данная конструкция СЛА не позволит террористам произвести внешнее разрушение реактора и произвести загрязнение территории радионуклидами.
Для осуществления изобретения потребуется большая изыскательная работа по проектированию разрушающегося полотна основания реактора, его надежность выдерживать продолжительные до критические нагрузки.
Ловушка и ее составляющие конструктивно являются фундаментом здания и агрегатов блока АЭС. Изготавливаются из высокопрочного бетона и ненамного увеличивают стоимость проекта.