Изобретение относится к системам аварийного охлаждения активной зоны ядерного реактора водоводяного типа, установленного в бетонную шахту, а более конкретно к системам охлаждения активной зоны при тяжелой аварии, приводящей к разрушению активной зоны, ее расплавлению, выпадению расплава на днище корпуса реактора, удержанию расплава в корпусе реактора, и, в случае прорыва днища корпуса, удержанию и охлаждению расплава в сборном контейнере длительное время без выпадения расплава на дно бетонной шахты реактора.
Известно техническое решение [1] в котором в бетонную шахту установлен корпус реактора. Между корпусом реактора и цилиндрической теплоизоляцией выполнен кольцевой зазор. Под днищем корпуса (с зазором) установлена теплоизоляция днища корпуса, имеющая в центре подводящий канал (отверстие). В бетонной шахте выполнены люк-лаз и подъемные каналы. При разрушении первого контура бетонная шахта заливается водой, и если произойдет разрушение активной зоны и ее расплавление, то расплав охлаждается в днище корпуса благодаря возникаемому контуру циркуляции: (опускной участок) люк-лаз, (подъемный участок) боковые подводящие каналы, центральный подводящий канал, охлаждающий канал между днищем корпуса и теплоизоляцией днища корпуса, кольцевой зазор, подъемные каналы.
Недостатком указанного технического решения является то, что в случае разрушения днища корпуса по каким-либо неучтенным причинам масса расплава 100-200 т с температурой 2200-2400oC, попадая в большой объем воды, произведет тепловой взрыв катастрофической мощности.
В техническом решении [2] (прототип) под корпусом реактора установлен для удержания расплава собирающий контейнер, образованный внешней стенкой, теплоизоляцией, промежуточным сборным тепловым коллектором, состоящим из гранул температуростойкого материала, высокотемпературная стенка, тепловые трубы проходят через теплоизоляцию, внешнюю стенку, бетонную шахту; их конденсаторы расположены в баках с водой, соединенной с атмосферой, а испарители тепловых труб расположены в промежуточном собирающем тепловом коллекторе. Тепло от расплава передается по тепловым трубам из промежуточного теплового коллектора к воде в баках за бетонную шахту.
Недостатком указанного технического решения является то, что нет попытки удержать расплав внутри корпуса реактора и он обречен разрушиться от высокой температуры, а расплав должен вытечь в собирающий контейнер, т.е. бетонная шахта должна быть сухой. Если шахта будет заполнена водой, то при контакте больших объемов воды с большим объемом расплава произойдет тепловой взрыв с выделением энергии, достаточной для выброса корпуса реактора.
Еще один недостатком указанного технического решения является то, что тепловые трубы проходят через герметичную оболочку (общее их количество десять-тридцать тысяч штук для реактора 1000 МВт эл.), т.е. понижается безопасность АЭС из-за ненадежной герметичной оболочки.
Техническим результатом настоящего изобретения является повышение безопасности путем удержания расплава в корпусе реактора, а в случае разрушения корпуса реактора путем исключения попадания расплава в большие массы воды за счет того, что внешняя стенка собирающего контейнера соединена с корпусом реактора, собирающий контейнер закрыт перегородкой, образующей с собирающим контейнером "сухую ловушку", днище и боковые стенки которой покрыты термодемпфером, который закрыт кожухом, термодемпфер выполнен из легкоплавкого материала, объем между гранулами в промежуточном сборном тепловом коллекторе наполнен легкоплавким материалом, на входах в боковых подводящих каналах установлены запирающие клапаны с защелками заглушек и подсоединены антиударные каналы, а средняя часть перегородки выполнена из легкоплавкого материала, при этом днище внешней стенки установлено с зазором в бетонной шахте, конденсаторы тепловых труб огорожены выгородкой, образующей совместно с боковой частью внешней стенки подъемный участок, к которому подсоединены подъемные трубы, образующие в совокупности с люк-лазом контур охлаждения.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 показан продольный разрез бетонной шахты реактора с установленным в ней корпусом реактора, под которым установлен собирающий контейнер; на фиг. 2 собирающий контейнер, залитый расплавом активной зоны и части внутрикорпусных устройств при ее полном расплаве, а также показано днище реактора, залитое тем же объемом расплава; на фиг.3 разрез А-А (фиг.2); на фиг.4 узел I (фиг.2); на фиг.5 узел II (фиг. 1) с расположенными в "сухой ловушке" вертикальными и горизонтальными антиударными перегородками; на фиг.6 узел III (фиг.1); на фиг.7 узел IV (фиг. 1).
Система аварийного охлаждения активной зоны ядерного реактора при ее разрушении включает в себя бетонную шахту 1, заливаемую водой при аварии, сопровождаемой разгерметизацией ядерного реактора. В бетонной шахте 1 выполнен люк-лаз 2 и установлена цилиндрическая теплоизоляция 3, внутри которой установлен корпус 4 реактора, между которыми выполнен кольцевой зазор 5. Под днищем корпуса 4 реактора установлена теплоизоляция 6 днища корпуса с центральным подводящим каналом 7.
Теплоизоляция 6 днища корпуса выполнена из прочного термостойкого материала, например диоксидициркониевого гидротационного твердения бетона высшей огнеупорности.
Между теплоизоляцией 6 днища корпуса и днищем корпуса 4 выполнены охлаждающие каналы 8, к которым примыкают подъемные каналы 9, выходящие в верхнюю часть бетонной шахты 1 выше уровня ее залива, к центральному подводящему каналу 7 подведены боковые подводящие каналы 10.
Под теплоизоляцией 6 днища корпуса установлен собирающий контейнер 11, образованный внешней стенкой 12, состоящей из боковой части 13 и днища 14. Боковая часть 13 и днище 14 изнутри облицованы теплоизоляцией 15, например высокоглиноземистым бетоном высокой огнеупорности, закрытой кожухом 16, к которому примыкает промежуточный сборный тепловой коллектор 17, состоящий из гранул температуростойкого материала, например Al2O3 или графита, покрытого двуокисью циркония.
Промежутки между гранулами температуростойкого материала заполнены легкоплавким материалом, например эвтектикой AlSi или AlCa, имеющими температуру плавления 500-700oC.
Сбоку изнутри к промежуточному сборному тепловому коллектору 17 примыкает высокотемпературная стенка 18, состоящая из теплопроводной стенки 19, состоящей, например, из графитовых блоков, покрытых двуокисью циркония, и стенки 20 из тугоплавкого металла, например молибдена. Донная часть промежуточного сборного теплового коллектора покрыта донной засыпкой, состоящей из распределительного слоя 21, состоящего из частиц размером 10-20 мм ThO2 или UO2, капиллярного слоя 22, состоящего из частиц размером 1-1,3 мм ThO2 или UO2, теплостойкого изолирующего слоя 23, выполненного, например, из диоксидциркониевого гидрационного твердения бетона высшей огнеупорности.
На внешней стенке 12 установлены тепловые трубы 24, испарители 25 которых расположены в промежуточном сборном тепловом коллекторе 17, а конденсаторы 26 за внешней стенкой.
Внешняя стенка 12 соединена с корпусом 4 реактора. Сверху собирающий контейнер 11 закрыт перегородкой 27; образующие в совокупности "сухую ловушку" 28. Днище и боковые стенки "сухой ловушки" покрыты термодемпфером 29, выполненным из легкоплавкого материала, например эвтектика AlSi или AlCa, имеющим температуру плавления 500-700oC. Термодемпфер закрыт кожухом 30. На входах в боковых подводящих каналах 10 установлены запирающие клапаны 31, внутри которых установлены защелки 32 заглушек и заглушки 33.
К запирающим клапанам 31 подсоединены антиударные каналы 34, выходящие в верхнюю часть бетонной шахты 1 выше уровня ее залива водой.
Средняя часть 35 перегородки 27 выполнена из легкоплавкого материала, например Аl. Днище 14 внешней стенки 12 установлено в бетонной шахте 1 с зазором 36. Конденсаторы 26 тепловых труб 24 огорожены выгородкой 37, образующей совместно с боковой частью 13 внешней стенки 12 подъемный участок 38, к верхней части которого подсоединены подъемные трубы 39, выходящие в верхнюю часть бетонной шахты 1 ниже уровня ее залива водой и которые в совокупности с подъемным участком и люк-лазом образуют контур охлаждения "сухой ловушки".
Перегородка 27 выполнена в виде пространственной кольцевой фермы, образованной нижним листом 40, верхним листом 41, соединенными ребрами жесткости 42, между которыми расположены боковые подводящие каналы 10.
Внутри пространственной кольцевой фермы у нижнего листа 40 и верхнего листа 41 установлены кожуха 43, образующие совместно с ними охлаждающий канал 44, соединенный нижней частью отверстиями 45 с объемом бетонной шахты 1, а верхней частью охлаждающий канал 44 соединен с отводящими трубами 46, выходящими в верхнюю часть бетонной шахты 1 ниже уровня ее залива водой, и которые в совокупности с охлаждающим каналом 44 и люк-лазом 2 образуют контур охлаждения пространственной кольцевой фермы.
Верхняя часть 47 и центральная часть 48 пространственной кольцевой фермы под теплоизоляцией 6 днища корпуса выполнены из термостойких материалов.
"Сухая ловушка" 28 разделена вертикальными 49 и горизонтальными 50 антиударными перегородками. В изображенном варианте они выполнены в виде дырчатых листов.
К верхней части "сухой ловушки" 28 подсоединены пароотводящие трубы 51, выходящие выше уровня залива бетонной шахты 1. В представленном варианте они выполнены за крайней вертикальной антиударной перегородкой 49.
В запирающем клапане 31 заглушка 33 подвешена на шнуре 52, проходящем по направляющей трубе 53, установленной в подводящем боковом канале 10. Шнур 52 проходит через центральный подводящий канал 7 к диаметрально расположенному клапану и к его другому концу подвешена заглушка 33 соответствующего запирающего клапана.
На входе запирающего клапана 31 на осях 54 установлены поворотные заслонки 55 с поплавками 56.
В нижней части цилиндрической теплоизоляции 3 на осях 57 установлены поворотные теплоизолирующие заслонки 58 с поплавками 59.
Система аварийного охлаждения активной зоны ядерного реактора при ее разрушении работает следующим образом.
В рассматриваемой маловероятной аварии происходит разрушение активной зоны ядерного реактора, ее расплавление и выпадение на днище корпуса 4 реактора.
При этой аварии, естественно, включены системы аварийного залива активной зоны, и вода через разрывы в первом контуре заливает бетонную шахту 1. Поплавки 56 всплывают и поворачивают заслонку 55 на осях 54, открывая входы на запирающих клапанах 31, образуется замкнутый контур циркуляции в бетонной шахте 1: люк-лаз 2 (опускной канал) запирающие клапаны 31 боковые подводящие каналы 10 центральный подводящий канал 7 охлаждающий канал 8 - подъемные каналы 9.
По этому контуру циркуляции возникает поток циркуляции воды и пароводяной смеси по охлаждающим 8 и подъемным 9 каналам, происходит отвод тепла от расплава активной зоны через днище корпуса реактора по известной теплогидродинамической схеме. Кроме того, после залива бетонной шахты водой образуется параллельный контур циркуляции.
Поплавки 59 всплывают и поворачивают теплоизолирующие заслонки 58 на осях 57. Контур циркуляции: кольцевой зазор 5 (подъемный участок) люк-лаз 2 (опускной участок) бетонная шахта 1 открытые люки в цилиндрической тепловой изоляции 3 при повернутых теплоизолирующих заслонках 58. Происходит отвод тепла от расплава активной зоны через цилиндрическую часть корпуса 4 реактора по известной теплогидравлической схеме.
Расчетные оценки показывают, что расплав активной зоны можно удержать внутри корпуса 4 реактора при протекании аварии по "спокойному" сценарию. Однако авария может протекать по сценарию с паровыми взрывами на поверхности расплава, разъеданием металла корпуса 4 реактора расплавом, и днище корпуса 4 реактора может быть разрушено в нижней части корпуса, наиболее длительно подвергавшейся действию расплава.
В этом случае струя расплава может попасть сразу в центральный подводящий канал 7, на теплоизоляцию 6 днища корпуса или на центральную часть 48 пространственной кольцевой фермы, но в любом случае расплав попадает на среднюю часть 35 перегородки 27, выполненную из легкоплавкого материала, например Al.
При контакте расплава с холодной водой возникнут паровые взрывы. Однако взрывы не будут носить катастрофического характера, т.к. поверхность контакта расплава с водой будет невысокой (максимальная высота столба воды не более 0,5 м). Опыты показали, что при такой высоте столбы взрыва не происходит, кроме того опыты показали, что взрыва не происходит при попадании расплава в пароводяную смесь за счет демпфирующего и экранирующего действия паровых пузырей взрывной волны. Однако повышение давления воды у расплава, естественно, будет.
Повышенное давление будет выталкивать воду в радиальном направлении от центра в боковых подводящих каналах 10, будет выталкиваться пароводяная смесь по охлаждающему каналу 8 и подъемным каналам 9 выше уровня залива бетонной шахты 1. В этом процессе шнуры 52, проходящие через центральный подводящий канал 7 у средней части 35 перегородки 27, разрушатся под действием высокой температуры расплава активной зоны. После пережога шнуров 52 заглушки 33 запирающих клапанов 31 опустятся вниз, закрыв вход в запирающие клапаны 31. При очередном фронте ударной волны заглушки отожмут защелки 32 и будут зафиксированы ими. Оставшаяся вода в боковых подводящих каналах 10 будет вытолкнута по антиударным каналам 34 выше уровня залива в бетонной шахте 1.
Средняя часть 35 перегородки 27, выполненная из легкоплавкого материала, расплавится под действием расплава, и расплав сольется в "сухую ловушку" 28, и струя расплава из корпуса 4 реактора будет литься непосредственно в "сухую ловушку" 28.
Часть воды, оставшейся в боковых подводящих каналах 10, антиударных каналах 34, подъемных каналах 9, может попасть в "сухую ловушку" 28, и ее испарение может носить взрывной характер (но не катастрофический взрыв). Взрывная волна, пройдя через вертикальные 49 и горизонтальные 50 антиударные перегородки, перестает носить характер ударной волны. Энергия ударной волны преобразуется в статическое давление пара, который по пароотводящим трубам 51 будет уходить выше уровня залива бетонной шахты. Часть образовавшегося пара будет уходить по боковым подводящим каналам 10, антиударным каналам 34, охлаждающим каналам 8, подъемным каналам 9, окончательно осушая их.
Расплав активной зоны, попадая в "сухую ловушку" 28, поднимает свой уровень в ней, контача первоначально с кожухом 30, и нагревая его, передает тепловую энергию термодемпферу 29, остывая при этом.
Тепловая энергия расплава передается к боковой части 13 и днищу 14 внешней стенки 12, термодемпфер 29 смягчает термоудар в конструктивных узлах собирающего контейнера 11. Разогревается боковая высокотемпературная стенка 18, распределительный слой 21, капиллярный слой 22, изолирующий слой 23.
Промежутки между частицами из ThO2 или UO2 распределительного слоя 21 будут залиты расплавленным легкоплавким материалом термодемпфера из AlSi или AlCa, увеличивая при этом теплопроводность распределительного слоя.
После разогрева промежуточного сборного теплового коллектора 17 выше температуры плавления легкоплавкого материала он плавится, и начинается теплообмен между ним и водой в подъемном участке 38 посредством тепловых труб 24, рабочий интервал которых равен 700-1200oC, а суммарная мощность равна величине остаточного тепловыделения продуктов распада в активной зоне после 3 ч остановки цепной реакции.
Распределительный слой 21 и капиллярный слой 22 выполнены из материала, плотность которого выше плотности расплава, и материал не будет всплывать в нем. Крупные частицы распределительного слоя 21 защищают капиллярный слой 22 от размывания конвективными токами расплава.
Силы поверхностного натяжения в капиллярном слое 22 препятствуют проникновению расплава ниже капиллярного слоя 22. Так как при этом происходит интенсивный отвод тепла через донную часть промежуточного сборного теплового коллектора, то расплав между частицами распределительного слоя 21 и капиллярного слоя 22 будет остывать и достигает температуры кристаллизации UO2, после чего он начнет оседать на уже имеющихся частицах этого материала (или ThO2) в донной засыпке. Будет формироваться монолитный слой из тугоплавкого UO2. Аналогичный процесс формирования слоя из UO2 будет на теплопроводной стенке 19.
Расплав проникает в щели между блоками теплопроводной стенки 19, остывает, и UO2 кристаллизуется и заполняет щели между блоками. Кроме того, UO2 будет кристаллизоваться на самой теплопроводной стенке 19. Этот процесс хорошо описан в литературе по литейному делу, литературе по кристаллизации в растворах. Материал термодемпфера после расплавления имеет плотность намного ниже плотности расплава, поэтому основная его масса всплывает, образуя слой, аналогичный слою шлака в металлургических и сварочных процессах. Таким образом, вылившийся из корпуса 4 реактора расплав в "сухой ловушке" 28 через определенное время образует форму из UO2 по бокам и в данной части закрытую сверху "шлаком" из материала термодемпфера.
Теплоотвод от расплава происходит посредством тепловых труб 24. После прогрева теплоизоляции 15 теплоотвод в воде будет происходить и через боковую часть 13 и днище 14. Изолирующий слой 23 служит для того, чтобы капиллярный слой 22 и распределительный слой 21 не "утонули" в жидкой составляющей промежуточного сборного теплового коллектора 17 (в данной его части).
За счет радиационной теплопередачи от расплава будет передаваться тепло пространственной кольцевой ферме. Отвод переданного тепла происходит посредством контура циркуляции, образованного из люк-лаза 2 (отпускной участок) отверстия 45 охлаждающего канала 44 отводящих труб 46. Вода поступает в отверстия 45, проходит по охлаждающему каналу 44, отводит тепло от нижнего листа 40, обращенного к расплаву в "сухой ловушке" 28, проходит по охлаждающему каналу 44, обращенному к верхнему листу 41, далее пароводяная смесь уходит по отводящим трубам 46.
Все конструктивные элементы собирающего контейнера 11 защищены от непосредственного воздействия расплава активной зоны, прогреваются без термоударов, имеют интенсивный отвод тепла благодаря организованным контурам циркуляции, гидродинамика и теплоотвод которых хорошо изучены. Отвод тепла от расплава активной зоны производится с помощью тепловых труб 24, хорошо изученных в настоящее время.
Таким образом, неизученный процесс поведения расплава активной зоны благодаря настоящему изобретению сводится к процессам, хорошо изученным, поддающимся расчетам, и устройство в целом выполнено из материалов, освоенных в атомной энергетике и МГД генераторах (высокотемпературные бетоны).
Данное изобретение позволяет повысить безопасность АЭС в маловероятном случае разрушения и расплавления активной зоны ядерного реактора благодаря тому, что авария не развивается в катастрофический процесс теплового взрыва, выброса радиоактивности в окружающей среду. АЭС после такой аварии, естественно, к эксплуатации будет непригодна, тем не менее авария будет управляема. После распада основной массы радиоактивных осколков расплав затвердеет, через продолжительное время остынет и его можно будет захоронить или непосредственно в бетонной шахте, или после разделки захоронить в специальном хранилище. ЫЫЫ2 ЫЫЫ4 ЫЫЫ6
название | год | авторы | номер документа |
---|---|---|---|
УСТРОЙСТВО ДЛЯ УЛАВЛИВАНИЯ И АВАРИЙНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ РАСПЛАВА АКТИВНОЙ ЗОНЫ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА | 1988 |
|
RU2050022C1 |
УСТРОЙСТВО ДЛЯ УЛАВЛИВАНИЯ РАЗРУШЕННОЙ АКТИВНОЙ ЗОНЫ | 2000 |
|
RU2187851C2 |
ЛОВУШКА АКТИВНОЙ ЗОНЫ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА | 1994 |
|
RU2100854C1 |
СИСТЕМА ЗАЩИТЫ ЗАЩИТНОЙ ОБОЛОЧКИ РЕАКТОРНОЙ УСТАНОВКИ ВОДО-ВОДЯНОГО ТИПА | 1995 |
|
RU2107342C1 |
ШАХТА КОРПУСА ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА | 1991 |
|
RU2107958C1 |
СИСТЕМА ЗАЩИТЫ ЗАЩИТНОЙ ОБОЛОЧКИ РЕАКТОРНОЙ УСТАНОВКИ ВОДО-ВОДЯНОГО ТИПА | 1995 |
|
RU2106701C1 |
УСТРОЙСТВО ДЛЯ УЛАВЛИВАНИЯ И ОХЛАЖДЕНИЯ РАСПЛАВА АКТИВНОЙ ЗОНЫ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА | 1994 |
|
RU2073918C1 |
СИСТЕМА ЗАЩИТЫ ЗАЩИТНОЙ ОБОЛОЧКИ РЕАКТОРНОЙ УСТАНОВКИ ВОДО-ВОДЯНОГО ТИПА | 1995 |
|
RU2106026C1 |
Устройство локализации кориума ядерного реактора водо-водяного типа | 2018 |
|
RU2696012C1 |
СИСТЕМА ЛОКАЛИЗАЦИИ И ОХЛАЖДЕНИЯ КОРИУМА АВАРИЙНОГО ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА ВОДО-ВОДЯНОГО ТИПА | 2003 |
|
RU2253914C2 |
Использование: в системах аварийного охлаждения активной зоны ядерного реактора при ее разрушении. Сущность изобретения: изобретение состоит из бетонной шахты, залитой при аварии водой. В шахте выполнен люк-лаз, в шахту установлен корпус реактора, под днищем которого установлена теплоизоляция днища корпуса, образующая с ним теплоотводящие охлаждающие каналы, к которым подсоединены подъемные каналы, центральный подводящий канал, к которому подведены боковые подводящие каналы. В совокупности они образуют контур циркуляции, охлаждающий расплав активной зоны внутри корпуса реактора. Вода по боковым подводящим каналам поступает к центральному подводящему каналу и из него в охлаждающие каналы, где происходит охлаждение расплава активной зоны через днище корпуса реактора, образовавшаяся пароводяная смесь поднимается по подъемным каналам выше уровня залива бетонной шахты, где происходит сепарация пара. Вода по люк-пазу поступает вниз бетонной шахты. При разрушении корпуса реактора расплав поступает через центральный подводящий канал на среднюю часть, выполненную из легкоплавкого материала, перегородки. Тепловые взрывы отбрасывают воду из боковых подводящих каналов и из подъемных каналов. Расплав разрушает шнуры, на которых подвешены заглушки запирающих клапанов. Заглушки опускаются, и дополнительные тепловые взрывы передавливают их через защелки заглушек, после чего запирающие клапаны будут закрыты, а остатки воды из боковых подводящих каналов будут вытолкнуты паром через антиударные каналы. Средняя часть перегородки плавится, и расплав попадает в "сухую ловушку". Термодемпфер предотвращает элементы собирающего контейнера от термоудара. После разогрева промежуточного сборного теплового коллектора выше температуры начала работы тепловых труб тепло от расплава будет передаваться воде в подъемном участке. Тепло отводится посредством циркуляции воды (пароводяной смеси) по контуру циркуляции: люк-лаз (опускной участок), бетонная шахта, зазор, подъемный участок, подъемные трубы (подъемный участок). Изобретение позволяет проводить надежное охлаждение расплава активной зоны внутри корпуса реактора и вне его, избежать контакта больших масс расплава с большой массой воды, т.е. избежать выделения большого количества энергии в виде пара, т.е. избежать парового взрыва большой мощности. 5 з.п.ф-лы, 7 ил.
Печь для непрерывного получения сернистого натрия | 1921 |
|
SU1A1 |
Кипятильник для воды | 1921 |
|
SU5A1 |
Теплофизические основы безопасности ВВЭР | |||
Труды международного семинара, т | |||
Печь для непрерывного получения сернистого натрия | 1921 |
|
SU1A1 |
Приспособление для записи звуковых явлений на светочувствительной поверхности | 1919 |
|
SU101A1 |
Аппарат для очищения воды при помощи химических реактивов | 1917 |
|
SU2A1 |
Аппарат для очищения воды при помощи химических реактивов | 1917 |
|
SU2A1 |
Патент США N 4240875, кл | |||
Выбрасывающий ячеистый аппарат для рядовых сеялок | 1922 |
|
SU21A1 |
Авторы
Даты
1996-06-27—Публикация
1994-05-30—Подача