УСТРОЙСТВО (ЛОВУШКА) ДЛЯ УЛАВЛИВАНИЯ, ОХЛАЖДЕНИЯ И УДЕРЖАНИЯ РАСПЛАВА АКТИВНОЙ ЗОНЫ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА Российский патент 1996 года по МПК G21C9/16 

Изобретение относится к атомной энергетике, а именно к системам безопасности ядерной энергетической установки при авариях, приводящих к плавлению топлива и материалов активной зоны.

Известно устройство для охлаждения и улавливания плавящейся или расплавленной активной зоны ядерного реактора (Патент ФРГ N 2459339, кл. G 21 C 9/00), представляющее собой охлаждаемую ванну, изготовленную из теплопроводного металла и расположенную в помещении под корпусом реактора (в шахте реактора). Внутренняя сторона охлаждаемой ванны покрыта засыпкой из жароупорного материала. Над охлаждаемой ванной расположены колосники, служащие в качестве защитной решетки от попадания тяжелых деталей реактора. Нижняя сторона охлаждаемой ванны опирается на охлаждаемую камеру, заполненную теплоносителем. Пар по паропроводам отводится в наружные помещения.

К недостаткам этого устройства следует отнести: относительно низкая эффективность теплоотвода из-за термического сопротивления засыпки, отсутствие поглотителей кинетической энергии падающего расплава, что может привести к значительным динамическим воздействиям на элементы ванны, возможное накопление критической массы, отсутствие дополнительного барьера по охлаждению и удержанию расплава в случае проплавления ванны.

Известно устройство для удержания расплавленных материалов из активной зоны (патент США N 4442065, кл. 376-280), расположенное под корпусом реактора, представляющее собой изолированную цилиндрическую обечайку (шахту), внутри которой находятся приспособления для задержания падающих деталей после расплавления активной зоны. Под цилиндром (шахтой) сооружен улавливатель (теплообменник) для приема расплавленных материалов, прошедших сквозь шахту. Форма поперечного сечения теплообменника исключает накопление критической массы. Теплообменник имеет тонкую замкнутую водяную рубашку с верхними и нижними трубопроводами, внутреннюю облицовку из хорошо проводящего тепло материала. К основным недостаткам этого устройства следует отнести: сосредоточение всей массы расплава в едином объеме, большие габариты одного теплообменника, отсутствие дополнительных барьеров распространению расплава в случаях повреждения, проплавления стенки теплообменника.

Наиболее близким по техническому решению задачи и достигаемому результату является устройство для удержания расплавленных материалов из активных зон (Патент США N 4442065, кл. 376-280), взятое за прототип.

Технической задачей изобретения является повышение безопасности ядерной энергетической установки путем равномерного распределения расплава по объему ловушки, улучшения охлаждения и создания дополнительных барьеров распространению расплава.

Поставленная техническая задача достигается тем, что в корпусе ловушки, установленном под корпусом реактора на днище бетонной шахты реактора, расположены ферма из жаростойкого материала, выравнивающие решетки полой конструкции из жаростойкого материала с отверстиями, закрытыми легкоплавкими профилированными вставками, распределительная решетка полой конструкции с равномерно распределенным по окружности лункообразными углублениями с открытыми отверстиями, ступенчатая решетка из жаростойкого материала с отверстиями в виде сопла, расположенными под отверстиями лункообразных углублений, приемники расплава (1-й барьер), представляющие собой емкости, выполненные из жаростойкого хорошо проводящего материала, каждая из которых имеет замкнутую водяную рубашку, кольцевой коллектор, отводящие и подводящие трубопроводы с пассивным и активным подводами теплоносителя, расположенные равномерно по сечению и высоте ловушки, причем нижележащий ряд приемников расплава развернут относительно верхнележащего на определенный угол, при этом каждый приемник расплава вышележащего ряда соединен с двумя близлежащими приемниками расплава нижележащего ряда каналами для перелива расплава, в центре приемника расплава, на днище установлен обтекатель с вертикальными ребрами для снижения кинетической энергии расплава в начальный момент заполнения, ниже приемников расплава, на плите из жаростойкого хорошо проводящего материала расположена засыпка, прижатая решеткой (2-й барьер), принимающая расплав и охлаждающий теплоноситель после аварийного проплавления стенок приемника расплава и водяной рубашки, герметичный объем с засыпкой, прижатый решеткой (3-й барьер), подводящими и отводящими трубопроводами с пассивным и активным подводами теплоносителя, объемными распределителями охлаждающего теплоносителя, вертикальный цилиндр, установленный по оси ловушки для закрепления внутрикорпусных устройств ловушки, изготовленный из жаростойкого материала, внутри которого размещается общий паровой коллектор, соединенный трубопроводами с водяными рубашками и раздающий теплоноситель во внутренние полости выравнивающих и распределительной решеток, отверстия в верхней частях корпуса ловушки для подвода и отвода охлаждающего воздуха, за корпусом ловушки входной и выходной воздушные коллекторы с отводящими и подводящими каналами с пассивным и активным подводами воздуха, собирающие коллекторы с подводом теплоносителя от внутренних полостей выравнивающих и распределительной решеток с отводящими трубопроводами, тонкую фигурную металлическую крышку ловушки.

На фиг. 1 показан общий вид устройства; на фиг. 2 распределительная решетка; на фиг. 3 приемники расплава и ступенчатая решетка.

Устройство (ловушка) для улавливания, охлаждения и удержания расплава активной зоны ядерного реактора соответственно пп. 1 и 2 формулы изобретения состоит (фиг. 1) из корпуса 3 ловушки, выполненного из жаростойкого материала, и расположенного под корпусом реактора 1, на днище бетонной шахты 2 реактора. Под тонкой фигурной металлической крышкой 4 расположена ферма 5 из жаростойкого материала, элементы которой имеют трапециональное или треугольное сечение, служащая для задержания падающих деталей из реактора после расплавления активной зоны и проплавления корпуса реактора, частичного распределения расплава по сечению ловушки и снижения его кинетической энергии. Ниже расположены выравнивающие решетки 6, 7 из жаростойкого материала, представляющие полую конструкцию, выполненную из двух плоских колец, соединенных между собой по периметрам короткими цилиндрами и втулками 8, равномерно распределенными по поверхности. Отверстия втулок 8 закрыты легкоплавкими профилированными вставками 9. Основное назначение выравнивающих решеток равномерное распределение расплава по поверхности решетки, регулирование скорости истечения расплава. Объемы над и под выравнивающими решетками соединены перепускными каналами 10 для перепуска расплава при его избытке на выравнивающих решетках и воздуха. Во внутренних полостях 11 решеток 6, которые соединены по теплоносителю (пару), происходит теплообмен через стенку с горячими газами (воздухом). Распределительная решетка 12 из жаростойкого материала представляет полую конструкцию, аналогичную конструкции выравнивающей решетки, только на ее поверхности равномерно по окружности располагаются лункообразные углубления 13 с открытыми отверстиями, образованными втулками 14, равномерно распределенными по поверхности лункообразных углублений. Под распределительной решеткой расположена ступенчатая решетка 15 из жаростойкого материала с отверстиями в виде сопла 16, расположенными под отверстиями лункообразных углублений 13 распределительной решетки, служащей для направления расплава в приемник и организованного подвода охлаждающего воздуха к поверхности расплава. Ниже располагаются приемники 17 расплава, предназначенные для приема, охлаждения, удержания расплава (1-й барьер) и представляющие собой емкости, выполненные из жаропрочного, хорошо проводящего материала, каждая из которых имеет замкнутую водяную рубашку 18, кольцевой коллектор 19, трубопровод 20, подводящий охлаждающий теплоноситель (вода) к водяной рубашке 18, отводящий трубопровод 21 и закреплена на опоре 22. Приемники 17 расплава равномерно распределены по объему (сечению и высоте) ловушки, причем нижележащий ряд приемников расплава развернут относительно верхнележащего ряда. Каждый приемник расплава вышележащего ряда соединен с двумя близлежащими приемниками расплава нижележащего ряда каналами 23 для перелива расплава при превышении определенного уровня. В центре приемника 17 расплава, на его днище установлен обтекатель 24 с вертикальными ребрами для снижения кинетической энергии расплава в начальный момент заполнения. Подвод охлаждающего теплоносителя к приемникам расплава осуществляется пассивным 25 и активным 26 способами из питательных баков вне пределов ловушки.

Ниже приемников расплава, на плите 27 из жаростойкого, хорошо проводящего материала расположена засыпка 28 из жаропрочного материала, прижатая сверху решеткой 29, служащая для приема, охлаждения и удержания расплава (2-й барьер) после аварийного проплавления стенок приемника расплава и водяной рубашки. Под плитой 27 располагается герметичный объем 30 с засыпкой 31, прижимной решетки 35, объемными распределителями 32 охлаждающего теплоносителя с пассивным 33 и активным 34 способами подвода охлаждающего теплоносителя, предназначенный для приема, охлаждения и удержания расплава в случае проплавления плиты 27 (3-й барьер). По оси ловушки установлен вертикальный цилиндр 36 из жаростойкого материала, предназначенный для закрепления внутри корпусных устройств ловушки (решетки, фермы и др.). Внутри вертикального цилиндра располагается один общий паровой коллектор 37, соединенный трубопроводами 21 с водяными рубашками приемников расплава, разделяющий теплоноситель (пара) во внутренние полости выравнивающих и распределительной решеток. В верхней части цилиндра расположены отверстия 38 для выхода теплоносителя (пара) в случае разрыва общего парового коллектора 37 и трубопроводов, расположенных внутри цилиндра. За корпусом расположены собирающие коллекторы 39 с отводящими трубопроводами 40, по которым теплоноситель (пар) сбрасывается под оболочку либо направляется в систему пассивного отвода тепла (СПОТ), после чего возвращается в бак теплоносителя. Образуется замкнутый циркуляционный контур. В верхней и нижней частях корпуса ловушки имеются равномерно распределенные по периметру корпуса входные 41 и выходные 42 отверстия для подвода и отвода охлаждающего воздуха пассивным или активным способом. Отверстия соединены соответственно с входным 43 и выходным 44 воздушными коллекторами, соединенными воздухопроводами с объемом под оболочкой.

Устройство (ловушка) по п. 3 формулы изобретения аналогична вышеописанному устройству по п. 1 формулы изобретения и отличается тем, что внутренние полости 11 выравнивающих решеток 6, 7 и распределительной решетки 12 разделены на герметичные сектора, а в вертикальном цилиндре 36 вместо общего парового коллектора 37 установлены индивидуальные паровые коллекторы, аналогичные собирающим коллекторам 39, соединенные паропроводами с приемниками 17 расплава и герметичными секторами выравнивающих и распределительной решеток.

Устройство (ловушка) по п. 4 формулы изобретения аналогична описанному устройству по п. 2 формулы изобретения и отличается тем, что объем ловушки от плоскости нижней выравнивающей решетки 7 до днища герметичного объема 30 разделен вертикальными радиальными перегородками на вертикальные сектора, максимальное число которых равно числу приемников 17 расплава. Таким образом, образуется несколько автономных контуров циркуляции по охлаждающему теплоносителю, каждый из которых включает, как минимум, один приемник расплава (1-й барьер), индивидуальный паровой коллектор, герметичные сектора выравнивающих и распределительной решеток, собирающий коллектор. В каждый вертикальный сектор входит сектор с засыпкой (2-й барьер) с пассивным и активными подводами охлаждающего воздуха, сектор герметичного объема 30 с засыпкой, объемными распределителями теплоносителя (3-й барьер), пассивным и активным подводами охлаждающей воды.

Устройство (ловушка) по пп. 1 и 2 формулы изобретения работает следующим образом.

Расплав активной зоны ядерного реактора из корпуса реактора 1 истекает вниз на крышку 4 корпуса 3 ловушки, проплавляет ее и попадает на ферму 5, теряя при этом часть кинетической энергии и частично распределяясь по сечению ловушки. Далее расплав попадает на первую выравнивающую решетку 6, распределяясь по поверхности решетки. После проплавления легкоплавких профилированных вставок 9 расплав попадает на вторую выравнивающую решетку 7, где происходит его окончательное распределение по поверхности решетки. Проплавив вставки 9 решетки, расплав через отверстия втулок 14 и распределительной решетки 12 и через сопло 16 ступенчатой решетки 15 попадает в приемник 17 расплава, с водяной рубашкой 18, где и происходит его охлаждение и удержание (1-й барьер).

Охлаждающий теплоноситель (вода) пассивным 25 или активным 26 способами из питательного бака по трубопроводу 20 подается к водяной рубашке 18 приемника 17 расплава, охлаждает расплав и далее через кольцевой коллектор 19, отводящий трубопровод 21 попадает в общий водяной (паровой) коллектор 37, с помощью которого теплоноситель (пар) распределяется по внутренним полостям 11 выравнивающих 6, 7 и распределительной 12 решеток, нагревается и далее теплоноситель (пар) собирается в коллекторах 39 и по трубопроводам 40 подается в систему пассивного отвода тепла (СПОТ), где охлаждается и поступает в питательный бак. При открытой схеме движения теплоноситель (пар) по трубопроводам 40 выбрасывается под оболочку атомной станции.

Охлаждающий воздух подводится к ловушке пассивным или активным способом через входной воздушный коллектор 43. Пассивный способ реализуется путем использования естественной циркуляции. Через входные отверстия 41 воздух попадает в объем, где расположены приемники 17 расплава, охлаждая конструктивные элементы, через зазор между кольцевым коллектором 19 и наружной поверхностью сопла 16 поступает на поверхность расплава, находящегося в приемнике 17 расплава, охлаждает его. Поднимаясь вверх, проходя через отверстия в распределительной 12 и выравнивающих решетках 6, 7 и через перепускные каналы 10, нагретый воздух отдает тепло теплоносителю (пару), протекающему во внутренних решеток, затем через выходные отверстия 42 попадает в выходной воздушный коллектор 44 и далее выбрасывается под оболочку. Часть воздуха может попадать в бетонную шахту 2 реактора, корпус реактора 1 и через неплотности шахты и оборудование первого контура выходит под оболочку.

При проплавлении корпуса приемника 17 расплава и водяной рубашки 18 расплав и охлаждающий теплоноситель (вода) попадают на засыпку 28, расположенную на плите 27 из жаростойкого, хорошо проводящего материала (2-й барьер). Снижение температуры расплава в этом случае происходит за счет испарения воды, взаимодействия расплава с материалом засыпки, нагрева воздуха и передаче тепла через плиту 27 теплоносителю (воде) герметичного объема 30. Охлаждающий воздух при этом, смешиваясь с паром и продуктами взаимодействия расплава с материалом засыпки, понижает температуру смеси, которая, как это описано выше, выбрасывается под оболочку. Если расплав каким-то иным способом, не нарушая водяной рубашки 18 и трубопроводов 20, попадает на засыпку 28, то его охлаждение идет в основном за счет взаимодействия расплава с материалом засыпки, нагрева воздуха и передаче тепла через плиту 27 теплоносителю (воде) герметичного объема 30.

При недостаточном охлаждении расплав проплавляет плиту 27 и попадает в герметичный объем 30, заполненный засыпкой и теплоносителем (3-й барьер). Охлаждение расплава происходит за счет испарения теплоносителя (воды), нагрева воздуха, взаимодействия расплава с материалом засыпки.

Подача теплоносителя производится пассивным или активным способом из питательного бака и распределяется равномерно по герметичному объему 30 с помощью объемных распределителей 32. Парогазовоздушная смесь будет двигаться вверх по объему ловушки, как это было описано выше, с выбросом под оболочку.

При разрыве любого трубопровода после приемника 17 расплава (например общего парового коллектора 37) охлаждение расплава не нарушается. Часть пара будет выходить через отверстия 38 в объем ловушки и далее под оболочку, другая часть пара через внутренние полости решеток войдет в систему пассивного отвода тепла или под оболочку.

Работа ловушки по п. 3 формулы изобретения аналогична описанной по пп. 1 и 2 формулы изобретения и отличается тем, что теплоноситель (пар) из кольцевого коллектора 19 приемника 17 расплава поступает в индивидуальный паровой коллектор, расположенный в вертикальном цилиндре 36, и далее в соответствующий герметичный сектор (сектора) выравнивающих 6, 7 и распределительной 12 решеток. Работа ловушки по п. 4 формулы изобретения аналогична описанной выше по п. 3 формулы изобретения и отличается следующим. Расплав после прохождения второй выравнивающей решетки 7 попадает в верхнюю часть вертикального сектора и движется вниз по нему, попадая через отверстия втулок 14 распределительной решетки 12, сопло 16 в приемник 17 расплава.

Охлаждающий теплоноситель (вода) пассивным 25 или активным 26 способом из питательного бака по трубопроводу 20, расположенному под засыпкой 28 в нижней части вертикального сектора, подается в водяную рубашку 18, охлаждая расплав, и далее через кольцевой коллектор 19, отводящий трубопровод 21, индивидуальный паровой коллектор в соответствующий герметичный сектор (сектора) выравнивающих 6, 7 и распределительной 12 решеток, нагревается, собирается в коллектор 39 и по трубопроводу 40 подается в СПОТ, где охлаждается и поступает в питательный бак. При открытой схеме движения теплоноситель (пар) по трубопроводу 40 выбрасывается под оболочку.

Охлаждающий воздух поступает в нижнюю часть вертикального сектора через входное отверстие 41, через зазор между кольцевым коллектором 19 и наружной поверхностью сопла 16 на поверхность расплава, нагревается, охлаждая расплав. Поднимаясь вверх по вертикальному сектору, отдает тепло теплоносителю (пару), протекающему по герметичным секторам выравнивающих 6, 7 и распределительной 12 решеток, и далее выбрасывается под оболочку. Объем ловушки над второй выравнивающей решеткой 7 является общим. Здесь встречаются потоки воздуха из других вертикальных секторов и происходит их перемешивание. Таким образом, обеспечивается автономная работа каждого вертикального сектора ловушки.

Использование: в атомной энергетике для повышения безопасности ядерной энергетической установки. Сущность изобретения: на пути движения расплава в корпусе ловушки образованы три барьера. Расплав с помощью внутрикорпусных устройств равномерно распределен по объему ловушки. Для его охлаждения в приемниках расплава используются охлаждающая вода и воздух, которые подводятся к ловушке пассивным или активным способом. Для распределения охлаждающей воды в объеме засыпки установлены объемные распределители, а образующийся при охлаждении пар дополнительно подогревается горячим воздухом и выбрасывается под оболочку или подсоединяется к системе пассивного отвода тепла. Объем ловушки разделен на автономные вертикальные сектора, каждый из которых обеспечивает улавливание, охлаждение и удержание расплава активной зоны. Имеются устройства, регулирующие скорость истечения расплава в ловушке вниз, к приемникам расплава и гасящие его кинетическую энергию. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство (ловушка) для улавливания, охлаждения и удержания расплава активной зоны ядерного реактора, содержащее корпус, выполненный в виде цилиндрической обечайки и расположенный под ядерным реактором, плиту с засыпкой и охлаждаемый приемник расплава, выполненный в виде емкости, имеющей замкнутую водяную рубашку, и расположенный в корпусе, отличающееся тем, что расположено на днище бетонной шахты реактора и дополнительно содержит фигурную металлическую крышку устройства, вертикальный цилиндр с отверстиями в верхней части, размещенный в центре корпуса по его оси, ферму для удержания падающих деталей, выполненную в виде элементов из жаропрочного материала, имеющих трапецеидальное или треугольное сечение, расположенные под ней выравнивающие решетки, выполненные в виде полого цилиндра с отверстиями, равномерно распределенными по поверхности решетки и закрытыми профилированными легкоплавкими вставками, распределительную решетку, выполненную в виде полого цилиндра с равномерно по окружности расположенными лункообразными углублениями с отверстиями, равномерно распределенными по поверхности лункообразных углублений, расположенную под выравнивающими решетками, причем ниже распределительной решетки под отверстиями в ней расположена ступенчатая решетка с отверстиями в виде сопла и размещенные под отверстиями приемники расплава в виде емкостей, водяная рубашка которых снабжена кольцевым коллектором, а на днище установлены обтекатели с вертикальными ребрами, при этом приемники расплава равномерно расположены по окружности и высоте ловушки и закреплены на опорах, а каждый нижележащий ряд приемников расплава развернут относительно вышележащего, и каждый приемник расплава вышележащего ряда соединен с двумя близлежащими приемниками расплава нижележащего ряда переливными каналами, при этом плита с засыпкой расположена ниже приемников расплава и засыпка прижата решеткой, а между плитой с засыпкой и дном шахты расположен герметичный объем с засыпкой, прижатой решеткой, снабженный трубопроводами подвода и отвода охлаждающей воды и объемными распределителями охлаждающей воды, причем ферма, выравнивающие, распределительная и ступенчатая решетки, приемники расплава, плита с засыпкой и герметичный объем с засыпкой размещены в кольцевом пространстве между вертикальным цилиндром и корпусом и, кроме приемников расплава, закреплены в них, при этом внутри вертикального цилиндра размещен по крайней мере один паровой коллектор, соединенный паропроводами с кольцевыми коллекторами приемников расплава и внутренними полостями выравнивающих и распределительной решеток, а снаружи корпуса размещены воздушные коллекторы, соединенные отверстиями с внутренним пространством корпуса, и собирающие коллекторы, соединенные паропроводами с внутренними полостями выравнивающих и распределительной решеток. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что внутри вертикального цилиндра размещен один паровой коллектор, выполненный общим для всех кольцевых коллекторов приемников расплава и внутренних полостей выравнивающих и распределительной решеток. 3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что внутренние полости выравнивающих и распределительной решеток разделены на герметичные сектора, при этом внутри вертикального цилиндра размещены несколько паровых коллекторов, причем каждый паровой коллектор соединен паропроводами с соответствующими герметичными секторами выравнивающих и распределительной решеток и с кольцевым коллектором одного из приемников расплава. 4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что пространство ловушки от плоскости нижней выравнивающей решетки до днища герметичного объема разделено вертикальными радиальными перегородками на сектора, число которых меньше или равно числу приемников расплава в ловушке.