СПОСОБ ЗАЩИТЫ КОНСТРУКЦИИ ОТ ВЫТЕКАЮЩЕГО РАСПЛАВЛЕННОГО МЕТАЛЛА Российский патент 1996 года по МПК G21C9/04 

Изобретение относится к способу защиты конструкции от вытекающего расплавленного металла, являющегося сильным восстановителем и обеспечивающим гашение его горения, вызванного этим металлом.

Некоторые металлы, в частности щелочные металлы, как, например, натрий и калий или их смесь, часто используются в расплавленном виде в качестве жидкостей-теплоносителей благодаря их хорошим свойствам теплопроводности. В частности, в области ядерной техники, в ядерных реакторах на быстрых нейтронах жидкий натрий используется в качестве первичного и вторичного теплоносителя.

Некоторые горячие жидкие металлы, в частности щелочные и щелочноземельные металлы, являются сильными восстановителями, и, следовательно, активно взаимодействуют с кислородом, и они могут спонтанно возгораться при контакте с воздухом.

В том случае, когда такие металлы-сильные восстановители используются в качестве теплоносителей в установках, как, например, в ядерном реакторе, случайный контакт металла-теплоносителя с газом-окислителем, как, например, окружающий воздух, может иметь вредные последствия для установки и для окружающей среды из-за того, что выделяется тепло вследствие горения при контакте жидкого металла с воздухом и тепло продуктов горения, например, окислов, которые могут распространяться в установке и в окружающей среде.

Известен способ защиты конструкции от вытекающего расплавленного металла, являющегося сильным восстановителем, и гашения его горения, вызванного этим металлом, заключающийся в том, что зону, попадающую под воздействие вытекания жидкого металла, предварительно засыпают шариками защитного материала, инертного по отношению к расплавленному металлу (1).

Однако известный способ позволяет ограничить и прекратить горение жидкого металла, но не позволяет избежать тепловых или химических эффектов, связанных с утечкой жидкого металла.

Техническим результатом изобретения является способ защиты конструкции при вытекании расплавленного металла сильного восстановителя, и гашение горения жидкого металла, который позволяет устранить одновременно тепловые и химические эффекты, связанные с вытеканием, и является простым в реализации.

Указанный результат достигается за счет того, что конструкция покрывается по меньшей мере в зоне, попадающей под вытекающий металл, огнеупорным и инертным по отношению к жидкому металлу материалом в ячеистом виде газа-окислителя, причем ячейки между шариками сообщаются друг с другом с образованием объема для принятия расплавленного металла, а шарики выполнены из глинозема (окиси алюминия) гомогенными и непористыми, и их диаметр составляет от 5 до 50 мм, при этом объем ячеек по отношению к объему шариков составляет от 20 до 70%
Согласно данному способу предпочтительно, чтобы защитный материал был выполнен таким образом, чтобы общий объем его ячеек был по меньшей мере равен общему объему металла, который может вылиться.

Также предпочтительно согласно данному способу, чтобы слой защитного материала был выполнен в виде прилегающих друг к другу пакетов, содержащих шарики и имеющих оболочку, проницаемую для расплавленного металла, при этом оболочки выполнены в виде сетки из металлической проволоки.

Кроме того, согласно настоящему способу, предпочтительно, чтобы после сбора расплавленного металла в ячейки и его затвердевания был удален защитный материал путем его дробления на куски.

Пример реализации способа в соответствии с изобретением для случая, когда конструкцией является закрывающая крышка реакционной камеры реактора на быстрых нейтронах с компоновкой интегрального типа.

На чертеже показан разрез части крышки ядерного реактора на быстрых нейтронах, на которую может выливаться жидкий натрий и которая покрыта слоем защитных шариков в соответствии с изобретением. На чертеже показана часть крышки 1 реактора на быстрых нейтронах с компоновкой интегрального типа, которая образована конструкцией из стали и бетона в форме камеры.

Крышка ядерных реакторов на быстрых нейтронах с компоновкой интегрального типа в современной концепции имеет толщину, которая может достигать в некоторых местах трех метров, а общая поверхность порядка сотни квадратных метров. Поверх этой крышки расположены трубопроводы, в которых циркулирует расплавленный натрий, например, показанный на чертеже трубопровод 2.

В случае, если в трубопроводе 2 будет аварийный разрыв, жидкий натрий, циркулирующий в этом трубопроводе, может вылиться на верхнюю поверхность крышки 1 (стрелки 3). В случае трубопровода с большим объемом натрия и при значительном разрыве трубопровода на крышку за очень короткое время может вылиться большое количество жидкого металла. Крышка, верхняя поверхность которой имеет температуру около 120^oC, подвергается воздействию теплового удара вследствие того, что температура жидкого натрия может быть порядка 500^oC.

Кроме того, натрий спонтанно возгорается при контакте с окружающим воздухом, и горение натрия создает в крышке реактора тепловые напряжения очень большой амплитуды, за счет этого крышка может деформироваться и треснуть. Горение натрия может создать опасность и для окружения реактора, в частности, из-за возникновения химически агрессивных окислов и из-за токсичных веществ, которые могут распространяться в здании и в окружающей среде.

Способ защиты конструкции согласно изобретению состоит в том, что создают слой огнеупорного материала, химически инертного по отношению к жидкому натрию, он имеет ячеистую структуру такую, что ячейки 5 материала сообщаются между собой так, что имеется свободный проход для жидкого натрия, который выливается на верхнюю поверхность слоя 4, покрывающего крышку 1. Таким образом, жидкий натрий очень быстро распространяется в слое 4 и распределяется в непрерывном объеме, образованном прилегающими ячейками 5.

В соответствии с предпочтительным примером реализации способа, показанным на чертеже, слой 4 образован слоем шариков 6 из непористого глинозема (окиси алюминия) толщиной от 50 до 60 см, этот слой может иметь увеличенную толщину в зонах, которые особенно попадают под выливание натрия.

Шарики 6 глинозема (окиси алюминия), образующие слой 4, имеют приблизительно сферическую форму, и они имеют среднюю величину диаметра около 20 мм. Однако эти шарики имеют нерегулярности по форме и спектр размеров, так что отношение общего объема ячеек 5 к объему слоя 4 шариков будет порядка 50%
Таким образом, в случае разрыва трубопровода 2, сопровождающегося утечкой натрия с большим объемом, натрий очень быстро поглощается слоем 4, в котором он заполняет сообщающиеся между собой ячейки 5.

Горячий натрий вступает в контакт с шариками из глинозема (окиси алюминия), т. е. со значительной массой материала, имеющего большую плотность и большую теплоемкость. Таким образом, слой 4 шариков позволяет очень быстро поглотить большое количество калорий и охладить тем самым разлитый жидкий натрий.

Когда жидкий натрий станет контактировать с верхней поверхностью крышки 1, он будет значительно охлажденным, так что не возникает теплового удара между поверхностью крышки с температурой около 120^oС и жидким натрием с температурой порядка 500^oC. Температура слоя шариков перед вытеканием натрия находится в равновесии с температурой верхней поверхности крышки и достигает величины, близкой к 120^oC.

Вследствие большой теплоемкости шариков из глинозема температура защитного слоя, расположенного на крышке 1, поднимается до относительно умеренного уровня. С другой стороны, из-за невысокой теплопроводности шариков и вследствие постепенного охлаждения натрия при его опускании в слое 4 происходит небольшое повышение температуры слоя, находящегося в контакте с крышкой 1.

Следовательно, слой шариков должен представлять собой шарики из плотного материала, без пор, огнеупорного, инертного по отношению к натрию и имеющего высокую теплоемкость.

Воздух, который вначале занимал ячейки 5, быстро выталкивается при выливании натрия и при его проникновении в слой 4, часть этого воздуха вызывает окисление или ограниченное горение натрия. Горение натрия не может распространяться из-за того, что натрий находится в контакте с ограниченной атмосферой, которая быстро теряет кислород внутри ячеек 5.

Таким образом, тепловые эффекты при вытекании натрия сильно ограничены из-за того, что огонь не может возникнуть или поддерживаться заметным образом над крышкой реактора.

Точно так же образования окислов и других химических веществ, которые могут вызывать коррозию, практически не происходит из-за того, что горение не распространяется. Вследствие быстрого понижения температуры жидкого горячего натрия также не происходит образования и распространения токсичных металлических паров.

Когда вытекание натрия прекращается, жидкий натрий, находящийся в слое 4 из шариков, охлаждается в контакте с внешней атмосферой и затвердевает, образуя вместе со слоем 4 массу. После полного охлаждения натрия можно снять слой шариков, содержащий натрий, например, разламывая и дробя этот слой на блоки с помощью соответствующего инструмента. Охлажденный натрий не прилипает к верхнему слою стальной крышки, и удаление слоя 4, заполненного охлажденным натрием, осуществляется без повреждения крышки.

Для создания защиты крышки ядерного реактора на быстрых нейтронах с компоновкой интегрального типа, площадь поверхности которой около 100 м², создают слой 4 шариков из глинозема (окиси алюминия) толщиной от 50 до 60 см, который достаточен, чтобы поглотить 22 м³ натрия.

Такой слой позволяет осуществить защиту от самых крупных возможных разрывов трубопроводов с натрием, расположенных сверху крышки реактора. Кроме того, после аварийного вытекания натрия этот слой может быть легко удален и заменен.

В случае, если горение натрия распространяется в металле, который еще не поглощен в слое 4, этот слой 4 создает достаточную тепловую защиту для крышки реактора, так что на ней не сказываются тепловые эффекты горения натрия.

Ниже описаны два примера реализации способа в соответствии с изобретением в экспериментальных рамках, которые точно воспроизводят условия в зоне защитного слоя 4 крышки 1 реактора, как показано на чертеже.

Пример 1. В цилиндрический сосуд из теплоизоляционного материала диаметром 100 мм, который заполнен на высоту 650 мм шариками из окиси алюминия с диаметром от 5 до 10 мм, нагретыми до 80^oC, в течение 40 с выливают 2,5 кг жидкого натрия, имеющего температуру 550^oC. Шарики из окиси алюминия образуют слой, у которого объем ячеек по отношению к объему шариков составляет около 40%
Поглощение натрия в слое шариков происходит за 10 мин, в течение этого времени горение натрия в слое развивается очень ограничено и естественно прекращается после полного поглощения жидкого металла. Из-за горения натрия температура дна сосуда, которое имитирует верхнюю стенку, из углеродистой стали крышки ядерного реактора на быстрых нейтронах, остается ниже 120^oC, что соответствует отличной защите этой верхней стенки.

Через 30 дней после опыта исследование этого испытательного устройства показало отсутствие каких-либо значительных изменений стенки сосуда из углеродистой стали.

Пример 2. В цилиндрический сосуд из теплоизоляционного материала диаметром 300 мм, который заполнен на высоту 500 мм слоем шариков из окиси алюминия с диаметром от 15 до 30 мм, у которого объем ячеек по отношению к объему шариков составляет 50% в течение минуты было вылито 13 кг жидкого натрия, нагретого до 550^oC, а дно сосуда было предварительно нагрето до 120^oC. Поглощение натрия слоем шариков произошло за 60 с. Горение натрия прекратилось, как только натрий был поглощен слоем шариков.

Температура дна сосуда, которое имитировало верхнюю стенку из углеродистой стали крышки реактора на быстрых нейтронах, была ниже 150^oС, тогда как температура на поверхности слоя шариков достигала 720^oC за несколько мгновений, пока огонь натрия был активным.

После охлаждения агломерат, образованный натрием и шариками, был без всяких трудностей разломан. Прилипание к стенкам сосуда из углеродистой стали было нулевым. Не было никакого повторного загорания. Через две недели после проведения этого опыта не было обнаружено никакого значительного нарушения конструкции из углеродистой стали.

Таким образом, видно, что способ согласно изобретению легко реализуется, он очень эффективен тем, что позволяет избежать развития горения жидкого металла. С другой стороны, даже в случае, если горение жидкого металла распространяется до того, пока этот металл полностью поглотится ячеистым материалом, этот материал обеспечивает защиту конструкции от термических эффектов горения, та что конструкция сохраняет свои размерные и функциональные характеристики.

Восстановление конструкции после аварийного разливания жидкого металла осуществляют очень легко. Образованный агломерат можно легко разбить на куски и удалить простыми средствами, без всякого риска повторного возгорания.

Ячеистый материал может быть реализован в форме, отличной от слоя шариков, этот ячеистый материал может иметь объем ячеек, отличный от того, который указан для слоя шариков. Но объем ячеек по отношению к объему шариков должен быть в пределах от 20 до 70% чтобы можно было иметь быстрое и эффективное поглощение жидкого металла, одновременно этот материал должен иметь достаточную теплоемкость, чтобы обеспечить заметное охлаждение жидкого металла.

В том случае, если для создания защитного слоя используется материал в форме шариков или гранул, гранулометрический состав этого материала можно легко сделать таким, чтобы улучшить или быстрое поглощение жидкого металла, или поглощение теплоты этого жидкого металла.

Тем не менее во всех случаях материал в форме шариков или гранул будет иметь гранулометрический состав в пределах от 5 до 50 мм.

Материал может быть прямо рассыпан на защищаемую поверхность конструкции. Он может также находиться в оболочках, достаточно проницаемых для жидкого металла, чтобы было хорошее поглощение. Такая упаковка гранулированного материала в форме пакетов выбранной формы позволяет облегчить его складирование и укладку на конструкцию, при этом слой защитного материала образуется путем укладки пакетов рядом друг с другом.

Проницаемая оболочка вокруг гранулированного материала может быть сделана из металлической проволоки, например, она может быть из сетки, изготовленной из проволоки из нержавеющей стали.

Можно также представить себе использование материалов в форме пластин или блоков различной формы для создания защитного слоя. В этом случае материал будет ячеистым, ячейки которого сообщаются между собой и у которого большая теплоемкость.

Можно также покрыть или пропитать поверхность шариков или гранул, которые образуют защитный слой, материалом, который выделяет не поддерживающий горение газ, например, углекислый газ или азот, при контакте с жидким горячим металлом, за счет этого улучшается гашение огня натрия в ячейках защитного материала.

Наконец, способ защиты в соответствии с данным изобретением можно использовать для различных применений в ядерных реакторах на быстрых нейтронах и во всех случаях, когда есть риск, что жидкие металлы-сильные восстановители могут вылиться на конструкцию и вызвать разрушение этой конструкции.

Использование: для защиты крышки зоны ядерного реактора на быстрых нейтронах. Сущность изобретения: способ защиты конструкции от вытекающего расплавленного металла, являющегося сильным восстановителем, и гашения его горения, вызванного этим металлом, заключающийся в том, что зону, попадающую под воздействие вытекания жидкого металла, предварительно засыпают шариками защитного материала, инертного по отношению к расплавленному металлу. При этом слой защитного материала должен иметь ячеистую структуру, а ячейки между шариками сообщаются друг с другом с образованием объема для принятия расплавленного металла, причем шарики выполнены из глинозема (окиси алюминия), гомогенными и непористыми, и их диаметр составляет от 5 до 50 мм, при этом объем ячеек по отношению к объему шариков составляет от 20 до 70%. 4 з.п. ф-лы. 1 ил.

1. Способ защиты конструкции от вытекающего расплавленного металла, являющегося сильным восстановителем, и гашения его горения, вызванного этим металлом, заключающийся в том, что зону, попадающую под воздействие вытекания жидкого металла, предварительно засыпают шариками защитного материала, инертного по отношению к расплавленному металлу, отличающийся тем, что ячейки между шариками сообщаются друг с другом с образованием объема для принятия расплавленного металла, шарики выполнены из глинозема (окиси алюминия) гомогенными и непористыми и их диаметр составляет от 5 до 50 мм, при этом объем ячеек по отношению к объему шариков составляет от 20 до 70%
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что защитный материал выполнен таким образом, чтобы общий объем его ячеек был по меньшей мере равен общему объему металла, который может вылиться. 3. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что слой защитного материала выполнен в виде прилегающих друг к другу пакетов, содержащих шарики и имеющих оболочку, проницаемую для расплавленного металла. 4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что оболочки выполнены в виде сетей из металлической проволоки. 5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что после сбора расплавленного металла в ячейки и его затвердения производят удаление защитного материала путем его дробления на куски.