УСТРОЙСТВО ПРОТИВОАВАРИЙНОЙ ЗАЩИТЫ, ЗАМЕДЛЯЮЩЕЕ ПРОДВИЖЕНИЕ И УЛАВЛИВАЮЩЕЕ ЖИДКИЕ И ТВЕРДЫЕ МАТЕРИАЛЫ РАЗРУШЕННОЙ АКТИВНОЙ ЗОНЫ, КОНСТРУКТИВНО ОБЪЕДИНЕННОЕ С РЕАКТОРОМ Российский патент 1998 года по МПК G21C9/16 

Изобретение относится к ядерной энергетике, конкретно к системам защиты реакторной установки водо-водяного типа и к устройствам для локализации расплавленной или разрушенной активной зоны внутри корпуса реактора, вышедшей за пределы активной зоны в процессе протекания тяжелой аварии.

Известно устройство реакторная установка /1/, состоящее из корпуса, перфорированного днища, опоры, тепловыделяющих сборок, блока защитных труб.

Разрушение активной зоны в процессе протекания тяжелой аварии сопровождается образованием жидких и твердых фракций, которые стекают и осыпаются в опору, расположенную под топливными кассетами в напорной камере реактора, что приводит при недостаточном охлаждении к сепарации жидких и твердых фракций: твердые фракции задерживаются в опоре, а жидкие стекают в межопорное пространство на перфорированное днище и через отверстия в перфорированном днище на днище корпуса реактора. Химически агрессивные жидкие фракции разрушенной активной зоны, интенсивно взаимодействуя с корпусной сталью при отсутствии или недостаточном внутреннем охлаждении, приведут к разрушению днища корпуса реактора и выходу расплава в бетонную шахту и другие помещения АЭС.

При заполнении опоры твердыми и жидкими фракциями возможность последующего охлаждения при частичном восстановлении функционирования систем безопасности или систем нормальной эксплуатации будет значительно затруднена, так как жидкие и твердые фракции, заполнившие опору, блокируют поступление воды в разрушенную активную зону снизу, а охлаждение активной зоны водой сверху может в течение длительного времени не давать положительного эффекта (например, из-за места расположения разрыва 1-го контура).

Недостатки указанного технического решения:
1) жидкие фракции разрушенной активной зоны, в условиях недостаточного охлаждения, беспрепятственно из активной зоны поступают на днище корпуса реактора;
2) химически агрессивные жидкие фракции за короткое время перемещения в напорной камере реактора не успевают снизить свою химическую активность и начинают интенсивно взаимодействовать со сталью днища корпуса реактора; таким образом, у оперативного персонала практически нет времени на принятие дополнительных мер по восстановлению охлаждения активной зоны в промежутке между моментом выхода кориума из активной зоны и началом разогрева и разрушения днища корпуса реактора;
3) обрушение из активной зоны жидких фракций во внутреннюю часть опоры (заполненную частично или полностью водой) может привести к развитию парового взрыва /2/ с образованием ударных волн, способных вызвать серьезные повреждения корпуса реактора; повреждение нижней части корпуса реактора, особенно повреждение центральной части днища, разрушает один из основных барьеров безопасности, что не позволяет локализовать тяжелую аварию внутри корпуса реактора и приводит к выходу кориума в бетонную шахту и выбросу части радиоактивных материалов в гермообьем, это обстоятельство значительно осложняет локализацию последствий аварии и последующее охлаждение разрушенной активной зоны;
4) сплошное заполнение твердыми и жидкими фракциями опоры приводит к невозможности последующего плавного (без ударных процессов) охлаждения активной зоны снизу при частичном восстановлении работоспособности систем безопасности или нормальной эксплуатации, что создает условия для возникновения неустойчивых режимов охлаждения с сильными гидродинамическими возмущениями, результатом которых может быть разрушение корпуса реактора.

По совокупности признаков, включая конструктивные особенности, устройство /1/ является наиболее близким аналогом и взято за прототип.

Основными задачами создания устройства противоаварийной защиты конструктивно объединенного с реактором являются:
1) принцип дооборудования напорной камеры реактора;
2) принцип максимального использования особенностей конструкции напорной камеры реактора и опоры.

Предлагаемое устройство противоаварийной защиты выполняет свои функции в условиях:
1) быстрого или медленного непрерывного поступления воды в напорную камеру реактора в любой момент протекания аварии, как от систем безопасности, систем нормальной эксплуатации, так и в результате разрушений элементов оборудования реакторной установки;
2) полного или частичного залива напорной камеры водой;
3) периодического (импульсного) поступления воды в напорную камеру.

Процесс поступления кориума и твердых обломков активной зоны в опору сводится к двум различным механизмам:
1) к многоструйному истечению кориума из активной зоны сквозь сохраняющую некоторое время свою целостность нижнюю дистанционирующую решетку;
2) к обрушению кориума в опору при разрушении нижней дистанционирующей решетки топливной кассеты.

Процесс протекания тяжелой аварии сопровождается различными отказами или непроектными периодическими срабатываниями систем безопасности и систем нормальной эксплуатации. В результате отказов или непроектных режимов работы этих систем к моменту выхода кориума в опору в них может содержаться любое (по уровню) количество теплоносителя.

Конструктивно обеспечивается возможность появления трех предельных состояний уровня теплоносителя в напорной камере, при которых уровень теплоносителя может находится на 3-х критических отметках:
1) опора полностью залита водой, при этом полностью заполнена вся напорная камера; кориум, выходя из активной зоны, попадает непосредственно в воду;
2) опора залита водой ниже уровня зоны перфорации; таким образом, внутреннее пространство опоры остается сухим, а вода находится только в нижней части объема напорной камеры; кориум, выходя из активной зоны, попадает в сухой внутренний объем опоры, и, только пройдя зону перфорации опоры, кориум в межопорном пространстве напорной камеры начинает взаимодействовать с теплоносителем;
3) опора не залита водой, вода находится под наружной поверхностью перфорированного днища; кориум, выходя из активной зоны, попадает в сухой внутренний объем опоры, затем, пройдя зону перфорации опоры, поступает в межопорное пространство напорной камеры, и, выйдя через отверстия в перфорированном днище или разрушая само днище, начинает взаимодействовать с теплоносителем, находящимся между днищем корпуса реактора и перфорированным днищем.

Техническим результатом изобретения является повышение безопасности ядерной энергетической установки в случае разрушения активной зоны и выхода кориума за пределы активной зоны.

Технический результат достигается за счет того, что устройство противоаварийной защиты, замедляющее продвижение и улавливающее жидкие и твердые материалы разрушенной активной зоны, конструктивно объединено с реактором 1, содержит: напорную камеру 2 с перфорированным днищем 3, опору 4, вставленную нижним концом в перфорированное днище 3 напорной камеры 2, а верхним концом в плиту шахты реактора 5, топливные кассеты 6.

В опоре 4 вплотную или с конструктивным зазором установлена кассета-накопитель 7, которая собрана в порядке, поясненном фиг. 1-6, В опору 4 вплотную или с конструктивным зазором установлена кассета-накопитель 7, выполненная следующим образом: между верхней 10 и нижней 11 решетками установлены несущее диаметральное ребро 8 и несущие радиальные ребра 9, выполняющие функции элементов скольжения, которые многократно увеличивают поверхность соприкосновения кориума с конструкционными материалами кассеты-накопителя 7 за счет использования поверхностей сложного профиля: ребра 8 и 9 выполнены плоскими, гнутыми, витыми, для усиления эффектов торможения кориума на поверхностях несущего диаметрального 8 и радиальных 9 ребер выполнена перфорация, в качестве наполняемых емкостей, усиливающих эффективность удержания кориума в кассете-накопителе 7, выполнены накопители 25.

Накопители 25 симметрично выполнены на поверхностях несущих диаметрального 8 и радиальных 9 ребер в виде полок, ковшей, гнутых профилированных поверхностей, щелей с помощью сварки, штамповки, вырубки. Симметричное выполнение накопителей 25 обусловлено необходимостью обеспечения осевой гидродинамической симметрии в потоке теплоносителя внутри опоры 4, верхняя 10 и нижняя 11 решетки, соединены с торцами ребер 8 и 9, причем ребра и торцы решеток выполнены по профилю внутренней части опоры; решетки установлены с минимальным зазором относительно внутренней поверхности опоры, что обеспечивает радиальную устойчивость конструкции кассеты-накопителя 7 в потоке теплоносителя в процессе нормальной эксплуатации, в аварийных и переходных режимах.

Хвостовик 12 кассеты-накопителя 7, прикреплен с нижней стороны к нижней решетке 11 и выполнен из нижнего упора 13 с отверстием, причем к нижнему упору 13 прикреплены опорные ребра 14, выполненные по внутреннему профилю нижней части опоры 4, подпружиненного штока 15, с надетой на него пружиной 16, вставленного в отверстие нижнего упора 13, причем, на верхнем конце штока 15 выполнен ограничитель 17 и нижний конец штока 15 установлен вплотную на дно опоры 4, при сборке кассеты-накопителя 7 пружина 16 сжата, обеспечивая аксиальную устойчивость кассеты-накопителя 7 в потоке теплоносителя.

Головка 18 кассеты-накопителя 7 прикреплена к верхней решетке 10 и выполнена из гладких ребер 19, прикрепленных с верхней стороны к верхней решетке 10, пяты 20 с соосным пазом под ребро топливной кассеты 6 и скрепленной с гладкими ребрами 19, причем, паз под ребро топливной кассеты 6 обеспечивает фиксацию кассеты-накопителя 7 от разворота в потоке теплоносителя внутри опоры 4.

Два упора 21, состоящих из корпуса 22 и стопорного пальца 23, входящего фиксирующей своей частью в технологическое отверстие опоры 4 с пружиной 24, установленных на верхней поверхности верхней решетки 10, причем, паз под ребро топливной кассеты 6 соединен с ребром топливной кассеты 6.

Радиальная фиксация обеспечивает аксиальную устойчивость кассеты-накопителя 7 внутри опоры 4 в процессе перегрузки топливной кассеты 6 и радиально-аксиальную устойчивость кассеты-накопителя 7 внутри опоры 4 в процессе протекания тяжелой аварии в условиях потери прочности несущими конструктивными элементами топливной кассеты 6.

Устройство работает следующим образом. В процессе расплавления активной зоны жидкие и твердые фракции, опускаясь вниз, поступают в опору 4. К моменту поступления кориума в опоре 4 может находится вода, оставшаяся в процессе протекания тяжелой аварии, либо вода, накопившаяся при быстром или медленном непрерывном поступлении теплоносителя в напорную камеру 2 реактора как от систем безопасности, систем нормальной эксплуатации, так и в результате разрушений элементов оборудования реакторной установки. Таким образом, к моменту поступления кориума в опору 4 возможно произвольное заполнение кассет-накопителей 7 водой, уровень которой в опоре 4 определяется характером протекания тяжелой аварии. В этих условиях кассета-накопитель 7 выполняет функцию гидродинамического тормоза, замедляя и блокируя развитие процессов, приводящих к паровому взрыву. Торможение и блокирование процессов, приводящих к развитию парового взрыва, обеспечивается следующими конструктивными особенностями кассеты-накопителя 7:
1) наличием верхней решетки 10, препятствующей прямому поступлению всей массы обрушившегося кориума во внутренний объем опоры 4, что препятствует процессам, связанным с предварительным перемешиванием и объемным рассредоточением жидких фракций в воде, кроме того, твердые фракции задерживаются на верхней решетке 10, препятствуя быстрому проникновению жидких фракций во внутренний объем опоры 4;
2) наличием профилированных (прямых, гнутых, закрученных относительно аксиальной оси, гофрированных в радиальном направлении и др.) диаметральных 8 и радиальных 9 ребер, которые препятствуют быстрому аксиальному перемешиванию жидких фракций кориума с теплоносителем и полностью блокируют радиальное перемешивание топлива и теплоносителя, чем полностью подавляют или значительно ослабляют возможные ударные процессы;
3) наличием нижней решетки 11 и нижнего упора 13, препятствующих прямому контакту жидких фракций кориума с нижней частью опоры 4, так как, в зависимости от количества теплоносителя во внутреннем объеме опоры 4, конфигурация внутреннего профиля нижней части опоры 4 может дать толчек для запуска процессов, приводящих к паровому взрыву, а нижняя решетка 11 и нижний упор 13 препятствуют этому.

Если уровень теплоносителя или уровень поступившей воды от систем безопасности или частично восстановленных систем нормальной эксплуатации находится ниже уровня зоны перфорации, то внутреннее пространство опоры 4 остается сухим, а вода находится только в нижней части объема напорной камеры 2. Это приводит к тому, что кориум, выходя из активной зоны, попадает в сухой внутренний объем опоры 4. В этом случае процесс термохимического и механического взаимодействия кориума с кассетой-накопителем 7 начинается с момента поступления кориума на верхнюю решетку 10. Головка 18 кассеты-накопителя 7 с гладкими ребрами 19 не оказывает существенного сопротивления движению кориума, поэтому начальное взаимодействие в основном сосредоточено на верхней решетке 10, сквозь которую кориум поступает во внутренние полости кассеты-накопителя 7, образованные диаметральным 8 и радиальными 9 ребрами. Упоры 21, находящиеся на верхней решетке 10, в этот момент могут терять свои фиксирующие способности, постепенно разрушаясь под воздействием кориума. Верхняя решетка 10 некоторое время сохраняет свои прочностные свойства при поступлении на нее твердых фракции, но быстро разрушается при поступлении жидких фракций из активной зоны. Расплавляясь, верхняя решетка 10 на начальном этапе снижает температуру и химическую активность кориума.

Перемещение кориума во внутренние полости кассеты-накопителя 7 сопровождается стеканием по диаметральному 8 и радиальным 9 ребрам, поступлением в накопители 25 и падением на нижнюю решетку 11. Стекание кориума по ребрам 8 и 9 и поступление в накопители 25 в отсутствие теплоносителя сопровождается расплавлением и растворением материалов кассеты-накопителя 7, что снижает температуру и химическую активность кориума и замедляет продвижение его жидких фракций.

В процессе взаимодействия жидкие фракции, отдавая энергию на разогрев и фазовый переход материалов кассеты-накопителя 7, могут застывать, что также тормозит продвижение кориума к днищу корпуса реактора 1.

Дальнейшее движение кориума в опоре 4 приводит к взаимодействию хвостовика 12 кассеты-накопителя 7 с жидкими и твердыми фракциями разрушенной активной зоны. Нижняя решетка 11, опорные ребра 14, нижний упор 13, шток 15 с ограничителем 17 являются элементами, механически задерживающими кориум. Расплавляясь и растворяясь в кориуме, эти элементы снижают его химическую активность и температуру плавления, что тормозит его дальнейшее тепловое и химическое взаимодействие с опорой 4, перфорированным днищем 3 и днищем корпуса реактора 1. Если кориума на начальной стадии аварии в опору 4 поступает немного, то возможно полное торможение на некоторое время процессов проплавления опоры 4 и прекращение перемещения кориума за счет растворения материалов кассеты-накопителя 7 в кориуме и повышение его теплопроводности. Если кориума в опору 4 поступает много, а в напорной камере 2 охлаждающий теплоноситель отсутствует, то начальное снижение его химической активности и температуры плавления и повышение его теплопроводности за счет расплавления и растворения материалов кассеты-накопителя 7 в кориуме, создают благоприятные предпосылки для дальнейшего теплообмена с опорой 4 и более полного использования энергоемкости опоры 4 для замедления поступления кориума на днище корпуса реактора.

В этих процессах кассета-накопитель 7 выполняет функцию теплового аккумулятора, основные свойства которого заключаются в:
1) увеличении запаса времени до поступления кориума на днище корпуса реактора за счет механического торможения перемещения кориума внутри опоры 4;
2) уменьшении температуры кориума при его поступлении в напорную камеру за счет растворения конструкционных материалов самой опоры 4 и материалов кассет-накопителей 7;
3) уменьшении химической активности кориума, поступающего из активной зоны в напорную камеру за счет специального подбора материалов кассет-накопителей 7;
4) предотвращении образования критмасс в напорной камере при поступлении в нее кориума за счет использования в кассетах-накопителях 7 поглощающих материалов.

Наиболее целесообразно предложенное устройство противоаварийной защиты, замедляющее продвижение и улавливающее жидкие и твердые материалы разрушенной активной зоны, конструктивно объединенное с реактором, использовать при реконструкции ядерных энергетических установок с реакторами типа ВВЭР, что обеспечивается минимально-необходимым объемом работ по модернизации имеющегося оборудования.

Сущность: устройство содержит опору, в которую установлена кассета-накопитель, выполненная из несущего диаметрального ребра и радиальных несущих ребер, скрепленных с верхней и нижней решетками. Хвостовик кассеты-накопителя прикреплен к нижней решетке и выполнен из нижнего упора с отверстием, опорных ребер, подпружиненного штока, с надетой на него пружиной, и ограничителем, выполненным на верхнем конце штока. Головка кассеты-накопителя прикреплена к верхней решетке и выполнена из гладких ребер, пяты, с соосным пазом под ребро топливной кассеты, упоров, установленных на верхней решетке, установлены упоры, состоящие из корпуса, пружины и стопорного пальца, входящего фиксирующей своей частью в технологическое отверстие опоры. 3 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Устройство противоаварийной защиты, замедляющее продвижение и улавливающее жидкие и твердые материалы разрушенной активной зоны, конструктивно объединенное с реактором 1, содержащее напорную камеру 2 с перфорированным днищем 3, опору 4, вставленную нижним концом в перфорированное днище 3 напорной камеры 2, а верхним концом в плиту шахты реактора 5, топливные кассеты 6, отличающееся тем, что в опоре 4 вплотную или с конструктивным зазором установлена кассета-накопитель 7, выполненная по крайней мере из одного несущего диаметрального ребра 8 и по крайней мере двух радиальных несущих ребер 9, как минимум двух решеток верхней 10 и нижней 11, соединенных с торцами ребер 8 и 9, а ребра и торцы решеток выполнены по профилю внутренней части опоры 4, хвостовика 12 кассеты-накопителя 7, прикрепленного с нижней стороны к нижней решетке 11, головки 18 кассеты-накопителя 7, прикрепленной к верхней решетке 10, причем хвостовик 12 кассеты-накопителя 7 выполнен из нижнего упора 13 с отверстием, а к нижнему упору 13 прикреплены по крайней мере три опорных ребра 14, выполненных по внутреннему профилю нижней части опоры 4, подпружиненного штока 15, с надетой на него пружиной 16, вставленного в отверстие нижнего упора 13, причем на верхнем конце штока 15 выполнен ограничитель 17, и нижний конец штока 15 установлен вплотную на дно опоры 4, а головка 18 кассеты-накопителя 7 выполнена из по крайней мере четырех гладких ребер 19, прикрепленных с верхней стороны к верхней решетке 10, пяты 20 с соосным пазом под ребро топливной кассеты 6 и скрепленной с гладкими ребрами 19, причем паз под ребро топливной кассеты 6 соединен с ребром топливной кассеты 6, двух упоров 21, состоящих из корпуса 22 и стопорного пальца 23, входящего фиксирующей своей частью в технологическое отверстие опоры 4, с пружиной 24, причем два упора 21 установлены на верхней поверхности верхней решетки 10. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что несущие диаметральные 8 и радиальные 9 ребра выполнены плоскими, гнутыми, витыми. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что несущие диаметральные 8 и радиальные 9 ребра выполнены перфорированными. 4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что по крайней мере на двух несущих ребрах, диаметральных или радиальных, выполнены с помощью сварки, штамповки, вырубки по крайней мере два симметрично расположенных накопителя 25 в виде полок, ковшей, гнутых профилированных поверхностей, щелей.