СИСТЕМА ЗАЩИТЫ ЗАЩИТНОЙ ОБОЛОЧКИ РЕАКТОРНОЙ УСТАНОВКИ ВОДО-ВОДЯНОГО ТИПА Российский патент 1998 года по МПК G21C9/16 G21C13/10 

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

Известно устройство для рекуперации оплавившейся части ядерного реактора [1], которое состоит из перемычек, разделяющих объем, находящийся под активной частью реактора, на полые узкие объемы, в которые медленно вытекает расплавленный материал, и на охладительные каналы, предназначенные для отверждения этого материала. Под действием гидростатического давления из расположенного выше источника охладитель испаряется, что способствует его автоматическому обновлению.

Недостатки технического решения [1]:
устройство предназначено только для работы с жидким кориумом небольшой вязкости и не выполняет своих функций, если кориум будет иметь: высокую вязкость (тестообразный кориум, кориум базальтового вида); сложный фазовый состав (сочетание жидких фракций и твердых обломков - шуга); вязкопластичный вид, находясь в твердом состоянии. Это связано с тем, что система охлаждения [1] функционирует только при проникновении кориума в узкие полые объемы (превратить узкие полые объемы в широкие каналы в данной компоновке не представляется возможным, так как кориум перестанет охлаждаться и будет проплавлять бетонную шахту), а для кориума с высокой вязкостью или имеющего различный фазовый состав проникновение в такие узкие полые объемы либо сильно затруднено, либо невозможно. В этих случаях система охладительных каналов и полые объемы будут разрушаться и заполняться кориумом практически одновременно, что приведет либо к выходу всей системы охлаждения из строя, либо к непроектным режимам ее работы, в результате которых возможно возникновение и развитие процессов, усиливающих протекание тяжелой аварии и ускорение проплавления или разрушения защитных барьеров;
в случае разрушения одного или нескольких охладительных каналов и попадания кориума в объем воды возможно возникновение паровых взрывов, от которых устройство [1] незащищено и в результате может быть разрушено;
в случае разрушения одного или нескольких охладительных каналов и попадания воды под действием гидростатического давления во внутренний объем жидкого кориума возникающее давление парового взрыва разрушит устройство [1] с бетонной шахтой и приведет к значительным дополнительным повреждениям других защитных барьеров;
в случае проплавления днища корпуса реактора и частичного падения кориума на устройство [1] возможен последующий обрыв днища корпуса реактора, в результате произойдет смятие или полное разрушение предварительно разогретого устройства [1] с полным отказом проектного функционирования оборудования и возникновением опасных непроектных режимов работы устройства;
при проектном заполнении полых узких объемов вертикальных охладительных каналов жидким кориумом каналы в вертикальном направлении имеют три характерные зоны: экономайзерную, испарительную и пароперегревательную; в представленной конструкции по крайней мере две первые характерные зоны будут существовать всегда, пока конструкция будет в состоянии обеспечивать проектный горизонтальный отвод пара из устройства в вертикальные пароотводные каналы, находящиеся на периферии, именно этот горизонтальный отвод будет тормозить теплоотвод и приведет к перегреву верхних концов охладительных каналов, в результате они будут разрушены кориумом за несколько минут, причем влияние величины гидростатического давления в подающем баке на теплосъем в верхних запаренных участках охладительных каналов будет незначительным, что не позволит обеспечить водяное охлаждение верхних участков охладительных каналов и предотвратить разрушение устройства;
при поступлении воды в бетонную шахту до момента проплавления или разрушения днища корпуса реактора возникают благоприятные гидродинамические условия для возникновения либо паровых взрывов, либо быстрого повышения давления в бетонной шахте при разрушении корпуса реактора и попадании кориума в воду, что может привести не только к разрушению устройства [1], но и к разрушению бетонной шахты;
при быстром проектном заполнении полых узких объемов вертикальных охладительных каналов жидким кориумом возможны термоудар и разрушение охладительных каналов, стенки которых не защищены от прямого термического воздействия кориума;
в случае заполнения полых узких объемов вертикальных охладительных каналов жидким слабоокисленным кориумом возможно возникновение интенсивных химических реакций между материалами, составляющими стенки каналов, и слабоокисленным, но химически агрессивным кориумом, в результате стенки в экономайзерной и пароперегревательной зонах охладительных каналов будут разрушены, а устройство [1] выведено из строя.

Кроме того, известна система защиты для ядерного реактора на атомных станциях [2] , которая содержит конструкцию, расположенную под реактором и погруженную в холодную жидкость, конструкция преграждает движение расплавленного материала кориума из реактора на пол подреакторного помещения таким образом, что расплавленный материал окончательно распределяется на большой площади в элементах конструкции и отдает свое тепло охлаждающей жидкости.

Недостатки технического решения [2]:
представленная в [2] конструкция находится в воде и при падении кориума с большой высоты обеспечивает его быстрое торможение в верхнем слое воды и эффективное перемешивание с водой, чем достигается ускоренное развитие и распространение ударной волны парового взрыва, которая в данной конструкции может привести не только к разрушению бетонной шахты, но и значительным повреждениям других защитных барьеров;
при струйном истечении или дискретном падении порций кориума возможны зарождение и развитие ударных волн внутри конструкции [2], причем балочная система, из которой выполнена конструкция, не является преградой на пути прохождения ударных волн и не способна защитить бетонную шахту от разрушения, так как для фронта распространения ударной волны такая конструкция является гидродинамически прозрачной и не обладает заметным сопротивлением, способным затормозить развитие и продвижение ударной волны [3]);
при использовании в конструкции [2] системы защиты балочной системы с плотной горизонтальной многорядной упаковкой или пакета перфорированных листов возможна ситуация (и она будет тем вероятней, чем плотнее горизонтальные балочные перекрытия, или чем меньше проходное сечение дырчатых листов), когда кориум, пройдя несколько вертикальных слоев балок, рассредоточится и смешается с холодной водой, при этом образовавшаяся ударная волна, не имея возможности обогнуть балочную систему и выйти в бетонную шахту, разрушит конструкцию системы защиты, бетонную шахту и вызовет повреждения или разрушения защитных барьеров;
в случае струйного истечения кориума из корпуса реактора в конструкцию системы защиты [2] возникает ситуация, при которой постепенное вытекание кориума приводит к заполнению ограниченной по радиусу области конструкции, так как на периферии эта область охлаждается пароводяной смесью с образованием гарнисажа (гарнисаж - твердая корка, состоящая в основном из окислов, в том числе и тугоплавких, и других твердых соединений, теплофизические свойства которой изменяются по толщине, это изменение обусловлено структурой корки: слоистостью, газовыми пузырями, трещинами, пористостью, плотными и прочными включениями и др.), а в центре - перегретым паром, то поступление кориума из корпуса реактора в конструкцию будет сопровождаться разогревом и увеличением аксиальных размеров этой области, при этом под действием струйного истечения область практически сухого взаимодействия кориума и конструкции системы защиты, достигнув пола бетонной шахты, захватывает строительный бетон и выходит за пределы гермозоны;
использование для предотвращения прямого попадания кориума в воду ложного днища, расположенного под днищем корпуса реактора и над уровнем воды в бетонной шахте, не приведет к радикальной защите оборудования от паровых взрывов, так как и в случае отрыва днища, и в случае его разрушения кориум разогреет и проплавит или разрушит сухое ложное днище и обрушится в воду, что приведет к паровому взрыву со всеми вытекающими последствиями;
выполненные каналы в ложном днище для струйного пропускания кориума должны предотвратить падение кориума в воду и воспрепятствовать развитию парового взрыва, однако при отрыве днища корпуса реактора эти каналы перестают выполнять свои функции, так как перекрываются оторвавшимся днищем, а возможное последующее струйное истечение кориума может привести к нежелательному забросу воды на ложное днище (от этого эффекта конструкция не защищена), что ведет к попаданию воды на поверхность расплавленного кориума, локальному повышению давления и обрушению всей разогретой конструкции вместе с жидким кориумом в воду, вследствие чего происходят прямой контакт кориума с водой, образование и распространение ударной волны парового взрыва с описанными выше последствиями.

Известно устройство - реакторная установка [4], состоящее из гермозоны, реактора, парогенератора, главных циркуляционных насосов, компенсатора объема, главного циркуляционного трубопровода, гидроемкостей системы аварийного охлаждения активной зоны, насосов низкого и высокого давления системы безопасности, подпиточных насосов системы нормальной эксплуатации, соединяющих трубопроводов, фермы опорной, расположенной под зоной патрубков корпуса реактора, теплоизоляции цилиндрической части реактора, металлоконструкции сухой защиты, трубопроводов подачи воздуха, крупногабаритных деталей защиты днища корпуса реактора, подреакторного помещения, механизма поворота для осмотра корпуса реактора, люка-лаза с наружной и внутренней гермодверями, соединенного с обслуживающим помещением, кабельных проходок для подвода электроэнергии в подреакторное помещение.

Недостатки технического решения [4]:
защитная оболочка реакторной установки [4] в процессе протекания тяжелой аварии не защищена от разрушения при паровых взрывах, которые могут происходить в бетонной шахте реактора в случаях разрушения корпуса реактора и падения расплава активной зоны в воду, находящуюся в бетонной шахте; бетонная шахта реакторной установки [4] не защищена от затопления теплоносителем в процессе протекания тяжелой аварии, а система дренажа не может обеспечить в авариях с полным обесточиванием или в авариях с большими течами дренирование поступающего в бетонную шахту теплоносителя;
защитная оболочка реакторной установки [4] в процессе протекания тяжелой аварии не защищена ни от разрушения при падении кориума в сухую бетонную шахту, ни от размывания при струйном истечении кориума из корпуса реактора;
нет возможности осуществлять контролируемое управляемое охлаждение кориума при выходе его за пределы корпуса реактора, контролировать химический состав, скорость эрозии бетона, предотвратить возникновение повторной критичности при заливе кориума теплоносителем с недостаточным содержанием поглотителя, предотвратить возникновение взрывов водородосодержащих смесей.

По совокупности признаков, включая конструктивные особенности, устройство [4] является наиболее близким аналогом и взято за прототип.

Цель изобретения - создание системы защиты защитной оболочки реакторной установки водо-водяного типа на действующих блоках АЭС с ВВЭР, обеспечивающей повышение надежности удержания кориума в бетонной шахте реактора в пределах гермозоны в авариях с разрушением активной зоны и выходом кориума за пределы корпуса реактора.

Эта задача решается для действующих блоков АЭС с водо-водяными реакторами типа ВВЭР, для которых основными принципами создания системы защиты защитной оболочки являются:
принцип дооборудования шахтного объема;
принцип максимального использования особенностей конструкции бетонной шахты и обслуживающих систем.

Предлагаемая система защиты защитной оболочки выполняет свои функции в условиях:
быстрого или медленного непрерывного поступления воды в бетонную шахту в любой момент протекания аварии как от систем безопасности, систем нормальной эксплуатации, так и в результате разрушений элементов оборудования реакторной установки;
полного или частичного залива бетонной шахты водой;
периодического (импульсного) поступления воды в бетонную шахту;
воздушного охлаждения (используется как временная мера до подачи теплоносителя в бетонную шахту).

Наиболее важные проектные особенности бетонных шахт действующих реакторных установок с ВВЭР и их качественные характеристики:
подвод воздуха для охлаждения бетона производится по каналам, выходящим со стороны боковой поверхности бетонной шахты;
подвод воздуха по отношению к крупногабаритной детали защиты днища корпуса реактора производится снизу;
свободный объем шахты под днищем корпуса реактора достаточен для размещения элементов системы защиты защитной оболочки, способной длительно удерживать кориум в режиме водяного или пароводяного охлаждения, а в режиме воздушного или паровоздушного охлаждения замедлитель процесс разрушения бетонной шахты до организации подачи охлаждающего теплоносителя;
расстояние между крупногабаритной деталью защиты днища корпуса реактора и полом бетонной шахты достаточно для размещения элементов системы защиты защитной оболочки;
расстояние между днищем корпуса и крупногабаритной деталью защиты днища корпуса реактора мало и определяется технологией наружного контроля корпуса реактора.

Система защиты защитной оболочки реакторной установки водо-водяного типа обеспечивает:
естественную водяную, пароводяную и парогазовую циркуляцию охлаждающего теплоносителя в бетонной шахте с кориумом;
контролируемый химический состав;
контролируемый рост давления при контакте кориума с теплоносителем;
ограничение влияния паровых и водородных взрывов на процесс локализации и охлаждения кориума, вследствие чего появляется возможность обеспечить надежную локализацию, удержание и охлаждение кориума в пределах гермозоны.

Процесс поступления кориума в бетонную шахту сводится к двум различным механизмам, он начинается:
с проплавления или разрушения днища или боковой поверхности корпуса реактора;
с разрушения сварного шва и обрыва всего днища корпуса реактора.

Эти два процесса определяют два различных механизма поступления кориума или разрушенных твердых обломков активной зоны в бетонную шахту:
механизм струйного истечения кориума;
механизм обрушения со значительным перекрытием проходного сечения системы защиты защитной оболочки.

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 бетонную шахту в ней может содержаться любое (по уровню) количество теплоносителя. Бетонная шахта может быть:
полностью залита водой с заполнением пространства между днищем и крупногабаритными деталями защиты днища корпуса реактора;
залита водой до уровня крупногабаритных деталей защиты днища корпуса реактора;
неполностью залита водой, уровень которой может находиться между крупногабаритными деталями защиты днища корпуса реактора и опорной конструкцией;
залита водой только под опорной конструкцией в зоне дренажа.

Техническим результатом изобретения является повышение безопасности ядерной энергетической установки в случае разрушения активной зоны и выхода кориума за пределы корпуса реактора 1. Технический результат достигается за счет того, что система защиты защитной оболочки реакторной установки водо-водяного типа, содержащая гермозону 1, реактор 2, ферму опорную 3, расположенную под зоной патрубков 4 корпуса реактора, теплоизоляцию 5 цилиндрической части корпуса реактора, металлоконструкцию 6 сухой защиты, трубопроводы подачи воздуха 7, крупногабаритные детали 8 защиты днища корпуса реактора, подреакторное помещение 9, механизм поворота 10 для осмотра корпуса реактора, люк-лаз 11 с внутренней 12 и наружной 13 гермодверями, соединенный с обслуживающим помещением 14, кабельные проходки 15 для подвода электроэнергии в подреакторное помещение, собрана в следующем порядке, поясненном фиг. 1 - 4; на выходе трубопроводов подачи воздуха 7 в подреакторное помещение 9 установлена решетка-ограничитель 16, выполняющая защитные функции; решетка-ограничитель 16 выполнена для прикрытия выходов трубопроводов подачи воздуха 7 и предназначена для обеспечения гарантированного зазора для прохода воздуха или теплоносителя в случае возникновения гидроударов или смещения элементов системы защиты защитной оболочки реакторной установки; на полу подреакторного помещения установлен дренаж 17 в виде перфорированных труб, перфорированных швеллеров, двутавров, перфорированных коробчатых конструкций; дренаж 17 предназначен для гарантированного подвода охлаждающей воды при различных вариантах развития аварии, с учетом обрушения, смятия, расплавления и диспергирования вышерасположенных элементов системы защиты защитной оболочки; дренаж 17 выполнен с ограничителями 27 в виде сварных, болтовых соединений между элементами дренажа 17 для предотвращения смещений и самоблокирования элементов дренажа 17, что необходимо для сохранения гарантированных проходных сечений для подачи охлаждающего теплоносителя в бетонную шахту 9 снизу под элементы системы защиты защитной оболочки реакторной установки; на дренаже 17 установлена опорная конструкция 18 в виде решетки или перфорированного листа, которая предназначена для удержания элементов системы защиты, защиты пола подреакторного помещения 9 бетонной шахты 30 от прямого контакта с кориумом, демпфирования гидроударов и механических ударных нагрузок, связанных с падением кориума, с отрывом днища корпуса реактора 2 или внутрикорпусных устройств реактора;
Опорная конструкция 18 выполнена для разделения водяного и парогазового объемов подреакторного помещения 9 в процессе протекания тяжелой аварии; на опорную конструкцию 18 ниже выхода трубопроводов подачи воздуха 7 вплотную к стенам подреакторного помещения установлены упругопластичные воздушные компенсаторы 19 в виде сильфона, наборов пружин, рессор, профилированных пластин и конструкций корпусного типа, расположенные по периметру подреакторного помещения, закрывающие всю боковую поверхность и скрепленные между собой сваркой, болтами; упругопластичные воздушные компенсаторы 19 корпусного типа выполнены со сминаемыми под воздействием ударных нагрузок корпусами, с расположенными внутри компенсирующими элементами и предназначены для гашения ударных волн и динамических колебательных нагрузок, они служат для защиты стен подреакторного помещения 9 от динамического ударного разрушения;
упругопластичные воздушные компенсаторы 19 выполнены в виде арочных конструкций, передающих нормальное давление на боковые поверхности компенсатора, тем самым передавая нагрузку другим жестко связанным упругопластичным воздушным компенсаторам через боковые поверхности враспор; упругопластичные воздушные компенсаторы 19 герметичны и при заполнении подреакторного помещения 9 водой наполнены воздухом; от всплытия они защищены креплениями между собой и с опорной конструкцией
Для того чтобы при локальном воздействии ударной волны в работу были включены не только те упругопластичные воздушные компенсаторы 19, на которые непосредственно воздействует ударная волна, но и более отдаленные упругопластичные воздушные компенсаторы 19 выполнено беззазорное жесткое соединение упругопластичных воздушных компенсаторов 19 между собой; на установленные упругопластичные воздушные компенсаторы 19, находящиеся ниже выхода трубопроводов подачи воздуха, установлены упругопластичные воздушные компенсаторы 19 в виде секторов, расположенных до крупногабаритных деталей защиты 8 днища корпуса реактора 2 между выходами трубопроводов подачи воздуха 7.

Это необходимо для обеспечения циркуляции воздуха в нормальных условиях эксплуатации и в авариях с воздушным охлаждением бетонной шахты 30; проходы между секторами выполнены в виде каналов для сброса паровоздушной или пароводяной смеси при водяном или пароводяном охлаждении кориума в подреакторном помещении 9; на установленную опорную конструкцию 18 установлены сухие термостойкие элементы 20, состоящие из герметичной по воде гибкопластичной оболочки и пористого, гранулированного наполнителя, заполняющие оставшийся объем подреакторного помещения 9 до крупногабаритных деталей защиты 18 днища корпуса реактора 2 с повторением их профиля с минимальным зазором до крупногабаритных деталей 11 защиты 150 мм и вплотную к упругопластичным воздушным компенсаторам 19; сухие термостойкие элементы 20, заполненные тугоплавкими наполнителями, уложены ниже уровня выхода трубопроводов подачи воздуха в подреакторное помещение, а сухие термостойкие элементы, заполненные легкоплавкими наполнителями, уложены выше этого уровня, чем обеспечивается быстрое освобождение трубопроводов подачи воздуха для последующего сброса по ним пароводяной или парогазовой смеси из подреакторного помещения при водяном охлаждении кориума.

Сухие термостойкие элементы 20 предназначены для поглощения кориума, снижения его температуры начала плавления (температура solidus), введения в кориум поглотителей нейтронов для предотвращения повторной критичности при заливе кориума водой, изменения фазового состава кориума, обеспечения растрескивания кориума при охлаждении с образованием диспергированной структуры для последующего охлаждения в режиме пористого тела либо в режиме крупнодисперсной структуры
Установка сухих термостойких элементов 2 вплотную друг к другу выполнена для обеспечения режима практически сухого взаимодействия между кориумом и материалами элементов 2 системы защиты на первой стадии выхода кориума в подреакторное помещение 9; герметичные по воде и гибкопластичные оболочки предназначены для плотной укладки элементов между собой без зазоров, с сохранением наполнителя сухим до момента взаимодействия с кориумом и предохранения от поступления большого количества теплоносителя в подреакторное помещение 9 до момента разрушения днища корпуса реактора 2. Кроме того, гибкопластичные оболочки сухих термостойких элементов 20 предназначены для гашения гидроударов и ударных волн в осевом направлении и гашения вертикальных ударных нагрузок, действующих на пол подреакторного помещения 9. Пористый, гранулированный сыпучий наполнитель установлен для дополнительного механического демпфирования при воздействии на него ударной волны и для теплового демпфирования как энергетический поглотитель за счет своей развитой поверхности контакта при прямом взаимодействии с кориумом. Сухой наполнитель повышенной сыпучести предназначен для защиты от прямого проникновения кориума по щелям и неплотностям между оболочками элементов. Сыпучий наполнитель при поступлении в него воды (пористый гидроаккумулятор) предназначен для связывания воды за счет пористости, последующее взаимодействие такой системы с кориумом предназначено для торможения или блокировки процесса образования и распространения ударных волн.

Сухие термостойкие элементы 20 установлены с минимальным зазором до крупногабаритных деталей защиты 8 в 150 мм для того, чтобы уменьшить объем теплоносителя, который может заполнить это свободное пространство; ограничение объема теплоносителя между крупногабаритными деталями защиты 8 и сухими термостойкими элементами 20 необходимо для уменьшения как вероятности возникновения паровых взрывов, так и энергии ударных волн в случае их возникновения. Сухие термостойкие элементы 20, заполненные тугоплавкими наполнителями, уложены ниже уровня выхода трубопроводов подачи воздуха в подреакторное помещение, а сухие термостойкие элементы, заполненные легкоплавкими наполнителями, уложены выше этого уровня, чем обеспечивается быстрое освобождение трубопроводов подачи воздуха для последующего сброса по ним пароводяной или парогазовой смеси из подреакторного помещения при водяном охлаждении кориума.

На полу люка-лаза 11 между гермодверями 12 и 13, вплотную к стенам и потолку люка-лаза 11 и с конструктивным зазором к гермодверям 12, 13 установлены термостойкие тугоплавкие элементы 24 в виде прямоугольных или профилированных элементов. Заполнение люка-лаза 11 термостойкими тугоплавкими элементами 24 выполняется для:
повышения термической стойкости к проплавлению люка-лаза 11 при "сухом" варианте развития тяжелой аварии;
повышения динамической устойчивости люка-лаза 11 при воздействии на него ударных нагрузок.

В кабельные проходки 15 для подвода электроэнергии в подреакторное помещение установлены патрубки в виде кованых, гнутых, расточных колен 25, ограниченных по длине радиусом гиба, со свободными концами длиной не менее 200 мм, выходящими со стороны наружной поверхности стены подреакторного помещения 9, причем один патрубок, предназначенный для залива теплоносителя или отвода теплоносителя из подреакторного помещения 9, выполнен в виде колена, длинный конец которого опущен до уровня пола подреакторного помещения 9.

На гнутых концах патрубков 15, расположенных в пределах гермозоны, выполнена перфорация защищающая патрубок 15 от засорения, заваривания или запирания; на длинном конце патрубка 15, опущенного до уровня пола подреакторного помещения 9, выполнена перфорация, причем зона перфорации не более 100 мм, в условиях проектной аварии патрубок предназначен для откачки воды в систему дренажа (для забора воды с пола подреакторного помещения 9). На концах патрубков 15, расположенных в пределах гермозоны, установлена насадка 28, выполняющая защитную функцию; на насадке 28 выполнена перфорация, которая обеспечивает равномерную раздачу (душирование) охлаждающего теплоносителя, гашение гидродинамических колебаний, предохранение от засорения или блокирования концов патрубков 15; на свободных концах установленных патрубков 15 с наружной стороны стены подреакторного помещения 9 выполнены фланцы 26 для подсоединения и герметизации трубопроводов подвода теплоносителя и отвода теплоносителя из подреакторного помещения 9.

При разрушении днища корпуса реактора 12 кориум поступает в пространство между днищем и крупногабаритными деталями защиты днища корпуса реактора 8. В процессе протекания тяжелой аварии в этом пространстве может находиться теплоноситель, который представляет потенциальную угрозу целостности защитной оболочки при возникновении условий для прямолинейного взаимодействия с кориумом. Однако до момента проплавления или до момента разрушения днища корпуса реактора 2 теплоноситель в узком щелевом пространстве между днищем и крупногабаритными деталями защиты находится либо в гомогенном насыщенном состоянии, либо в гетерогенном двухфазном состоянии (это состояние отличается тем, что теплоноситель имеет границу раздела между фазами), причем слой жидкости в такой системе находится при температуре, близкой к температуре насыщения, а перегретый корпус реактора с наружной стороны окружает паровой насыщенный или перегретый слой, что существенно снижает как вероятность образования ударной волны, так и силу парового взрыва в случае его возникновения. Оценки, опирающиеся на экспериментальные исследования [3], показывают, что в стоячем гомогенном или гетерогенном двухфазном теплоносителе узкого щелевого пространства, непосредственно примыкающего к днищу корпуса реактора, возможно локальное повышение давления при разрушении днища, вызванное выходом кориума в теплоноситель щелевого пространства. Это локальное давление приводит к распространению ударной волны не только в объеме подреакторного помещения 9 и внутри корпуса реактора 2, но и по всему объему бетонной шахты 30. Окончательное установившееся давление за ударной волной в связанной системе двух объемов - бетонной шахты 30 и корпуса реактора 2 - составляет около 0,4 МПа. Последующее истечение пароводяной или паровоздушной смеси из бетонной шахты 30 происходит по кольцевым соосным щелевым каналам: вдоль боковой поверхности корпуса реактора 2, вдоль теплоизоляции 5 цилиндрической части корпуса реактора и вдоль металлоконструкции сухой защиты 6 через ферму опорную 3, расположенную под зоной патрубков корпуса реактора, в помещения боксов парогенераторов (не показаны) и далее в объем гермозоны 1.

В случае отрыва днища корпуса реактора 2 теплоноситель из пространства между днищем корпуса 2 и крупногабаритными деталями защиты 8 будет выдавлен в щелевые цилиндрические каналы, расположенные вокруг корпуса реактора 2, и парового взрыва не произойдет. При возникновении ударных нагрузок в пространстве между днищем и крупногабаритными деталями защиты днища корпуса реактора 8 возможно разрушение крупногабаритных деталей защиты 8, тогда поглощение энергии одной или серии ударных волн будет происходить на сухих термостойких элементах 20 системы защиты защитной оболочки, объем воздушного пространства которых позволяет эффективно поглощать энергию ударных волн при однократном или многократном их воздействии на эти элементы. Разрушение крупногабаритных деталей защиты 8 открывает еще один канал для выхода пароводяной или парогазовой смеси из бетонной шахты 30 - трубопроводы подачи воздуха 7. Защищенные решетками-ограничителями 16 от забивания при гидроударах или смещениях элементов системы защиты эти трубопроводы, объединенные в два кольцевых коллектора, позволяют быстро сбросить избыточное давление в бетонной шахте.

Поступление кориума из корпуса реактора на крупногабаритные детали защиты 8 приводит к их разрушению или проплавлению и выходу кориума в объем подреакторного помещения 9. Если в объеме подреакторного помещения находится теплоноситель, то происходит взаимодействие между теплоносителем и кориумом. Теплоноситель находится только в узком щелевом пространстве вокруг стен подреакторного помещения 9. Между оболочками сухих термостойких элементов 20 его содержится очень мало, так как элементы плотно уложены друг к другу. В этих условиях никакого значительного повышения давления не происходит, так как малый объем и пространственно-рассредоточенное расположение теплоносителя между герметичными оболочками сухих термостойких элементов 20 тормозит развитие процессов парообразования и перемешивания теплоносителя с кориумом. Сухие термостойкие элементы 20 гасят распространение ударных волн и блокируют диспергирование (разбрызгивание) при струйном истечении кориума в подреакторное помещение 9. Блокирование и торможение процессов взаимодействия кориума с теплоносителем на сухих термостойких элементах достигается применением (в случае использования элемента по пп. 9 и 10):
гибкого упругого каркаса;
внутренней водонепроницаемой эластичной оболочки;
наружной прочной на разрыв термостойкой эластичной оболочки;
сухой плотной тугоплавкой или пористой легкоплавкой гранулированной засыпки (кроме того, сухой термостойкий элемент может иметь наружную и внутреннюю оболочки, причем наполнитель расфасовывается в независимые секции внутренней оболочки, которые укладываются внутрь наружной оболочки вплотную друг к другу).

Каждый сухой термостойкий элемент представляет собой каркас, обтянутый двумя слоями разнородных материалов. Первый внутренний слой, обтягивающий каркас, - толстая многослойная пленка, в задачу которой входит обеспечение герметичности по воде внутреннего объема элемента. Второй наружный слой, обтягивающий каркас, - прочная на разрыв термостойкая стеклоткань, способная выдержать температуру до 400^oC, задача которой - обеспечение герметичности и прочности на разрыв первого внутреннего слоя при укладке элементов друг на друга, при вибрациях и при небольших смещениях. В то же время этот наружный прочный слой выполняется из достаточно мягкой ткани для плотной укладки элементов друг к другу и к конструкциям, находящимся в бетонной шахте, с целью уменьшения площади проходного сечения для воды. Заполнение элемента производится сухим пористым термостойким наполнителем в виде гранулированной засыпки 23, что обеспечивает:
поглощение ударных нагрузок при импульсном воздействии на элемент;
образование пористого тела при разрушении двухслойной оболочки за счет сыпучести;
аккумулирование в порах поступающего в шахту теплоносителя, что позволяет осуществлять эффективное парогазовое или пароводяное охлаждение кориума, гасить гидроудары и блокировать процессы, приводящие к паровым взрывам;
регулирование химического состава кориума, что дает возможность использовать эффективные шлакообразующие добавки, снижающие температуру кориума, и позволяет обеспечить прогнозируемый состав кориума с помощью введения в наполнитель окислителя.

Герметичность по воде сухих термостойких элементов 20 обеспечивает сухой контакт кориума с наполнителем каждого элемента. Этот контакт не приводит к быстрому повышению давления в подреакторном помещении 9 и в целом в бетонной шахте 30, а последующий контакт кориума с водой не приводит к бурному или ударному парообразованию, так как заполнение подреакторного помещения 9 водой производится достаточно медленно до тех пор, пока сухие термостойкие элементы 20 закрывают дренажный коллектор 17 на полу подреакторного помещения 9. Требование на ограничение парообразования является главным требованием, которое необходимо учитывать при водяном охлаждении кориума, так как проходные сечения трубопроводов системы воздушного охлаждения бетонной шахты 30 невелики. При разрушении сухих термостойких элементов 20 их содержимое образует пористое тело, сквозь которое теплоноситель взаимодействует с кориумом. Сухие термостойкие элементы 20 выполняют и другую задачу: обеспечивают относительно быстрое проплавление или разрушение кориумом содержимого этих элементов, уложенных выше отметки выхода трубопроводов системы воздушного охлаждения в подреакторное помещение 9. Освобождение выходов трубопроводов системы воздушного охлаждения от затеснения необходимо для обеспечения:
циркуляции водяного, пароводяного или парогазового теплоносителя по трубопроводам этой системы;
сброса пароводяной (парогазовой) смеси из бетонной шахты 30 в режиме пароводяного охлаждения кориума при подаче теплоносителя в шахту по дренажному коллектору;
эффективного снижения давления в бетонной шахте 30 при подаче теплоносителя на кориум сверху при использовании насосов низкого и высокого давления системы безопасности, подпиточных насосов системы нормальной эксплуатации или при внезапном срабатывании гидроемкостей системы аварийного охлаждения активной зоны (в случае разрушения трубопроводов, разрушения одного или нескольких корпусов гидроемкостей либо в результате восстановления работоспособности систем).

Относительно быстрое проплавление в верхней части бетонной шахты и медленное проплавление в нижней ее части обеспечено заполнением сухих термостойких элементов различными наполнителями: более термостойкие и тугоплавкие наполнители размещаются внизу, а менее термостойкие - вверху бетонной шахты.

При быстром или медленном непрерывном поступлении теплоносителя в бетонную шахту 30 как от систем безопасности, систем нормальной эксплуатации, так и в результате разрушений элементов оборудования реакторной установки, в любой момент протекания аварии теплоноситель по подводящим трубопроводам поступает в дренажный коллектор 17 на полу подреакторного помещения 9. По щелям между сухими термостойкими элементами 20 и по зазорам между упругопластичными воздушными компенсаторами 19 и стенами подреакторного помещения 9 теплоноситель поднимается вверх. Благодаря тому, что сухие термостойкие элементы 20 герметичны и уложены плотно, объем воды в подреакторном помещении 9 минимален и при разрушении днища корпуса 2 кориум попадает в практически сухое подреакторное помещение, содержащее минимальное количество воды, что предотвращает возникновение и развитие паровых взрывов.

В случае неуправляемого поступления теплоносителя с пола боксов парогенераторов (не показаны) через ферму опорную 3, по кольцевым соосным щелевым каналам вдоль боковой поверхности корпуса реактора 2, вдоль теплоизоляции 5 цилиндрической части корпуса реактора 2 и вдоль металлоконструкции сухой защиты 6 в подреакторное помещение после разрушения корпуса реактора кориумом возможно возникновение паровых взрывов при прямом струйном воздействии теплоносителя на кориум. Для снижения последствий воздействия ударной волны на стены подреакторного помещения шахты 9 используются упругопластичные воздушные компенсаторы 19, которые поглощают энергию ударной волны, предохраняя стены подреакторного помещения 9 от разрушения. Пол подреакторного помещения 9 защищен сухими термостойкими элементами 20, также поглощающими энергию ударной волны. Упругопластичные воздушные компенсаторы 19 позволяют защитить стены подреакторного помещения 9 от ударных нагрузок при гидроударах, паровых и водородных взрывах. Компенсаторы снабжены упругими механическими и пневматическими элементами, рассчитанными на относительно небольшие ударные нагрузки, и элементами, работающими в области пластических деформаций при больших ударных нагрузках. В случае сильных гидродинамических возмущений компенсатор работает на смятие, увеличивая свободный гидродинамический объем в подреакторном помещении 9 для последующего пароводяного охлаждения кориума. Жесткая механическая связь упругопластичных воздушных компенсаторов 19 между собой как в аксиальном, так и в азимутальном направлениях, обеспечивает дополнительную защиту стен подреакторного помещения 9 от ударных нагрузок, так как позволяет включить в работу не только те компенсаторы, на которые непосредственно воздействует ударная нагрузка, но и всю связанную систему в целом. Таким образом, система жестко связанных упругопластичных воздушных компенсаторов 19 работает как единая система ослабления и поглощения ударных нагрузок и предохраняет стены подреакторного помещения от ударного разрушения и прямого гидродинамического воздействия со стороны кориума.

В процессе протекания тяжелой аварии возможно восстановление подачи воздуха в бетонную шахту 30. Воздух, проходя по каналам в бетонной шахте 30 и в зазорах между сухими термостойкими элементами, будет охлаждать кориум при разрушении днища и крупногабаритных деталей защиты днища корпуса реактора до тех пор, пока кориум находится выше отметки входа трубопроводов подачи воздуха 7 в подреакторное помещение 9.

Если воздушным охлаждением процесс разрушения сухих термостойких элементов остановить не удалось и кориум продолжает свое движение вниз, то эффективность охлаждения кориума будет быстро уменьшаться по мере пересечения кориумом отметки, на которой находятся выходы трубопроводов подачи воздуха. Охлаждение воздухом - мера временная и вынужденная, основная задача которой - обеспечить замедление процесса разрушения подреакторного помещения 9 и дать оперативному персоналу дополнительное время для организации подачи воды в подреакторное помещение для последующего пароводяного или водяного охлаждения кориума.

При восстановлении работоспособности систем безопасности или систем нормальной эксплуатации возобновляется подача воды в корпус реактора. Если к этому моменту разрушение корпуса реактора произошло, то охлаждающая вода поступает из корпуса реактора непосредственно в подреакторное помещение сверху на кориум. Производительность одной системы подачи воды достаточна для локализации и охлаждения кориума на сухих термостойких элементах в подреакторном помещении даже без поступления охлаждающего теплоносителя по трубопроводам пассивного залива бетонной шахты. В условиях протекания тяжелой аварии патрубок 15 используется для подачи охлаждающего теплоносителя на пол бетонной шахты 9 под элементы системы защиты; нормальное положение патрубка 15 - соединение с трубопроводом пассивного залива бетонной шахты 9 и только по команде оператора этот патрубок может быть активно переключен для работы в откачивающей системе, в случае потери электропитания происходят пассивное отключение откачивающей системы и восстановление режима ожидания пассивного залива подреакторного помещения 9.

Взаимодействие кориума и системы защиты защитной оболочки в период прямого контакта кориума с сухими термостойкими элементами определяется двумя основными начальными факторами:
объемом кориума (от объема кориума зависят его температура и фазовый состав);
уровнем воды в подреакторном помещении.

Комбинация этих факторов приводит к установлению различного равновесия в системе кориум - охлаждающий теплоноситель. Это равновесие определяется следующими положениями границы раздела кориум - жидкий теплоноситель;
граница раздела находится между выходами трубопроводов воздушного охлаждения и патрубками, проходящими через кабельные проходки пассивного залива бетонной шахты;
граница раздела находится между патрубками пассивного залива бетонной шахты и опорной конструкцией, под которой находится дренаж;
граница раздела находится на уровне дренажа, расположенного на полу бетонной шахты.

Во всех трех положениях границы раздела охлаждающий теплоноситель подается снизу под кориум через термостойкие элементы, герметичные оболочки которых разрушаются в процессе первых контактов системы защиты защитной оболочки с кориумом. Во втором и третьем случаях охлаждающий теплоноситель поступает не только снизу под кориум по системе дренажа, но и сверху на кориум через короткие патрубки 15, проходящие по кабельным проходкам. Комбинированный залив кориума снизу и сверху по трубопроводам пассивной подачи воды обеспечивает надежную локализацию и охлаждение кориума в подреакторном помещении.

Наиболее целесообразно предложенную систему защиты защитной оболочки реакторной установки водо-водяного типа использовать при реконструкции ядерных энергетических установок с реакторами типа ВВЭР, что обеспечивается минимально необходимым объемом работ по модернизации имеющегося оборудования.

Сущность: на выходе трубопроводов подачи воздуха в подреакторное помещение реактора установлена решетка-ограничитель, выполняющая защитные функции, а на полу подреакторного помещения установлен дренаж с ограничителями для предотвращения смещений и самоблокирования элементов дренажа. На дренаже установлена опорная конструкция в виде решетки или перфорированного листа, которая предназначена для удержания элементов системы защиты защитной оболочки, защита пола бетонной шахты от прямого контакта с кориумом, демпфирования гидроударов и механических ударных нагрузок, связанных с падением кориума, с отрывом днища корпуса реактора или внутрикорпусных устройств реактора. На опорную конструкцию установлены упругопластичные воздушные компенсаторы, расположенные по периметру подреакторного помещения. Воздушные компенсаторы корпусного типа выполнены со сминаемыми под воздействием ударных нагрузок корпусами, с расположенными внутри компенсирующими элементами и предназначены для гашения ударных волн и динамических колебательных нагрузок. 14 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Система защиты защитной оболочки реакторной установки водо-водяного типа, содержащая гермозону 1, реактор 2, ферму опорную 3, расположенную под зоной патрубков 4 корпуса реактора, теплоизоляцию 5 цилиндрической части корпуса реактора, металлоконструкцию 6 сухой защиты, трубопроводы подачи воздуха 7, крупногабаритные детали 8 защиты днища корпуса реактора, подреакторное помещение 9, механизм поворота 10 для осмотра корпуса реактора, люк-лаз 11 с внутренней 12 и наружной 13 гермодверями, соединенный с обслуживающим помещением 14, кабельные проходки 15 для подвода электроэнергии в подреакторное помещение, отличающаяся тем, что на выходе трубопроводов подачи воздуха 7 в подреакторное помещение 9 установлена по крайней мере одна решетка-ограничитель 16, выполняющая защитные функции, на полу подреакторного помещения 9 установлен дренаж 17 в виде перфорированных труб, перфорированных швеллеров, двутавров, перфорированных коробчатых конструкций, на установленном дренаже 17 установлена опорная конструкция 18 в виде решетки или перфорированного листа, на установленную опорную конструкцию 18 вплотную к стенкам подреакторного помещения установлены упругопластичные воздушные компенсаторы 19 в виде сильфона, наборов пружин, рессор, профилированных пластин и конструкций корпусного типа, расположенные по периметру подреакторного помещения 9, закрывающие всю боковую поверхность и скрепленные между собой сваркой, болтами, на установленную опорную конструкцию 18 установлены сухие термостойкие элементы 20, состоящие по крайней мере из одной герметичной по воде гибкопластичной оболочки 21 и пористого, гранулированного 23 наполнителя, заполняющие оставшийся объем подреакторного помещения 9 до крупногабаритных деталей 8 защиты днища корпуса реактора с повторением их профиля с минимальным зазором для крупногабаритных деталей защиты 150 мм и вплотную к упругопластичным воздушным компенсаторам 19, на полу люка-заза 11, между гермодверями 12 и 13, вплотную к стенам и потолку люка-лаза 11 и с конструктивным зазором к гермодверям установлены термостойкие тугоплавкие элементы 24 в виде прямоугольных или профилированных элементов, в кабельные проходки 15 для подвода электроэнергии в подреакторное помещение 9 установлены патрубки 25 в виде кованых, гнутых, расточных колен, ограниченных по длине радиусом гиба, со свободными концами длиной не менее 200 мм, выходящими со стороны наружной поверхности стенки подреакторного помещения 9, причем один патрубок, предназначенный для отвода теплоносителя из подреакторного помещения 9, выполнен в виде колена, длинный конец которого опущен до уровня пола подреакторного помещения 9, на свободных концах установленных патрубков 25 с наружной стороны стены подреакторного помещения 9 выполнены фланцы 26 для подсоединения и герметизации трубопроводов подвода теплоносителя и отвода теплоносителя из подреакторного помещения 9. 2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что дренаж 17 в виде перфорированных труб, перфорированных швеллеров, двутавров, перфорированных коробчатых конструкций выполнен с ограничителями 27 в виде сварных, болтовых соединений между элементами дренажа. 3. Система по п.1, отличающаяся тем, что на гнутых концах патрубков 25, расположенных в пределах гермозоны 1, выполнена перфорация. 4. Система по п.1, отличающаяся тем, что на длинном конце патрубка 25, опущеного до уровня пола подреакторного помещения 9, выполнена перфорация, причем зона перфорации не более 100 мм. 5. Система по пп.3 и 4, отличающаяся тем, что на концах патрубков 25, расположенных в пределах гермозоны 1, установлена насадка 28, выполняющая защитную функцию. 6. Система по п.5, отличающаяся тем, что на насадке 28 выполнена перфорация. 7. Система по п.1, отличающаяся тем, что сухие термостойкие элементы 20 заполнены различного типа наполнителями: легкоплавкими и тугоплавкими для регулирования скорости распространения кориума по объему подреакторного помещения. 8. Система по п.7, отличающаяся тем, что сухие термостойкие элементы, заполненные тугоплавкими наполнителями, уложены ниже уровня выхода трубопроводов подачи воздуха 7 в подреакторное помещение 9, а сухие термостойкие элементы 20, заполненные легкоплавкими наполнителями, уложены выше этого уровня. 9. Система по п.7, отличающаяся тем, что сухие термостойкие элементы 20 выполнены с гибкопластичным, твердопрочным, шарнирным каркасом. 10. Система по п.7, отличающаяся тем, что сухие термостойкие элементы 20 выполнены по крайней мере с одной наружной 21 прочной на разрыв, термостойкой до температуры не менее 400^oС оболочкой и по крайней мере из одной внутренней 22 упругопластичной, герметичной по воде, термостойкой до температуры не менее 400^oС оболочкой. 11. Система по п. 1, отличающаяся тем, что упругопластичные воздушные компенсаторы 19 выполнены в форме цилиндрических секторов. 12. Система по п.11, отличающаяся тем, что упругопластичные воздушные компенсаторы 19 установлены по периметру подреакторного помещения 9 без зазоров. 13. Система по п.11, отличающаяся тем, что упругопластичный воздушный компенсатор 19 выполнен в виде арочной конструкции, передающей нормальное давление на боковые поверхности компенсатора. 14. Система по п.11, отличающаяся тем, что упругопластичные воздушные компенсаторы 19 снабжены упругими механическими и пневматическими элементами, рассчитанными на упругие деформации при относительно небольших ударных нагрузках, и элементами, рассчитанными на пластические деформации при больших ударных нагрузках. 15. Система по п.11, отличающаяся тем, что между секторами упругопластичных воздушных компенсаторов 19, расположенных между выходами трубопрводов подачи воздуха 7, установлены защитные устройства 29 в виде перфорированных коробов или решеток для предотвращения блокирования каналов при смещениях элементов системы защиты при гидроударах, паровых или водородных взрывах.