УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ДЛЯ УЛАВЛИВАНИЯ И ОХЛАЖДЕНИЯ РАСПЛАВА ЯДРА Российский патент 2001 года по МПК G21C9/16 

Изобретение относится к устройству и способу для улавливания и охлаждения расплава ядра (активной зоны) из напорного резервуара реактора. Оно является, в частности, применимым для реактора, охлаждаемого водой под давлением, EPR (European Pressurized Water Reaktor).

Обычные до сих пор соображения по безопасности исходили в случае ядерных реакторов из того, что вследствие выбора материала и соотношения параметров можно не опасаться выхода из строя напорного резервуара реактора. Однако в ходе более интенсивных рассуждений по технике безопасности при использовании ядерной энергии в настоящее время в эти рассуждения включается и случай, что и напорный резервуар реактора когда-то "отказывает", даже если этот случай и является таким невероятным. В частности, новый тип реактора - Европейский реактор, охлаждаемый водой под давлением, EPR (European Pressurized Water Reaktor), основан на таких соображениях. В противоположность к более старой философии безопасности при таком типе реактора не исключают в принципе аварию расплава ядра - так называемый случай самой большой предполагаемой аварии (grobter anzunehmender Unfall - GAU). Кроме того, возникли соображения, не могут ли появиться во время аварии расплава ядра взрывы пара и не может ли внезапно возникающий в такой критической фазе водяной пар привести напорный резервуар реактора к растрескиванию. Вне всякого сомнения, что с такими авариями, какими бы теоретическими они ни были, нужно уметь справляться.

В гипотетическом случае тяжелой аварии на ядерной электростанции с охлаждаемым водой реактором, таким образом, предполагается, что ядро реактора расплавляется. После этого расплав ядра выступает на нижней стороне напорного резервуара реактора в защитную яму защитной оболочки реактора. Чтобы можно было справиться с такой аварией, должны быть приняты подходящие конструктивные меры, которые бы предотвращали, что выступающий при известных обстоятельствах при повышенном давлении из напорного резервуара реактора и скапливающийся в области основания установки ядерного реактора расплав приводил бы к выходу из строя защитной оболочки реактора (Containment).

Из немецкого патента 2840086, например, известна установка ядерного реактора с устройством для улавливания расплавляющегося ядра реактора, при которой под окружающей напорный резервуар реактора защитной ямой предусмотрен вертикальный сточный канал. Этот сточный канал пронизывает защитную оболочку реактора и ведет в расположенную под защитной оболочкой реактора яму для расплава. Там выходящий из напорного резервуара реактора расплав ядра распределяется на поглощающем слое, образованном заполненной свободными от воды материалами стальной ванной. После расплавления этой стальной ванны расплав попадает на дно ямы для расплава. Дно и боковые стенки этой ямы для расплава являются охлаждаемыми водой, так что расплав постепенно затвердевает.

В установке ядерного реактора, известной из немецкого патента 2925680, для приема расплава также предусмотрена расположенная ниже уровня фундамента реактора улавливающая ванна. Улавливающая ванна при этом находится не непосредственно под ядром реактора, а рядом с ядром реактора и через выходящий горизонтально над улавливающей ванной спуск соединена с основанием здания реактора.

В этих известных конструкциях для приема расплава ядра при неблагоприятных обстоятельствах нельзя предотвратить, чтобы уже перед или во время вытекания расплава большое количество воды проникло или соответственно проникало в улавливающее пространство. Это может иметь следствием то, что расплав с большой скоростью попадает непосредственно на воду, фрагментируется там и вызывает очень сильное внезапное образование пара. Изобретение основывается на соображении, что количество воды, на которое попадает расплав ядра, должно быть по возможности малым.

Из "Emerging Nuclear Energy Systems 1989, Icenes 89, Карлсруэ, 3 - 6 июля, Proceedings of the Fifth International Conference on Emerging Nuclear Systems, стр. 19 - 24", из фиг. 1 известно устройство для улавливания расплава ядра, при котором внутри защитной оболочки реактора непосредственно под напорным резервуаром реактора расположена охлаждаемая улавливающая ванна, в которой расплав распределяется по большой площади и может охлаждаться в непосредственном контакте с водой. Производимый за счет тепла остаточного распада расплава пар конденсируется в верхней части стальной оболочки защитной оболочки реактора и стекает оттуда обратно к устройству для улавливания расплава ядра. Также и в этой известной установке ядерного реактора нельзя исключить, чтобы отстойная вода собиралась в улавливающей ванне и в защитной яме еще до выхода из строя напорного резервуара реактора, так что в момент выхода из строя напорного резервуара реактора существует риск, что появляющийся расплав непосредственно и с большой скоростью попадает на поверхность воды. Это может также приводить к сильному фрагментированию расплава и к очень сильному образованию пара, которое подвергает опасности защитную оболочку реактора.

Из EP-A1-0392604 известно устройство для улавливания и охлаждения, при котором запас воды находится под напорным резервуаром реактора. В случае расплава ядра расплав ядра и части напорного резервуара реактора а также его встроенных деталей непосредственно падали бы в водяную ванну. Это, однако, не является целесообразным с точки зрения эффективного охлаждения и избежания взрывов пара. Более того, стремятся иметь процесс охлаждения, при котором вытекающий расплав ядра не попадает на большое количество воды.

В основе изобретения лежит задача указания устройства названного выше вида, в частности, устройство удержания ядра (Core Retention Device) по принципу распространения, при котором в случае отказа напорного резервуара реактора интенсивность парообразования вследствие контакта между расплавом ядра и возможно имеющейся водой значительно уменьшена или даже полностью исключена. Кроме того должен быть указан способ для этого.

Названная задача решается согласно изобретению устройством для улавливания и охлаждения расплава ядра из напорного резервуара реактора, которое снабжено:
а) расположенной под напорным резервуаром реактора предкамерой,
b) камерой распространения для расплава ядра,
c) каналом между предкамерой и камерой распространения, который снабжен разрушаемой расплавом ядра перегородкой, и
d) резервуаром охлаждающего средства, который подключен через разрушаемый расплавом ядра закрывающий орган к камере распространения.

Предпочтительно предкамера облицована со стороны дна и/или стенок огнеупорным материалом. Этот материал или другой внесенный в предкамеру материал, когда он сплавляется с расплавом ядра, действует предпочтительно в направлении понижения точки плавления так, что это делает расплав ядра более жидкотекучим.

Разрушаемая перегородка выполнена с такими параметрами и с выбором такого материала, что она после заданного промежутка времени, например, после промежутка времени от 20 до 30 минут, разрушается под действием расплава ядра, а именно, например, расплавляется.

Разрушаемая перегородка предпочтительно введена на входе канала, то есть между предкамерой и каналом. Предкамера, таким образом, через этот канал, который предпочтительно является спадающим или проходит наклонно, находится в соединении с камерой распространения. Перегородка, как упоминалось, выполнена таким образом, что она может противостоять в течение промежутка времени, например от 20 до 30 минут, находящемуся в предкамере расплаву ядра. После этого расплав ядра сам по себе течет через вход канала в камеру распространения и там растекается.

В качестве резервуара охлаждающего средства в первую очередь рассматривается резервуар для воды.

Названный закрывающий орган расположен предпочтительно на входе подводящего трубопровода от резервуара охлаждающего средства к камере распространения. Попадающий в еще сухую камеру распространения и растекающийся в ней расплав ядра достигает этого закрывающего органа и разрушает его, так что охлаждающее средство течет из резервуара охлаждающего средства в камеру распространения. Охлаждающее средство при этом покрывает поверхность расплава и охлаждает его.

Перегородка и закрывающий орган являются разрушаемыми под действием расплава ядра. Это может происходить за счет растрескивания или за счет расплавления. При этом перегородка и/или закрывающий орган могут содержать стеклянную или пластмассовую пластину или пробку из стекла или пластмассы.

Важным является, чтобы предкамера, с одной стороны, имела относительно малый объем, с тем, чтобы в ней могло собираться мало воды, и чтобы, с другой стороны, перегородка достаточно долго противостояла своему термическому разрушению. Для достижения названной первой цели в предкамере может быть предусмотрено тонкостенное полое или заполняющее тело.

Способ для улавливания и охлаждения расплава ядра из напорного резервуара реактора, отличается согласно изобретению:
а) улавливанием расплава ядра в расположенной под напорным резервуаром реактора предкамере и пребыванием в ней в течение заданного промежутка времени,
b) обуславливаемым расплавом ядра разрушением перегородки, которая расположена между предкамерой и камерой распространения,
c) проникновением расплава ядра из предкамеры в камеру распространения и растеканием в ней, а также
d) вызванным расплавом ядра, который находится в камере распространения, разрушением закрывающего органа, через который резервуар охлаждающего средства подключен к камере распространения, так что охлаждающее средство течет в камеру распространения и охлаждает там расплав ядра.

Дальнейшие формы развития изобретения охарактеризованы в зависимых пунктах формулы изобретения.

В качестве преимущества рассматривается, что в устройстве согласно изобретению избегается недопустимое давление в защитной оболочке (Containment) даже в невероятном случае выхода расплава ядра.

Примеры выполнения изобретения более подробно поясняются ниже с помощью чертежей. При этом чертежи показывают:
фиг. 1 - устройство удержания и охлаждения для расплава ядра, который может выступать из напорного резервуара реактора, в вертикальном сечении вдоль линии I-A-I на фиг. 2;
фиг. 2 - поперечное сечение этого устройства удержания и охлаждения вдоль линии II-II на фиг. 1 и
фиг. 3 - открывающее устройство для подвода воды к камере распространения.

Согласно фиг. 1 и 2 в защитной оболочке реактора 2 установки ядерного реактора расположен напорный резервуар реактора 4. Напорный резервуар реактора 4 удерживается окружающей его бетонной структурой 6 в защитной яме 8. Напорный резервуар реактора 4 содержит не представленный более подробно реактор или ядро реактора. Напорный резервуар реактора 4 подключен через трубопровод главного охлаждающего средства 10 к парогенератору 12. Резервуар поддержания напора и продувки обозначен позицией 14. Он расположен в пространстве рядом с напорным резервуаром реактора 4.

Защитная яма 8 в верхней части выполнена цилиндрической, а в нижней части выпуклой, в частности, в виде усеченного конуса. Форма выполнения в виде усеченного конуса достигается с помощью огнеупорного бетонного цоколя 16, нанесенной наклонной плоскости 18 и введенного вытесняющего воду тела 20. Цоколь 16 может состоять также из другого материала, например, из огнеупорной керамики или специальных камней. Цоколь 16 препятствует, чтобы расплав ядра мог проникать вниз. То же самое справедливо для материала наклонной плоскости 18.

Форма выполнения защитной ямы 8 в виде усеченного конуса в основном соответствует форме выполнения напорного резервуара реактора 4, который в верхней части выполнен цилиндрической формы, а в нижней части имеет полусферу. Теоретически сценарий аварии исходит из того, что эта полусфера может раз- или отрываться, так что находящийся в напорном резервуаре реактора 4 расплав ядра выливается в защитную яму 8.

Внутри защитной ямы 8 расположена изоляция 22. Она разделяет защитную яму 8 на нижнее пространство зазора 24, которое служит для проверки снаружи напорного резервуара реактора 4 с помощью манипуляторов, и на внешнее пространство зазора 26, которое используется для вентиляции защитной ямы 8, что обозначено двумя маленькими стрелками. Нижняя часть защитной ямы 8, в которой находится полусфера напорного резервуара реактора 4, обозначена в последующем как предкамера 30. Эта предкамера 30 является выпуклой или, как представлено, выполнена в виде усеченного конуса. Другими словами, эта предкамера 30 в значительной степени согласована с геометрией нижней части напорного резервуара реактора 4. При отрывании полусферы она упала бы в предкамеру 30. Таким образом, чтобы в случае очень тяжелой аварии выходящий расплав ядра во всяком случае попадал бы на небольшое количество воды, предкамера 30 под напорным резервуаром реактора 4 обладает только малым объемом; он является гораздо меньшим, чем объем самого напорного резервуара реактора 4. Это принималось во внимание при выборе формы и параметров.

В предкамере 30 под напорным резервуаром реактора 4 (в правой части фиг. 1) расположено вытесняющее воду тело 20. Это вытесняющее тело 20 служит для того, чтобы поддерживать малым "эффективный для сбора воды" объем предкамеры 30, с тем, чтобы там в качестве возможного следствия аварии могло быть мало воды. Это вытесняющее тело 20, в частности, выполнено в виде тонкостенного полого тела. Оно может быть составлено из тонких металлических пластин. Важным является, чтобы оно при появлении расплава ядра в предкамере 30 быстро проплавлялось и освобождало место для сбора расплава ядра в предкамере 30. Одновременно оно служит для согласования пространства с расположенным справа выпускным или сливным отверстием 32 для расплава ядра.

Еще дальше справа на фиг. 1 лежит камера распространения 34. Важным является, чтобы эта камера распространения 34 была расположена сбоку и на некотором расстоянии от напорного резервуара реактора 4 и в нормальном режиме эксплуатации поддерживалась сухой. Предкамера 30 через сливное отверстие 32 и канал 36, который предпочтительно является наклонным или падающим, подключена к боковой стенке камеры распространения 34. На входе канала 36, то есть перед сливным отверстием 32, стоит вертикально уплотнительная переборка или перегородка 38. Эта перегородка 38 является разрушаемой расплавом ядра. Перегородка 38, таким образом, имеет такие размеры, что она после определенного промежутка времени разрушается под действием расплава ядра. Этот промежуток времени может составлять, например, от 20 до 30 минут.

Переборка или перегородка 38 может, в частности, быть выполнена в виде металлической пластины. В случае отказа, когда напорный резервуар реактора 4 получает течь, она должна воспринимать остаточное давление. Это остаточное давление может составлять, например, 20 бар. Она должна противостоять давлению и температуре только так долго, пока преобладающая часть ядра реактора в форме расплава ядра соберется в нижней части защитной ямы 8.

Дно предкамеры 30 под вытеснительным телом 20 и дно канала 36, то есть наклонная плоскость 18, облицованы особенно термостойким материалом 40. В качестве верхнего слоя при этом может быть предусмотрен материал, который при реакции с расплавом ядра приводит к понижению точки плавления и за счет этого делает расплав ядра более жидкотекучим. В частности, существуют сорта бетона, которые растворяются при температурах 1300-1500^oC. Термостойкий материал 40, как показано, может использоваться также в качестве материала стенки (по меньшей мере, в области сливного отверстия 32). Также и дно камеры распространения 34 может быть покрыто особенно термостойким материалом 42.

Канал 36 имеет, например, высоту 1 м и ширину 1,20 м. Таким образом, он имеет относительно большое поперечное сечение, чтобы позволить легкое стекание расплава ядра. Предпочтительным является крутой ход канала 36, так как таким образом обеспечивается в значительной степени вытекание без остатка расплава ядра из предкамеры 30 в камеру распространения 34. Расплав ядра при этом следует силе тяжести. Площадь камеры распространения 34 составляет, например, 150 м². Из фиг. 2 следует, что камера распространения 34 может быть выполнена сегментной. Уровень расплава ядра после втекания в камеру распространения 34 показан на фиг. 1 позицией 44. Доступ 43 от защитной оболочки к камере распространения 34 защищен от попадания воды колпаком или покрытием 45.

На выходе канала 36, то есть в области между предкамерой 30 и камерой распространения 34, расположена уплотнительная пластина 46. Она препятствует поступлению воды от камеры распространения 34, если против ожидания там такое произойдет, в предкамеру 30. Она может состоять из изолирующего материала, как в примере, (сменной) резины или стальной пластины с внешней изоляцией.

Через, по меньшей мере, один термически разрушаемый расплавом ядра закрывающий орган 48, а также через примыкающие соединения к камере распространения 34 подключен лежащий внутри затопляемый бассейн или резервуар охлаждающего средства 50. При этом, в частности, речь идет о камере для воды, которая лежит сбоку от напорного резервуара реактора 4. Предпочтительно используется и без того имеющийся в реакторной установке отстойник, в котором собирается имеющаяся в защитной оболочке вода. Объем воды может составлять, например, 1500 м³. Уровень воды показан на фиг. 1 позицией 52.

Пример выполнения для закрывающего органа 48 поясняется более подробно ниже с помощью фиг. 3. Закрывающий орган 48, например, выполнен в виде пробки или шайбы; он может состоять из такого материала, как стекло или пластмасса, который расплавляется или разрушается под термическим воздействием расплава ядра, например, при непосредственном соприкосновении. Орган 48 сконструирован таким образом, что он тогда освобождает не только непосредственно смоченную часть площади, но гораздо большую площадь. Эта площадь может быть расположена также в другом месте.

Закрывающий орган 48 может освобождать обусловленный силой тяжести приток, например, 100 кг/мин. Соотношение размеров соединения к резервуару охлаждающего средства 50 выбрано соответственно. Если вода течет в камеру распространения 34 и тем самым на расплав ядра, то это длится относительно долго, пока уровень воды поднимется на наклонной плоскости 18 примерно до средней линии напорного резервуара реактора 4. Время может, например, составлять один час.

Уже было сказано, что камера распространения 34 расположена сбоку от предкамеры 30 и напорного резервуара реактора 4. За счет этих важных мероприятий достигается то, что в случае выхода расплава ядра механические нагрузки воспринимаются в основном предкамерой 30, а более поздние термические нагрузки - в основном камерой распространения 34. Другими словами, камера распространения 34 при поступлении расплава ядра не должна воспринимать прямые механические нагрузки. Вследствие конструкции ее дна, то есть вследствие выбора вида и параметров материала 42 камера распространения 34, однако, является пригодной долговременно воспринимать термические нагрузки.

Принципиально можно представить себе два вида выхода из строя напорного резервуара реактора 4: может оторваться вся полусфера или в полусфере может появиться дыра. В обоих случаях расплав ядра появится в предкамере 30, а именно более или менее быстро. Так как в зазорах 24, 26 в области предкамеры 30 вследствие незначительной ширины и малого объема в любом случае может собираться мало воды, энергетическое воздействие при появлении расплава ядра на это небольшое количество воды является допустимым. Другое преимущество получается за счет того, что расплав ядра в обоих случаях удерживается в предкамере 30 перед полым телом 20 и затем перед самой перегородкой 38, так что начинается процесс скапливания. Расплав ядра удерживается, таким образом, в течение заданного времени в предкамере 30. После разрушения перегородки 38 расплав ядра распространяется через канал 36 в камере распространения 34. При этом он вызывает разрушение закрывающего органа 48, так что охлаждающая вода (или, при необходимости, другое охлаждающее средство) течет из резервуара 50 в камеру распространения 34 и там охлаждает расплав ядра.

На фиг. 3 представлен пример выполнения закрывающего органа 48 в камере распространения 34. В основном он выполнен в виде шайбы 58 из стекла или пластмассы, которая закреплена посредством фланцевого соединения 54 на конце соединительной трубы 56, которая, например, выполнена из стали. Закрывающий орган 48 расположен вблизи дна камеры распространения 34, то есть как раз выше изоляции или термического защитного слоя 42.

Устройство содержит расположенную под напорным резервуаром реактора предкамеру, которая через канал подключена к камере распространения. На канале расположена уплотнительная переборка или перегородка, которая разрушается расплавом ядра через заданный промежуток времени после его появления. Резервуар охлаждающего средства также подключен к камере распространения через разрушаемый расплавом ядра закрывающий орган. Если последний разрушен, например, за счет расплавления или растрескивания, то охлаждающее средство выливается на расплав ядра в камере распространения и расплав ядра эффективно охлаждается. Технический результат заключается в снижении интенсивности парообразования при контакте расплава ядра с водой и предотвращении недопустимого возрастания давления под защитной оболочкой. 2 с. и 17 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство для улавливания и охлаждения расплава ядра из напорного резервуара (4) реактора, содержащее расположенную под напорным резервуаром (4) реактора предкамеру (30), камеру (34) распространения для расплава ядра, канал (36) между предкамерой (30) и камерой (34) распространения и резервуар (50) охлаждающего средства, который через разрушаемый расплавом ядра закрывающий орган (48) присоединен к камере (34) распространения, отличающееся тем, что камера (34) распространения расположена полностью сбоку от напорного резервуара (4) реактора, причем камера (34) распространения выполнена в форме сегмента, а канал снабжен разрушаемой расплавом ядра перегородкой (38). 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что предкамера (30) облицована со стороны дна и/или стенок огнеупорным материалом (40). 3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что предкамера (30) облицована материалом, который при реакции с расплавом ядра приводит к понижению точки плавления и делает таким образом расплав ядра более жидкотекучим. 4. Устройство по одному из пп.1 - 3, отличающееся тем, что разрушаемая перегородка (38) имеет такие параметры, что после заданного промежутка времени разрушается под действием расплава ядра, причем промежуток времени составляет, например, 20 - 30 мин. 5. Устройство по одному из пп.1 - 4, отличающееся тем, что разрушаемая перегородка (38) введена между предкамерой (30) и каналом (36). 6. Устройство по одному из пп.1 - 5, отличающееся тем, что канал (36) проходит с наклоном между предкамерой (30) и камерой (34) распространения. 7. Устройство по одному из пп.1 - 6, отличающееся тем, что резервуар (50) для охлаждающего средства является резервуаром для воды. 8. Устройство по одному из пп.1 - 7, отличающееся тем, что камера (34) распространения в нормальном режиме эксплуатации поддерживается сухой. 9. Устройство по одному из пп.1 - 8, отличающееся тем, что закрывающий орган (48) расположен на входе подводящего трубопровода (56) от резервуара (50) для охлаждающего средства в камере (34) распространения. 10. Устройство по одному из пп.1 - 9, отличающееся тем, что перегородка (38) и/или закрывающий орган (48) являются разрушаемыми под действием расплава ядра за счет растекания или расплавления. 11. Устройство по одному из пп.1 - 10, отличающееся тем, что перегородка (38) и/или закрывающий орган (48) содержат пластину или пробку из стекла или пластмассы. 12. Устройство по одному из пп.1 - 11, отличающееся тем, что в предкамере (30) расположено вытесняющее воду тело (20), которое выполнено, в частности, в виде тонкостенного полого тела. 13. Устройство по одному из пп.1 - 12, отличающееся тем, что предкамера (30) и/или находящаяся в ней изоляция (22) согласована в значительной степени с формой выполнения напорного резервуара (4) реактора так, что предкамера (30) имеет сравнительно малый объем по сравнению с напорным резервуаром (4) реактора. 14. Устройство по одному из пп.1 - 13, отличающееся тем, что между камерой (34) распространения и предкамерой (30) расположена уплотнительная пластина (46), препятствующая поступлению воды от камеры (34) распространения в предкамеру (30). 15. Устройство по одному из пп.1 - 14, отличающееся тем, что резервуар (50) для охлаждающего средства расположен сбоку от напорного резервуара (4) реактора. 16. Устройство по одному из пп.1 - 15, отличающееся тем, что камера (34) распространения имеет площадь порядка 150 кв.м или больше и/или резервуар (50) охлаждающего средства имеет объем порядка 1500 куб.м или больше. 17. Способ укладывания и охлаждения расплава ядра из напорного резервуара реактора, включающий в себя улавливание расплава ядра в расположенной под напорным резервуаром реактора (4) предкамере (30) и пребывание в ней в течение заданного промежутка времени; обусловленное расплавом ядра разрушение перегородки (38), расположенной между предкамерой (30) и камерой распространения (34), причем камера распространения расположена полностью сбоку от напорного резервуара (4) реактора и выполнена в форме сегмента; проникновение расплава ядра из предкамеры (30) в камеру распространения (34) и растекание в ней, а также обусловленное расплавом ядра, который находится в камере распространения (340, разрушение закрывающего органа (48), через который резервуар (50) охлаждающего средства присоединен к камере распространения (34), так что охлаждающее средство течет в камеру распространения (34) и охлаждает там расплав ядра. 18. Способ по п.17, отличающийся тем, что осуществляют реакцию расплава ядра с материалом в предкамере (30), за счет чего снижают точку плавления и делают расплав ядра более жидкотекучим. 19. Способ по п.17 или 18, отличающийся тем, что расплав ядра проникает по наклонному каналу (36) от предкамеры (30) в камеру (34) распространения.