ПРЕПЯТСТВИЕ ПЕРЕМЕЩЕНИЮ РАСПЛАВЛЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ АКТИВНОЙ ЗОНЫ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА Российский патент 2001 года по МПК G21C9/16 

Изобретение относится к устройству для улавливания фрагментов (в том числе расплавленных) активной зоны (AЗ) ядерного реактора (ЯР).

Известно применение пористых материалов в устройствах для улавливания фрагментов AЗ ЯР внекорпусных [1, 2] и внутрикорпусных [3].

Устройство [1] содержит массивную металлическую деталь, внутренняя поверхность которой повторяет форму нижней части корпуса реактора для улучшения теплового контакта с ним, пористую среду, расположенную ниже указанной детали, систему циркуляции воды через пористую среду и систему отвода пара из пористой среды. Недостатком устройства [1] является принудительная подача теплоносителя и наличие массивной металлической детали, которая находится между корпусом реактора и охлаждаемой пористой средой. Указанная деталь является излишней, т. к. при непосредственном контакте пористой среды с корпусом реактора условия охлаждения корпуса и отвода пара от поверхности теплообмена лучше, чем в указанном устройстве.

Устройство [2] содержит резервуар, заполненный слоем графитовых частиц, через который циркулирует теплоноситель (вода) для охлаждения расплава, вышедшего за пределы корпуса реактора. Отвод тепла производится теплопередачей через слой графитовых частиц к теплоносителю, который частично испаряется. Недостатком данного устройства является принудительная циркуляция теплоносителя и пожаро- и взрывоопасность вследствие возможного химического взаимодействия между топливом и графитом, теплоносителем и графитом в зоне повышенной температуры. Кроме того, возможно размывание слоя частиц вследствие уноса частиц паром.

Наиболее близким к изобретению является применение пористых материалов в устройстве [3], где пористый слой, образованный более чем одним слоем металлических сеток, расположен на обращенной к AЗ стороне улавливающего устройства и служит для уменьшения температуры на поверхности улавливающего устройства при попадании на него осколков разрушенной AЗ. Охлаждение мелких твердых осколков осуществляется свободной конвекцией теплоносителя. Данное устройство более приспособлено для улавливания мелких твердых осколков AЗ. Недостатком устройства [3] является наличие слоя теплоносителя между пористым материалом и AЗ, контакт которого (теплоносителя) с расплавом AЗ приведет к паровому взрыву внутри корпуса ЯР. Кроме того пористый материал, образованный металлическими сетками и заполненный жидким металлом, не может служить эффективным теплоизолятором, так как теплопроводность жидкого металла слишком высока (примерно в три раза выше, чем у нержавеющей стали).

Общим недостатком устройств [1 и 3] является то, что они не приспособлены для удаления застывших материалов AЗ при ремонтных работах после аварии.

Техническим результатом изобретения является надежное удержание ожидаемого количества расплава материалов AЗ в заданном объеме в течение заданного времени, обеспечение возможности охлаждения расплава пассивными и активными средствами при аварии и условий извлечения и удаления материалов застывшего расплава после аварии при выполнении следующих условий:
применяемое решение не вносит помех в нормальную работу систем установки, и
имеет приемлемый уровень стоимости.

Указанный технический результат достигается применением внутри защищаемого элемента ядерной энергетической установки (корпус AЗ 1 или защитная оболочка 11 ( см. чертеж)) внутренней теплоизоляции (ТИ), которая непосредственно ограничивает перемещение расплава и может быть выполнена из следующих материалов с открытыми порами:
1. Волокнистые материалы как с горизонтальной, так и с вертикальной ориентацией слоев:
a) войлоки и другие нетканые изделия;
b) ткани и плетеные материалы с упорядоченной укладкой волокон;
c) композиции волокон на неорганической связке (ячеистоволокнистые материалы).

2. Ячеистые материалы.

3. Свободные засыпки сплошных или пористых гранул.

4. Комбинации вышеперечисленных способов.

Расплав охлаждается, в основном, испарением теплоносителя, запасенного в порах материала ТИ и удерживается как паровой подушкой, так и пористым материалом. Ниже поверхности контакта с расплавом ТИ сохраняет свою структуру, благодаря чему существует возможность подачи туда теплоносителя или химических реактивов. Материал, образованный свободной засыпкой гранул, может быть армирован волокнами и т.п. для предотвращения уноса гранул.

Материал ТИ имеет температуру плавления ниже температуры плавления топлива, но выше температуры кипения теплоносителя. Теплоноситель имеет температуру кипения ниже температуры работоспособности материала защищаемой оболочки. Для увеличения теплоемкости ТИ может содержать по крайней мере один материал, который имеет температуру плавления ниже температуры работоспособности материала защищаемой оболочки.

Для повышения ядерной безопасности и предотвращения образования вторичной критической массы пористый материал содержит элементы, поглощающие нейтроны, как компоненты сплава или смеси или в растворенном в теплоносителе виде. Из соображений ядерной безопасности и для предотвращения снижения обогащения топлива материал ТИ не должен содержать соединений топливных элементов (U, Pu) любого обогащения по делящемуся изотопу.

Внутри корпуса ЯР пористая ТИ размещается:
- 5 - между AЗ 2 и корзиной AЗ 3,
- 6 - между корпусом реактора 1 и корзиной AЗ 3,
- 7 - между дном корпуса реактора и опорной конструкцией AЗ 4, и помещена в тот же теплоноситель, что и AЗ ЯР.

При нормальной работе реактора внутренняя теплоизоляция 6, 7 свободно пропускает теплоноситель для охлаждения AЗ реактора. С целью профилирования плотности расхода теплоносителя по радиусу AЗ ТИ 7, может быть выполнена в виде осесимметричных зон, имеющих различное гидравлическое сопротивление за счет различий в свойствах материалов зон. Количество теплоносителя в порах материала, расположенного внутри корпуса, должно быть достаточным для охлаждения ожидаемого количества расплава до среднемассовой температуры ниже температуры плавления пористого материала или до температуры кипения теплоносителя при атмосферном давлении. Материалы 5 и 6 могут содержать элементы устройств, перекрывающих трубопроводы в случае их разгерметизации.

В начальной стадии осушения AЗ, до начала ее разрушения, пористый материал 5 смачивает теплоноситель, конденсирующийся в верхней части корпуса, и способствует возвращению теплоносителя в нижнюю часть AЗ, улучшает условия циркуляции теплоносителя внутри корпуса, обеспечивает теплоизоляцию корзины AЗ.

Пористый материал 7 служит опорой для AЗ при разрушении корзины AЗ или опорной конструкции AЗ и предотвращает падение AЗ или ее фрагментов на дно корпуса. При расплавлении AЗ и проникновении расплава под опорную конструкцию AЗ пористый материал препятствует падению расплава на дно корпуса реактора и прямому контакту расплава с теплоносителем и дном реактора, обеспечивает охлаждение расплава "выпотеванием" теплоносителя, запасенного в порах материала 7 в нижней части корпуса.

Вне корпуса ЯР пористая ТИ 8 размещена вокруг нижней части корпуса ЯР внутри открытого или герметичного (для реакторов, охлаждаемых жидкими щелочными металлами) резервуара 9 и помещена в тот же теплоноситель 10, что и AЗ ЯР или другой, химически инертный по отношению к окружающей среде, теплоносителю ЯР и материалам расплава AЗ. Пористый материал охлаждается за счет испарения теплоносителя. При нормальной работе установки верхняя часть пористого материала 8 остается сухой и является ТИ корпуса. Количество теплоносителя, запасенного в порах материала, должно быть достаточным для охлаждения любого возможного количества расплава до среднемассовой температуры, равной температуре кипения теплоносителя. Пористый материал 8 при нормальной работе может служить защитой от вибрации и сейсмических воздействий.

Управление формой поверхности контакта расплава и теплоносителя осуществляется путем предварительного выполнения смоченной поверхности неплоской (ступенчатой или другой) путем создания осесимметричных зон, разделенных или не разделенных оболочками, отличающихся между собой условиями смачивания материала теплоизоляции (пористость, размер пор и т.п.).

Извлечение топлива из застывшего материала расплава производится аналогично выщелачиванию урановых руд [4]. При этом растворитель подается сверху (снизу) на застывший расплав, а раствор откачивается снизу (сверху) из корпуса реактора или из резервуара через предусмотренный для подачи теплоносителя трубопровод. Нагрев растворителя и застывшей массы расплава производится при этом за счет остаточного энерговыделения в топливе, а измельчение массы расплава может производиться путем создания циклических термических напряжений переменными условиями охлаждения.

Свойства пористых материалов сохраняются при уменьшении размера изделия, что позволяет проверить работоспособность материала и отработать защиту на малых моделях.

На чертеже изображена схема размещения пористой теплоизоляции в ядерном реакторе и защитной оболочке для ограничения перемещения расплава материалов AЗ.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления
Наиболее распространенное топливо энергетических ЯР - двуокись урана UO₂. Наиболее распространенный теплоноситель первого контура ЯР - вода. Скрытая теплота парообразования воды при атмосферном давлении составляет 2257 кДж/кг [5]. Испарение 1 кг воды позволяет охладить 1 кг расплавленной UO₂ с температуры около 4500^oC или 1.63 кг расплавленной UO₂ с температуры плавления (2850^oC) до температуры кипения воды при атмосферном давлении (100^oC) или перевести 7.81 кг UO₂ из жидкого состояния в твердое при температуре плавления [6].

Загрузка реактора ВВЭР-1000 составляет 66 т урана или около 75 т двуокиси урана [7]. Свободный объем внутри корпуса реактора ВВЭР-1000 ниже опорной плиты активной зоны составляет около 25 м². В настоящее время выпускается большое количество видов пористой ТИ [8]. При использовании внутри корпуса войлочных матов каолинового состава с пористостью до 90% и температурой применения до 1100^oC запасенной в порах воды достаточно для охлаждения 36.5 т жидкой UO₂ от температуры плавления до 100^oC или 47.8 т до 1100^oC. Внутренняя пористая теплоизоляция может быть создана в действующем реакторе во время планового останова свободной засыпкой гранул, витых проволочных элементов и т. п. Для охлаждения всего расплавленного топлива реактора ВВЭР-1000 от температуры 2850^oC до 100^oC требуется испарить около 46 т воды. Такое количество воды может быть размещено внутри расположенного ниже корпуса реактора резервуара. Объем резервуара для размещения как теплоносителя, так и пористого материала (например, свободная засыпка грунта, каменноугольного шлака, армированная проволочной сеткой, минеральная и стеклянная вата и т.д.) должен быть не более 90 м³.

Загрузка реакторов, охлаждаемых жидким металлом, в 20-50 ниже, чем водо-водяных реакторов, а теплота парообразования металла в 1.5-2 раза выше. Для удержания расплава всех материалов активной зоны быстрого реактора требуется в 30-100 раз меньше материалов теплоизоляции, содержащей теплоноситель, что позволяет удерживать расплав внутри корпуса.

Свойства пористых материалов сохраняются при уменьшении размера изделия, что позволяет проверить работоспособность материала на малых моделях.

Источники информации
1. Патент США N 4 650 642, кл. G 21 C 9/00, 1987.

2. Патент США N 4113560, кл. G 21 C 9/00, 1978.

3. Патент ФРГ N 2948932, кл. G 21 C 9/00, 1979.

4. Металлургия ядерного горючего. Емельянов B.C., Евстюхин А.И. Учебник для вузов. Изд. 2. М., Атомиздат, 1968.

5. Ривкин С. Л. , Александров А.А., Термодинамические свойства воды и водяного пара. Справочник. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1984.

6. Термодинамические свойства индивидуальных веществ. Справочное издание: В 4-х т. / Л.В. Гурвиц, И.В. Вейц, В.А. Медведев и др. - 3-е изд., перераб. и расширен. - Т. IV, Кн. 2. - М.: Наука, 1982.

7. Кириллов П.Л., Юрьев Ю.С., Бобков В.П. Справочник по теплогидравлическим расчетам (Ядерные реакторы, теплообменники, парогенераторы). Под общ. ред. П.Л. Кириллова. - М.: Энергоатомиздат, 1984.

8. Высокотемпературные теплоизоляционные материалы. Кац С.М. - М.: Металлургия, 1981.

Изобретение относится к устройству для улавливания фрагментов (в том числе и расплавленных) активной зоны ядерного реактора. Препятствие перемещению расплавленных материалов активной зоны ядерного реактора содержит внутреннюю охлаждаемую "выпотеванием" теплоизоляцию, которая может быть выполнена в виде следующих инертных по отношению к теплоносителю и материалам расплава материалов с открытыми порами: волокнистые материалы как с горизонтальной, так и с вертикальной ориентацией слоев, ячеистые материалы, свободные засыпки сплошных или пористых гранул, комбинации вышеперечисленных способов. Пористый материал частично заполнен теплоносителем. Техническим результатом является надежное удержание ожидаемого количества расплава материалов в заданном объеме в течение заданного времени. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Препятствие перемещению расплавленных материалов активной зоны ядерного реактора, размещенное вокруг нижней части его корпуса и выполненное в виде, по меньшей мере, одного слоя из пористого материала с открытыми порами, заполненного теплоносителем, отличающееся тем, что уровень теплоносителя находится ниже верхней поверхности слоя пористого материала. 2. Препятствие по п.1, отличающееся тем, что пористый материал выполнен из волокнистых материалов с горизонтальной и/или вертикальной ориентацией слоев. 3. Препятствие по п.1, отличающееся тем, что пористый материал имеет ячеистую структуру. 4. Препятствие по п.1, отличающееся тем, что теплоноситель имеет неплоскую поверхность.