СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ЛОКАЛИЗАЦИИ РАСПЛАВА АКТИВНОЙ ЗОНЫ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА Российский патент 2001 года по МПК G21C9/16 G21C15/18 

Изобретение относится к атомной энергетике, а именно к способам и устройствам, обеспечивающим безопасность ядерной установки при авариях, приводящих к плавлению топлива и материалов активной зоны.

Известно "Устройство для предотвращения проникновения в почву расплава активной зоны (РАЗ) ядерного реактора" (пат. RU 1777652, G 21 C 9/016, опубл. 23.11.92 г., Бюл. N 43, з-ка PCT/FR 88/00293 от 09.06.88 г. с конвенционным приоритетом от 11.06.87 г.). Это устройство содержит резервуар для улавливания и удерживания расплава активной зоны ядерного реактора (АЗЯР), установленный под реактором в бетонной плите с возможностью охлаждения его циркулирующей жидкостью. В бетонной плите, над резервуаром выполнены средства для отклонения вбок РАЗ, обеспечивающие распределение расплава по поверхности, равной поверхности резервуара. Эти средства представляют собой множество концентрических полостей, расположенных в суперпозиционном отношении в бетонной плите. Способ предотвращения проникновения расплава АЗЯР в почву, который реализует известное устройство, заключается в улавливании, удержании и охлаждении расплава в резервуаре, расположенном под реактором. Охлаждение осуществляется только со стороны стенок резервуара, с которыми контактирует расплав.

Недостатками известного решения являются:
- не исключена возможность разрушения бетонного фундамента атомной станции при долговременном выдерживании РАЗ в резервуаре, что может привести к выделению водяных паров и "паровому взрыву";
- требуются большой объем воды для отвода тепла со стенок резервуара и резервные источники питания для системы охлаждения;
- трудности в обеспечении контроля состояния расплава АЗЯР в процессе аварии и после.

Известно "Устройство и способ улавливания и охлаждения расплава ядра из напорного резервуара реактора" (заявка в России N 96100550, G 21 C 9/016, от 08.01.96 г. , опубл. 20.03.98 г., з-ка PCT/DE94/00617 от 01.06.94 г. с конвенционным приоритетом от 08.06.93 г.). Это решение, как наиболее близкое к заявляемому, принято как прототип.

Устройство для удержания и охлаждения ядра (расплава) представляет собой резервуар, расположенный под реактором и покрытый слоем плавящегося при контакте с расплавом материала, при этом резервуар соединен наклонным трубопроводом с приемной камерой, расположенной вне шахты реактора, система охлаждения расплава представляет собой резервуар с охлаждающим средством, который соединен с приемной камерой. Между резервуаром для улавливания расплава и приемной камерой установлена разрушаемая перегородка, которая разрушается, например, через 20-30 мин под действием расплава. Между резервуаром с охлаждающим средством и приемной камерой установлен закрывающий элемент, который разрушается под действием расплава.

Способ улавливания и охлаждения расплава включает в себя следующие операции:
- улавливание расплава в расположенный под реактором резервуар;
- выдерживание расплава в резервуаре в течение заданного промежутка времени, обусловленное разрушением перегородки между резервуаром и приемной камерой. За это время расплав перемешивается со слоем, плавящимся при контакте с ним, что увеличивает жидкотекучесть расплава;
- отвод расплава самотеком в приемную камеру по наклонному трубопроводу, причем подачу осуществляют сбоку камеры;
- охлаждение расплава в приемной камере путем подачи охлаждающего средства непосредственно в камеру через закрывающийся элемент, который разрушается при контакте с расплавом.

Недостатками известного устройства и способа для улавливания и охлаждения расплава являются:
- охлаждение расплава путем подачи охлаждающей среды в приемную камеру приводит к прямому контакту с расплавом, что увеличивает интенсивность теплосъема, однако накладывает ограничение на выбор охлаждающей среды и снижает безопасность и надежность устройства;
- вследствие значительного выделения тепла из расплава необходим большой объем охлаждающей среды для поддержания заданной, безопасной температуры приемной камеры;
- необходимы значительные энергозатраты для прокачивания охлаждающей среды через приемную камеру;
- неравномерность растекания расплава в приемной камере;
- неиспользование пассивного отвода тепла от расплава.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое решение, является повышение безопасности ядерной энергетической установки путем разработки системы, удерживающей длительное время РАЗ реактора, и предотвращения попадания продуктов РАЗ во внешнюю среду.

Техническим результатом заявляемого решения является повышение безопасности и надежности способа и устройства путем более эффективного использования пассивного охлаждения.

Дополнительным техническим результатом является возможность временного хранения продуктов расплава АЗЯР в приемной камере.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе локализации расплава АЗЯР, заключающемся в улавливании и выдерживании расплава в резервуаре, расположенном под реактором, отводе расплава в приемную камеру и охлаждении, расплав в приемную камеру подают сверху, осуществляют пассивное охлаждение расплава путем теплосъема в атмосферу через защитный экран и при контакте с теплоаккумуляционным покрытием и активное охлаждение при контакте расплава со стенками приемной камеры, охлаждение которых производят путем подачи к ним охлаждающей среды.

В устройстве локализации расплава АЗЯР, включающем резервуар для улавливания и выдерживания расплава, расположенный под реактором и покрытый слоем материала, плавящегося при контакте с расплавом, приемную камеру, расположенную вне шахты реактора и соединенную с резервуаром наклонным трубопроводом, систему охлаждения, камера выполнена многослойной и по крайней мере один из слоев выполнен из теплоаккумулирующего материала, а элементы системы охлаждения размещены в стенках камеры для подвода к ним охлаждающей среды, при этом камера сверху накрыта герметичным защитным экраном. Элементы системы охлаждения могут быть выполнены в виде каналов, по которым циркулирует охлаждающая среда, и размещены в теплоаккумулирующем слое. По крайней мере один из слоев камеры выполнен из тугоплавкого материала, армированного, например, нитью циркония, стекловолокна или углепластика. Наружный слой камеры выполнен из теплоаккумулирующего материала. Герметичный экран может быть выполнен куполообразной формы, например полусферической. Резервуар для улавливания выложен спрессованными брикетами из легкоплавкой металлической стружки, пористостью 10-90% (возможно некоторое количество флюсов и оксидов металлов). Брикеты изготавливаются из производственных отходов металлообрабатывающей промышленности. Трубопровод выполнен многослойным из стеклоткани, тугоплавкого материала и стали.

При подаче расплава в приемную камеру сверху улучшается равномерность распределения расплава в камере, что улучшает равномерность распределение тепловой нагрузки на приемную камеру и тем самым повышается надежность и безопасность устройства.

Совместное использование пассивного охлаждения расплава путем теплосъема в атмосферу с активным охлаждением стенок приемной камеры путем подачи к ним охлаждающего материала позволяет предотвратить попадание продуктов расплава во внешнюю окружающую среду и длительное время удерживать расплав активной зоны реактора в приемной камере, что повышает надежность и безопасность.

Использование пассивного охлаждения в атмосферу через защитный экран позволяет применять для активного охлаждения менее дорогостоящие и более надежные и безопасные системы.

Использование пассивного охлаждения расплава при контакте с теплоаккумулирующим покрытием позволяет быстро закристаллизовать расплав и тем самым уменьшить выделения радиоактивных аэрозолей и соответственно увеличить надежность и безопасность.

Активное охлаждение стенок камеры позволяет исключить контакт расплава с охлаждающей средой, что снижает требование к выбору охлаждающей среды и позволяет использовать при активном охлаждении более надежные и безопасные системы.

При использовании в устройстве локализации расплава активной зоны ядерного реактора приемной камеры, выполненной многослойной, по крайней мере один из слоев выполнен из теплоаккумулирующего материала, а другой - из тугоплавкого вещества с малой теплопроводностью, обеспечивается длительное удержание расплава, что повышает надежность и безопасность конструкции.

Использование теплоаккумулирующего материала позволяет повысить эффективность пассивного охлаждения расплава в приемной камере, что увеличивает надежность и безопасность.

Размещение элементов охлаждения в стенках камеры обеспечивает несмешивание расплава АЗЯР и охлаждающего вещества, что снижает выделение аэрозолей из расплава АЗЯР, снижает требования по выбору охлаждающей среды, уменьшает вероятность паровых взрывов.

Защитный экран обеспечивает эффективное пассивное охлаждение расплава путем излучения тепла в пространство под экраном. Наличие герметичного защитного экрана позволяет удерживать радиоактивные аэрозоли в закрытом объеме и одновременно обеспечивает эффективный безопасный теплосъем в атмосферу.

Элементы системы охлаждения, выполненные в виде каналов и размещенные в теплоаккумулирующем слое, обеспечивают наиболее эффективный отвод тепла от расплава АЗЯР и заданный температурный режим конструкции приемной камеры с меньшим расходом охлаждающей среды.

Покрытие теплоаккумулирующего слоя тугоплавким материалом обеспечивает разделение расплава АЗЯР и теплоаккумулирующего слоя, способствует растеканию расплава по поверхности камеры, предотвращает разрушение теплоаккумуляционного покрытия.

Выполнение армирования слоя из тугоплавкого материала приводит к повышению механической прочности, что повышает надежность конструкции.

Применение в устройстве по крайней мере одного из слоев камеры теплоизолирующего материала обеспечивает защиту бетонного фундамента от нагрева до критических температур, что повышает надежность и безопасность.

Герметичный экран, закрывающий сверху приемную камеру и имеющий куполообразную форму, обеспечивает равномерный отвод тепла от расплава в атмосферу, что повышает эффективность охлаждения расплава АЗЯР и является оптимальной конструкцией по прочности и массогабаритным характеристикам.

Заполнение резервуара для улавливания и выдерживания расплава отходами металлообрабатывающих производств приводит к уменьшению вязкости расплава, уменьшению остаточного удельного энерговыделения осколков в расплаве.

Выполнение жертвенного слоя из отходов, представляющих собой брикеты из легкоплавкой металлической стружки, пористостью 10-90%, обеспечивает перемешивание, фрагментирование и демпфирование компонентов расплава, уменьшение температуры фазового перехода исходного расплава.

Применение в устройстве многослойного трубопровода, соединяющего резервуар и приемную камеру, позволяет обеспечить безопасный отвод расплава за пределы реактора, что повышает надежность конструкции.

Выполнение одного из слоев трубопровода из стеклоткани позволяет изолировать стальной корпус трубопровода от высоких температур расплава, так как стеклоткань является хорошим тенлоизолирующим материалом и имеет высокую температуру разрушения.

Один из слоев трубопровода выполнен из тугоплавкого материала, который предотвращает механическое и химическое разрушение теплоизолирующего слоя при контакте с РАЗ.

На фиг. 1 изображен общий вид заявленного устройства. На фиг. 2 изображено поперечное сечение трубопровода.

Примером конкретного выполнения заявленного устройства служит устройство локализации расплава активной зоны ядерного реактора внутри энергоблока, когда остаточное энерговыделение ядерного топлива соответствует 10¹² Дж за первые сутки после аварии. Данное устройство включает в себя резервуар, расположенный под реактором, систему фрагментирования и демпфирования расплава при падении расплава из корпуса реактора, герметичного многослойного трубопровода для отвода расплава за пределы контейнмента в приемную камеру, причем расплав в приемную камеру попадает сверху, и герметичной находящейся вне пределов контейнмента самоохлаждающейся приемной камеры, расположенной в многослойном котловане, накрытом сверху защитным экраном.

При аварии с расплавлением активной зоны расплав осуществляет свое движение вниз. Под реактором 1 располагается улавливающий резервуар 2, состоящий из многослойной укрепленной воронки, заполненной жертвенным демпфирующим материалом, и соединенного с ней многослойного трубопровода 4, частично заполненныго жертвенным демпфирующим материалом (фиг. 1). Воронка и трубопровод расположены в подреакторном пространстве 6 и разделены заглушкой, проплавляемой через 40 мин с момента попадания расплава в воронку.

Основные задачи этой системы:
сливания в трубопровод с целью, во-первых, для расплавления жертвенного материала и перемешивания компонентов расплава, во-вторых, для того, чтобы остатки корпуса реактора, разрушенные тепловым излучением расплава, успели бы расплавиться и перемешаться в расплаве, и, в-третьих, для уменьшения остаточного энерговыделения осколков в расплаве;
сдемпфировать массу расплава и не допустить серьезных механических повреждений воронки и трубопровода при падении расплава;
уменьшить вязкость и температуру фазового перехода исходного расплава при расплавлении жертвенного материала, находящегося в шахте, внутри воронки и самого трубопровода.

Для фрагментирования, демпфирования и уменьшения вязкости расплава в шахте и воронке предлагается использовать жертвенный слой, состоящий из производственных отходов металлообрабатывающих производств - спрессованных брикетов металлической стружки легкоплавких металлов (возможно, также из некоторого количества флюсов и оксидов металлов), заполняющий воронку и шахту реактора 3 до расстояния 1-2 м от корпуса реактора. Для этого могут быть использованы, например, брикеты из стружки латуни, железа, других материалов, пористость брикетов 10-90%. Бетонные стены шахты 5 покрыты высокотемпературной керамикой (например, на основе ZrO₂) толщиной 5 см на высоту от воронки до дна корпуса реактора. Для повышения механической прочности высокотемпературную керамику, используемую в шахте реактора, следует армировать (например, нитью циркония, стекловолокна или углепластика).

Для отвода расплава из воронки в приемную камеру 7 используется герметичный многослойный трубопровод фиг. 2. Многослойный герметичный стальной трубопровод 14 внутренним диаметром ~90 см и внешним диаметром ~110 см с внутренними теплоизолирующими слоями - стеклопластиком 15 и диоксидцирконием 16. При наклоне трубопровода на 12^o предполагаемая вязкость расплава способна обеспечить скорость стекания расплава 10 см/с. В свою очередь, такая скорость стекающего расплава обеспечивает его полный отвод из воронки в приемную камеру за 35 мин при заполняемости поперечного сечения трубопровода 25% при течении (представленные цифры относятся к реактору ВВЭР-1000 масса топлива вместе с конструкцией ТВЛ-ов, в котором составляет около 100 т).

Через трубу РАЗ самотеком выводится в специальную приемную камеру 7. Приемная камера представляет собой котлован с бетонными стенами и полом (см. фиг. 1). Сверху емкость накрыта защитным экраном 8 из титанового сплава, нержавеющей стали или углепластика. В котловане расположена массивная металлическая теплоаккумулирующая плита 9. Сверху плита покрыта тугоплавким веществом 10 с малой теплопроводностью, способным длительное время выдерживать соприкосновение с РАЗ (например, диоксидциркониевой керамикой). Плита отделена от пола и стен котлована слоями теплоизолирующих покрытий 11. В основании теплоаккумулирующей плиты проложены трубопроводы системы охлаждения 12. Защитный экран герметично изолирует расплав 13 от атмосферы, предотвращает попадание в атмосферу радиоактивных газов и аэрозолей, рассеивает излучаемое РАЗ тепло путем лучистого переноса и конвекции. Теплоаккумуляционная плита охлаждает расплав до температуры, при которой сохраняется прочность плиты и конструкции защитного экрана, обеспечивает быстрое затвердевание расплава для уменьшения газообразных и аэрозольных выделений. На плиту нанесено тугоплавкое теплоизолирующее покрытие (диоксид циркониевая керамика), которое обеспечивает разделение расплава и теплоаккумулирующей плиты, способствует растеканию расплава по поверхности путем повышения температуры на границе раздела расплав - покрытие. Теплозащитные слои под основанием теплоаккумулирующей плиты защищают бетонный пол от нагрева до критической температуры. Трубопроводы системы охлаждения при необходимости организовывают активное охлаждение основания плиты после 10-20 суток с момента растекания РАЗ по плите.

Теоретическими расчетами показано, что предлагаемый способ локализации расплава активной зоны обеспечивает приемлемый температурный режим конструкционных элементов контейнмента и самой ловушки в течение длительного периода времени. Так можно в приемлемых размерах (толщина разлившегося слоя РАЗ ~ 0,25 м, толщина теплоаккумуляционной плиты ~1,0 м, толщина нижнего слоя ТЗП ~0,2 м, площадь поверхности плиты ~100 м², площадь защитного экрана 1350 м²) и температурах (РАЗ 1380-1450 К, защитного экрана ~1000 К) обеспечить пассивное охлаждение РАЗ в течение 20 суток. При этом температура бетонных стен и пола котлована не будет превышать 520 К. В дальнейшем (если не допускать перегрева бетона) можно осуществлять активное охлаждение основания теплоаккумуляционной плиты водой через систему трубопроводов, расположенных внутри этой плиты (см. фиг. 1).

Использование: в способах и устройствах, обеспечивающих безопасность ядерной установки и предотвращающих попадание продуктов расплава активной зоны при аварии во внешнюю окружающую среду, для повышения надежности и безопасности. Сущность изобретения: при проплавлении активной зоны ядерного реактора улавливают и выдерживают расплав в резервуаре, расположенном под реактором, подают расплав сверху в приемную камеру и охлаждают путем теплосъема в атмосферу через защитный экран и при контакте со стенками камеры, к которым подводят охлаждающую среду. Под реактором установлен улавливающий резервуар, покрытый слоем материала, плавящегося при контакте с расплавом. Приемная камера расположена вне шахты реактора и соединена с резервуаром наклонным трубопроводом. Приемная камера выполнена многослойной, система охлаждения размещена в стенках камеры для подвода к ним охлаждающей среды. Приемная камера накрыта сверху герметичным защитным экраном. 2 с. и 10 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ локализации расплава активной зоны ядерного реактора, заключающийся в улавливании и выдерживании расплава в резервуаре, расположенном под реактором, отводе расплава в приемную камеру и охлаждении, отличающийся тем, что расплав в приемную камеру подают сверху, а процесс охлаждения расплава осуществляется путем теплосъема в атмосферу через защитный герметичный экран и при контакте расплава со стенками приемной камеры, охлаждение которых производят путем подачи к ним охлаждающей среды. 2. Устройство локализации расплава активной зоны ядерного реактора, включающее резервуар для улавливания и выдерживания расплава, расположенный под реактором и покрытый слоем материала, плавящегося при контакте с расплавом, приемную камеру, расположенную вне шахты реактора и соединенную с резервуаром для улавливания и выдерживания расплава наклонным трубопроводом, систему охлаждения, отличающееся тем, что приемная камера выполнена многослойной и по крайней мере один из слоев выполнен из теплоаккумулирующего материала, а система охлаждения размещена в стенках приемной камеры для подвода к ним охлаждающей среды, при этом приемная камера сверху накрыта защитным герметичным экраном. 3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что система охлаждения выполнена в виде каналов, размещенных в теплоаккумулирующем слое. 4. Устройство по п.2 или 3, отличающееся тем, что теплоаккумулирующий слой покрыт тугоплавким материалом. 5. Устройство по любому из пп.2 - 4, отличающееся тем, что слой из тугоплавкого материала выполнен армированным. 6. Устройство по любому из пп.2 - 5, отличающееся тем, что по крайней мере один из слоев приемной камеры выполнен из теплоизолирующего материала. 7. Устройство по любому из пп.2 - 6, отличающееся тем, что защитный герметичный экран выполнен полусферическим. 8. Устройство по любому из пп.2 - 7, отличающееся тем, что слой, которым покрыт резервуар для улавливания и выдерживания расплава, выполнен из отходов металлообрабатывающих производств. 9. Устройство по любому из пп.2 - 8, отличающееся тем, что слой, выполненный из отходов металлообрабатывающих производств, представляет собой брикеты из легкоплавкой металлической стружки пористостью 10-90%. 10. Устройство по любому из пп.2 - 9, отличающееся тем, что трубопровод, соединяющий резервуар для улавливания и выдерживания расплава и приемную камеру, выполнен многослойным. 11. Устройство по любому из пп.2 - 10, отличающееся тем, что один из слоев трубопровода выполнен из стеклоткани. 12. Устройство по любому из пп.2 - 11, отличающееся тем, что один из слоев трубопровода выполнен из тугоплавкого материала.