ЛОВУШКА РАСПЛАВА АКТИВНОЙ ЗОНЫ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА Российский патент 2002 года по МПК G21C9/16 

Изобретение относится к системам локализации расплава активной зоны ядерного реактора (в дальнейшем называемыми "ловушками расплава"), предназначенным для снижения радиоэкологических последствий тяжелой аварии. Расплав образуется при тяжелой аварии с расплавлением активной зоны, сопровождаемой разрушением корпуса реактора.

Одной из важнейших задач снижения тяжести последствий тяжелой аварии на ядерном реакторе является сохранение герметичности контайнмента, являющегося последним барьером на пути распространения продуктов деления (ПД) в окружающую среду.

Для решения этой задачи предлагаются различные варианты ловушки расплава [1, 2]. Независимо от ее конструктивного оформления основное назначение ловушки состоит в том, чтобы:
- вместить и удержать от распространения всю массу расплава;
- обеспечить снижение температуры и эффективный отвод остаточного энерговыделения ПД;
- предотвратить проплавление основания шахты реактора (как правило, бетонное) и разрушение основных конструкций контейнмента внутри герметичной оболочки.

При этом конструкция ловушки расплава должна:
- сохранять работоспособность в пассивном режиме в течение всего периода эксплуатации реакторной установки;
- использовать имеющуюся в реакторной установке воду для охлаждения расплава;
- исключать неблагоприятные воздействия на контайнмент как при нормальной эксплуатации реакторной установки, так и в ходе аварии;
- иметь легкий доступ для выполнения профилактического осмотра и обслуживания;
- иметь умеренные капитальные затраты на сооружение.

Очевидно, что одна из основных функций ловушки - обеспечение эффективного отвода тепла от расплава наиболее легко реализуема при условии его распределения на большой поверхности. Такой вариант ловушки рассматривается в проекте разрабатываемого Европейского водяного реактора (EPR) [3], в котором предлагается распределять расплав на площади около 180 м² вне шахты реактора с последующим заливом плоского слоя расплава водой, находящейся в баке-приямке [4].

Несмотря на целый ряд преимуществ, этот вариант имеет и ряд недостатков, которые ограничивают возможность его широкого использования, в частности:
- до конца не изучены процессы растекания расплава и последствия, связанные с взаимодействием расплава с водой и др.;
- его практически нельзя использовать для модернизации уже действующих реакторов, герметичные помещения которых, как правило, не способны вместить ловушки подобных размеров.

Предложены варианты ловушек в виде больших емкостей из нержавеющей стали, которые расположены внутри шахты реактора непосредственно под корпусом высокого давления [5]. Чтобы избежать структурных изменений стали и снижения ее прочностных характеристик в процессе эксплуатации ловушки, ее температура не должна превышать 700^oС [6]. Для выполнения этого условия в различных вариантах ловушек используются защитные теплоизоляционные покрытия из графита [5] , композиционных материалов на основе графита с добавлением карбидов, силикатов или боридов [7], а также из высокотемпературной керамики [8]; предусматривается создание специальных теплообменных устройств.

В качестве наиболее перспективного теплоизолирующего защитного материала для использования в ловушке расплава, с помощью которого перечисленные выше условия могут реализовываться оптимальным образом, рассматривается диоксид циркония [9], т.к. химически он относительно инертен, имеет достаточно высокую температуру плавления (~3000 К), термостоек, устойчив к механическим нагрузкам, обладает низкой теплопроводностью и т.д. Недостатком этого материала является возможность его разрушения в результате взаимодействия с оксидами железа, которые будут присутствовать в расплаве.

Наиболее близким к изобретению является ловушка расплава ядерного реактора, установленная на специальных опорах под корпусом реактора и частично вмещающая его, выполненная в виде емкости со сферическим днищем [10].

Сферическое днище емкости для приема расплава выполнено многослойным: внутренний и внешний (опорный) - из нержавеющей стали, а между ними расположен теплоизолирующий защитный слой в виде плотно уложенных блоков особой формы, изготовленных из ZrO₂ керамики. Герметизация стыков между блоками выполняется циркониевым бетоном.

Отвод остаточного энерговыделения в расплаве осуществляется за счет излучения и путем охлаждения внешней поверхности ловушки либо воздухом, либо водой, которая за счет сил гравитации поступает в шахту реактора из специального бака. Этот бак расположен внутри герметичной оболочки вне шахты и служит для сбора воды, которая накапливается в контайнменте в ходе аварии.

К недостаткам этой конструкции ловушки следует отнести возможность разрушения керамического теплоизолирующего защитного слоя при взаимодействии с оксидами железа, входящими в состав расплава, а также оксидами, образующимися за счет взаимодействия нагретого слоя стали с воздухом контейнмента или при разложении пара. Исследования показали, что присутствие оксида железа в расплаве существенно повышает его коррозионную активность по отношению к ZrO₂, в то время как железо практически с ним не взаимодействует. Как отмечалось ранее, при развитии аварии содержание оксидов железа в расплаве может быть неопределенным и весьма существенным.

Разрушение огнеупорного слоя может привести, в свою очередь, к проплавлению стальной опорной стенки и попаданию расплава на бетонное основание шахты реактора, а при наличии в ней воды - и к паровому взрыву.

Техническим результатом, на которое направлено изобретение, является снижение агрессивного воздействия оксидов железа на теплоизолирующий защитный слой из ZrО₂ керамики и тем самым повышение надежности конструкции ловушки в целом.

Результат достигается тем, что в ловушке расплава активной зоны ядерного реактора, установленной на опорах под корпусом реактора и выполненной в виде емкости со сферическим днищем, включающей теплоизолирующий защитный слой из диоксида циркония и внешний слой из нержавеющей стали, на теплоизолирующем слое расположен дополнительный слой из материала, химически связывающего оксиды железа в расплаве. В частности, дополнительный слой выполнен из оксида неодима (Nd₂О₃).

Назначение этого дополнительного жертвенного слоя состоит в обеспечении связывания оксидов железа оксидом неодима и тем самым снижении их содержания в расплаве до уровня, не представляющего опасность разрушения слоя ZrO₂, покрывающего днище ловушки.

Результаты выполненных экспериментов и анализ химических процессов в расплаве, который представляет собой смесь, в основном, UO₂, ZrO₂ и Fе₂О₃ показал, что в нем будут протекать следующие химические и физико-химические процессы:
1. При Т=2300^oС
2ZrO₂+Nd₂O₃-->Nd₂Zr₂O₇,
для образования 1 моля Nd₂Zr₂O₇ необходимо 2 моля ZrO₂ и 1 моль Nd₂O₃.

2. При Т=2200^oС образуется эвтектика
UO₂+Nd₂O₃(66% Nd₂O₃),
при этом, для образования эвтектики на 1 моль UO₂ необходимо 2 моля Nd₂O₃.

3. При Т=1795^oС
Fе₂O₃+Nd₂O₃-->2NdFeO₃,
при этом для связывания 1моля Fе₂O₃ необходим 1 моль Nd₂O₃.

Таким образом, по мере остывания расплава в нем будет происходить связывание агрессивного по отношению к диоксидциркониевой керамике компонента - Fе₂O₃ с образованием феррита неодима.

Суммарное количество Nd₂O₃, которое следует поместить в ловушке, рассчитывается с учетом стехиометрических соотношений представленных выше реакций для каждого конкретного типа ядерного реактора по известному количеству материалов, находящихся в его активной зоне.

На чертеже показана принципиальная схема ловушки расплава, где
1. Контайнмент;
2. Корпус реактора;
3. Активная зона;
4. Бак-приямок;
5. Теплоизолирующий слой (кирпичи из ZrO₂);
6. Направляющий экран (сталь);
7. Плавкие пробки (или управляемые);
8. Дополнительный слой из оксида неодима;
9. Теплоизолирующий слой корпуса ловушки (плотные кирпичи или насыпной слой из ZrO₂);
10. Корпус ловушки (сталь);
11. Опоры ловушки;
12. Основание шахты реактора (бетон).

Ловушка расплава активной зоны расположена в шахте реактора внутри контейнмента 1. Между корпусом реактора 2 и ловушкой установлен направляющий стальной экран 6, предназначенный демпфировать механическое воздействие струи расплавленных материалов активной зоны реактора 3 и фрагментов корпуса 2 и внутрикорпусных конструкций на элементы ловушки. Дополнительный 8 и теплоизолирующий 9 слои ловушки размещены внутри ее стального корпуса 10, установленного на опорах 11 на бетонном основании 12 шахты реактора. Для обеспечения более эффективного отвода тепла от расплава внутрь шахты реактора подается вода из бака-приямка 4 по трубопроводам, которые в условиях нормальной эксплуатации реактора изолированы от шахты с помощью плавких пробок 7, которые в аварийных условиях будут разрушаться при достижении заранее заданных температур. Внутренняя поверхность шахты реактора и внешняя поверхность направляющего экрана имеют теплоизолирующий слой 5, выполненный из ZrO₂ кирпичей.

Предлагаемая конструкция ловушки является по существу ловушкой "сухого" типа, т.к. в момент первоначального контакта расплава с дополнительным слоем ловушки 8 в верхней его части вода будет отсутствовать и тем самым условия для возникновения парового взрыва исключаются.

На начальном этапе удержания расплава в ловушке его охлаждение осуществляется главным образом за счет нагрева материала ловушки, фазовых переходов и химических реакций, излучения с внешней поверхности. По мере повышения температуры в шахте реактора для интенсификации теплоотвода от ловушки можно использовать воду, находящуюся в баке-приямке 4 контейнмента 1 и в других емкостях, расположенных внутри герметичной оболочки.

Пар, образующийся при контакте воды с внешней поверхностью ловушки, будет выходить из шахты в вышерасположенные помещения контейнмента 1, где на более холодных поверхностях будет происходить его конденсация. Конденсат, в свою очередь, будет стекать вниз и накапливаться в баке-приямке 4. Таким образом установится режим естественной циркуляции теплоносителя в контейнменте 1.

Для защиты металлических конструкций и бетонных стен в верхней части шахты реактора возможно потребуется использовать дополнительный теплоизолирующий слой 5, выполненный, например, с использованием кирпичей из плотного диоксида циркония или другого высокотемпературного материала.

Таким образом, предлагаемую конструкцию ловушки отличает простота, отсутствие активных элементов управления, требующих постоянного контроля и обслуживания в процессе эксплуатации, а также более высокая надежность защитного теплоизолирующего слоя из диоксида циркония за счет снижения содержания окислов железа в расплаве.

Литература.

1. Kuczera В. at al. Two core catcher concepts for innovative future PWR containments. Transactions of the American Nuclear Society, vol.66, p.307-308, 1992.

2. Fieg G. , Moschke M., Werle H. Studies for the staggered pans core catcher. Nuclear Tecnology, vol. 111, р.331-340, sept. 1995.

3. Leny, J. C. The European Pressurized Water Reactor. Kerntechnik 58, 1993, p.353.

4. Weisshaup H. , Bittermann D. Large spreading of core melt for melt retention/stabilization. Proc. 5th Int. Seminar on Containments of Nuclear Reactors, Karlsruhe, Aug. 1993, p.347.

5. Patent 2653258/C, Germany, 1985.

6. Parozzi F. , Magallon D., Wider H.U. at al. Feasebility of experimental programme on the corium retention issue for ALWR plants. Proc. OECD/CSNI/NEA Workshop on large molten pool heat transfer, NRC, Grenoble, France, 9-11 March, 1994, p.479-502.

7. Patent 2363845/C/Germany, 1982.

8. Patent 9-211166/A/ Japan, 1997.

9. Акопов Ф. А., Акопян А.А., Барыкин Б.М. и др. Взаимодействие компонентов расплава с диоксидциркониевой керамикой. - Атомная энергия, 1996, т. 81, вып,5, с. 468-471.

10. Patent GB 2236210 A,1991.

Изобретение относится к системам локализации расплава активной зоны ядерного реактора, предназначенным для снижения радиоэкологических последствий тяжелой аварии. Результатом, на которое направлено изобретение, является снижение агрессивного воздействия оксидов железа на теплоизолирующий защитный слой ловушки, что повышает надежность конструкции. Для этого предложена ловушка расплава, установленная на опорах под корпусом реактора, выполненная в виде емкости со сферическим днищем, включающим теплоизолирующий защитный слой из диоксида циркония и внешний слой из нержавеющей стали, на теплоизолирующем слое расположен дополнительный слой из материала, химически связывающего оксиды железа в расплаве. В частности, дополнительный слой выполнен из оксида неодима. 1 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Ловушка расплава активной зоны ядерного реактора, установленная на опорах под корпусом ядерного реактора, выполненная в виде емкости со сферическим днищем, включающей теплоизолирующий защитный слой из диоксида циркония и внешний слой из нержавеющей стали, отличающаяся тем, что на теплоизолирующем защитном слое расположен дополнительный слой из материала, химически связывающего оксиды железа в расплаве. 2. Ловушка по п.1, отличающаяся тем, что дополнительный слой выполнен из оксида неодима (Nd₂O₃).