МАТЕРИАЛ ЖЕРТВЕННОГО СЛОЯ ЛОВУШКИ РАСПЛАВА АКТИВНОЙ ЗОНЫ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА Российский патент 2003 года по МПК G21C9/16 

Изобретение относится к материалам конструкций АЭС, а именно к материалам, используемым в ловушках расплава активной зоны ядерного реактора, предназначенным для снижения радиоэкологических последствий тяжелой аварии, и материалам, предназначенным для иммобилизации радионуклидов.

Основное назначение ловушек расплава состоит в том, чтобы
- вместить и удержать от распространения всю массу расплава;
- обеспечить снижение температуры и эффективный отвод остаточного энерговыделения продуктов деления ПД;
- предотвратить проплавление основания шахты реактора (как правило, бетонное) и разрушение основных конструкций внутри контейнмента.

При этом конструкция ловушек расплава должна
- сохранять работоспособность в течение всего периода эксплуатации реакторной установки;
- исключать неблагоприятные воздействия на контейнмент как при нормальной эксплуатации реакторной установки, так и в ходе аварии;
- иметь умеренные капитальные затраты на сооружение.

Для управления процессом развития тяжелых аварий на действующих и проектируемых АЭС и ослабления их последствий предлагаются различные варианты устройств удержания расплава активной зоны - ловушки расплава [1-3]. Для сохранения их конструктивной целостности при экстремальных механических, термических и химических нагрузках со стороны расплава внутренние поверхности ловушек защищаются покрытиями из огнеупорных и жертвенных материалов.

При выборе жертвенных материалов необходимо отдавать предпочтение тем из них, которые, во-первых, не представляют опасности для остальных конструкционных материалов ловушки в ходе продолжительной эксплуатации ее в экстремальных условиях и, во-вторых, уже имеются в активной зоне ядерного реактора.

Известно, что оксиды металлов активной зоны при температурах выше 2000 К чрезвычайно активно взаимодействуют с огнеупорами на основе диоксида циркония, который рассматривается как наиболее предпочтительный огнеупор для ловушек расплава активной зоны реактора.

Жертвенные слои предлагается выполнять из оксидных эвтектик с низкой температурой плавления [4, 5] или из смеси фрагментов высокоогнеупорной керамики и поглощающего нейтроны материала [6].

Наиболее близким к изобретению является материал жертвенного слоя ловушки расплава активной зоны ядерного реактора Европейского проекта ядерного реактора EPR [7]. Материал жертвенного слоя в этой ловушке представляет собой смесь оксида железа (70,8 мас.%), оксида кремния (10,4 мас.%), оксида кальция (0,7 мас.%), оксида магния (0,7 мас.%) и оксида алюминия (17,4 мас. %). Он является основным участником процесса кондиционирования расплава, в ходе которого предполагается достичь полного окисления циркония, находящегося в расплаве, а также существенного снижения температуры плавления и плотности расплава.

Основным недостатком жертвенного материала на основе оксидов железа является значительное энерговыделение при окислении циркония. В результате в слое керамического огнеупора могут возникнуть температурные градиенты, превышающие допустимый для нее уровень, равный 300 град/мм. Кроме того, входящий в состав жертвенного материала оксид железа является чрезвычайно агрессивным компонентом по отношению к диоксидциркониевой керамике.

Техническим результатом, на которое направлено изобретение, является снижение воздействия расплава материалов активной зоны на огнеупорные слои ловушки, а также снижения температуры в расплаве при одновременном связывании продуктов деления в стабильные во времени вещества.

Для достижения этого результата предложен материал жертвенного слоя ловушки расплава активной зоны ядерного реактора, состоящий из смеси оксидов кальция и алюминия, а также титана, циркония, и бария при следующих соотношениях компонентов, мас.%: 22,53÷24,70 - Тi₂, 52,7÷56,80 - ZrO₂, 11,04÷12,1 - Аl₂О₃, 3,68÷4,00 - CaO, 5,93÷6,50 - BaO.

Для снижения температуры расплава при окислении циркония в состав материала жертвенного слоя вводится диоксид титана, который активно окисляет цирконий кориума, однако при этом экзотермический эффект такой реакции на 76% меньше по сравнению с реакцией с участием оксида железа. Использование диоксида титана повышает стойкость огнеупорного слоя и надежности внешней ловушки в целом.

Оксид титана жертвенного слоя будет образовывать с оксидом циркония, находящимся в расплаве, а также с рядом других специально подобранных оксидов следующие минералы: цирконолит, перовскит, голландит и другие. При охлаждении расплава с растворенными в нем материалами жертвенного слоя будет происходить образование минералов, способных кристаллохимически связывать уран, плутоний и продукты деления. Это обеспечивает кристаллохимичнеское связывание радионуклидов и топлива.

Выполненные оценки показали, что наиболее эффективно этот процесс будет протекать при следующем составе жертвенного материала: диоксид титана - 22,53÷24,7 мас. %, диоксид циркония - 52,7÷56,80 маc.%, оксид алюминия - 11,04÷12,10 мас.%, оксид кальция - 3,68÷4,00 мас.%, оксид бария - 5,93÷6,50 мас.%.

Результаты экспериментов показали, что при охлаждении предлагаемого жертвенного материала, нагретого до температуры 2300 К, образуются основные фазы цирконолита, перовскита, голландита, а также фазы титанатов бария и алюминия.

Результаты рентгенофазового анализа экспериментальных образцов синрока после плавки с выдержкой 20 минут представлены в таблице. Из представленных данных следует, что основными являются фазы типа голландита, цирконолита и перовскита. Если в образцах в исходном составе присутствовали оксиды железа, то они связываются в титанаты и алюминаты. В оксидной форме железо не наблюдается. В образцах, полученных после плавки без выдержки, были обнаружены две фазы типа голландита, причем исходный компонент ВаТiO₃ не вступал полностью в реакцию, а присутствовал в материале после охлаждения расплава. В образцах, полученных после плавки с выдержкой, присутствует одна фаза типа голландита состава BaTi₄Al₂O₁₂.

Таким образом, использование материала жертвенного слоя ловушки расплава ядерного реактора указанного выше состава позволит повысить ее надежность за счет снижения теплового воздействия расплава активной зоны на огнеупорное покрытие ловушки и, кроме того, создать благоприятные условия для длительного захоронения образующихся в ходе аварии радиоактивных материалов, за счет кристаллохимического связывания продуктов деления и топлива в геологически-подобные матрицы, устойчивые к воздействию внешней среды.

Литература
1. Kuczera В. аnd all. 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, p.331-340, sept. 1995.

3. Патент 2653258/С, Германия, 1985.

4. Патент 2236210 А, Великобритании.

5. Патент 3702802, США.

6. Патент 2169953, Россия.

7. M. Nie. Application of Sacrifitial Concrete for Retention and Conditioning of Molten Corium in EPR Melt Retention Concept. Proceeding of OECD Workshop on Ex-vessel, Debris Coolability, Karlsruhe, 15-18 November 1999. May 2000. P. 527-536.

Изобретение относится к материалам, предназначенным для снижения радиоэкологических последствий тяжелой аварии и для иммобилизации радионуклидов. Сущность изобретения: материал жертвенного слоя ловушки расплава активной зоны ядерного реактора состоит из смеси оксидов кальция, алюминия, титана, циркония и бария. Материал имеет следующее соотношение компонентов, мас.%: TiO₂ - 22,53÷24,70; ZrO₂ - 52,7÷56,80; Al₂O₃ - 11,04÷12,1; СаО - 3,68÷4,00; ВаО - 5,93÷6,50. Преимущества изобретения заключаются в снижении воздействия расплава материалов активной зоны на огнеупорные слои ловушки, а также снижении температуры в расплаве при одновременном связывании продуктов деления в стабильные во времени вещества. 1 табл.

Материал жертвенного слоя ловушки расплава активной зоны ядерного реактора, состоящий из смеси оксидов, включая оксид кальция и оксид алюминия, отличающийся тем, что он дополнительно содержит оксид титана, диоксид циркония и оксид бария при следующих соотношениях компонентов, мас. %:
TiO₂ - 22,53÷24,70
ZrO₂ - 52,70÷56,80
Al₂O₃ - 11,04÷12,10
CaO - 3,68÷4,00
BaO - 5,93÷6,50