СИСТЕМА ЛОКАЛИЗАЦИИ И ОХЛАЖДЕНИЯ КОРИУМА АВАРИЙНОГО ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА ВОДО-ВОДЯНОГО ТИПА Российский патент 2005 года по МПК G21C9/16 

Область техники

Изобретение относится к ядерной энергетике, конкретно к системам безопасности атомных электростанций (АЭС), а именно - к устройствам для локализации и охлаждения расплавленного кориума при аварийном выходе его за пределы корпуса реактора.

Уровень техники

Развитие ядерной энергетики требует комплексного обеспечения безопасности АЭС. Для обеспечения безопасности АЭС предусматривают многоуровневые системы защиты с многократным дублированием защитных функций. Наибольшую радиационную опасность представляют аварии с расплавлением активной зоны, которые могут происходить при множественном отказе систем охлаждения активной зоны. При таких авариях расплав активной зоны - кориум, расплавляя внутриреакторные конструкции и корпус реактора, вытекает за его пределы и вследствие сохраняющегося в нем остаточного тепловыделения может нарушить целостность герметичной оболочки контейнмента АЭС - последнего барьера на пути выхода радиоактивных продуктов в окружающую среду. Для исключения этого необходимо локализовать вытекший кориум и обеспечить его непрерывное охлаждение вплоть до полной кристаллизации. Эту функцию выполняют системы локализации и охлаждения расплава активной зоны реактора (кориума), которые предотвращают повреждение герметичной оболочки контейнмента АЭС и тем самым защищают население и окружающую среду от радиационного воздействия при тяжелых авариях ядерных реакторов.

Известны несколько путей защиты от выхода кориума из контайнмента. Так, в Швеции (Safety against Releases in Severe Accidents. Final Report of the Nordic Nuclear Safety Research Project RAK-2. NKS(97)FR2. ISBN 87-7893-022-7. Edited by I. Lindholm, О. Berg, E. Nonbol. December 1997) для реакторов с кипящим теплоносителем предложено размещать под реактором в шахте бассейн, заполненный водой. Однако при этом возникает опасность парового взрыва при падении расплава в воду и разрушения в результате этого защитной оболочки контейнмента.

В патенте США №3702802 предложено поместить под реактором барьер из материала на основе базальта, который разбавляет расплав активной зоны (кориум). По мнению авторов патента это понижает температуру расплава и предотвращает выход расплава из подреакторного пространства бетонной шахты реактора. Однако по нашему мнению это может только замедлить процесс распространения кориума, поскольку максимальная кратность разбавления кориума принципиально ограничена располагаемым для загрузки базальта объемом бетонной шахты. Кроме того, исследования системы “компоненты расплава активной зоны ядерного peaктоpa-SiO₂” (SiО₂ - основной компонент базальта) показали наличие в ней ликвации - расслаивание двух жидкостей с разным химическим составом, что также ограничивает возможность разбавления кориума.

В патенте фирмы Siemens (WO 96/31884) описана схема удержания расплава в ловушке при охлаждении путем его растекания по большой площади (покрытой водоохлаждаемым огнеупором) в помещении, примыкающем к бетонной шахте, с последующей подачей воды на поверхность расплава. Для облегчения растекания устройство оснащено расположенной под реактором предловушкой - накопителем/сборником расплава, выпуск которого в помещение растекания происходит при проплавлении плавкого затвора (пассивным образом). Однако известно, что последовательность поступления расплава в предловушку, масса, температура и свойства поступающего расплава сильно различаются при реализации различных аварийных сценариев. Поэтому при определенных сценариях и сочетании неблагоприятных условий выпуск расплава в помещение растекания может произойти до окончания накопления расплава. Поскольку сразу после растекания расплава на его поверхность пассивным способом подается вода, препятствующая растеканию последующих порций расплава, они могут накапливаться в предловушке, где не обеспечиваются условия захолаживания и локализации расплава.

В 1999 году Санкт-Петербургский научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт “Атомэнергопроект” предложил новую систему защиты защитной оболочки реакторной установки водо-водяного типа (патенты РФ №№2165106, 2165107, 2165108 и 2165652, МПК 6 G 21 С 9/016, 13/10, опубл. 20.04.2001). Она предусматривает установку в подреакторной шахте ловушки, стенки которой выполнены в виде водоохлаждаемого кольцевого теплообменника. Расплав вытекает в ловушку с водоохлаждаемыми стенками. Ловушка заполнена крупноячеистыми жертвенными материалами. Назначение последних:

а) защитить стенки ловушки от механических и/или тепловых ударов в момент поступления расплава активной зоны (кориума) в ловушку,

б) разбавить кориум более легкими примесями для уменьшения плотности оксидного расплава, что приведет к всплытию оксидного материала над металлическим (так называемую инверсию, обмен положением оксидного и металлического слоев расплава) и этим предотвратит генерацию водорода, который образовывался бы в результате химического взаимодействия металла с водяным паром при последующей подаче воды на поверхность ванны,

в) уменьшить высокую температуру поступающего расплава кориума путем разбавления его жертвенными материалами.

г) обеспечить более эффективное охлаждение разбавленного расплава за счет увеличения объема поступающего расплава кориума при его разбавлении жертвенными материалами и соответствующего увеличения охлаждаемой поверхности.

Наша заявка относится именно к таким устройствам защиты. Далее описываются аналоги предложенного решения.

Патент РФ №2165106 защищает систему локализации и охлаждения кориума, включающую ловушку с жертвенными материалами и охлаждаемую ее оболочку, выполненные в виде секций. При этом вверху бетонной шахты введена бетонная консоль для защиты ловушки от ударных воздействий днища, конструкций реактора и кориума. Между секциями ловушки и ее оболочки вставлена теплоизоляция, введен переливной канал для защиты от переполнения водой ловушки при наружном поливе, жертвенный материал перфорирован (для ускорения процесса расплавления в кориуме) и состоит из двух слоев - слоя материалов, понижающих плотность диоксида урана, и слоя металлического шлама, разбавляющего расплав стали. Патент РФ №2165107 дополняет вышеописанную систему тем, что охлаждаемая оболочка ловушки и ее дно отделены от поверхности шахты ребрами жесткости, над которыми установлена теплоизоляция.

Патент РФ №2165108 развивает предыдущие изобретения тем, что слой жертвенных материалов выполнен с пустотами в виде сквозных вертикальных отверстий и горизонтальных канавок, причем элементы слоя имеют вид Т-образных, П-образных или фасонных кирпичей, установленных слоями с образованием в совокупности каналов для быстрого распространения кориума.

Патент РФ №2165652 предлагает вариант вышеописанных систем. Оболочка ловушки выполнена в виде кольцевого теплообменника, который установлен на полу шахты. Жертвенный материал - в виде крупноячеистых перфорированных элементов. Как и в предыдущих патентах, предусмотрено устройство поливного орошения кориума сверху и устройство защиты от переполнения теплоносителем внутреннего пространства шахты. Защитная ферма под реактором имеет в центре тепловую и радиационную защиту, при этом ферма повторяет профиль днища корпуса и выполнена из связанных между собой радиальных ребер, балок, составных профилей.

Это последнее изобретение (патент РФ №2165652, МПК G 21 C 9/16, G 21 C 13/10, опубл. 10.04.2001 г, БИ №10, 2001) наиболее близко к заявляемому по большинству существенных признаков и основному изобретательскому замыслу. Оно выбрано нами в качестве прототипа и ниже описано более подробно.

Система локализации и охлаждения кориума аварийного ядерного реактора водо-водяного типа содержит ловушку, установленную в шахту под реактором, ловушка наполнена жертвенными материалами, оболочка ловушки имеет наружное водяное охлаждение, над шахтой под днищем реактора установлена защитная ферма, между защитной фермой и ловушкой выполнена бетонная консоль, а подреакторное помещение герметически закрыто тонким материалом, легко разрушаемым кориумом.

Устройство работает следующим образом. При тяжелой аварии ядерного реактора происходит расплавление активной зоны и внутриреакторных стальных конструкций, перемещение расплава на днище корпуса и выход расплава за его пределы. Поступление кориума в шахту начинается либо с разрушения днища или боковой поверхности корпуса реактора и вытекания кориума в подреакторную шахту, либо с обрыва днища реактора, которое оседает на бетонную консоль с последующим проплавлением днища реактора и вытеканием кориума.

Защитная ферма удерживает днище корпуса вместе с кориумом над бетонной консолью при пластическом деформировании днища или при его отрыве в процессе разогрева. Консоль защищает ловушку. Ферма должна удерживать днище корпуса с кориумом на время проплавления днища реактора и вытекания кориума. После вытекания кориума ферма может разрушиться или сохраниться. Если она разрушится, то функцию удержания днища начинает выполнять консоль, внутренний диаметр которой меньше наружного диаметра корпуса реактора, что предотвращает падение в ловушку крупных предметов, от чего она может разрушиться.

Расплав попадает в ловушку, наполненную жертвенным материалом, выполненным из элементов, образующих ячеистую структуру. Примененный жертвенный материал - из двух составляющих: оксидной и металлической.

Первая - понижает плотность расплава оксидов, содержащих диоксид урана (например, Аl₂О₃), вторая - уменьшает температуру расплава стали.

Первый материал, расплавляясь в расплаве оксидов, существенно снижает его плотность (удельный вес), в результате оксидная часть расплава становится легче и всплывает над металлической составляющей расплава. Такое расположение предотвращает паро-металлические реакции с образованием взрывоопасного водорода. Металлическая составляющая жертвенного материала (сталь), плавясь в поступающем из реактора расплаве стали, увеличивает общую массу стали и, соответственно, уменьшает его температуру, улучшая условия его последующего охлаждения.

Охлаждение образующейся в ловушке ванны расплава происходит отводом тепла к охлаждающей воде через оболочку, а также водой, подаваемой непосредственно на поверхность расплава.

Система работоспособна, но практика выявила ряд существенных проблем, связанных с эффективностью и надежностью работы устройства, а именно:

- система недостаточно эффективна, т.к. форма днища охлаждаемой оболочки выбрана произвольной, в то время как плоская форма обеспечивает максимальный объем для размещения расплава, но не обеспечивает эффективный теплоотвод от расплава, а наклонная форма обеспечивает более эффективный теплоотвод от расплава, но уменьшает располагаемый объем для размещения расплава;

- система недостаточно надежна, т.к. эффективность теплоотвода от днища меньше, чем от боковой стенки, а при одинаковой толщине охлаждаемой оболочки тепловые нагрузки на оболочку в период выхода расплава на ее внутреннюю поверхность одинаковы;

- система недостаточно надежна - возможно переполнение ловушки из-за застывания расплава кориума в ячейках жертвенного материала при его поступлении в ловушку. Увеличить размер ячеек жертвенного материала-разбавителя урансодержащих оксидов кориума невозможно, т.к. для обеспечения необходимой совокупности свойств (плотность, прочность, обеспечение заданной формы) элементы жертвенного материала-разбавителя урансодержащих оксидов кориума изготавливаются в виде керамики и их размеры ограничены технологией производства. Так, для габаритов элемента 200×200 мм максимальная толщина составляет 50 мм. Соответственно ограничены размеры ячеек структуры, которую они образуют в ловушке;

- система недостаточно эффективно охлаждает расплав, поскольку использованы интуитивно выбранные соотношения составляющих кориума и разбавляющих их жертвенных материалов. Большие количества жертвенных материалов хорошо охлаждают кориум, но требуют недопустимо большого объема подреакторной шахты и ловушки, малые количества жертвенных материалов могут быть недостаточны для надежного охлаждения расплава;

- система недостаточно эффективно обеспечивает затекание расплава в ловушку, т.к. не содержит направляющего устройства для расплава кориума, которое не разрушается под воздействием высокотемпературного расплава кориума и на котором не происходит намерзания расплава.

Задача изобретения

Задача изобретения - уменьшение указанных недостатков, а именно - повышение эффективности и надежности устройства, конкретно - улучшение условий поступления и охлаждения расплава кориума в ловушке.

Решение задачи.

Поставленная задача решена тем, что в известную систему локализации и охлаждения кориума аварийного ядерного реактора, содержащего ловушку в форме сосуда, расположенную в подреакторном пространстве бетонной шахты, причем в ловушке установлена стальная корзина с образующими ячеистую структуру жертвенными материалами-разбавителями урансодержащей и стальной составляющих кориума, введены существенные изменения и дополнения, а именно:

- толщина днища охлаждаемой оболочки не менее чем на 30% больше толщины боковой стенки;

- днище оболочки выполнено с углублением к центру с уклоном 10-20 градусов;

- жертвенные материалы-разбавители сформированы в виде брикетов, заключенных в стальные обечайки.

Перечисленная совокупность существенных признаков не известна заявителю из доступных источников информации, что подтверждает новизну устройства. Она не вытекает также явным образом из современного уровня техники и неочевидна для специалиста.

Масса материала-разбавителя оксидной урансодержащей составляющей кориума может быть определена из соотношений

(М_окс+М_МР,окc):(M_oкc/ρ_окc+М_МР,окc/ρ_МР,окc)<ρ_ст,

(q_крП/N_бoкS)×(М_окс/ρ_окc+МΣ_MP,окc/ρ_MP,окс)≥K_min,

где М_окс - масса урансодержащего оксидного кориума, поступающего из реактора, т;

М_мр,окс - масса материала-разбавителя урансодержащего оксидного кориума в объеме, заполняемом расплавом оксидного кориума, т;

МΣ_MP,окc - суммарная масса материала-разбавителя урансодержащего оксидного кориума, т;

ρ_окc - плотность расплава урансодержащего оксидного кориума, т/м³;

ρ_мр,окс - плотность расплава материала-разбавителя урансодержащего оксидного кориума, т/м³;

ρ_ст - плотность расплава стали, т/м³;

q_кp - плотность критического теплового потока, МВт/м²;

П - периметр боковой стенки охлаждаемой оболочки, м;

N_бок - тепловая мощность, отводимая от расплава оксидов к охлаждающей воде через оболочку, МВт;

S - площадь поперечного сечения ловушки, м²;

K_min - минимальная величина запаса до кризиса.

Масса материала-разбавителя стальной составляющей кориума может определяться из соотношений

M_стс[Т_ст-(Т_пл+100)]≤М_МР,ст[r+с(Т_пл+100-Т_о)],

M_стс(Т_ст-Т_пл)>М_мр,ст[r+c(Т_пл-Т_о)],

где М_cт - масса расплава стальной составляющей кориума, поступающего из реактора, т;

М_мр,ст - масса материала-разбавителя стальной составляющей кориума в объеме, заполняемом поступающим расплавом стали, т;

Т_ст - температура поступающего расплава стали, °С;

Т_пл - температура плавления стали, °С;

Т_о - температура стального материала-разбавителя, °С;

с - теплоемкость стали, Дж/(кг·К);

г - теплота плавления стали, Дж/кг.

Система локализации может содержать направляющее устройство для кориума, выполненное, например, в форме воронки, размещенной между днищем реактора и верхним краем ловушки, при этом стенки направляющего устройства покрыты термостойким бетоном, поверх которого нанесено покрытие из легкоплавкого бетона.

Раскрытие сущности изобретения

Сущность заявленного изобретения поясняется приведенным ниже чертежом - пример выполнения системы локализации и охлаждения кориума аварийного ядерного реактора водо-водяного типа.

На чертеже 1 приняты следующие обозначения: 1 - реактор, 2 - бетонная шахта, 3 - ловушка, 4 - охлаждаемая оболочка ловушки, 5 - стальная корзина, 6 - брикет жертвенного материала-разбавителя, 7 - обечайка брикета, 8 - боковая стенка охлаждаемой оболочки, 9 - днище охлаждаемой оболочки, 10 - направляющее устройство, 11 - термостойкий бетон, 12 - легкоплавкий бетон.

Система содержит ядерный реактор 1, размещенный в бетонной шахте 2. В подреакторном пространстве бетонной шахты расположена ловушка 3, внутри охлаждаемой оболочки 4 которой размещена стальная корзина 5 с брикетами жертвенного материала-разбавителя 6, заключенными в стальные обечайки 7. Охлаждаемая оболочка состоит из боковой стенки 8 и днища 9. Между реактором и ловушкой размещено направляющее устройство 10, стенки которого покрыты термостойким бетоном 11 с покрытием из легкоплавкого бетона 12.

Система работает следующим образом. Процесс начинается с проплавления корпуса реактора 1 и вытекания расплава кориума в подреакторное пространство бетонной шахты 2. Для организации направленного движения расплава под реактором установлено направляющее устройство 10, выполненное, например, в форме воронки. Для защиты силовой части направляющего устройства оно покрыто термостойким бетоном 11, а для предотвращения намерзания расплава кориума на стенки направляющего устройства, что может препятствовать его свободному вытеканию, на поверхность термостойкого бетона нанесен слой легкоплавкого бетона 12, который, плавясь в кориуме, играет роль смазки.

Вытекающий из реактора расплав кориума поступает в ловушку 3, которая представляет собой стальной сосуд, оболочка 4 которого охлаждается снаружи водой. Для того, чтобы образующаяся в ловушке ванна расплава кориума приобрела оптимальные для охлаждения структуру и температуру, поступающий расплав до того, как он достигнет оболочки 4, должен быть разбавлен жертвенными материалами, размещенными в стальной корзине 5. Для этого необходимо обеспечить большую поверхность взаимодействия расплава с жертвенными материалами-разбавителями, что достигается размещением жертвенных материалов таким образом, что они образуют ячеистую структуру с открытой пористостью. Характерный размер ячеек и элементов жертвенных материалов должен быть оптимальным, чтобы, с одной стороны, обеспечить большую поверхность взаимодействия, а с другой стороны, обеспечить беспрепятственное затекание расплава. Поскольку по технологическим требованиям размеры элементов оксидного жертвенного материала, являющегося разбавителем оксидной урансодержащей составляющей кориума, ограничены, они набираются в брикеты 6, заключенные в стальные обечайки 7. Брикеты соединены, например, сваркой между собой и со стальной корзиной 5, размещенной внутри ловушки, образуя единую ячеистую структуру. Характерный размер брикетов составляет 200-300 мм.

Затекающий в ловушку расплав кориума помимо оксидной урансодержащей составляющей содержит стальную составляющую, плотность которой меньше, чем плотность оксидной составляющей, поэтому изначально расплав стали располагается над расплавом оксидов. Такая структура взаимного расположения расплавов приводит к максимальной локальной тепловой нагрузке на оболочку ловушки в зоне расположения слоя расплавленной стали, увеличивая риск проплавления оболочки из-за концентрации в этой зоне теплового потока, не позволяет подавать воду на поверхность расплава из-за возможности возникновения паровых взрывов при контакте расплава с водой и генерации водорода при паро-металлических реакциях. Наличие в ловушке оксидного жертвенного материала-разбавителя уменьшает плотность расплава оксидов до такой степени, чтобы она стала меньше плотности расплава стали, после чего произойдет инверсия расплавов с перемещением расплава стали вниз, под уровень расплава оксидов. Для обеспечения этого процесса масса оксидного жертвенного материала-разбавителя, в качестве которого выбраны относительно легкие и легкоплавкие оксиды, например оксиды железа и алюминия, размещаемые в объеме, который занимает поступающий расплав оксидов в ячейках между брикетами жертвенного материала, определена из следующего соотношения:

(М_окс+М_МР,окc):(М_окс/ρ_окc+М_МР,окc/ρ_МР,окc)<ρ_ст, (1)

где М_окс - масса урансодержащего оксидного кориума, поступающего из реактора, т;

м_мр,окс - масса материала-разбавителя урансодержащего оксидного кориума в объеме, заполняемом расплавом оксидного кориума, т;

ρ_окс - плотность расплава урансодержащего оксидного кориума, т/м³;

ρ_мр,окс - плотность расплава материала-разбавителя урансодержащего оксидного кориума, т/м³;

ρ_ст - плотность расплава стали, т/м³.

Выражение в левой части неравенства (1) равно плотности расплава оксидов после разбавления поступающего из реактора расплава урансодержащих оксидов оксидным жертвенным материалом, и, таким образом, соотношение (1) выражает условие превышения плотности расплава стали плотности расплава оксидов, т.е. условие инверсии расплавов.

Суммарная масса материала-разбавителя оксидного кориума определяется из следующих соображений. Суммарный объем расплава оксидов равен объему расплава поступивших из реактора оксидов и суммарному объему расплава оксидного жертвенного материала. Указанный расплав оксидов образует поверхностный слой ванны расплава в ловушке. Мощность остаточного тепловыделения в этом расплаве частично отводится к охлаждающей воде через боковую стенку 8 оболочки 4, а частично непосредственно к охлаждающей воде, подаваемой на поверхность расплава оксидов. Часть указанной мощности, отводимой вниз, к расплаву стали незначительна по сравнению с указанными выше. Распределение мощности по поверхности ванны расплава оксидов рассчитывается по известным зависимостям для свободноконвективного теплообмена (Steinberner U. and Reineke H.H. Turbulent buoyancy convection heat transfer with internal heat sources // Proc. 6-th Int. Heat Transfer Conf., Toronto, Canada. Aug. 1978. NC-21. P.305-310), и, таким образом, мощность, отводимая через боковую стенку 8 к охлаждающей воде N_бок, известна.

Для обеспечения эффективного теплоотвода от расплава оксидов к воде через боковую стенку оболочки необходимо, чтобы режим кипения охлаждающей воды был пузырьковый. Для этого требуется обеспечить минимальный запас до кризиса, определяемый величиной K_min.

где q_кp - рассчитанное по известным зависимостям (Сулацкий А.А. Кризис пузырькового кипения на криволинейной поверхности применительно к задаче наружного охлаждения корпуса ВВЭР // Известия ВУЗов. Ядерная энергетика. 1997. №2. С.72-79. Sulatski A., Cherny О., Efimov V. Investigation of boiling crisis at a downward - facing inclined surface // Proceedings of the Twelfth International Heat Transfer Conference. Heat Transfer 2002, Grenoble, France, August 18-23, 2002) значение критического теплового потока для принятой конструкции ловушки и параметров охлаждающей воды, МВт/м²;

q_mах - максимальное значение теплового потока, МВт/м².

Величина q_max определяется выражением

где N_бок - мощность остаточного тепловыделения, передаваемая от расплава оксидов через боковую стенку 8, МВт;

F_бок - площадь поверхности контакта расплава оксидов с боковой стенкой 8, м².

Площадь F_бок зависит от объема, занимаемого расплавом оксидов V, площади поперечного сечения S и периметра боковой стенки П:

Объем расплава оксидов:

Таким образом, для обеспечения эффективного теплоотвода от расплава оксидов к воде через боковую стенку оболочки необходимо выполнение следующего условия:

где q_кр - плотность критического теплового потока, МВт/м²;

П - периметр боковой стенки охлаждаемой оболочки, м;

N_бок - тепловая мощность, отводимая от расплава оксидов к охлаждающей воде через оболочку, МВт;

S - площадь поперечного сечения ловушки, м²;

М_окс - масса урансодержащего оксидного кориума, поступающего из реактора, т;

- суммарная масса материала-разбавителя урансодержащего оксидного кориума, т;

ρ_окc - плотность расплава урансодержащего оксидного кориума, т/м³;

ρ_мр,окс - плотность расплава материала-разбавителя урансодержащего оксидного кориума, т/м³;

K_min - минимальная величина запаса до кризиса.

Выбор массы жертвенного материала-разбавителя поступающей стальной составляющей кориума определяется из следующих условий. Поступающая сталь имеет высокую (приблизительно 2000°С) температуру. Если она не уменьшится, то тепловой поток через боковую стенку оболочки может превысить критическое значение, и стенка проплавится. Для предотвращения этого начальная температура расплава стали Т_ст должна быть уменьшена до величины, превышающей ее температуру плавления Т_пл не более чем на 100°С. Это уменьшение достигается за счет разбавления стали кориума жертвенным материалом-разбавителем, в качестве которого используется сталь, например Ст.3. В состав жертвенного материала-разбавителя расплава стали входят, наряду с брикетами, содержащими сталь, стальная корзина 5, стальные обечайки брикетов 7.

Указанное условие выполняется при определенном соотношением (7) выборе массы жертвенной стали, размещенной в объеме ловушки, занимаемом поступившим из реактора расплавом стали кориума и определяемом принятой пористостью размещения жертвенного материала:

где М_ст - масса расплава стальной составляющей кориума, поступающего из реактора, т;

м_мр,ст - масса материала-разбавителя стальной составляющей кориума в объеме, заполняемом поступающим расплавом стали, т;

Т_ст - температура поступающего расплава стали, °С;

Т_пл - температура плавления стали, °С;

Т_о - температура стального материала-разбавителя, °С;

с - теплоемкость стали, Дж/(кг·К);

r - теплота плавления стали, Дж/кг.

С другой стороны, указанная масса жертвенной стали не должна превышать величину, при которой температура расплава стали после разбавления жертвенной сталью уменьшится ниже температуры плавления стали, чтобы не произошло замерзания расплава стали, затрудняющего затекание расплава.

Для этого должно выполняться следующее условие:

где М_ст - масса расплава стальной составляющей кориума, поступающего из реактора, т;

М_мр,ст - масса материала-разбавителя стальной составляющей кориума в объеме, заполняемом поступающим расплавом стали, т;

Т_ст - температура поступающего расплава стали, °С;

Т_пл - температура плавления стали, °С;

Т_о - температура стального материала-разбавителя, °С;

с - теплоемкость стали, Дж/(кг·К);

r - теплота плавления стали, Дж/кг.

При определении формы днища 9 охлаждаемой оболочки 4 учтены следующие обстоятельства. Так же, как и при теплоотводе через боковую стенку оболочки, условием эффективного теплоотвода через днище является обеспечение докризисного режима кипения охлаждающей воды. Однако при кипении воды на обращенной вниз плоской горизонтальной поверхности диаметром 3-6 м, характерным для ловушки, величина критического теплового потока чрезвычайно мала. Известно, что с увеличением угла наклона поверхности величина критического теплового потока возрастает. По условиям симметрии для этого днище должно иметь форму, обеспечивающую углубление к центру, например коническую. При заданных вертикальных размерах ловушки увеличение уклона днища приводит к уменьшению объема ловушки, предназначенного для локализации кориума. Для диаметра ловушки 5 м и высоты 4 м увеличение уклона от 0° до 30° приводит к уменьшению объема ловушки на 25%.

Благодаря инверсии после взаимодействия кориума с жертвенным материалом в нижней части ловушки образуется ванна расплава стали, в которой мощность остаточного тепловыделения на порядок меньше, чем в ванне оксидов. Поэтому тепловые нагрузки на оболочку ловушки в зоне расположения расплава стали определяются не свобод ноконвективным теплообменом, развивающимся под действием остаточного тепловыделения в расплаве, а свободноконвективным теплообменом под действием перегрева расплава стали над температурой плавления. Ограничение этого перегрева величиной 100°С в соответствии с условием (7) обеспечивает максимальный тепловой поток к боковой стенке оболочки ловушки порядка 0,6 МВт/м². Величина критического теплового потока на вертикальной поверхности при кипении насыщенной воды - порядка 1,2 МВт/м², т.е. коэффициент запаса до кризиса составит примерно К=2. Для днища тепловой поток, в соответствии с закономерностями свободноконвективного теплообмена, уменьшится с уменьшением уклона и для уклона 15° составит примерно 0,15 МВт/м². Критический тепловой поток при этом примерно 0,45 МВт/м², т.е. запас до кризиса увеличится и составит К=3.

Таким образом, в диапазоне уклона 10-20°, где уменьшение полезного объема ловушки не превышает 20%, обеспечивается достаточный запас до кризиса, что делает его оптимальным для предлагаемой системы.

Наряду с тепловыми потоками, передаваемыми через боковую стенку и днище оболочки, которые обусловлены конвективным теплоподводом от расплава кориума к стенке, большое значение имеют кратковременные тепловые потоки, обусловленные намерзанием расплава (главным образом, стали) на внутреннюю поверхность оболочки в начальный период после соприкосновения расплава с оболочкой (“выход” расплава на стенку). Величина указанного теплового потока зависит от толщины стенки и не зависит от ее ориентации. При этом в реальном диапазоне изменения толщины оболочки (десятки миллиметров) чем тоньше стенка, тем больше величина теплового потока. Учитывая меньшие значения критического теплового потока на днище по сравнению с боковой стенкой, для сохранения запаса до кризиса, соизмеримого с запасом до кризиса, на боковой стенке оболочки толщина днища должна быть не менее чем на 30% больше, чем толщина боковой стенки.

Промышленная применимость

Заявленная система может быть применена при сооружении АЭС с водо-водяными реакторами ВВЭР-1000, аналогичными, например, блоку №6 Ново-Воронежской АЭС. Вопрос о ее промышленной реализуемости сводится к анализу выполнимости и совместимости новых и существующих элементов АЭС.

Прежде всего вопрос о размещении ловушки решается благодаря наличию в бетонной шахте большого по объему подреакторного пространства, которое позволяет расположить оболочку ловушки диаметром 5 м, высотой цилиндрической части 3 м с коническим днищем уклоном 16°, объемом более 60 м³, достаточным для размещения 100 т расплава оксидного и 100 т стального кориума, поступающего из реактора при тяжелой аварии. Толщина боковой стенки стальной оболочки может составить 60 мм, а днища - 90 мм.

Масса оксидного жертвенного материала-разбавителя оксидного расплава кориума, достаточная для инверсии расплавов, составит приблизительно 20 т при его плотности 4 т/м³. Полная его масса составит приблизительно 55 т. При этом объем, занимаемый расплавом образующихся оксидов, будет равен 22 м³, и при мощности остаточного тепловыделения, отводимой через боковую стенку оболочки ловушки, 10 МВт тепловой поток составит 0,6 МВт/м², что обеспечит величину коэффициента запаса до кризиса, равную 2.

Масса стального жертвенного материала, размещенного в зоне поступления расплава стального кориума, должна составить 25 т, что обеспечит уменьшение температуры поступающего расплава стали с 2000°С до 1550°С (температура плавления стали примерно 1500°С). С учетом массы стали, размещенной вне зоны поступления расплава стали кориума, суммарная масса жертвенной стали составит примерно 70 т, а объем, занимаемый образованным расплавом стали, составит примерно 25 м³. Таким образом, суммарный объем расплава в ловушке составит 47 м³, что обеспечивает достаточный запас по объему.

При выходе расплава стали на боковую стенку стальной оболочки толщиной 60 мм тепловой поток кратковременно достигает 0,6 МВт/м², обеспечивая при указанной величине критического теплового потока 1,2 МВт/м² коэффициент запаса до кризиса, равный 2.

При выходе расплава стали на днище оболочки толщиной 90 мм тепловой поток кратковременно достигает 0,3 МВт/м², что при указанном выше критическом тепловом потоке 0,45 МВт/м² обеспечивает коэффициент запаса до кризиса 1,5.

Направляющее устройство для кориума размещается под корпусом реактора. Оно выполняется в форме воронки с диаметром в “горле” 1,5 м. Силовая конструкция направляющего устройства опирается на стенку бетонной шахты и защищена слоем термостойкого бетона, содержащего, например, оксид алюминия, толщиной 0,5 м. Внутренняя поверхность направляющего устройства покрыта слоем легкоплавкого бетона, содержащего, например, оксиды железа, алюминия и портландцемент, толщиной 0,1 м, который, плавясь, обеспечивает беспрепятственное перетекание кориума из реактора в ловушку.

Таким образом, заявленное решение ново, неочевидно и промышленно применимо, что позволяет квалифицировать его как изобретение.

Изобретение относится к системам для локализации и охлаждения расплавленного корпуса при аварийном выходе его за пределы корпуса реактора. Технический результат - изобретение позволяет повысить эффективность и надежность системы путем улучшения условий поступления и охлаждения расплава кориума в ловушке. Охлаждаемая ловушка расположена в шахте под реактором и выполнена в форме сосуда с установленной в нем корзиной с жертвенными материалами-разбавителями урансодержащей и стальной составляющих кориума. Днище охлаждающей оболочки не менее чем на 30% толще ее стенок и имеет уклон к центру в пределах 10-20 градусов; жертвенные материалы-разбавители сформированы в виде брикетов, заключенных в стальные обечайки. Массы материалов-разбавителей оксидной урансодержащей и стальной составляющих кориума определены расчетными математическими соотношениями, учитывающими: массу составляющих кориума, поступающего из реактора; физические параметры составляющих расплава; плотность критического теплового потока; фактические размеры ловушки; тепловую мощность, отводимую от расплавов к охлаждающей воде через оболочку. Направляющее устройство для корпуса предложено выполнить в форме воронки, размещенной между днищем реактора и верхним краем ловушки, при этом стенки направляющего устройства покрыты термостойким бетоном, поверх которого нанесено покрытие из легкоплавкого бетона. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Система локализации и охлаждения кориума аварийного ядерного реактора водо-водяного типа, содержащая расположенную в подреакторном пространстве бетонной шахты ловушку, охлаждаемая оболочка которой выполнена в форме сосуда, днище которого углублено к центру, в ловушке установлена стальная корзина с жертвенными материалами-разбавителями урансодержащей и стальной составляющих кориума, причем материалы-разбавители в корзине установлены в виде ячеистой структуры, отличающаяся тем, что толщина днища оболочки не менее чем на 30% больше толщины боковой стенки оболочки, уклон днища оболочки к центру выбран в пределах 10-20°, материалы-разбавители сформированы в виде брикетов, заключенных в стальные обечайки.2. Система по п.1, отличающаяся тем, что масса материала-разбавителя урансодержащей составляющей кориума определена из соотношений:

(М_окс+М_МР.окс):(М_окс/ρ_окс+М_МР.окс/ρ_МР.окс)<ρ_ст,

(q_крП/N_бокS)·(М_окс/ρ_окс+М∑_МР.окс/ρ_МР.окс)≥К_min,

где М_окс - масса урансодержащего оксидного кориума, поступающего из реактора, т;

М_МР.окс - масса материала-разбавителя урансодержащего оксидного кориума в объеме, заполняемом расплавом оксидного кориума, т;

M∑_МР.окс - суммарная масса материала-разбавителя урансодержащего оксидного кориума, т;

ρ_окc - плотность расплава урансодержащего оксидного кориума, т/м³;

ρ_МР.окс - плотность расплава материала-разбавителя урансодержащего оксидного кориума, т/м³;

p_cт - плотность расплава стали, т/м³;

q_Kp - плотность критического теплового потока, МВт/м²;

П - периметр боковой стенки охлаждаемой оболочки, м;

N_бок - тепловая мощность, отводимая от расплава оксидов к охлаждающей воде через оболочку, МВт;

S - площадь поперечного сечения ловушки, м²;

K_min - минимальная величина запаса до кризиса.

М_стс[Т_ст-(Т_пл+100)]≤М_МР.ст[r+с(Т_пл+100-Т_о)],

М_стс(Т_ст-Т_пл)>м_МР.ст[r+с(Т_пл-Т_о)],

где М_ст - масса расплава стальной составляющей кориума, поступающего из реактора, т;

М_МР.ст - масса материала-разбавителя стальной составляющей кориума в объеме, заполняемом поступающим расплавом стали, т;

Т_ст - температура поступающего расплава стали, °С;

Т_пл - температура плавления стали, °С;

Т_о - температура стального материала-разбавителя, °С;

с - теплоемкость стали, Дж/(кг·К);

г - теплота плавления стали, Дж/кг.