УСТРОЙСТВО ЛОКАЛИЗАЦИИ РАСПЛАВА АКТИВНОЙ ЗОНЫ ВОДО-ВОДЯНОГО ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО РЕАКТОРА Российский патент 2022 года по МПК G21C9/16 

Изобретение относится к области атомной энергетики, частности к системам, обеспечивающим безопасность атомных электростанций (далее - АЭС), и может быть использовано при тяжелых авариях, которые приводят к разрушению корпуса реактора АЭС, а также в металлургии и химической промышленности.

Известен ряд конструкций стенки корпуса устройства локализации, удержания и расхолаживания расплава (далее - УЛР), стенки которых являются многослойными [патент РФ RU 100327 U1, МПК: G21C 9/016 от 17.06.2010; патент РФ RU 2576516 С1, МПК: G21C 9/016 от 16.12.2014; патент РФ RU 25765177 С1, МПК: G21C 9/016 от 16.12.2014; патент РФ RU 2575878 С1, МПК: G21C 9/016 от 16.12.2014; патент РФ RU 2696004 С1, МПК: G21C 9/00 от 29.08.2018].

В указанных конструкциях стенка корпуса УЛР, через которую производится теплопередача от кориума в виде расплава к омывающей корпус охлаждающей жидкости, состоит из внешнего и внутреннего металлических слоев, между которыми расположен слой бетона. Бетон является материалом, коэффициент теплопроводности которого меньше по сравнению со сталью. То же самое относится к температуре плавления бетона по сравнению со сталью, из которой выполнены внешний и внутренний слои стенки корпуса. Сложная многослойная конструкция стенки объясняется малой площадью контакта корпуса УЛР с охлаждающей жидкостью, малыми значениями теплопередачи от кориума к охлаждающей жидкости через стенку корпуса, что вызывает опасность проплавления стенки корпуса кориумом. Из перечисленных недостатков конструкции стенки УЛР следует значительное время существования кориума в расплавленном виде в корпусе УЛР.

Отрицательными факторами значительного времени существования кориума в виде расплава в корпусе УЛР является генерация и выброс в герметичную оболочку взрывоопасных газов и радиоактивных веществ в газообразном виде, а также прохождение экзотермических реакций в кориуме в расплавленном виде.

Известен способ и система локализации и охлаждения расплава активной зоны ядерного реактора водо-водяного типа, стенка корпуса которой является многослойной, а именно: внутренний и внешний слои выполнены из стали, а между ними находится легкоплавкий бетон. Выбор сложной конструкции стенки сделан из-за опасений возникновения кризиса теплоотдачи на внешней поверхности корпуса, контактирующей с охлаждающей жидкостью. Кроме того, в конструкции стенки предусмотрены меридиональные ребра, с возможностью контакта с внешней и внутренней металлическими стенками, с целью усиления конструкции в случае высоких механических, термодеформационных нагрузок (патент РФ на изобретение № RU 2576517 С1, МПК: G21C 9/016, заявка 2014150938/07 от 16.12.2014 - прототип). Кроме того, использование меридиональных ребер способствует увеличению теплопередачи через стенки корпуса, чему способствует поток тепла через металлические меридиональные ребра, минуя слой бетона.

Недостатком описанной конструкции стенки УЛР является низкие значения теплопередачи от кориума к охлаждающей жидкости из-за малой площади контакта внешней стенки корпуса УЛР с охлаждающей жидкостью, что порождает значительные временные промежутки кристаллизации кориума, в течение которых происходит образование, генерация и выброс в герметичную оболочку взрывоопасных газов и радиоактивных веществ в газообразном виде. Кроме того, в кориуме, находящемся в виде расплава, продолжаются экзотермические реакции.

Задачей изобретения является устранение перечисленных выше недостатков и создание корпуса устройства локализации расплава, позволяющего обеспечить уменьшенное время кристаллизации кориума за счет повышения значений теплопередачи от кориума к охлаждающей жидкости, с одновременным снижением трудозатрат на изготовление корпуса устройства локализации расплава.

Решение указанной задачи достигается тем, что в предложенном устройстве локализации расплава активной зоны водо-водяного энергетического реактора, содержащем корпус с системой подачи охлаждающей жидкости и каналами отвода парообразных продуктов, образующихся в результате охлаждения., в котором размещены ловушка расплава с наполнителем, направляющая плита с воронкой, установленная над указанной ловушкой под днищем реактора, согласно изобретению, корпус упомянутой ловушки выполнен в виде объемной геометрической фигуры, содержащей две полых тонкостенных оболочки из материала с высокой теплопроводностью, установленных одна в другую с радиальным зазором и соединенных между собой в нижней части с образованием кольцевой полости с профилированным днищем для расплава, с одной стороны и открытой с другой, взаимодействующей с охлаждающей жидкостью своими наружными стенками и днищем, при этом в верхней части корпуса ловушки между оболочками выполнен канал для отвода из ее внутренней полости образующихся неконденсирующихся газов и летучих радиоактивных веществ, причем выход из канала расположен в непосредственной близости от основания направляющей плиты, при этом над верхней частью внутренней оболочки со стороны меньшего радиуса выполнен канал для выхода генерируемого пара на поверхности контакта внутренней оболочки с охлаждающей жидкостью.

В варианте исполнения, в части корпуса упомянутой ловушки со стороны меньшего радиуса выполнены радиально-меридиональные ребра из материала с высокой теплопроводностью.

Технический результат достигается увеличением площади контакта стенки корпуса УЛР с охлаждающей жидкостью. Это обеспечивается конструкцией стенки корпуса, в которой три элемента корпуса УЛР одновременно контактируют с охлаждающей жидкостью, что способствует значительному росту теплопередачи от кориума к охлаждающей жидкости. Это часть корпуса УЛР большего радиуса, часть корпуса УЛР, меньшего радиуса, а также соединяющее их в нижней части корпуса УЛР днище.

Применение предложенной конструкции, кроме значительного увеличения площади контакта корпуса с охлаждающей жидкостью, имеет важное следствие: уменьшение характерного размера охлаждаемой области, т.е. кориума, и преобразование его формы из сплошной цилиндрической в кольцевую.

Повышение теплопередачи от кориума в расплавленном виде, снижение времени его существования в указанном состоянии делает возможным разработку конструкции стенки корпуса УЛР, не содержащей бетона, теплоизолятора. Это означает снижение массы корпуса, сроков производства, увеличение транспортабельности.

В варианте применения изобретения, для стенки корпуса УЛР меньшего радиуса, выполнены радиально-меридиональные ребра. Указанные ребра способствуют увеличению прочности конструкции стенки корпуса УЛР меньшего радиуса, как наиболее теплонапряженного элемента корпуса. Кроме того, они способствуют росту теплопередачи через стенки корпуса УЛР меньшего радиуса. Указанное достигается ростом скорости восходящего течения охлаждающей жидкости, омывающей внешнюю стенки корпуса УЛР меньшего радиуса и указанные радиально-меридиональные ребра.

Сущность предложенного технического решения иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 показан продольный разрез УЛР, содержащего два элемента корпуса УЛР, большего и меньшего радиусов, а также соединяющее перечисленные элементы корпуса профилированное днище;

на фиг. 2 - продольный разрез УЛР, где представлен вариант исполнения корпуса УЛР, содержащего радиально-меридиональные ребра для корпуса УЛР в области меньших значений радиуса, погруженные в охлаждающую жидкость. При изображении конструкции корпуса УЛР использована однослойная стальная стенка корпуса УЛР.

На фигурах обозначено:

1 - корпус реактора (нижняя часть);

2 - направляющая плита;

3 - стенка шахты реактора;

4 - уровень охлаждающей жидкости в помещении фильтров и в зазоре стенка УЛР/ стенка шахты реактора;

5 - внешняя, большего радиуса, стенка корпуса УЛР;

6 - внутренняя, меньшего радиуса, стенка корпуса УЛР;

7 - кориум (расплав активной зоны и наполнитель);

8 - коридор для притока жидкости из помещения фильтров;

9 - охлаждающая жидкость, которая находится в помещении фильтров;

10 - охлаждающая жидкость, которая находится со стороны меньшего радиуса для внутренней стенки корпуса УЛР (малого диаметра), используется для охлаждения кориума;

11 - охлаждающая жидкость, которая находится между внутренней стенкой шахты реактора и наружной стенкой корпуса УЛР большего диаметра, используется для охлаждения кориума;

12 - поток неконденсирующихся газов, взрывоопасных летучих образований, радиоактивных газов, образующихся в кориуме, находящемся в жидком виде (расплав);

13 - поток пара, образующийся при теплопередаче через внутреннюю стенку корпуса УЛР малого радиуса, при кипении охлаждающей жидкости;

14 - поток пара, образующийся при теплопередаче через внешнюю стенку корпуса УЛР большего радиуса при кипении охлаждающей жидкости;

15 - козырек;

16 - радиально-меридиональные ребра, которые выполнены на внешней части стенки 6 (меньшего радиуса).

Предложенное техническое решение по уменьшению времени кристаллизации кориума может быть реализовано при помощи корпуса устройства локализации расплава, имеющего следующую конструкцию.

Под корпусом реакторной установки 1 (фиг. 1) расположено устройство локализации, удержания и расхолаживания расплава. Составная часть УЛР, направляющая плита 2, крепится к стенке 3 шахты реактора. В условиях функционирования УЛР внутри шахты реактора обеспечивается необходимый уровень 4 охлаждающей жидкости. Охлаждающая жидкость омывает стенки корпуса УЛР - внешнюю часть стенки 5, большего диаметра, и внутреннюю часть стенки 6, меньшего радиуса, а также днище, соединяющее в нижней части стенки корпуса УЛР.

Внутри корпуса УЛР находится кориум 7. В стенке шахты реактора 3 имеются коридоры 8 для массообмена с помещением фильтров 9. Последние необходимы для компенсации испаряющейся охлаждающейся жидкости при теплопередаче от кориума к жидкости через стенку корпуса УЛР. Наружная часть стенки 6, меньшего радиуса, контактирует с охлаждающей жидкостью 10 со стороны меньшего радиуса, со стороны большего радиуса - контакт с кориумом 7. Внешняя часть стенки 5, большего радиуса, контактирует с охлаждающей жидкостью 11 со стороны большего радиуса, со стороны меньшего радиуса - контакт с кориумом 7. Парообразование при охлаждении корпуса УЛР приводит к формированию течения пара 14 между шахтой реактора и корпусом УЛР. На внешней части стенки 6 корпуса УЛР, меньшего радиуса, контактирующей с охлаждающей жидкостью, также формируется течение пара 13 в направлении защитной оболочки. Для предотвращения контакта расплава, истекающего из корпуса 1 реакторной установки в аварийных условиях, с охлаждающей жидкостью, а также обеспечения оттока пара 13 в защитную оболочку в конструкции выполнен, например, «козырек-грибок» 15.

В варианте исполнения (фиг. 2), на внешней части стенки 6 корпуса УЛР, меньшего радиуса, выполнены радиально-меридиональные ребра 16. Указанные ребра 16 могут быть сплошными либо заканчиваться на некотором малом радиусе вблизи осевой координаты. Назначение - обеспечения дополнительной прочности конструкции, а также увеличение теплопередачи через указанную часть корпуса 6 УЛР от кориума 7 к охлаждающей жидкости.

Предложенная конструкция с уменьшенным временем кристаллизации кориума может быть использована следующим образом.

Аварийный процесс, с точки зрения функционирования УЛР, начинается с проплавления корпуса реакторной установки 1, преимущественно, по «лепестковой» модели проплавления корпуса реакторной установки 1. Под корпусом реакторной установки расположена направляющая плита 2, закрепленная на стенках шахты реактора 3, которая обеспечивает падение расплава из проплавленного «лепестка» в корпусе реактора 1 в корпус УЛР. Корпус УЛР, к моменту попадания в него расплава, контактирует снаружи с охлаждающей жидкостью 4 с заданным уровнем.

Корпус УЛР, состоящий из стенок корпуса УЛР большего 5 и меньшего радиусов 6, а также соединяющего их в нижней части днища, предварительно заполнен наполнителем. Последний, вступая во взаимодействие с расплавом из реакторной установки 1, образует кориум 7.

Высокие температуры расплава, истекающего из реактора, попадающего в УЛР после проплавления корпуса реакторной установки 1, вступающего во взаимодействие с наполнителем УЛР, приводят к образованию в корпусе УЛР кориума 7 в виде расплава при высокой температуре. При существовании кориума в расплавленном виде, в нем происходят экзотермические реакции с образованием взрывоопасных газов и радиоактивных веществ в газообразном виде.

Прогрев стенок корпуса УЛР - 5, 6, - а также соединяющего их в нижней части днища до температур, превышающих начальные значения, и контакт корпуса УЛР с охлаждающей жидкостью 10 и 11, приводит интенсивному процессу теплопередачи от кориума 7 к охлаждающей жидкости. В результате на внешней поверхности корпуса УЛР 5 и 6, контактирующей с охлаждающей жидкостью 10 и 11, происходит теплоотвод к жидкости в режиме пузырькового кипения, при этом теплопередача достигает значительных значений из-за больших значений площадей контакта нагретой стенки с охлаждающей жидкостью. Так как площадь контакта корпуса УЛР с охлаждающей жидкостью велика, то парообразование приводит к образованию значительных массовых потоков пара - 13 и 14, - без возникновения кризиса теплоотдачи. Компенсации потерь охлаждающей жидкости из-за парообразования производятся подачей запаса жидкости из помещения фильтров 9 через коридоры 8 в стенке шахты реактора 3. Указанная компенсация осуществляется самотеком благодаря возникающей разности уровней жидкости: в помещении фильтров и жидкости, омывающей корпус УЛР.

В конструкции УЛР предусмотрено устройство, предупреждающее контакт попадающего из реактора 1 расплава, с охлаждающей жидкостью - например, «козырек-грибок» 15. Это же устройство обеспечивает отток пара 13 с части корпуса УЛР меньшего радиуса 6 в пространство защитной оболочки.

В варианте применения устройства, на внешней части стенки 6, меньшего радиуса, выполнены радиально-меридиональные ребра 16. Указанные ребра 16 могут иметь различную форму. В любом случае эти конструктивные элементы способствуют обеспечению как дополнительной прочности конструкции, так и росту теплопередачи через указанную часть корпуса УЛР 6 от кориума к охлаждающей жидкости 10.

Увеличение теплопередачи от кориума к охлаждающей жидкости способствует повышению надежности УЛР, а также создает предпосылки для пересмотра конструкции корпуса УЛР, снижения его массы, технологических решений с точки зрения повышения транспортабельности конструкции. Все перечисленное позволяет снизить материальные затраты на производство УЛР и его транспортировку.

Снижение продолжительности существовании кориума в расплавленном виде позволит уменьшить время существования экзотермических реакций с выделением пожароопасных и радиоактивных газов, наличие которых возможно только в кориуме в виде расплава.

Изобретение относится к средству обеспечения безопасности атомных электростанций (далее - АЭС) и может быть использовано при тяжелых авариях, которые приводят к разрушению корпуса реактора АЭС. Корпус ловушки для кориума выполнен в виде объемной геометрической фигуры, содержащей две полые тонкостенные оболочки из материала с высокой теплопроводностью, установленные одна в другую с радиальным зазором и соединенные между собой в нижней части с образованием кольцевой полости с профилированным днищем для расплава с одной стороны и открытой с другой, взаимодействующей с охлаждающей жидкостью своими наружными стенками и днищем. В верхней части корпуса ловушки между оболочками выполнен канал для отвода из ее внутренней полости образующихся неконденсирующихся газов и летучих радиоактивных веществ. Выход из канала расположен в непосредственной близости от основания направляющей плиты. Над верхней частью внутренней оболочки, со стороны меньшего радиуса, выполнен канал для выхода генерируемого пара на поверхности контакта внутренней оболочки с охлаждающей жидкостью. В варианте исполнения, в части корпуса упомянутой ловушки, со стороны меньшего радиуса, выполнены радиально-меридиональные ребра из материала с высокой теплопроводностью. Техническим результатом является уменьшение времени кристаллизации кориума. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство локализации расплава активной зоны водо-водяного энергетического реактора, содержащее корпус с системой подачи охлаждающей жидкости и каналами отвода парообразных продуктов, образующихся в результате охлаждения, в котором размещены ловушка расплава с наполнителем, направляющая плита с воронкой, установленная над указанной ловушкой под днищем реактора, отличающееся тем, что корпус упомянутой ловушки выполнен в виде объемной геометрической фигуры, содержащей две полые тонкостенные оболочки из материала с высокой теплопроводностью, установленные одна в другую с радиальным зазором и соединенные между собой в нижней части с образованием кольцевой полости с профилированным днищем для расплава с одной стороны и открытой с другой, взаимодействующей с охлаждающей жидкостью своими наружными стенками и днищем, при этом в верхней части корпуса ловушки между оболочками выполнен канал для отвода из ее внутренней полости образующихся неконденсирующихся газов и летучих радиоактивных веществ, причем выход из канала расположен в непосредственной близости от основания направляющей плиты, при этом над верхней частью внутренней оболочки со стороны меньшего радиуса выполнен канал для выхода генерируемого пара на поверхности контакта внутренней оболочки с охлаждающей жидкостью.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в части корпуса упомянутой ловушки, со стороны меньшего радиуса, выполнены радиально-меридиональные ребра из материала с высокой теплопроводностью.