Ферма-консоль устройства локализации расплава (варианты) Российский патент 2023 года по МПК G21C9/16 

Изобретение к устройствам локализации расплава (далее - УЛР), снабженным сосудом для приема и распределения расплава, в частности, к механизмам, обеспечивающим сохранение целостности конструкции УЛР при тяжелых авариях.

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 АЭС - последнего барьера на пути выхода радиоактивных продуктов в окружающую среду.

Для исключения этого необходимо локализовать вытекший из корпуса реактора расплав активной зоны (кориум) и обеспечить его непрерывное охлаждение, вплоть до полной кристаллизации. Эту функцию выполняет устройство локализации расплава, которое предотвращает повреждения герметичной оболочки АЭС и тем самым защищает население и окружающую среду от радиационного воздействия при тяжелых авариях ядерных реакторов.

Известные конструкции УЛР, предназначенные для локализации и охлаждения расплава, как правило, содержат следующие основные элементы: направляющий аппарат, установленный на специальном опорном элементе -ферме-консоли, корпус с наполнителем из жертвенных материалов. Кроме того, к УЛР подключены различные системы коммуникаций (датчики контрольно-измерительных приборов, каналы орошения кориума, каналы для отвода пара и др.), обеспечивающие функционирование УЛР в условиях тяжелой аварии.

Ферма-консоль защищает корпус, внутренние коммуникации УЛР от разрушения со стороны кориума и является опорой для направляющей плиты, которая передает статические и динамические воздействия на ферму-консоль, раскрепленную в шахте реактора. Ферма-консоль также обеспечивает работоспособность направляющей плиты в случае ее разрушения.

Известна ферма-консоль [1, 2, 3, 4] УЛР, содержащая параллельные и радиальные силовые ребра, внешнюю, среднюю и внутреннюю обечайки, верхнюю силовую плиту и нижнюю силовую плиту, формирующие внутренние и внешние секторы, в которых выполнены трубы-чехлы, обеспечивающие подключение датчиков контрольно-измерительных приборов (КИП), каналы орошения кориума (коллектор с раздающими трубопроводами), обеспечивающие подачу охлаждающей воды от внешних источников, которая по каналам орошения поступает через ферму-консоль сверху на кориум, каналы для отвода пара, обеспечивающие отвод пара из подреакторного помещения бетонной шахты в гермозону на стадии охлаждения кориума в корпусе УЛР, каналы для подвода воздуха, обеспечивающие поступление воздуха для охлаждения направляющей плиты при нормальной эксплуатации.

Недостатком фермы-консоли является то, что она не выдерживает запроектного теплового нагружения, возникающего при отсутствии охлаждения свободной поверхности расплава активной зоны (зеркала расплава) внутри корпуса УЛР. Для несущих элементов фермы-консоли и элементов раскрепления фермы-консоли в шахте реактора эти воздействия особенно разрушительны при длительном воздействии высокой температуры на ферму-консоль.

Известна ферма-консоль [5] устройства локализации расплава, состоящая из параллельных и радиальных силовых ребер, внешней, средней и внутренней обечаек, верхней силовой плиты и нижней силовой плиты, формирующих внешние и внутренние параллельные и радиальные секторы, частично заполненные бетоном, при этом в средней силовой обечайке и в верхней силовой плите выполнены отверстия.

Недостатком фермы-консоли является то, что она не выдерживает запроектного теплового нагружения, возникающего при отсутствии охлаждения свободной поверхности расплава активной зоны (зеркала расплава) внутри корпуса УЛР. Для несущих элементов фермы-консоли и элементов раскрепления фермы-консоли в шахте реактора эти воздействия особенно разрушительны при длительном воздействии высокой температуры на ферму-консоль.

Технический результат заявленного изобретения заключается в повышении надежности устройства локализации расплава.

Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является обеспечение устойчивого охлаждения фермы-консоли в шахте реактора, исключающее разрушение фермы-консоли при запроектных авариях в условиях воздействия теплового излучения со стороны зеркала расплава и при конвективной передаче тепла со стороны парогазовой среды.

Поставленная задача решается за счет реализации различных вариантов фермы-консоли устройства локализации расплава.

В одном из вариантов изобретения, в ферме-консоли устройства локализации расплава, содержащей внешние, внутренние параллельные и радиальные секторы, состоящие из параллельных, радиальных силовых ребер (15), (14), внешней, средней, внутренней обечаек (16), (17), (18), верхнюю силовую плиту (19), нижнюю силовую плиту (20), согласно изобретению, параллельные силовые ребра (15а) внешнего параллельного сектора, предназначенного для соединения с технологическим шлюзом (13), выполнены сплошными, параллельные силовые ребра (15б) внешнего параллельного сектора, лежащего на одной декартовой оси с указанным внешним параллельным сектором (15а) и параллельные силовые ребра (15в) внешних параллельных секторов, лежащих на одной декартовой оси, перпендикулярной оси указанного внешнего параллельного сектора (15а), а также радиальные силовые ребра (14) имеют отверстия (33), в которых установлен коллектор (24), к которому подведены, по меньшей мере, один патрубок (34) первой группы, проходящий через отверстие во внешней обечайке (16), по меньшей мере, одного из внешних параллельных или радиальных секторов, патрубки (35) второй группы, соединяющие коллектор (24) с отверстиями (23 с) в верхней силовой плите (19), патрубки (28) третьей группы, проходящие через среднюю и внутреннюю обечайки (18), (17) и выходящие с внутренней стороны внутренней обечайки (17), при этом проходное сечение коллектора (24) больше, чем сумма проходных сечений патрубков (35), (28) второй и третьей групп.

В еще одном варианте изобретения, в ферме-консоли устройства локализации расплава, содержащей внешние, внутренние параллельные и радиальные секторы, состоящие из параллельных, радиальных силовых ребер (15), (14), внешней, средней, внутренней обечаек (16), (18), (17), верхнюю силовую плиту (19), нижнюю силовую плиту (20), согласно изобретению, параллельные силовые ребра (15а) внешнего параллельного сектора, предназначенного для соединения с технологическим шлюзом (13), выполнены сплошными, параллельные силовые ребра (15б) внешнего параллельного сектора, лежащего на одной декартовой оси с указанным внешним параллельным сектором (15а) и параллельные силовые ребра (15в) внешних параллельных секторов, лежащих на одной декартовой оси, перпендикулярной оси указанного внешнего параллельного сектора (15а), а также радиальные силовые ребра (14) имеют отверстия (33), в которых установлен коллектор (24), к которому подведены, по меньшей мере, два патрубка (34) первой группы, проходящие через отверстия во внешней обечайке (16), по меньшей мере, двух внешних параллельных секторов, лежащих на декартовой оси, перпендикулярной оси внешнего параллельного сектора, предназначенного для соединения с технологическим шлюзом (13), патрубки (35) второй группы, соединяющие коллектор (24) с отверстиями (23в) в верхней силовой плите (19), патрубки (28) третьей группы, проходящие через среднюю и внутреннюю обечайки (18), (17) и выходящие с внутренней стороны внутренней обечайки (17), при этом проходное сечение коллектора (24) больше, чем сумма проходных сечений патрубков (35), (28) второй и третьей групп.

В еще одном варианте изобретения, в ферме-консоли устройства локализации расплава, содержащей внешние, внутренние параллельные и радиальные секторы, состоящие из параллельных, радиальных силовых ребер (15), (14), внешней, средней, внутренней обечаек (16), (18), (17), верхнюю силовую плиту (19), нижнюю силовую плиту (20), согласно изобретению, параллельные силовые ребра (15а) внешнего параллельного сектора, предназначенного для соединения с технологическим шлюзом (13), выполнены сплошными, параллельные силовые ребра (15б) внешнего параллельного сектора, лежащего на одной декартовой оси с указанным внешним параллельным сектором (15а) и параллельные силовые ребра (15в) внешних параллельных секторов, лежащих на одной декартовой оси, перпендикулярной оси указанного внешнего параллельного сектора (15а), а также радиальные силовые ребра (14) имеют отверстия (33), в которых установлен коллектор (24), к которому подведены, по меньшей мере, два патрубка (34) первой группы, один из которых проходит через отверстие во внешней обечайке (16), внешнего параллельного сектора, лежащего на одной декартовой оси с внешним параллельным сектором, предназначенным для соединения с технологическим шлюзом (13), а другой проходит через отверстие во внешней обечайке (16) любого из внешних параллельных или радиальных секторов, патрубки (35) второй группы, соединяющие коллектор (24) с отверстиями (23в) в верхней силовой плите (19), патрубки (28) третьей группы, проходящие через среднюю и внутреннюю обечайки (18), (17) и выходящие с внутренней стороны внутренней обечайки (17), при этом проходное сечение коллектора (24) больше, чем сумма проходных сечений патрубков (35), (28) второй и третьей групп.

Одним существенным признаком заявленного изобретения является то, что коллектор в сочетании с патрубками первой, второй и третьей групп позволяет:

- сохранить равное давление во всех сечениях коллектора и, соответственно, равный расход воздуха через все проходные сечения патрубков при напорном течении воздуха в условиях нормальной эксплуатации;

- обеспечить развитие паровоздушной естественной циркуляции, проходящей через коллектор и патрубки в условиях протекания запроектной аварии с разрушением корпуса реактора, что является важным обстоятельством для обеспечения равномерного охлаждения фермы-консоли по всему периметру с помощью естественной циркуляции паровоздушной смеси при протекании запроектной аварии.

Условия равномерного охлаждения по всему периметру фермы-консоли невозможно добиться при отказе от использования требования о применении большего проходного сечения коллектора, чем сумма проходных сечений патрубков второй и третьей групп.При использовании меньшего или, например, сужающегося проходного сечения коллектора возникает неустойчивая естественная конвекция паровоздушной смеси через патрубки второй и третьей групп, приводящая, в конечном итоге, к перегреву фермы-консоли и потери ею несущей способности при протекании тяжелой запроектной аварии.

Еще одним существенным признаком является то, что выполнение параллельных силовых ребер внешнего параллельного сектора, предназначенного для соединения с технологическим шлюзом, сплошными, позволяет сформировать коллектор в виде незамкнутой кольцевой конструкции, имеющей хотя бы один патрубок первой группы, размещенный либо между радиальными ребрами под любым углом к технологическому шлюзу, либо между параллельными ребрами: на одной декартовой оси с технологическим шлюзом или на другой декартовой оси, перпендикулярной оси с технологическим шлюзом.

Это позволяет сформировать, как минимум, один независимый воздушный вход, обеспечивающий прохождение воздуха внутри коллектора в противоположных направлениях - в азимутальном направлении относительно патрубка первой группы.

В связи с тем, что коллектор имеет большее проходное сечение, чем сумма проходных сечений патрубков второй и третьей групп, в условиях нормальной эксплуатации при принудительной вентиляции обеспечивается равномерное поступление воздуха по коллектору в патрубки второй и третьей групп, через которые воздух подается на охлаждение оборудования, расположенного выше фермы-консоли (на сухую защиту и направляющую плиту).

В условиях протекания тяжелой запроектной аварии обеспечивается естественная циркуляция паровоздушной смеси также с одинаковым гидростатическим напором через хотя бы один патрубок первой группы за счет подогрева паровоздушной смеси внутри фермы-консоли.

При неравномерном подогреве парогазовой среды, поступающей внутрь коллектора в условиях протекания тяжелой запроектной аварии, незамкнутая кольцевая конструкция коллектора предотвращает возникновение азимутальных неустойчивых колебаний и биений парогазовой среды внутри коллектора, обеспечивает гашение таких колебаний, чем снижает сопротивление парогазовой среды и обеспечивает установление устойчивой конвекции между внутренним пространством корпуса УЛР и пространством герметичной оболочки.

Применение парных симметрично расположенных патрубков первой группы или парных, но несимметрично расположенных патрубков первой группы, позволяет сформировать два независимых воздушных входа, обеспечивающих прохождение воздуха внутри коллектора в противоположных направлениях - в азимутальном направлении относительно каждого патрубка первой группы.

В условиях протекания тяжелой запроектной аварии это улучшает естественную циркуляцию паровоздушной смеси за счет подогрева паровоздушной смеси внутри фермы-консоли. Кроме того, при неравномерном подогреве парогазовой среды, поступающей внутрь коллектора в условиях протекания тяжелой запроектной аварии, применение парных симметрично расположенных патрубков первой группы или парных, но несимметрично расположенных патрубков первой группы, обеспечивает более быстрое установление устойчивой конвекции между внутренним пространством корпуса УЛР и пространством герметичной оболочки.

Дополнительно, в ферме-консоли устройства локализации расплава, согласно изобретению, в верхней силовой плите (19) выполнены отверстия (23 а), размещенные между отверстиями (23 в), предназначенными для соединения с патрубками (35) второй группы, что позволяет повысить эффективность отвода парогазовой среды в условиях протекания тяжелой запроектной аварии.

Дополнительно, в ферме-консоли устройства локализации расплава, выполненной в соответствии с первым и вторым вариантами изобретения, пространства между внешней силовой обечайкой (16), средней силовой обечайкой (17), коллектором (24), верхней силовой плитой (19), нижней силовой плитой (20), заполнены защитным бетоном (22), что позволяет снизить тепловую нагрузку на коллектор и патрубки первой, второй и третьей групп, и, следовательно, исключить их разрушение.

Дополнительно, в ферме-консоли устройства локализации расплав, выполненной в соответствии с третьим вариантом изобретения, внешний параллельный сектор, предназначенный для соединения с технологическим шлюзом (13) и примыкающий к нему внутренний параллельный сектор, а также противоположные внешний параллельный сектор и примыкающий к нему внутренний параллельный сектор, лежащие на одной декартовой оси, выполнены пустыми, а остальные внутренние параллельные и радиальные секторы заполнены защитным бетоном (22), что позволяет снизить тепловую нагрузку на коллектор и патрубки первой, второй и третьей групп, и, следовательно, исключить их разрушение.

Дополнительно, в ферме-консоли устройства локализации расплава, согласно изобретению, в средней силовой обечайке (18) выполнены отверстия (236) для повышения эффективности отвода парогазовой среды в условиях протекания тяжелой запроектной аварии.

Дополнительно, в ферме-консоли устройства локализации расплава, согласно изобретению, с внешней стороны внешней силовой обечайки (16) установлены лапы-опоры (11) с якорными ребрами (12) для обеспечения надежного закрепления фермы-консоли в стенках шахты реактора.

На фиг. 1 изображено устройство локализации расплава с фермой-консолью, выполненное в соответствии с заявленным изобретением.

На фиг. 2 изображена ферма-консоль устройства локализации расплава, выполненная в соответствии с заявленным изобретением.

На фиг. 3 изображен разрез фермы-консоли (с отверстиями в крышке и средней обечайке) устройства локализации расплава, выполненной в соответствии с заявленным изобретением.

На фиг. 4 изображен разрез фермы-консоли (без отверстий в крышке и средней обечайке) устройства локализации расплава, выполненной в соответствии с заявленным изобретением.

На фиг. 5 изображен разрез фермы-консоли (без верхней силовой плиты) устройства локализации расплава с отверстиями в силовых ребрах, через которые проходит коллектор, в соответствии с заявленным изобретением.

На фиг. 6 изображен разрез по патрубкам фермы-консоли (без верхней силовой плиты) устройства локализации расплава, выполненной в соответствии с заявленным изобретением.

На фиг. 7а изображен вид сбоку фермы-консоли без верхней силовой плиты, выполненной в соответствии с заявленным изобретением.

На фиг. 7б изображена часть фермы-консоли с отверстиями прямоугольного профиля, предназначенными для установки коллектора, выполненной в соответствии с заявленным изобретением.

Как показано на фиг. 1-7, устройство локализации расплава содержит направляющую плиту (1), установленную под корпусом (2) реактора. Под направляющей плитой (1) установлена ферма-консоль (3). Под фермой-консолью (3) установлен корпус (4) УЛР с наполнителем (7) для приема и распределения расплава. В верхней части корпуса (4) УЛР выполнен фланец (5), снабженный тепловой защитой (6). Наполнитель (7) может состоять из нескольких установленных друг на друга кассет, блоков (8) из жертвенного материала (9). В зоне между наполнителем (7) и фланцем (5) по периметру корпуса (4) УЛР расположены клапаны (10) подачи воды. Ферма-консоль (3) состоит из радиальных силовых ребер (14), параллельных силовых ребер (15а), (15б), (15в), внешней силовой обечайки (16), внутренней силовой обечайки (17), средней силовой обечайки, верхней силовой плиты (19), нижней силовой плиты (20) и представляет собой кольцевую цилиндрическую конструкцию с радиальными и параллельными секторами, ограниченными указанными параллельными и радиальными силовыми ребрами (15а), (15б), (15в) и (14) соответственно, проходящими от внутренней обечайки до внешней обечайки. Параллельные силовые ребра (15а) внешнего параллельного сектора выполнены сплошными. Параллельный внешний сектор, ограниченный параллельными силовыми ребрами (15а), соединен с технологическим шлюзом (13). Параллельные силовые ребра (15б) внешнего параллельного сектора, лежащего на одной декартовой оси с указанным внешним параллельным сектором (15а) и параллельные силовые ребра (15в) внешних параллельных секторов, лежащих на одной декартовой оси, перпендикулярной оси указанного внешнего параллельного сектора (15а), а также все радиальные силовые ребра (14) имеют отверстия (33) прямоугольного профиля. В указанных отверстиях (33) установлен коллектор (24) прямоугольного профиля со стенками (29), (30), (31), (32). Пустоты, образуемые между коллектором (24), внешней силовой обечайкой (16), средней силовой обечайкой (18) и радиальными силовыми ребрами (14), заполнены защитным бетоном (22). В средней силовой обечайке (18) и в верхней силовой плите (19) выполнены отверстия (23а), (236) для выхода пара, соответственно. С внешней стороны внешней силовой обечайки (16) установлены лапы-опоры (11) с якорными ребрами (12).

Ферма-консоль устройства локализации расплава работает следующим образом.

В результате прямого взаимодействия с расплавом активной зоны и под воздействием теплового излучения со стороны зеркала расплава внутри фермы-консоли (3) устанавливается градиент температур, что приводит к перетокам тепла по следующие элементам фермы-консоли (3): параллельные силовые ребра (15а), (15б), (15в), радиальные силовые ребра (14), верхняя силовая плита (19), нижняя силовая плита (20), внешняя силовая обечайка (17), средняя силовая обечайка (18), внутренняя силовая обечайка (16) (далее - элементы фермы-консоли). Для повышения интенсивности оттока тепловой энергии от нагретых областей элементов фермы-консоли (3) и защитного бетона (22) при длительном нагреве, внутри фермы-консоли (3) выполнен коллектор (24), к которому подведены патрубки (28) третьей группы, патрубки (27) второй группы, а также, по меньшей мере, один патрубок (26), как показано на фиг. 2-7.

Коллектор (24) выполнен с прямоугольным профилем со стенками (29), (30), (31), (32). Коллектор (24) в условиях нормальной эксплуатации является герметичным и обеспечивает подачу охлаждающего воздуха при принудительной вентиляции. В условиях протекания тяжелой запроектной аварии, коллектор (24) не является герметичным в результате разгерметизации линии, подводящей воздух к патрубку (34), и в результате разгерметизации патрубков (28) третьей группы при движении расплава активной зоны из корпуса реактора в корпус УЛР, в связи с чем, патрубки (28) третьей группы функционируют в переменном режиме:

a) через указанные патрубки (28) третьей группы подводится горячая парогазовая (паровоздушная) смесь из внутреннего пространства корпуса (4) УЛР внутрь коллектора (24), что приводит к дополнительному подогреву парогазовой (паровоздушной) смеси, находящейся внутри коллектора (24), чем обеспечивается повышение интенсивности естественной циркуляции парогазовой смеси, проходящей через коллектор (24) и патрубки (27) второй группы;

b) через указанные патрубки (28) третьей группы осуществляется отвод относительно холодной парогазовой смеси из коллектора (24) во внутреннее пространство корпуса (4) УЛР. Для усиления теплопередачи от элементов фермы-консоли (3) и защитного бетона (22) к коллектору (24), в частном случае, некоторые элементы коллектора (24) и элементы фермы-консоли (3) могут совпадать: например, в качестве стенки (30) (фиг. 3) может быть использована средняя силовая обечайка (18) (фиг. 3), а в качестве стенки (31) может быть использована верхняя силовая плита (19). В данном случае тепловая энергия от средней силовой обечайки (18) передается непосредственно к парогазовой среде коллектора (24).

В общем случае, тепловая энергия со стороны верхней силовой плиты (19) передается по радиальным и параллельным силовым ребрам (14), (15) на стенки (29), (31) коллектора (24) (фиг. 3), от которых конвекцией тепловая энергия передается к парогазовой среде, находящейся внутри указанного коллектора (24), поступающей со стороны герметичной оболочки в условиях протекания тяжелой запроектной аварии за счет естественной конвекции. Защитный бетон (22), расположенный вокруг коллектора (24), нагреваясь от верхней и нижней силовых плит (19), (20), средней обечайки (18), радиальных и параллельных силовых ребер (14), (15), отдает тепловую энергию стенкам (29), (30), (31), (32) коллектора (24). Совместная передача тепловой энергии со стороны элементов фермы-консоли (3) и защитного бетона (22) в коллектор (24) обеспечивают охлаждение фермы-консоли (3) в процессе прямого нагрева расплавом активной зоны при истечении расплава из корпуса (2) реактора и при длительном воздействии лучистыми тепловыми потоками со стороны зеркала расплава, находящегося в корпусе (4) УЛР.

Коллектор (24) обеспечивает дополнительное охлаждение внутренних элементов фермы-консоли (3) за счет перетоков тепловой энергии по указанным элементам и по защитному бетону (22) к коллектору (24) и далее -к парогазовой среде, циркулирующей в коллекторе (24).

Возможны два режима работы коллектора (24) в зависимости от степени разрушения патрубков (28) третьей группы, как показано на фиг. 3 -6: открытый и закрытый режимы циркуляции парогазовой смеси.

Открытый режим работы коллектора (24) характеризуется следующей последовательностью событий. В момент разрушения корпуса (2) реактора расплав активной зоны под действием гидростатического и остаточного давлений начинает поступать на поверхность направляющей плиты (1), удерживаемой фермой-консолью (3). Расплав, стекая по направляющей плите (1), нагревает и частично расплавляет ее, разрушая гидравлические связи -патрубки (28) третьей группы - между направляющей плитой (1) и фермой-консолью (3). Эти гидравлические связи при нормальной эксплуатации обеспечивают циркуляцию охлаждающего воздуха из патрубков (26) первой группы (фиг. 2-6) в коллектор (24). Из коллектора (24) воздух поступает по двум направлениям: по патрубкам (27) второй группы в верхнем направлении - на охлаждение оборудования шахты (25) реактора и по патрубкам (27) второй группы - на охлаждение направляющей плиты (1).

При истечении расплава из корпуса (2) реактора зона герметизации направляющей плиты (1) разрушается, как следствие, разрушаются ее гидравлические связи, действовавшие в условиях нормальной эксплуатации, что приводит к разгерметизации патрубков (27) второй группы, в связи с чем, формируется связь между коллектором (24) и внутренним пространством корпуса (4) УЛР.

Эта связь, образовавшаяся после разрушения зоны герметизации направляющей плиты (1), способствует развитию циркуляции парогазовой смеси по каналам, образованным коллектором (24) и, по меньшей мере, одним патрубком (26) первой группы и патрубками (27), (28) второй, третьей групп, расположенным внутри фермы-консоли (3), обеспечивая ее охлаждение.

На первой залповой стадии поступления, в основном, металлической компоненты расплава активной зоны из корпуса (2) реактора в наполнитель (7), при которой корпус (4) УЛР еще не прогрет и в теплопередаче к воде не участвует, а кипение воды на внешней поверхности корпуса (4) отсутствует, пассивная циркуляция парогазовой смеси по коллектору (24) носит неустойчивый характер, меняя свое направление не только во внутреннем пространстве внутренней силовой обечайки (17) и в патрубках (28) третьей группы, подведенных к коллектору (24), но и в патрубке (26) первой группы и в патрубках (27) второй группы.

На второй длительной стадии поступления, в основном, оксидной компоненты расплава активной зоны из корпуса (2) реактора в наполнитель (7) происходит следующее:

- с одной стороны, формируется зеркало расплава в корпусе (4) УЛР и лучистые тепловые потоки начинают оказывать тепловое воздействие на оборудование системы локализации и охлаждения расплава активной зоны ядерного реактора;

- с другой стороны, корпус (4) УЛР постепенно прогревается и начинает участвовать в теплопередаче к воде, а кипение воды на внешней поверхности корпуса (4) УЛР от конвективного теплообмена переходит в стадию «кипения в большом объеме».

В этих условиях устойчивая пассивная циркуляция парогазовой смеси по коллектору (24) приобретает важное значение для устойчивого охлаждения фермы-консоли (3).

На первой залповой стадии поступления, в основном, металлической компоненты расплава активной зоны из корпуса (2) реактора в наполнитель (7) тепловая энергия, выделяемая металлической компонентой расплава, главным образом, перегретой жидкой сталью, как основной составляющей, поступающей в корпус (4) УЛР на первой стадии истечения расплава из корпуса (2) реактора, расходуется, в основном, на прогрев наполнителя (7). В результате этого температура жидкой стали снижается, а нагрев излучением тепловой защиты (6) фланца (5) корпуса (4) УЛР и фермы-консоли (3), расположенных выше образовавшегося в колодцах (9) кассет (8) наполнителя (7) зеркала расплава, частично блокируется кассетами (8), то есть самим наполнителем (7), частично - парогазовой средой, находящейся над зеркалом расплава, а частично отводится конвективным теплообменом как от самого зеркала расплава, так и от тепловой защиты (6) фланца (5) корпуса (4) УЛР и фермы-консоли (3).

На второй длительной стадии поступления, в основном, оксидной компоненты расплава активной зоны из корпуса (2) реактора в наполнитель (7) тепловая энергия, выделяемая оксидной компонентой расплава, поступающей в корпус (4) УЛР на второй стадии истечения расплава из корпуса (2) реактора, расходуется, в основном, на растворение наполнителя (7) и химические реакции между расплавом и наполнителем (7). В результате этого температура оксидной компоненты снижается, а после завершения растворения основной части наполнителя (7) в расплаве активной зоны формируется зеркало расплава. Лучистые тепловые потоки со стороны зеркала расплава нагревают тепловую защиту (6) фланца (5) корпуса (4) УЛР и ферму-консоль (3). Парогазовая среда, находящаяся над зеркалом расплава, разогревается и поднимается вверх к днищу корпуса (2) реактора. Разогрев парогазовой среды происходит не только от зеркала расплава, но и от тепловой защиты (6) фланца (5) корпуса (4) УЛР, фермы-консоли (3) и направляющей плиты (1).

Тепловая энергия, выделяемая расплавом активной зоны, увеличивает скорость конвективных потоков парогазовой смеси между направляющей плитой (1) корпусом (2) реактора. Конвективные потоки захватывают паровоздушную смесь, вытекающую из коллектора (24) фермы-консоли (3), что приводит к охлаждению стенок (29), (30), (31), (32) указанного коллектора (24). Охлаждение коллектора (24) обеспечивает охлаждение элементов фермы-консоли (3) и защитного бетона (22).

Под действием разности плотностей парогазовой смеси за пределами шахты (25) реактора и внутри корпуса (4) УЛР развивается парогазовая конвекция, уносящая тепло от тепловой защиты (6) фланца (5) корпуса (4) УЛР, фермы-консоли (3), направляющей плиты (1) и днища корпуса (2) реактора за пределы шахты (25) реактора. За пределами шахты (25) реактора средняя температура парогазовой среды при разрушении главного циркуляционного трубопровода первого контура может составлять до 150°С, а внутри корпуса (4) УЛР температура парогазовой среды может составлять несколько сотен градусов Цельсия. Это приводит к интенсивному конвективному перемешиванию парогазовой среды внутри корпуса (4) УЛР и по всей высоте от зеркала расплава до днища корпуса (2) реактора, включая и пространство внутри внутренней силовой обечайки (17) фермы-консоли (3), находящееся, примерно, на середине этой высоты. Относительно холодная парогазовая смесь с температурой до 150°С поступает с внешней стороны шахты (25) реактора прямым потоком по патрубку (26) первой группы и обратными потоками сверху вниз по патрубкам (27) второй группы в коллектор (24), из которого по разгерметизированным патрубкам (28) третьей группы поступает во внутреннее пространство внутренней силовой обечайки (17), т.е. поступает во внутреннее пространство корпуса (4) УЛР, которое связано проходными сечениями в направляющей плите (1) с пространством герметичной оболочки. Температура во внутреннем пространстве корпуса (4) УЛР значительно выше, чем на внешней стороне шахты (25) реактора, что создает движущую силу естественной конвекции парогазовой смеси, находящейся внутри элементов фермы-консоли (3) и во внутреннем пространстве корпуса (4) УЛР. Поступление относительно холодной парогазовой смеси во внутренне пространство внутренней силовой обечайки (17) приводит к возникновению опускного движения относительно холодной парогазовой смеси, омывающей и охлаждающей внутреннюю силовую обечайку (17), часть нижней силовой плиты (20), обращенной к зеркалу расплава, и тепловую защиту (6) фланца (5) корпуса (4) УЛР. По мере перемещения вниз парогазовая смесь нагревается, постепенно смещаясь от периферии к центру, ее плотность уменьшается и опускное движение сменяется подъемным. Поднимаясь, парогазовая смесь нагревается, ее движение ускоряется и, достигнув днища корпуса (2) реактора, горячая парогазовая смесь движется по двум направлениям: первое направление путь - внутрь корпуса (2) реактора и далее в герметичную оболочку за пределами шахты (25) реактора, и второе направление - вдоль внешней поверхности корпуса (2) реактора за пределы шахты (25) реактора в герметичную оболочку. В герметичной оболочке парогазовая смесь расширяется, охлаждается, и снова засасывается внутрь шахты (25) реактора через коллектор (24), который обеспечивает циркуляцию парогазовой смеси и охлаждение оборудования системы локализации и охлаждения расплава активной зоны ядерного реактора.

Закрытый режим работы коллектора (24) характеризуется следующей последовательностью событий. В момент разрушения корпуса (2) реактора расплав активной зоны под действием гидростатического и остаточного давлений начинает поступать на поверхность направляющей плиты (1), удерживаемой фермой-консолью (3). Расплав, стекая по направляющей плите (1), нагревает и частично расплавляет ее, заваривая гидравлические связи - патрубки (28) третьей группы - между направляющей плитой (1) и фермой-консолью (3).

При истечении расплава из корпуса (2) реактора зона герметизации направляющей плиты (1) разрушается, расплавом блокируются гидравлические связи - патрубки (28) третьей группы, и прекращается связь между коллектором (24) и внутренним пространством корпуса (4) УЛР. Охлаждение элементов фермы-консоли (3) и защитного бетона (22) осуществляется через стенки (29), (30), (31), (32) коллектора (24). Охлаждающая парогазовая смесь циркулирует, поступая в патрубок (26) первой группы, из которого она поступает в коллектор (24), где нагревается и выходит через патрубки (27) второй группы за пределы шахты (25) реактора в герметичную оболочку. В герметичной оболочке парогазовая смесь расширяется, охлаждается и снова засасывается внутрь шахты (25) реактора через патрубок (26) первой группы в коллектор (24), который обеспечивает циркуляцию парогазовой смеси и охлаждение фермы-консоли (3).

Элементы фермы-консоли (3), а именно, параллельные силовые ребра (15), радиальные силовые ребра (14), внутренняя, средняя и внешняя силовые обечайки (17), (18), (16), а также верхняя и нижняя силовые плиты (19), (20) могут быть выполнены из стали марки 09Г2С.

Диаметр внутренней силовой обечайки (16) равен 5,1 м.

Диаметр средней силовой обечайки (17) равен 5,9 м.

Диаметр внешней силовой обечайки (18) равен 9,2 м.

Высота фермы-консоли (3) равна 2 м.

Таким образом, применение фермы-консоли, состоящей из верхней и нижней силовых плит, параллельных и радиальных секторов, сформированных силовыми ребрами и обечайками, с подведенными к ним патрубками первой, второй и третьей групп, позволяет повысить надежность устройства локализации расплава за счет обеспечения устойчивого охлаждения фермы-консоли в шахте реактора, и тем самым, исключить разрушение фермы-консоли при запроектных авариях в условиях воздействия теплового излучения со стороны зеркала расплава и при конвективной передаче тепла со стороны парогазовой среды.

Источники информации:

1. Патент РФ №2576517, МПК G21C 9/016, приоритет от 16.12.2014 г.;

2. Патент РФ №2576516, МПК G21C 9/016, приоритет от 16.12.2014 г.;

3. Патент РФ №2575878, МПК G21C 9/016, приоритет от 16.12.2014 г.;

4. Устройство локализации расплава для АЭС с ВВЭР-1200, И.А. Сидоров, 7-я МНТК «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР», ОКБ «ГИДРОПРЕСС», Россия, 17-20 мая 2011 г.;

5. Патент РФ №2771264, МПК G21C 9/016, приоритет от 26.10.2021 г.

Изобретение относится к устройствам локализации расплава (далее - УЛР), снабженным сосудом для приема и распределения расплава, в частности к механизмам, обеспечивающим сохранение целостности конструкции УЛР при тяжелых авариях. Ферма-консоль устройства локализации расплава содержит внешние, внутренние параллельные и радиальные секторы, состоящие из параллельных, радиальных силовых ребер, внешней, средней, внутренней обечаек, верхнюю силовую плиту, нижнюю силовую плиту. Радиальные силовые ребра имеют отверстия, в которых установлен коллектор, к которому подведены по меньшей мере один патрубок (26) первой группы, проходящий через отверстие во внешней обечайке по меньшей мере одного из внешних параллельных или радиальных секторов, патрубки второй группы, соединяющие коллектор с отверстиями в верхней силовой плите, патрубки третьей группы, проходящие через среднюю и внутреннюю обечайки и выходящие с внутренней стороны внутренней обечайки. Проходное сечение коллектора больше, чем сумма проходных сечений патрубков второй и третьей групп. Изобретение позволяет повысить надежность устройства локализации расплава. 3 н. и 5 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Ферма-консоль устройства локализации расплава, содержащая внешние, внутренние параллельные и радиальные секторы, состоящие из параллельных, радиальных силовых ребер (15), (14), внешней, средней, внутренней обечаек (16), (18), (17), верхнюю силовую плиту (19), нижнюю силовую плиту (20), отличающаяся тем, что параллельные силовые ребра (15а) внешнего параллельного сектора, предназначенного для соединения с технологическим шлюзом (13), выполнены сплошными, параллельные силовые ребра (15б) внешнего параллельного сектора, лежащего на одной декартовой оси с указанным внешним параллельным сектором (15а) и параллельные силовые ребра (15в) внешних параллельных секторов, лежащих на одной декартовой оси, перпендикулярной оси указанного внешнего параллельного сектора (15а), а также радиальные силовые ребра (14) имеют отверстия (33), в которых установлен коллектор (24), к которому подведены по меньшей мере один патрубок (26) первой группы, проходящий через отверстие (34) во внешней обечайке (16) по меньшей мере одного из внешних параллельных или радиальных секторов, патрубки (27) второй группы, соединяющие коллектор (24) с отверстиями (23 с) в верхней силовой плите (19), патрубки (28) третьей группы, проходящие через среднюю и внутреннюю обечайки (18), (17) и выходящие с внутренней стороны внутренней обечайки (17), при этом проходное сечение коллектора (24) больше, чем сумма проходных сечений патрубков (27), (28) второй и третьей групп.

2. Ферма-консоль устройства локализации расплава, содержащая внешние, внутренние параллельные и радиальные секторы, состоящие из параллельных, радиальных силовых ребер (15), (14), внешней, средней, внутренней обечаек (16), (18), (17), верхнюю силовую плиту (19), нижнюю силовую плиту (20), отличающаяся тем, что параллельные силовые ребра (15а) внешнего параллельного сектора, предназначенного для соединения с технологическим шлюзом (13), выполнены сплошными, параллельные силовые ребра (15б) внешнего параллельного сектора, лежащего на одной декартовой оси с указанным внешним параллельным сектором (15а) и параллельные силовые ребра (15в) внешних параллельных секторов, лежащих на одной декартовой оси, перпендикулярной оси указанного внешнего параллельного сектора (15а), а также радиальные силовые ребра (14) имеют отверстия (33), в которых установлен коллектор (24), к которому подведены по меньшей мере два патрубка (26) первой группы, проходящие через отверстия (34) во внешней обечайке (16) по меньшей мере двух внешних параллельных секторов, лежащих на декартовой оси, перпендикулярной оси внешнего параллельного сектора, предназначенного для соединения с технологическим шлюзом (13), патрубки (27) второй группы, соединяющие коллектор (24) с отверстиями (23 в) в верхней силовой плите (19), патрубки (28) третьей группы, проходящие через среднюю и внутреннюю обечайки (18), (17) и выходящие с внутренней стороны внутренней обечайки (17), при этом проходное сечение коллектора (24) больше, чем сумма проходных сечений патрубков (27), (28) второй и третьей групп.

3. Ферма-консоль устройства локализации расплава, содержащая внешние, внутренние параллельные и радиальные секторы, состоящие из параллельных, радиальных силовых ребер (15), (14), внешней, средней, внутренней обечаек (16), (18), (17), верхнюю силовую плиту (19), нижнюю силовую плиту (20), отличающаяся тем, что параллельные силовые ребра (15а) внешнего параллельного сектора, предназначенного для соединения с технологическим шлюзом (13), выполнены сплошными, параллельные силовые ребра (15б) внешнего параллельного сектора, лежащего на одной декартовой оси с указанным внешним параллельным сектором (15а) и параллельные силовые ребра (15в) внешних параллельных секторов, лежащих на одной декартовой оси, перпендикулярной оси указанного внешнего параллельного сектора (15а), а также радиальные силовые ребра (14) имеют отверстия (33), в которых установлен коллектор (24), к которому подведены по меньшей мере два патрубка (26) первой группы, один из которых проходит через отверстие (34) во внешней обечайке (16), внешнего параллельного сектора, лежащего на одной декартовой оси с внешним параллельным сектором, предназначенным для соединения с технологическим шлюзом (13), а другой проходит через отверстие (34) во внешней обечайке (16) любого из внешних параллельных или радиальных секторов, патрубки (27) второй группы, соединяющие коллектор (24) с отверстиями (23в) в верхней силовой плите (19), патрубки (28) третьей группы, проходящие через среднюю и внутреннюю обечайки (18), (17) и выходящие с внутренней стороны внутренней обечайки (17), при этом проходное сечение коллектора (24) больше, чем сумма проходных сечений патрубков (27), (28) второй и третьей групп.

4. Ферма-консоль устройства локализации расплава по пп. 1-3, отличающаяся тем, что в верхней силовой плите (19) выполнены отверстия (23а), размещенные между отверстиями (23в), предназначенными для соединения с патрубками (35) второй группы.

5. Ферма-консоль устройства локализации расплава по пп. 1, 2, отличающаяся тем, что пространства между внешней силовой обечайкой (16), средней силовой обечайкой (17), коллектором (24), верхней силовой плитой (19), нижней силовой плитой (20), заполнены защитным бетоном (22).

6. Ферма-консоль устройства локализации расплава по п. 3, отличающаяся тем, что внешний параллельный сектор, предназначенный для соединения с технологическим шлюзом (13) и примыкающий к нему внутренний параллельный сектор, а также противоположные внешний параллельный сектор и примыкающий к нему внутренний параллельный сектор, лежащие на одной декартовой оси, выполнены пустыми, а остальные внутренние параллельные и радиальные секторы заполнены защитным бетоном (22).

7. Ферма-консоль устройства локализации расплава по пп. 1-3, отличающаяся тем, что в средней силовой обечайке (18) выполнены отверстия (236).

8. Ферма-консоль устройства локализации расплава по пп. 1-3, отличающаяся тем, что с внешней стороны внешней силовой обечайки (16) установлены лапы-опоры (11) с якорными ребрами (12).