Наполнитель устройства локализации расплава Российский патент 2023 года по МПК G21C9/16 

Изобретение относится к устройствам локализации расплава (далее - УЛР), в частности к жертвенным наполнителям, предназначенным для приема и распределения расплава активной зоны ядерного реактора.

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 повреждение герметичной оболочки АЭС и тем самым защищает население и окружающую среду от радиационного воздействия при тяжелых авариях ядерных реакторов.

Конструктивно, УЛР, как правило, состоит из направляющего устройства, установленного под корпусом реактора, и предназначенного для направления расплава в теплообменную оболочку (корпус УЛР), внутри которой размещен жертвенный материал (наполнитель). Наполнитель может быть выполнен из стальных и оксидных компонентов, содержащих оксиды железа, алюминия, циркония, которые комплектуются в конструкции (брикеты, блоки, кассеты), размещенные в корпусе УЛР определенным образом.

Известен наполнитель [1] УЛР, состоящий из блоков кассет, размещенных таким образом, что в указанном наполнителе формируется приямок для размещения кориума, имеющий ступенчатую, коническую или цилиндрическую форму.

Недостатком наполнителя является то, что, при попадании в корпус УЛР расплава, расплав скапливается в центральной части в области днища корпуса УЛР. Это может привести к концентрации тепловой энергии в ограниченной площади и, следовательно, к локальной деформации и разрушению корпуса УЛР.

Известен наполнитель [2] УЛР, состоящий из нескольких верхних и нижней кассет, в каждой из которых выполнены один центральный и несколько периферийных вертикальных каналов-накопителей, горизонтальных радиальных каналов-распределителей, соединяющих вертикальные периферийные каналы-накопители с центральным вертикальным каналом-накопителем, при этом горизонтальные радиальные каналы-распределители нижней кассеты выполнены с уклоном, угол которого совпадает с уклоном корпуса УЛР, горизонтальные азимутальные каналы-распределители, соединяющие вертикальные периферийные каналы-накопители верхних кассет друг с другом.

Недостатком наполнителя является то, что, при попадании в корпус УЛР расплава, расплав скапливается в центральной части в области днища корпуса УЛР. Это может привести к концентрации тепловой энергии в ограниченной площади и, следовательно, к локальной деформации и разрушению корпуса УЛР.

Наиболее близким к заявленному изобретения является наполнитель [3] УЛР, содержащий брикеты материала-разбавителя урансодержащего оксидного кориума, размещенные в стальных блоках, установленных в несколько горизонтальных слоев, при этом днище нижнего блока идентично по форме днищу корпуса УЛР, расположенные над ним блоки имеют центральное отверстие, а узлы крепления указанных блоков к корпусу УЛР и между собой размещены в вертикальных прорезях.

Недостатком наполнителя является то, что, при попадании в корпус УЛР расплава, расплав скапливается в центральной части в области днища корпуса УЛР. Это может привести к концентрации тепловой энергии в ограниченной площади и, следовательно, к локальной деформации и разрушению корпуса УЛР.

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

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание наполнителя УЛР, обеспечивающего эффективное распределение расплава активной зоны ядерного реактора в объеме корпуса УЛР содержащим наполнитель, при этом должны быть исключены локальные зоны перегрева корпуса УЛР.

Поставленная задача решается за счет того, что в наполнителе устройства локализации расплава, содержащем пластины материала-разбавителя ураносодержащего оксидного кориума, связанные цементным раствором и размещенные в нижнем, средних и верхнем стальных блоках, согласно изобретению, нижний стальной блок содержит корпус с крышкой и днищем, углубленным к центру, металлоконструкцию, состоящую из центральной шестиугольной равносторонней обечайки, к граням которой подсоединены радиальные секторы, один конец каждого сектора соединен с одной гранью обечайки, между радиальными секторами и стенками корпуса размещены четырехугольные трапециевидные, шестиугольные равносторонние ячейки, заполненные защитным бетоном и пластинами из оксидов железа и бетона.

Существенным признаком изобретения является то, что в наполнителе, содержащем пластины материала-разбавителя ураносодержащего оксидного кориума, связанные цементным раствором и размещенные в нижнем, средних и верхнем стальных блоках, нижний стальной блок содержит корпус с крышкой и днищем, углубленным к центру, при этом указанный блок содержит металлоконструкцию, которая состоит из центральной шестиугольной равносторонней обечайки, к граням которой подсоединены радиальные секторы. Один конец каждого сектора соединен с одной гранью обечайки, а между радиальными секторами и стенками корпуса размещены четырехугольные трапециевидные, шестиугольные равносторонние ячейки, заполненные защитным бетоном и пластинами из оксидов железа и бетона.

Такая конструкция нижнего стального блока позволяет обеспечить равномерное распределение расплава в нижней части корпуса УЛР за счет его планомерного перетекания через четырехугольные трапециевидные, шестиугольные равносторонние ячейки с защитным бетоном и пластинами из оксидов железа и бетона.

Применение шестиугольной равносторонней металлоконструкции обеспечивает распределение расплава за счет своей массивной конструкции, при этом не происходит захолаживание кориума, которое может привести к локальной кристаллизации расплава, что не позволит расплаву вступить в реакцию с пластинами материала-разбавителя расположенного в четырехугольных трапециевидных и шестиугольных равносторонних ячейках, заполненных защитным бетоном и пластинами из оксидов железа и бетона.

На фиг. 1 представлен общий вид в разрезе устройства локализации расплава с наполнителем, выполненным в соответствии с заявленным изобретением.

На фиг. 2 представлен вид сбоку нижнего стального блока, выполненного в соответствии с заявленным изобретением.

На фиг. 3 представлен вид сверху нижнего стального блока наполнителя, выполненного в соответствии с заявленным изобретением.

На фиг. 4 представлен вид сбоку нижнего стального блока в составе наполнителя, выполненного в соответствии с заявленным изобретением.

Заявляемое изобретение работает следующим образом.

Заявленное устройство локализации расплава (далее - УЛР) представляет собой устройство тигельного типа, размещенное в подреакторном пространстве бетонной шахты.

Как показано на фиг. 1, УЛР содержит направляющую плиту (1), установленную под корпусом реактора (не показан), ферму-консоль (2), корпус (3) УЛР, установленный в шахте (4) реактора и предназначенный для приема и размещения в своем объеме расплава кориума, а также для предотвращения выхода его за установленные границы зоны локализации.

Кориум состоит из двух основных компонентов: оксидного (главные компоненты которого - смесь оксидов урана, циркония, железа с небольшим количеством металлов) и металлического (главные компоненты которого -смесь железа, циркония с некоторым количеством оксидов урана, циркония, железа).

Корпус (3) УЛР заполнен наполнителем (5), а именно жертвенным материалом из композиции стали и относительно легких и легкоплавких оксидов, которые, в соответствии с заявленным изобретением, выполнены в виде элементов, скомпонованных в пластины (6), установленные друг на друга.

При протекании тяжелой запроектной аварии наполнитель (5) обеспечивает подкритичность кориума в установленных границах зоны локализации.

Для обеспечения подкритичности кориума наполнитель (5) имеет в своем составе поглощающие материалы, сокристаллизующиеся с оксидами урана и плутония.

Для изменения свойств кориума в наполнителе (5) могут применяться жертвенные керамические материалы на основе оксида железа Fe₂O₃ (гематит) и оксида алюминия Al₂O₃.

Гематит активно взаимодействует с оксидной частью кориума и расплавленным цирконием из его металлической компоненты, но медленно с расплавленным железом и хромом металлической составляющей кориума.

Как показано на фиг. 2-4, наполнитель (5) содержит пластины (6) материала-разбавителя ураносодержащего оксидного кориума, связанные цементным раствором и размещенные в нижнем, средних и верхнем стальных блоках (7), нижний стальной блок (7а) содержит корпус (8) с крышкой (9) и днищем (10), углубленным к центру, при этом указанный блок (7а) содержит металлоконструкцию (11), которая состоит из центральной шестиугольной равносторонней обечайки (12), к граням (13) которой подсоединены радиальные секторы (14). Один конец (15) каждого сектора (14) соединен с одной гранью (13) обечайки (12), а между радиальными секторами (14) и стенками корпуса (8) размещены четырехугольные трапециевидные, шестиугольные равносторонние ячейки (16), заполненные защитным бетоном (17) и пластинами (6) из оксидов железа и бетона. Основная масса поступающего расплава активной зоны в УЛР, направляемого воронкообразной направляющей плитой (1), попадает преимущественно в центральную область корпуса (3) УЛР в котором размещены нижний, средний, верхние блоки (7а), (7б), (7в) наполнителя (5). Верхний и средние блоки (7в), (7б) наполнителя (5) имеют центральные отверстия (18). Нижний блок наполнителя, за счет своего расположения, воспринимает основную первоначальную нагрузку поступающего кориума. Кориум, направляемый направляющей плитой (1), поступает в наполнитель (5). Основная масса расплава, проходя через центральные отверстия (18) в верхнем и средних блоках (7в), (7б) наполнителя (5), поступает на шестигранную металлоконструкцию (11). За счет массивной конструкции кориум не успевает расплавить металлоконструкцию рассекателя и происходит распределение расплава к пластинам (6) материала-разбавителя, расположенного внутри блоков (7а) наполнителя (5) в четырехугольных трапециевидных и шестиугольных равносторонних ячейках (16), заполненных защитным бетоном (17) и пластинами (6) из оксидов железа и бетона. Происходит постепенное расплавление пластин (6) из оксидов железа и защитного бетона (17) в кориуме, за счет чего происходит постепенное разбавление ураносодержащего расплава материалами наполнителя (5), охлаждение кориума и обеспечивается его подкритичность. Постепенное расплавление наполнителя (5) в кориуме обеспечивает равномерное охлаждение расплава, позволяющее избежать образования зон локального перегрева корпуса (3) УЛР. Шестигранная металлоконструкция (11) позволяет равномерно распределить кориум на большую площадь наполнителя (5), содержащего пластины (6) из оксидов железа.

Таким образом, применение наполнителя (5), выполненного в соответствии с заявленным изобретением, содержащего блоки (7) материала-разбавителя ураносодержащего оксидного кориума, связанные цементным раствором и размещенные в нижнем, средних и верхнем стальных блоках (7а), (7б), (7в), в котором нижний стальной блок (7а) содержит корпус (8) с крышкой (9) и днищем (10), углубленным к центру, металлоконструкцию (11), состоящую из центральной шестиугольной равносторонней обечайки (12), к граням (13) которой подсоединены радиальные секторы (14), один конец (15) каждого сектора (14) соединен с одной гранью (13) обечайки (12), между радиальными секторами (14) и стенками корпуса (8) размещены четырехугольные трапециевидные, шестиугольные равносторонние ячейки (16), заполненные защитным бетоном (17) и пластинами (6) из оксидов железа и бетона, позволило повысить надежность УЛР за счет равномерного распределения расплава в объеме корпуса (3) УЛР, обеспечивает равномерное охлаждение расплава, не приводит к локальным перегревам корпуса (3) УЛР.

Источники информации:

1. Патент РФ №2696004, МПК G21C 9/016, приоритет от 29.08.2018 г.

2. Патент РФ №2696612, МПК G21C 9/016, приоритет от 26.12.2018 г.

3. Патент РФ №2514419, МПК G21C 9/016, приоритет от 01.06.2012 г.

Изобретение относится к устройствам локализации расплава (далее - УЛР), в частности к жертвенным наполнителям, предназначенным для приема и распределения расплава активной зоны ядерного реактора. Наполнитель устройства локализации расплава содержит брикеты материала-разбавителя ураносодержащего оксидного кориума, связанные цементным раствором и размещенные в нижнем, средних и верхнем стальных блоках. Нижний стальной блок содержит корпус с крышкой и днищем, углубленным к центру, и металлоконструкцию. Металлоконструкция состоит из центральной шестиугольной равносторонней обечайки, к граням которой подсоединены радиальные секторы, один конец каждого сектора соединен с одной гранью обечайки, между радиальными секторами и стенками корпуса размещены четырехугольные трапециевидные, шестиугольные равносторонние ячейки, заполненные защитным бетоном и пластинами из оксидов железа и бетона. Изобретение позволяет повысить надежность устройства локализации расплава. 4 ил.

Наполнитель устройства локализации расплава, содержащий брикеты материала-разбавителя ураносодержащего оксидного кориума, связанные цементным раствором и размещенные в нижнем, средних и верхнем стальных блоках, отличающийся тем, что нижний стальной блок содержит корпус с крышкой и днищем, углубленным к центру, металлоконструкцию, состоящую из центральной шестиугольной равносторонней обечайки, к граням которой подсоединены радиальные секторы, один конец каждого сектора соединен с одной гранью обечайки, между радиальными секторами и стенками корпуса размещены четырехугольные трапециевидные, шестиугольные равносторонние ячейки, заполненные защитным бетоном и пластинами из оксидов железа и бетона.