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

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.

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.

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

Задачами, на решение которых направлено заявленное изобретение, являются следующие:

- обеспечение при запроектных авариях подачи воды в пространство внутри корпуса УЛР для снижения температуры парогазовой смеси и обеспечения конвективного охлаждения оборудования УЛР, расположенного над зеркалом расплава;

- обеспечение при запроектных авариях подачи воды на поверхность расплава для снижения воздействия теплового излучения со стороны зеркала расплава на расположенное выше оборудование УЛР и для прекращения выхода аэрозолей.

Поставленная задача решается за счет реализации следующих вариантов изобретения.

Вариант 1.

В соответствии с первым вариантом ферма-консоль устройства локализации расплава, содержащая силовой каркас, состоящий из параллельных и радиальных силовых ребер (1), (2), внешней, средней и внутренней обечаек (3), (4), (5), верхней силовой плиты (6) и нижней силовой плиты (7), формирующих внешние параллельные первый, второй, третий и четвертый секторы (8), (9), (10), (11), внутренние параллельные первый, второй, третий и четвертый секторы (12), (13), (14), (15) и размещенные между ними радиальные секторы (16) таким образом, что параллельные первый внешний и первый внутренний секторы (8), (12) лежат на одной декартовой оси с параллельным третьим внешним и третьим внутренними секторами (10), (14) и перпендикулярны оси, на которой лежат параллельные второй внешний и второй внутренний секторы (9), (13) а также параллельные четвертый внешний и четвертый внутренний секторы (11), (15), согласно изобретению, дополнительно содержит коллектор (17) фиг. 1, проходящий от радиальных ребер внешних радиальных секторов (16а), (16б), примыкающих к первому параллельному внешнему сектору (8), через внешние параллельные второй, третий и четвертый секторы (9), (10), (11), а также внешние радиальные секторы (16), первый и второй патрубки (18а), (18б) фиг. 1, проходящие через внешнюю силовую обечайку (3) и предназначенные для соединения коллектора (17) с трубопроводами (19), расстояние от первого патрубка (18а) до одного конца коллектора (17) меньше расстояния от второго патрубка (18б) до другого конца указанного коллектора (17), раздающие патрубки (20) фиг. 2, фиг. 3, соединенные снизу с коллектором (17) и проходящие от него через среднюю силовую обечайку (4), разбрызгивающие устройства (21) фиг. 2, фиг. 3 размещенные в некоторых внутренних радиальных секторах и соединенные с раздающими патрубками (20), при этом внешний параллельный первый сектор (8) и внутренний параллельный первый сектор (12) выполнены пустыми, а остальные внешние и внутренние параллельные и радиальные секторы заполнены защитным бетоном (22).

Дополнительно в ферме-консоли, согласно изобретению, с внешней стороны внешней силовой обечайки (3) установлены лапы-опоры (23) с якорными ребрами (24), что позволяет повысить надежность крепления фермы-консоли к шахте реактора.

В соответствии с первым вариантом существенным признаком заявленного изобретения является применение в ферме-консоли коллектора (17) с подсоединенными к нему патрубками (18), (20), трубопроводами (19), разбрызгивающими устройствами (21), что позволяет сформировать единый контур водяного охлаждения, который за счет гидростатической подачи охлаждающей воды от внешних систем обеспечивает ее перераспределение внутри единого коллектора (17) независимо от разности расходов охлаждающей воды в каждом из патрубков (18), обеспечивает эффективное водяное, пароводяное и парогазовое охлаждение фермы-консоли, направляющей плиты, тепловой защиты фланца корпуса и зеркала расплава в процессе локализации расплава в корпусе УЛР, препятствуя перегреву фермы-консоли и направляющей плиты, обеспечивая их прочность и устойчивость к внешним воздействиям в условиях прямого воздействия теплового излучения со стороны зеркала расплава и улучшая отток тепла от горячих областей силового каркаса и защитного бетона фермы-консоли при длительном нагреве.

Кроме того, при отказе клапанов подачи воды, контур водяного охлаждения, сформированный за счет коллектора (17) фиг. 1 с подсоединенными к нему патрубками (18) фиг. 1, (20) фиг. 2, трубопроводами (19) фиг. 1, разбрызгивающими устройствами (21) фиг. 1, позволяет обеспечить эффективное водяное охлаждение зеркала расплава водой, поступающей из патрубков (18) в коллектор (17), по которому вода перераспределяется в патрубки (20) фиг. 2, фиг. 3, из которых через разбрызгивающие устройства (21) фиг. 2, фиг. 3, она напрямую или опосредованно поступает в парогазовую среду, находящуюся над зеркалом расплава.

Кроме того, контур водяного охлаждения, сформированный за счет коллектора (17) с подсоединенными к нему патрубками (18), (20), трубопроводами (19), разбрызгивающими устройствами (21), обеспечивает снижение и выравнивание температуры фермы-консоли, направляющей плиты и фланца корпуса УЛР, снижение температуры шлаковой шапки и корки, находящихся на поверхности расплава, снижение температуры парогазовой среды, находящейся над поверхностью расплава, что приводит к охлаждению днища корпуса ядерного реактора и окружающих его элементов оборудования шахты реактора.

Кроме того, контур водяного охлаждения, сформированный за счет коллектора (17) с подсоединенными к нему патрубками (18), (20), трубопроводами (19), разбрызгивающими устройствами (21) обеспечивает дополнительное охлаждение фермы-консоли за счет перетоков тепла по элементам фермы-консоли и по защитному бетону к элементам, формирующим указанный контур.

Вариант 2.

В соответствии со вторым вариантом ферма-консоль устройства локализации расплава, содержащая силовой каркас, состоящий из параллельных и радиальных силовых ребер (1), (2), внешней, средней и внутренней обечаек (3), (4), (5), верхней силовой плиты (6) и нижней силовой плиты (7), формирующих внешние параллельные первый, второй, третий и четвертый секторы (8), (9), (10), (11), внутренние параллельные первый, второй, третий и четвертый секторы (12), (13), (14), (15) и размещенные между ними радиальные секторы (16) таким образом, что параллельные первый внешний и первый внутренний секторы (8), (12) лежат на одной декартовой оси с параллельным третьим внешним и третьим внутренними секторами (10), (14) и перпендикулярны оси, на которой лежат параллельные второй внешний и второй внутренний секторы (9), (13) а также параллельные четвертый внешний и четвертый внутренний секторы (11), (15), согласно изобретению, дополнительно содержит первый коллектор (17а) фиг. 4, проходящий от радиального ребра внешнего радиального сектора (16а), примыкающего к первому параллельному внешнему сектору (8), через внешний второй параллельный сектор (9), до радиального ребра внешнего радиального сектора (16в), примыкающего к третьему параллельному внешнему сектору (10), первый патрубок (18а) фиг. 5, проходящий через внешнюю силовую обечайку (3) и предназначенный для соединения с первым трубопроводом (19а) фиг. 5 таким образом, что расстояние от первого патрубка (18а) до одного конца первого коллектора (17а) меньше расстояния до его другого конца, второй коллектор (17б) фиг. 4, проходящий от радиального ребра внешнего радиального сектора (16б), примыкающего к первому параллельному внешнему сектору (8), через внешний четвертый параллельный сектор (11), до радиального ребра внешнего радиального сектора (16г), примыкающего к третьему параллельному внешнему сектору (10), второй патрубок (18б) фиг. 5, проходящий через внешнюю силовую обечайку (3) и предназначенный для соединения со вторым трубопроводом (19б) фиг. 5 таким образом, что расстояние от второго патрубка (18б) до одного конца второго коллектора (17б) меньше расстояние до его другого конца, раздающие патрубки (20) фиг. 2, фиг. 3, соединенные снизу с первым и вторым коллекторами (17а), (17б) и проходящие от них через среднюю силовую обечайку (4), разбрызгивающие устройства (21) фиг. 2, фиг. 3, размещенные в некоторых внутренних радиальных секторах и соединенные с раздающими патрубками (20), внешние параллельные первый и третий секторы (8), (10), внутренние параллельные первый и третий секторы (12), (14) выполнены пустыми, а остальные внешние и внутренние параллельные и радиальные секторы заполнены защитным бетоном (22).

Дополнительно, в ферме-консоли, согласно изобретению, с внешней стороны внешней силовой обечайки (3) установлены лапы-опоры (23) с якорными ребрами (24), что позволяет повысить надежность крепления фермы-консоли к шахте реактора.

В соответствии со вторым вариантом существенным признаком заявленного изобретения является применение в ферме-консоли первого коллектора (17а) фиг. 4 с первым патрубком (18а) фиг. 5, соединенным с первым трубопроводом (19а) фиг. 5 таким образом, что расстояние от первого патрубка (18а) до одного конца первого коллектора (17а) меньше расстояния до его другого конца, и применение второго коллектора (17б) фиг. 4 со вторым патрубком (18б) фиг. 5, соединенным со вторым трубопроводом (19б) фиг. 5 таким образом, что расстояние от второго патрубка (18б) до одного конца второго коллектора (17б) меньше расстояние до его другого конца. К первому (17а) и второму (17б) независимым коллекторам присоединены патрубки (20) фиг. 2, фиг. 3, с разбрызгивающими устройствами (21) фиг. 2, фиг. 3, что позволяет сформировать два независимых контура водяного охлаждения, которые за счет гидростатической подачи охлаждающей воды от внешних систем обеспечивают независимое друг от друга эффективное водяное, пароводяное и парогазовое охлаждение фермы-консоли, направляющей плиты, тепловой защиты фланца корпуса и зеркала расплава в процессе локализации расплава в корпусе УЛР, препятствуя перегреву фермы-консоли и направляющей плиты, обеспечивая их прочность и устойчивость к внешним воздействиям в условиях прямого воздействия теплового излучения со стороны зеркала расплава и улучшая отток тепла от горячих областей силового каркаса и защитного бетона фермы-консоли при длительном нагреве.

Кроме того, при отказе клапанов подачи воды, контур водяного охлаждения, сформированный за счет коллекторов (17а) и (17б) фиг. 5 с подсоединенными к нему патрубками (18а), (18б) фиг. 5 и патрубками (20) фиг. 2, фиг. 3, трубопроводами (19а), (19б) фиг. 5, разбрызгивающими устройствами (21) фиг. 2, фиг. 3, позволяет обеспечить эффективное водяное охлаждение зеркала расплава водой, поступающей из патрубков (18а), (18б) в коллекторы (17а), (17б), по которым вода перераспределяется в патрубки (20), из которых через разбрызгивающие устройства (21), она напрямую или опосредованно поступает в парогазовую среду, находящуюся над зеркалом расплава.

Кроме того, контур водяного охлаждения, сформированный за счет коллекторов (17а), (17б) с подсоединенными к ним патрубками (18а), (18б), (20), трубопроводами (19а), (19б), разбрызгивающими устройствами (21), обеспечивает снижение и выравнивание температуры фермы-консоли, направляющей плиты и фланца корпуса УЛР, снижение температуры шлаковой шапки и корки, находящихся на поверхности расплава, снижение температуры парогазовой среды, находящейся над поверхностью расплава, что приводит к охлаждению днища корпуса ядерного реактора и окружающих его элементов оборудования шахты реактора.

Кроме того, контур водяного охлаждения, сформированный за счет коллекторов (17а), (17б) с подсоединенными к нему патрубками (18а), (18б), (20), трубопроводами (19а), (19б), разбрызгивающими устройствами (21), обеспечивает дополнительное охлаждение фермы-консоли за счет перетоков тепла по элементам фермы-консоли и по защитному бетону к элементам, формирующим указанный контур.

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

На фиг. 2а изображена ферма-консоль (без верхней силовой плиты) устройства локализации расплава с элементами контура водяного охлаждения, выполненная в соответствии с заявленным изобретением.

На фиг. 2б изображена часть фермы-консоли с верхней силовой плитой.

На фиг. 3 изображена в разрезе часть фермы-консоли (без верхней силовой плиты), выполненная в соответствии с заявленным изобретением.

На фиг. 4 изображен вид сверху фермы-консоли с двумя коллекторами.

На фиг. 5а изображена часть фермы-консоли с двумя коллекторами с местом установки одного из патрубков в первый коллектор.

На фиг. 5б изображена часть фермы-консоли с двумя коллекторами с местом установки одного из патрубков во второй коллектор.

На фиг. 6 изображен общий вид устройства локализации расплава.

Как показано на фиг. 1-6, устройство локализации расплава содержит направляющую плиту (25), установленную под корпусом (26) ядерного реактора и опирающуюся на ферму-консоль (27). Под фермой-консолью (27) установлен корпус (28) УЛР с наполнителем (29) для приема и распределения расплава. В верхней части корпуса (28) УЛР выполнен фланец (30), снабженный тепловой защитой (31). Наполнитель (29) состоит из нескольких установленных друг на друга кассет (32), каждая из которых содержит одно центральное и несколько периферийных отверстий (33). В зоне между верхней кассетой (32) и фланцем (30) корпуса (28) УЛР по периметру корпуса (28) УЛР расположены клапаны (34) подачи воды. Ферма-консоль (27) содержит силовой каркас, который состоит из радиальных силовых ребер (2) (фиг. 2, 3), параллельных силовых ребер (1), внешней силовой обечайки (3), внутренней силовой обечайки (4), средней силовой обечайки (5), верхней силовой плиты (6) (фиг. 1), нижней силовой плиты (7). Внутри фермы-консоли (27) сформирован контур водяного охлаждения, состоящий из коллектора (17) (фиг. 2) с подсоединенными к нему патрубками (18), (20), трубопроводами (19), разбрызгивающими устройствами (21). С внешней стороны внешней силовой обечайки (16) установлены лапы-опоры (23) (фиг. 4) с якорными ребрами (24).

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 (27) устанавливается градиент температур, что приводит к перетокам тепла по элементам силового каркаса фермы-консоли (27). Улучшение оттока тепла от горячих областей силового каркаса и защитного бетона (22) при длительном нагреве обеспечивает за счет контура водяного охлаждения, сформированного из коллектора (17) с подсоединенными к нему патрубками (18), (20), трубопроводами (19), разбрызгивающими устройствами (21), который выполняет свои функции в следующих режимах:

- режим 1 - при запроектных авариях при отказе открытия клапанов (34) подачи воды, но после завершения следующих процессов: прекращения поступления расплава активной зоны из корпуса (26) ядерного реактора в наполнитель (29), растворения основной массы наполнителя (29) в расплаве, завершения инверсии оксидной и металлической компонентов расплава в корпусе (28) УЛР;

- режим 2 - при запроектных авариях после открытия клапанов (34) подачи воды на стадии охлаждения расплава активной зоны в корпусе (28) УЛР в режиме конвективного тепломассопереноса парокапельной среды между шахтой (35) реактора и внутренним объемом корпуса (28) УЛР в условиях положения уровня охлаждающей воды в шахте (35) реактора ниже уровня расположения клапанов (34) подачи воды;

- режим 3 - при запроектных авариях после открытия клапанов (34) подачи воды на стадии охлаждения расплава активной зоны в корпусе (28) УЛР в режиме поступления охлаждающей воды из шахты (35) реактора во внутренний объем корпуса (28) УЛР в условиях положения уровня охлаждающей воды в шахте реактора (35) выше уровня расположения клапанов (34) подачи воды.

В режиме 1 в условиях протекания запроектной аварии при отказе открытия клапанов (34) подачи воды, но после прекращения поступления расплава активной зоны из корпуса (26) ядерного реактора в наполнитель (29), растворения основной массы наполнителя (29) в расплаве, завершения инверсии оксидной и металлической компонентов расплава в корпусе (28) УЛР, происходят следующие процессы. После формирования зеркала расплава в корпусе (28) УЛР лучистые тепловые потоки начинают оказывать тепловое воздействие на оборудование системы локализации и охлаждения расплава активной зоны ядерного реактора. Лучистые тепловые потоки со стороны зеркала расплава нагревают тепловую защиту (31) фланца (30) корпуса (28) УЛР и ферму-консоль (27). Парогазовая среда, находящаяся над зеркалом расплава, разогревается и поднимается вверх к днищу корпуса (26) ядерного реактора. Разогрев парогазовой среды происходит не только от зеркала расплава, но и от тепловой защиты (31) фланца (30) корпуса (28) УЛР, фермы-консоли (27) и направляющей плиты (25). Тепло, выделяемое расплавом активной зоны, увеличивает скорость конвективных потоков парогазовой смеси между направляющей плитой (25), корпусом (26) ядерного реактора. Под действием конвективных тепловых потоков нагревается нижняя силовая плита (7) фермы-консоли (27) и увеличиваются теплообменные процессы в разбрызгивающих устройствах (21). Парогазовая смесь, нагреваясь в разбрызгивающих устройствах (21), по раздающим патрубкам (20) поступает в коллектор (17) фиг. 1, фиг. 5. Соединенные с водяным коллектором (17) патрубки (18) фиг. 1, фиг. 5 отсечены от внешних систем подачи воды, поэтому парогазовая смесь, циркулируя в коллекторе (17) и раздающих патрубках (20), выравнивает свою температуру в соответствии с температурой стенок коллектора (17) и раздающих патрубков (20), которые передают тепло через слой защитного бетона (22) к нижней силовой плите (7), охлаждаемой водой или пароводяной смесью, циркулирующей в шахте (35) реактора.

Во время первой подачи воды от внешних систем в патрубки (18) происходит смешение воды с паром, в результате чего происходит быстрая конденсация пара и резкое падение местного давления внутри патрубка (18). Пар из коллектора (17) начинает поступать в патрубок (18), повышая давление в нем, что приводит к снижению расхода воды, поступающей в патрубок (18), вплоть до временного прекращения расхода.

Из патрубка (18) охлаждающая вода начинает поступать в коллектор (17), заполненный парогазовой смесью. Двигаясь по коллектору (17), поток воды конденсирует пар и разгоняется, формируя фронт ударной волны. Два фронта, двигаясь из одной точки в коллекторе (17) в противоположные стороны навстречу друг другу, встретятся на противоположной стороне указанного коллектора (17). Результат встречи - гидроудар в соответствии с интерференционной картиной взаимодействия. Более сложная картина наблюдается при одновременном поступлении воды в коллектор (17) из двух и более патрубков (18). Для снижения амплитуды автоколебаний и уменьшения их разрушительной силы выполнены следующие меры:

- в варианте 1 фиг. 1 коллектор (17) выполняют разомкнутым, что исключает прямое лобовое столкновение ударных волн, движущихся навстречу друг другу и смягчает последующее лобовое столкновение отраженных ударных волн при движении в обратном направлении;

- в варианте 2 фиг. 4, 5 коллекторы (17а), (17б) выполняют разомкнутыми, что исключает прямое лобовое столкновение ударных волн, движущихся навстречу друг другу и смягчает последующее лобовое столкновение отраженных ударных волн при движении в обратном направлении;

- в варианте 1 фиг. 1 патрубки (18а), (18б) врезают несимметрично в коллектор (17), относительно расположения его торцевых стенок, в качестве которых используются радиальные ребра внешних радиальных секторов (16а), (16б), таким образом, что расстояние от одной торцевой стенки до первого патрубка (18а) не равно расстоянию от другой торцевой стенки до второго патрубка (18б). Таким образом, для каждого из приемных патрубков (18а) и (18б) расстояние до торцевых стенок коллектора (17) будет различным. Это позволяет обеспечить пространственное смещение максимальных ударных воздействий относительно положения патрубков (18а) и (18б);

- в варианте 2 фиг. 4, 5 патрубки (18а), (18б) врезают несимметрично в коллекторы (17а), (17б) относительно расположения торцевых стенок коллекторов (17а), (17б), в качестве которых используются радиальные ребра внешних радиальных секторов (16а), (16б), (16в), (16г), таким образом, что расстояние от одной торцевой стенки до первого патрубка (18а) не равно расстоянию от него до другой торцевой стенки, а расстояние от одной торцевой стенки до второго патрубка (18б) не равно расстоянию от него до другой торцевой стенки. Таким образом, для каждого из приемных патрубков (18а) и (18б) расстояние до торцевых стенок коллекторов (17а), (17б) будет различным. Это позволяет обеспечить пространственное смещение максимальных ударных воздействий относительно положения патрубка (18а) в коллекторе (17а) и относительно положения патрубка (186) в коллекторе (17б);

- внутри фермы-консоли (27) элементы (17), (18), (20), (21), формирующие контур водяного охлаждения, с внешней стороны залиты защитным бетоном (22), обеспечивающим их целостность при гидроударах и вибрациях;

- в варианте 1 фиг. 1 раздающие патрубки (20) врезаны снизу в коллектор (17), что уменьшает поступление парогазовой смеси в коллектор (17) в процессе движения ударных волн и обеспечивает удаление воды через раздающие патрубки (20), что приводит к ослаблению ударных конденсационных волн и гашению или существенному ослаблению автоколебаний охлаждающей воды внутри коллектора (17).

- в варианте 2 фиг. 4, 5 раздающие патрубки (20) врезаны снизу в коллекторы (17а), (17б), что уменьшает поступление парогазовой смеси в коллекторы (17а), (17б) в процессе движения ударных волн и обеспечивает удаление воды через раздающие патрубки (20), что приводит к ослаблению ударных конденсационных волн и гашению или существенному ослаблению автоколебаний охлаждающей воды внутри коллектора (17).

Из коллектора (17) в варианте 1 и из коллекторов (17а), (17б) в варианте 2 охлаждающая вода поступает в раздающие патрубки (20), расположенные радиально с, примерно, одинаковым азимутальным шагом. Первоначальное поступление охлаждающей воды сопровождается кипением и временным запиранием расхода воды в раздающих патрубках (20), но, по мере остывания стенок раздающих патрубков (20) и охлаждения парогазовой смеси, находящейся внутри раздающих патрубков (20), расход охлаждающей воды стабилизируется и становится устойчивым.

Из патрубков (20) сначала пароводяная смесь, а затем и вода начинают поступать в разбрызгивающие устройства (21), в которых за счет гидродинамических завихрений происходит разбрызгивание охлаждающей воды и ее капельно-струйное безнапорное (гравитационное) движение вниз. Поступление охлаждающей воды из контура водяного охлаждения, сформированного из коллектора (17) в варианте 1 и из коллекторов (17а), (17б) в варианте 2 с подсоединенными патрубками (18), раздающими патрубками (20), трубопроводами (19), разбрызгивающими устройствами (21), на зеркало расплава, сопровождается пароводяным охлаждением шлаковой шапки и тонкой корки на поверхности расплава. Поступающая вода из сформированного контура водяного охлаждения быстро снижает температуру парогазовой среды над зеркалом расплава. Водоохлаждаемая корка над зеркалом расплава стабилизируется. Температура тепловой защиты (31) фланца (30) корпуса (28) УЛР, температура фермы-консоли (27) и направляющей плиты (25) постепенно снижается и устанавливается близкой к температуре насыщенного пара. В этот период на корке расплава появляется уровень воды. Масса выкипающей воды становится меньше массы воды, поступающей из контура водяного охлаждения во внутреннее пространство корпуса (28) УЛР. Этот процесс заканчивается образованием уровня воды внутри корпуса (28) УЛР. Насыщенный пар из корпуса (28) УЛР поднимается вверх и, достигнув внутреннего пространства, ограниченного внутренней силовой обечайкой (5) фермы-консоли (27), движется двумя путями:

- первый путь - внутрь корпуса (26) ядерного реактора и далее в герметичную оболочку за пределами шахты (35) реактора;

- второй путь - вдоль наружной поверхности корпуса (26) ядерного реактора за пределы шахты (35) реактора в герметичную оболочку.

Достигнув герметичного объема, парогазовая смесь расширяется и охлаждается.

В режиме 2 в условиях протекания запроектной аварии после открытия клапанов (34) подачи воды на стадии охлаждения расплава активной зоны в корпусе (28) УЛР в режиме конвективного тепломассопереноса парокапельной среды между шахтой (35) реактора и внутренним объемом корпуса (28) УЛР в условиях положения уровня охлаждающей воды в шахте (35) реактора ниже уровня расположения клапанов (34) подачи воды, происходят следующие процессы. При срабатывании на открытие клапанов (34) подачи воды в условиях низкого положения уровня воды в шахте (35) реактора возможно нарушение охлаждения наружной поверхности корпуса (28) УЛР, приводящее к его перегреву. Для исключения этого явления необходимо увеличить уровень охлаждающей воды в шахте (35) реактора. С этой целью охлаждающая вода из внутренних источников или с внешней стороны герметичной оболочки, например, от пожарных машин, подается через патрубки (18) в коллектор (17) в варианте 1 и в коллекторы (17а), (17б) в варианте 2, откуда через раздающие патрубки (20) и разбрызгивающие устройства (21), поступает внутрь корпуса (28) УЛР. Температура внутри корпуса (28) УЛР стабилизируется, насыщенный пар из корпуса (28) УЛР поднимается вверх и, достигнув внутреннего пространства, ограниченного внутренней силовой обечайкой (5) фермы-консоли, движется двумя путями:

- первый путь - внутрь корпуса (26) ядерного реактора и далее в герметичную оболочку за пределами шахты (35) реактора;

- второй путь - вдоль наружной поверхности корпуса (26) ядерного реактора за пределы шахты (35) реактора в герметичную оболочку.

По мере охлаждения зеркала расплава постепенно повышается уровень воды внутри корпуса (28) УЛР и достигает клапанов (34) подачи воды, расположенных в корпусе (28) УЛР. Через ранее сработавшие на открытие клапаны (34) подачи воды охлаждающая вода переливается в шахту (35) реактора, повышая уровень воды в ней. Этот процесс идет до выравнивания уровней воды в шахте (35) реактора и внутри корпуса (28) УЛР.

В режиме 3 в условиях протекания запроектной аварии после открытия клапанов (34) подачи воды на стадии охлаждения расплава активной зоны в корпусе (28) УЛР в режиме поступления охлаждающей воды из шахты (35) реактора во внутренний объем корпуса (28) УЛР в условиях положения уровня охлаждающей воды в шахте (35) реактора выше уровня расположения клапанов (34) подачи воды, происходят следующие процессы. Начинается пароводяное охлаждение шлаковой шапки и тонкой корки на поверхности расплава. Поступающая вода из клапанов (34) подачи воды быстро снижает температуру парогазовой среды над зеркалом расплава. Водоохлаждаемая корка над зеркалом расплава стабилизируется. Температура тепловой защиты (31) фланца (30) корпуса (29) УЛР, температура фермы-консоли (27) и направляющей плиты (25) постепенно снижается и устанавливается близкой к температуре насыщенного пара. В этот период на корке расплава появляется уровень воды. Масса выкипающей воды становится меньше массы воды, поступающей из шахты (35) реактора через открытые клапаны (34) подачи воды во внутреннее пространство корпуса (28) УЛР. Этот процесс заканчивается выравниванием уровней воды в шахте (35) реактора и внутри корпуса (28) УЛР.

Насыщенный пар из корпуса (28) УЛР поднимается вверх и, достигнув внутреннего пространства, ограниченного внутренней силовой обечайкой (5) фермы-консоли, движется двумя путями:

- первый путь - внутрь корпуса (26) ядерного реактора и далее в герметичную оболочку за пределами шахты (35) реактора;

- второй путь - вдоль наружной поверхности корпуса (26) ядерного реактора за пределы шахты (35) реактора в герметичную оболочку.

При интенсивном парообразовании на начальной стадии охлаждения поверхности расплава после срабатывания клапанов (34) подачи воды внутри корпуса (28) УЛР происходит увеличение давления относительно давления насыщенного пара в шахте (35) реактора, вырабатываемого при кипении воды вокруг наружной поверхности корпуса (28) УЛР.

Шахта (35) реактора и внутренний объем корпуса (28) УЛР образуют гидравлический контур, связанный гидравлическими каналами в корпусе (28) УЛР.

Гидравлический контур «шахта (35) реактора - внутренний объем корпуса (28) УЛР», обладает отрицательной обратной связью, приводящей к затуханию колебаний давления при быстром парообразовании на поверхности расплава внутри корпуса (28) УЛР. Работает такой гидравлический контур следующим образом. Как только давление во внутреннем пространстве корпуса (28) УЛР становится больше давления в шахте (35) реактора, тогда расход воды из шахты (35) реактора через клапаны (34) подачи воды во внутреннее пространство корпуса (28) УЛР прекращается или становится отрицательным: вода отжимается повышенным давлением из корпуса (28) УЛР в шахту (35) реактора. Парообразование на поверхности расплава уменьшается, а пар по каналам, расположенным внутри корпуса (26) ядерного реактора и вдоль наружной поверхности корпуса (26) ядерного реактора, поступает в герметичную оболочку за пределами шахты (35) реактора, выравнивая давление внутри и снаружи корпуса (28) УЛР. Скорость выравнивания давления определяется скоростью эвакуации пара по каналам внутри корпуса (26) ядерного реактора и вдоль наружной поверхности корпуса (26) ядерного реактора в герметичную оболочку. Если по этим направлениям эвакуация пара из внутреннего пространства корпуса (28) УЛР будет существенно затруднена, тогда давление насыщенного пара внутри корпуса (28) УЛР будет расти. Слив воды из корпуса (28) УЛР приведет к уменьшению парообразования над поверхностью расплава, что приведет к снижению давления в гидравлическом контуре «шахта (35) реактора - внутренний объем корпуса (28) УЛР». После выравнивания давления в шахте (35) реактора и внутри корпуса (28) УЛР уровень воды внутри корпуса (28) УЛР снова начинает расти - вода начинает поступать из шахты (35) реактора внутрь корпуса (28) УЛР, внутри которого начинается процесс парообразования с повышением давления, это приводит к тому, что процессы в гидравлическом контуре «шахта (35) реактора - внутренний объем корпуса (28) УЛР» могут несколько раз циклически повториться до завершения расхолаживания поверхности расплава внутри корпуса (28) УЛР.

Подача охлаждающей воды из контура водяного охлаждения внутрь корпуса (28) УЛР несколько ускоряет охлаждение оборудования устройства локализации расплава, находящегося над коркой расплава, но принципиальной картины не меняет. Дополнительная вода увеличивает объем воды над коркой расплава, но этот дополнительный объем перераспределяется по закону уравнительных сосудов через проходные сечения открывшихся клапанов (34) подачи воды между шахтой (35) реактора и внутренним объемом корпуса (28) УЛР. Следовательно, уровень воды в корпусе (28) УЛР, с учетом возврата конденсата из герметичной оболочки, будет постепенно повышаться:

- по мере поступления воды внутрь корпуса (28) УЛР из контура водяного охлаждения и уменьшения парообразования как над коркой расплава, так и вдоль наружной поверхности корпуса (28) УЛР в шахте (35) реактора;

- по мере снижения остаточных энерговыделений и общего охлаждения расплава.

Этот процесс может быть несколько изменен отсутствием возврата конденсата в шахту (35) реактора из герметичного объема, что возможно при отсутствии передачи тепла из герметичного объема в окружающую среду, но принципиально отсутствие возвращаемого конденсата из герметичного объема не может повлиять на процесс расхолаживания расплава в течение 24 часов поступления воды внутрь корпуса (28) УЛР из контура водяного охлаждения, если только не произойдет разгерметизация герметичной оболочки с последующим падением давления до атмосферного. Но и в этих условиях при подаче воды из контура водяного охлаждения внутрь корпуса (28) УЛР стабильность охлаждения расплава, как со стороны наружной поверхности корпуса (28) УЛР, так и со стороны корки расплава, будет обеспечена, при условии срабатывания на открытие хотя бы одного клапана (34) подачи воды и выполнения условия выравнивания уровней воды в шахте (35) реактора и внутри корпуса (28) УЛР.

Элементы силового каркаса фермы-консоли (27), а именно параллельные силовые ребра (1), радиальные силовые ребра (2), внешняя, средняя и внутренняя силовые обечайки (3), (4), (5), а также верхняя и нижняя силовые плиты (6), (7) могут быть выполнены из стали марки 09Г2С.

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

Диаметр средней силовой обечайки (4) равен 5,9 м.

Диаметр внешней силовой обечайки (3) равен 9,2 м.

Высота фермы-консоли (27) равна 2 м.

Таким образом, применение в ферме-консоли устройства локализации расплава коллектора (17) в варианте 1 и коллекторов (17а), (17б) в варианте 2 с подсоединенными патрубками (18), раздающими патрубками (20), трубопроводами (19), разбрызгивающими устройствами (21), образующими контур водяного охлаждения, позволяет повысить надежность устройства локализации расплава за счет обеспечения при запроектных авариях подачи воды в пространство внутри корпуса УЛР для снижения температуры парогазовой смеси и обеспечения конвективного охлаждения оборудования УЛР, расположенного над зеркалом расплава, а также обеспечения при запроектных авариях подачи воды на поверхность расплава для снижения воздействия теплового излучения со стороны зеркала расплава на расположенное выше оборудование УЛР и для прекращения выхода аэрозолей.

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 №2742583, МПК G21C 9/016, приоритет от 18.03.2020 г.

Изобретение относится к устройствам локализации расплава (далее - УЛР), снабженным сосудом для приема и распределения расплава. Ферма-консоль устройства локализации расплава содержит силовой каркас, состоящий из параллельных и радиальных силовых ребер, внешней, средней и внутренней обечаек, верхней силовой плиты и нижней силовой плиты, формирующих внешние параллельные и внутренние параллельные секторы, и размещенные между ними радиальные секторы. Дополнительно содержит коллектор, а также внешние радиальные секторы, первый и второй патрубки, проходящие через внешнюю силовую обечайку и предназначенные для соединения коллектора с трубопроводами. Расстояние от первого патрубка до одного конца коллектора меньше расстояния от второго патрубка до другого конца указанного коллектора. Разбрызгивающие устройства размещены в некоторых внутренних радиальных секторах и соединены с раздающими патрубками. Внешний параллельный первый сектор и внутренний параллельный первый сектор выполнены пустыми, а остальные внешние и внутренние параллельные и радиальные секторы заполнены защитным бетоном. Изобретение позволяет повысить надежность устройства локализации расплава. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Ферма-консоль устройства локализации расплава, содержащая силовой каркас, состоящий из параллельных и радиальных силовых ребер (1), (2), внешней, средней и внутренней обечаек (3), (4), (5), верхней силовой плиты (6) и нижней силовой плиты (7), формирующих внешние параллельные первый, второй, третий и четвертый секторы (8), (9), (10), (11), внутренние параллельные первый, второй, третий и четвертый секторы (12), (13), (14), (15) и размещенные между ними радиальные секторы (16) таким образом, что параллельные первый внешний и первый внутренний секторы (8), (12) лежат на одной декартовой оси с параллельным третьим внешним и третьим внутренними секторами (10), (14) и перпендикулярны оси, на которой лежат параллельные второй внешний и второй внутренний секторы (9), (13), а также параллельные четвертый внешний и четвертый внутренний секторы (11), (15), отличающаяся тем, что дополнительно содержит коллектор (17), проходящий от радиальных ребер внешних радиальных секторов (16а), (16б), примыкающих к первому параллельному внешнему сектору (8), через внешние параллельные второй, третий и четвертый секторы (9), (10), (11), а также внешние радиальные секторы (16), первый и второй патрубки (18а), (18б), проходящие через внешнюю силовую обечайку (3) и предназначенные для соединения коллектора (17) с трубопроводами (19), расстояние от первого патрубка (18а) до одного конца коллектора (17) меньше расстояния от второго патрубка (18б) до другого конца указанного коллектора (17), раздающие патрубки (20), соединенные снизу с коллектором (17) и проходящие от него через среднюю силовую обечайку (4), разбрызгивающие устройства (21), размещенные в некоторых внутренних радиальных секторах и соединенные с раздающими патрубками (20), при этом внешний параллельный первый сектор (8) и внутренний параллельный первый сектор (12) выполнены пустыми, а остальные внешние и внутренние параллельные и радиальные секторы заполнены защитным бетоном (22).

2. Ферма-консоль устройства локализации расплава, содержащая силовой каркас, состоящий из параллельных и радиальных силовых ребер (1), (2), внешней, средней и внутренней обечаек (3), (4), (5), верхней силовой плиты (6) и нижней силовой плиты (7), формирующих внешние параллельные первый, второй, третий и четвертый секторы (8), (9), (10), (11), внутренние параллельные первый, второй, третий и четвертый секторы (12), (13), (14), (15) и размещенные между ними радиальные секторы (16) таким образом, что параллельные первый внешний и первый внутренний секторы (8), (12) лежат на одной декартовой оси с параллельным третьим внешним и третьим внутренними секторами (10), (14) и перпендикулярны оси, на которой лежат параллельные второй внешний и второй внутренний секторы (9), (13), а также параллельные четвертый внешний и четвертый внутренний секторы (11), (15), отличающаяся тем, что дополнительно содержит первый коллектор (17а), проходящий от радиального ребра внешнего радиального сектора (16а), примыкающего к первому параллельному внешнему сектору (8), через внешний второй параллельный сектор (9), до радиального ребра внешнего радиального сектора (16в), примыкающего к третьему параллельному внешнему сектору (10), первый патрубок (18а), проходящий через внешнюю силовую обечайку (3) и предназначенный для соединения с первым трубопроводом (19а) таким образом, что расстояние от первого патрубка (18а) до одного конца первого коллектора (17а) меньше расстояния до его другого конца, второй коллектор (17б), проходящий от радиального ребра внешнего радиального сектора (16б), примыкающего к первому параллельному внешнему сектору (8), через внешний четвертый параллельный сектор (11), до радиального ребра внешнего радиального сектора (16г), примыкающего к третьему параллельному внешнему сектору (10), второй патрубок (18б), проходящий через внешнюю силовую обечайку (3) и предназначенный для соединения со вторым трубопроводом (19б) таким образом, что расстояние от второго патрубка (18б) до одного конца второго коллектора (17б) меньше расстояния до его другого конца, раздающие патрубки (20), соединенные снизу с первым и вторым коллекторами (17а), (17б) и проходящие от них через среднюю силовую обечайку (4), разбрызгивающие устройства (21), размещенные в некоторых внутренних радиальных секторах и соединенные с раздающими патрубками (20), внешние параллельные первый и третий секторы (8), (10), внутренние параллельные первый и третий секторы (12), (14) выполнены пустыми, а остальные внешние и внутренние параллельные и радиальные секторы заполнены защитным бетоном (22).

3. Ферма-консоль устройства локализации расплава по п. 1, отличающаяся тем, что с внешней стороны внешней силовой обечайки (3) установлены лапы-опоры (23) с якорными ребрами (24).