В заявке описано ваннообразное задерживающее расплав активной зоны устройство с наружным кожухом, с внутренней стороны которого предусмотрена многослойная футеровка, которая состоит из следующих, перечисленных в порядке их расположения изнутри наружу слоев: монолитного жертвенного слоя, составного слоя из жаростойких формованных изделий и монолитного слоя-заполнителя между кожухом и составным слоем из формованных изделий.

 

(57) Реферат / Формула:
заявке описано ваннообразное задерживающее расплав активной зоны устройство с наружным кожухом, с внутренней стороны которого предусмотрена многослойная футеровка, которая состоит из следующих, перечисленных в порядке их расположения изнутри наружу слоев: монолитного жертвенного слоя, составного слоя из жаростойких формованных изделий и монолитного слоя-заполнителя между кожухом и составным слоем из формованных изделий.

 

---

97893
Заявка № 200800024
Заявитель Рифректори Интеллектуал
Проперти ГмбХ унд Ко. КГ, AT
БЛИНООБРАЗНОЕ ЗАДЕРЖИВАЮЩЕЕ РАСПЛАВ АКТИВНОЙ ЗОНЫ
УСТРОЙСТВО
Настоящее изобретение относится к ваннообразному задерживающему устройству для задерживания расплава активной зоны при ее оплавлении, которое может произойти в ядерной энергетической установке в случае максимально опасной возможной аварии (МОВА). Хотя вероятность возникновения подобной МОВА и расценивается производителями ядерных энергетических установок и эксплуатирующими их организациями как чрезвычайно низкая, тем не менее и на случай возникновения такой аварии должны, как очевидно, приниматься соответствующие, направленные на минимизацию ее последствий меры.
Авария на атомном реакторе в Чернобыле показала, что основная проблема при возникновении подобной аварийной ситуации состоит в обеспечении улавливания, компенсации или отвода исключительно большого количества
- 2 -
тепла, выделяющегося при расплавлении активной зоны реактора, без разрушения всей ядерной установки и тем самым без утечки радиоактивности.
В последние годы были разработаны новые типы атомных реакторов. К таким реакторам относится так называемый реактор с шаровой засыпкой. В 5 таком реакторе вместо топливных стержней (стержневых ТВЭЛов) используются графитовые шарики размером с теннисный мяч, в которые вкраплены частицы урана, а точнее - оксида урана. Температура нагрева таких графитовых шариков не должна превышать 1600°С.
К ядерным реакторам нового типа относится также так называемый EPR-10 реактор (от англ. "European Pressure Reactor", европейский ядерный реактор с водой под давлением). Более подробную информацию о реакторах этого типа можно найти на сайте www.framatome-anp.com.
Лежащая в основе изобретения идея состоит в том, чтобы создать на случай крайне маловероятного расплавления активной зоны задерживающее ее расплав 15 устройство, которое одновременно выполняет несколько следующих функций:
- улавливает расплав активной зоны и препятствует его неконтролируемому распространению,
- отбирает тепло от расплава активной зоны без сверхинтенсивного его охлаждения,
20 - обеспечивает наличие определенного пространства, из которого расплав
активной зоны затем может поступать в последующие части установки.
Для возможности выполнения этих задач предлагаемое в изобретении задерживающее устройство имеет наружный кожух, с внутренней стороны которого предусмотрена многослойная футеровка (внутренняя облицовка),
25 которая состоит из следующих, перечисленных в порядке их расположения изнутри наружу слоев: монолитного жертвенного слоя, составного слоя из формованных изделий и монолитного слоя-заполнителя между кожухом и составным слоем из формованных изделий. Иными словами, подобная футеровка состоит по меньшей мере из трех разных слоев, которые также выполняют
30 разные функции. По меньшей мере два слоя выполнены из огнеупорного, прежде всего керамического, материала. Предлагаемое в изобретении задерживающее устройство располагают непосредственно под соответствующим находящимся под давлением корпусом реактора, внутри которого (корпуса) находятся
- 3 -
тепловыделяющие элементы (ТВЭЛы). При этом корпус реактора может частично входить внутрь резервуара задерживающего устройства.
При выходе расплава активной зоны из корпуса реактора первым слоем, с которым соприкасается образовавшийся расплав, является внутренний 5 жертвенный слой. Температура расплава активной зоны обычно превышает 2000°С.
Несмотря на возможность выполнения жертвенного слоя из материала, способного выдерживать температуру свыше 1000°С или свыше 1500°С, очевидно, что жертвенный слой подвергается, как следует из его названия,
10 эрозии, соответственно разрушается под воздействием чрезвычайно горячего
расплава активной зоны. Подобный эффект не только принимается в расчет, но и его специально стремятся добиться. Поэтому жертвенный слой не обязательно должен быть огнеупорным (жаростойким). При взаимодействии расплава с жертвенным слоем происходит первое резкое снижение температуры расплава,
15 который после этого превращается в смесь из собственно расплава активной зоны (расплава материала ТВЭЛов и их оболочек) и материала жертвенного слоя. Одновременно с этим снижается также плотность всей смеси по сравнению с плотностью расплава активной зоны.
Согласно изобретению жертвенный слой предлагается выполнять из
20 материала, который при контакте с расплавом активной зоны не только поглощает аккумулированное тепло, но и приводит к возникновению эндотермических реакций, т.е. реакций, при протекании которых дополнительно расходуется тепло. Благодаря подобным реакциям температура находящегося в задерживающем устройстве расплава дополнительно снижается.
25 В одном из вариантов жертвенный слой предлагается выполнять из
обычного строительного бетона с высоким содержанием глинозема (AI2O3), т.е. из так называемого огнеупорного бетона.
Под таким жертвенным слоем расположен составной слой из формованных изделий, например, из формованных изделий на керамической связке. Из таких
30 формованных изделий, например, кирпичей или плит, можно сооружать прочные стены и днища. Формованные изделия предназначены для образования термически и механически устойчивого слоя. Подобные формованные изделия наиболее предпочтительно выполнять из материалов на основе диоксида
-4 -
циркония. Такие материалы способны выдерживать высокие температуры и обладают высокой механической прочностью. Для изготовления указанных формованных изделий можно использовать материалы с содержанием в них ZrOi не менее 90 мас.%. Подобные, содержащие диоксид циркония кирпичи 5 выпускаются фирмой RHI AG, Вена, под торговым наименованием
ZETTRAL 95 GR. Основным исходным компонентом таких кирпичей является частично стабилизированный Zr02- Эти кирпичи имеют керамическую связку. Такие кирпичи (наряду с обычными примесями) содержат Zr02 в количестве примерно 93 мас.%, а также MgO в количестве около 4 мас.% и Si02 в
10 количестве примерно 1,5 мас.%. Плотность этих кирпичей в необожженном
состоянии составляет 4,4 г/см (при определении в соответствии со стандартом EN 993-1). Предел прочности кирпичей при сжатии (согласно стандарту EN 993-5) составляет около 110 Н/мм при комнатной температуре. Открытая пористость указанных кирпичей (измеренная в соответствии со стандартом
15 EN 993-1) составляет примерно 18 об.%. Такие кирпичи имеют далее следующие теплотехнические параметры: коэффициент теплового линейного расширения (при 1600°С), равный 0,8%, и измеренный в соответствии со стандартом EN 993 -8 показатель сопротивления размягчению при нагреве под давлением То;5, равный примерно 1650°С.
20 Подобные кирпичи до настоящего времени использовались исключительно
в специальных стекловаренных ваннах. Согласно же настоящему изобретению их применяют по новому назначению.
Соседние формованные изделия могут соединяться между собой с геометрическим замыканием, например, с помощью известных соединений в
25 шпунт и гребень.
Для повышения устойчивости составного слоя из формованных изделий в целом может оказаться целесообразным крепить по меньшей мере отдельные формованные изделия соединительными элементами или анкерами к наружному кожуху задерживающего устройства. Примеры подобных крепежных систем
30 описаны в публикациях ЕР 1124094 А1 и DE 4420294 С2, которые тем самым включены в настоящее описание в качестве ссылки.
- 5 -
Сказанное относится прежде всего к металлическому наружному кожуху. Об этом более подробно сказано ниже.
Согласно изобретению между составным слоем из формованных изделий и наружным кожухом задерживающего устройства предусмотрен по меньшей мере 5 еще один слой. Этот так называемый слой-заполнитель выполняют из
монолитной массы, основу которой может составлять материал с высокой теплопроводностью. Материал с подобными свойствами способствует отводу тепла, соответственно ускоряет отвод тепла из расположенного поверх него составного слоя из формованных изделий. Теплопроводность слоя-заполнителя 10 должна, например, составлять не менее 5 Вт/(м*К). При большей массе
образующего жертвенный слой бетона теплопроводность слоя-заполнителя имеет менее важное значение и может также составлять менее 5 Вт/(м"К).
К пригодным для выполнения слоя-заполнителя материалам относятся огнеупорные керамические массы, содержащие углерод. Углерод может 15 присутствовать при этом как таковой, например, в виде графита. Однако равным образом слои-заполнители можно выполнять и на основе SiC-содержащей массы.
Для применения в других целях может оказаться предпочтительно использовать также жаростойкие слои-заполнители на основе Zr02, AI2O3, MgO
20 или их смесей. Подобные массы можно приготавливать, например, из
порошкового Zr02 и связующего. Такие массы можно перерабатывать в слои-заполнители с помощью вибрационных устройств практически без образования раковин, а можно также выпускать в виде масс для набивки. При применении жидких связующих из слоя-заполнителя необходимо путем его предварительной
25 термической обработки удалять возможно содержащуюся в нем воду.
Как уже указывалось выше, наружный кожух задерживающего устройства может быть выполнен из металла. Такой кожух может по меньшей мере частично находиться внутри (дополнительной) бетонной ванны, которая охватывает все задерживающее устройство и на которую оно опирается.
30 Однако кожух можно также по меньшей мере частично выполнить из (при
необходимости также жаростойкого) керамического материала, например, материала указанного выше типа. Сюда же относится и бетон. Возможные соединительные элементы, соединяющие составной слой из формованных
изделий с кожухом, в этом случае соответственно закрепляют в керамическом кожухе или на нем.
В ходе текущих проектировочных работ был установлено, что отдельные слои целесообразно выполнять следующей толщины: 5 - жертвенный слой: от 20 до 80 см, прежде всего от 35 до 65 см, например,
от 45 до 55 см,
- составной слой из формованных изделий: от 10 до 40 см, прежде всего от 15 до 30 см, например, от 16 до 25 см,
- слой-заполнитель: от 1 до 10 см, прежде всего от 2 до 8 см, например, от 10 4 до 6 см,
- бетонная ванна: до нескольких метров.
Согласно изобретению предлагаемое в нем стакано- или ваннообразное задерживающее устройство, в которое заходит находящийся под давлением корпус реактора с ТВЭЛами, предлагается далее снабжать выпуском или сливом,
15 который при необходимости можно открывать для возможности перепуска расплава активной зоны, соответственно смеси из расплава активной зоны и материала жертвенного слоя в последующие устройства. Для этого в одном из вариантов в днище ваннообразного задерживающего устройства предусмотрено выпускное отверстие, закрытое пробкой (или регулирующим клапаном), которая
20 может быть открываемой или расплавляющейся и которая тем самым после ее открытия, соответственно расплавления может пропускать расплав в канал, по которому он попадает в сборник или ловушку. При этом по меньшей мере расположенный после задерживающего устройства канал также может быть выполнен с жаростойкой футеровкой аналогично тому, как это рассмотрено
25 выше при описании задерживающего устройства. Огнеупорная футеровка сборника или ловушки не требуется, поскольку до попадания в него, соответственно нее расплав успевает охладиться в задерживающем устройстве и при определенных условиях в указанном канале до достаточно низкой температуры.
30 Ниже изобретение более подробно рассмотрено на примере.
В описанном ниже примере за основу взята установка, в которой корпус ядерног о реактора окружен снизу предлагаемым в изобретении задерживающим устройством и при работе которой предполагается крайне маловероятная возможность расплавления активной зоны.
- 7 -
Сначала расплав активной зоны улавливается ваннообразным задерживающим устройством. При этом радиоактивный расплав входит в контакт с материалом, из которого выполнен жертвенный слой. По расчетам, расплав активной зоны в течение 100 мин после соприкосновения с жертвенным 5 слоем "расходует" от 70 до 90% жертвенного слоя, который при этом расплавляется и одновременно охлаждает образующийся в результате смешанный расплав. Соответственно изменяются состав и температура образующегося при этом смешанного расплава.
Согласно проектным расчетам, содержание UO2 и ZrC"2 в смешанном 10 расплаве непрерывно снижается, тогда как содержание, например, SiC> 2 и СаО в смешанном расплаве возрастает (ZrC> 2 и UO2 являются компонентами расплава активной зоны, a SiC> 2 и СаО являются преимущественно компонентами материала жертвенного слоя).
В последующем благодаря применению предлагаемого в изобретении 15 ваннообразного задерживающего устройства предполагается снижение температуры смешанного расплава со скоростью примерно 100°С в час.
При упоминании в настоящем описании жаростойких материалов под ними подразумеваются материалы, которые, если не указано иное, в любом случае обладают жаростойкостью при температурах свыше 1000°С, предпочтительно 20 1500°С. Верхнего предела жаростойкости не существует. Описанные выше формованные изделия на основе Zr02 могут обладать жаростойкостью при температурах свыше 1900°С. Такие формованные изделия способны в течение по меньшей мере 3 ч выдерживать воздействие расплава с температурой 1900°С.
- 8 -
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Ваннообразное задерживающее расплав активной зоны устройство с наружным кожухом, с внутренней стороны которого предусмотрена 5 многослойная футеровка, которая состоит из следующих, перечисленных в порядке их расположения изнутри наружу слоев: монолитного жертвенного слоя, составного слоя из жаростойких формованных изделий и монолитного слоя-заполнителя между кожухом и составным слоем из формованных изделий.
10 2. Задерживающее устройство по п. 1, жертвенный слой которого выполнен
из материала, который при контакте с расплавом активной зоны приводит к возникновению эндотермических реакций.
3. Задерживающее устройство по п. 1, жертвенный слой которого выполнен 15 из бетона.
4. Задерживающее устройство по п. 1, составной слой которого выполнен из формованных изделий на керамической связке.
20 5. Задерживающее устройство по п. 1, составной слой которого выполнен
из формованных изделий на основе Zr02-
6. Задерживающее устройство по п. 1, составной слой которого выполнен из формованных изделий с содержанием Zr02 не менее 90 мас.%.
7. Задерживающее устройство по п. 1, составной слой которого выполнен из примыкающих друг к другу с геометрическим замыканием формованных изделий.
30 8. Задерживающее устройство по п. 1, слой-заполнитель которого выполнен
из материала с высокой теплопроводностью.
- 9 -
9. Задерживающее устройство по п. 1, слой-заполнитель которого обладает теплопроводностью не менее 5 Вт/(м"К).
10. Задерживающее устройство по п. 1, слой-заполнитель которого 5 содержит углерод.
11. Задерживающее устройство по п. 1, слой-заполнитель которого выполнен из SiC-содержащей массы.
10 12. Задерживающее устройство по п. 1, слой-заполнитель которого
выполнен из 2г02-содержащей массы.
13. Задерживающее устройство по п. 1, кожух которого выполнен из металла.
14. Задерживающее устройство по п. 1, кожух которого по меньшей мере частично находится внутри бетонной ванны.
15. Задерживающее устройство по п. 1, кожух которого по меньшей мере 20 частично выполнен из жаростойкого керамического материала.
16. Задерживающее устройство по п. 1, кожух которого по меньшей мере частично выполнен из бетона.
25 17. Задерживающее устройство по п. 1, кожух которого по меньшей мере
частично образован бетонной ванной.
18 Задерживающее устройство по п. 1 с выпускным отверстием и примыкающим к нему каналом с жаростойкой футеровкой, соответствующей футероЕ'.ке удерживающего устройства.