EA012363B1

EA012363B1 - Ядерная энергетическая установка

Info

Publication number: EA012363B1
Application number: EA200800024A
Authority: EA
Inventors: Бруно Вильхельми
Original assignee: Рифректори Интеллектуал Проперти Гмбх Унд Ко. Кг
Priority date: 2005-07-11
Filing date: 2006-06-24
Publication date: 2009-10-30
Also published as: DE102005032253A1; CN101228593B; US20080212732A1; WO2007006406A1; EA200800024A1; DE502006005920D1; ZA200800234B; DE102005032253B4; EP1902446B1; CN101228593A; EP1902446A1; ATE455350T1

Abstract

В изобретении 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.

Description

Настоящее изобретение относится к ядерной энергетической установке с ваннообразным задерживающим расплав активной зоны устройством для задерживания расплава активной зоны при ее расплавлении, 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 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 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 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 ЕРВ-реактор (от англ. Еигореап Ргеккиге РсасЮг. европейский ядерный реактор с водой под давлением). Более подробную информацию о реакторах этого типа можно найти на сайте \\л\лт.Ггата1оте-апр.сот.

Из патента И8 6192097 известна ядерная энергетическая установка с ваннообразным задерживающим расплав активной зоны устройством для задерживания расплава активной зоны при ее расплавлении. В известной установке для улавливания расплава активной зоны предусмотрена распределительная камера, установленная ниже находящегося под давлением корпуса реактора со смещением в сторону от него. При этом подача расплава активной зоны в эту распределительную камеру предусмотрена по наклонному каналу, т.е. расплав активной зоны сначала направляется в канал, а уже оттуда - в распределительную камеру, которая расположена со смещением в сторону. Такого рода отвод расплава активной зоны от корпуса реактора имеет тот недостаток, что в его начале канал должен воспринять всю тепловую и технологическую нагрузку от расплава активной зоны и подвержен неконтролируемому износу.

В предлагаемой ядерной энергетической установке так же, как и в установке по патенту ϋδ 6192097, на случай крайне маловероятного расплавления активной зоны предусмотрено задерживающее расплав активной зоны устройство, которое одновременно выполняет несколько следующих функций:

улавливает расплав активной зоны и препятствует его неконтролируемому распространению;

обеспечивает наличие определенного пространства, из которого расплав активной зоны затем может поступать в последующие части установки.

Однако в предлагаемой установке задерживающее расплав активной зоны устройство установлено непосредственно под находящимся под давлением корпусом реактора и снабжено специальной огнеупорной футеровкой с обеспечением приема этим устройством соответствующей массы расплава активной зоны и предварительного охлаждения этого расплава со значительным снижением его температуры благодаря наличию футеровки. Только потом предварительно охлажденный таким образом расплав будет направлен по каналу, где он дополнительно охлаждается, и в заключение попадет в более или менее охлажденном состоянии в ловушку, которая уже не имеет огнеупорной футеровки. Таким образом, в предлагаемой в изобретении установке задерживающее расплав активной зоны устройство отбирает тепло от расплава активной зоны без сверхинтенсивного его охлаждения. Применением жаростойкой футеровки задерживающего устройства и примыкающего к его отверстию канала в изобретении достигается возможность охлаждения расплава до такой степени, чтобы расположенную за каналом ловушку или сборник можно было выполнить без огнеупорной футеровки. Применением жаростойкой футеровки задерживающего устройства и примыкающего к его отверстию канала в изобретении достигается возможность охлаждения расплава до такой степени, чтобы расположенную за каналом ловушку или сборник можно было выполнить без огнеупорной футеровки.

Следовательно, при осуществлении изобретения достигаются следующие технические результаты: постепенность охлаждения расплава с предотвращением неконтролируемого износа элементов задерживающего расплав активной зоны устройства, а также упрощение и удешевление ловушки, или сборника, за счет отказа от ее футеровки.

Предлагаемая в изобретении ядерная энергетическая установка характеризуется тем, что она снабжена ваннообразным задерживающим расплав активной зоны устройством, установленным непосредственно под находящимся под давлением корпусом реактора, внутри которого (корпуса) находятся тепловыделяющие элементы (ТВЭЛы) и который может частично входить внутрь резервуара задерживающего устройства, и содержащим наружный кожух, 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, а также

- 1 012363 имеющее выпускное отверстие и примыкающий к нему канал с жаростойкой футеровкой, которая соответствует футеровке задерживающего устройства и через которую расплав активной зоны попадает в ловушку, не имеющую огнеупорной футеровки.

Как указано выше, многослойная футеровка состоит по меньшей мере из трех разных слоев, которые выполняют разные функции и по меньшей мере два из которых выполнены из огнеупорного, прежде всего керамического, материала. При выходе расплава активной зоны из корпуса реактора первым слоем, с которым соприкасается образовавшийся расплав, является внутренний жертвенный слой. Температура расплава активной зоны обычно превышает 2000°С.

Несмотря на возможность выполнения жертвенного слоя из материала, способного выдерживать температуру выше 1000 или выше 1500°С, очевидно, что жертвенный слой подвергается, как следует из его названия, 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, 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 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.

В одном из вариантов жертвенный слой предлагается выполнять из обычного строительного бетона с высоким содержанием глинозема (А1₂О₃), 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 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 циркония. Такие материалы способны выдерживать высокие температуры и обладают высокой механической прочностью. Для изготовления указанных формованных изделий можно использовать материалы с содержанием в них ΖτΟ₂ не менее 90 мас.%. Подобные, содержащие диоксид циркония кирпичи выпускаются фирмой ΚΗΙ АО, Вена, под торговым наименованием ΖΕΤΤΚΑΤ 95 ОК. Основным исходным компонентом таких кирпичей является частично стабилизированный ΖτΟ₂. Эти кирпичи имеют керамическую связку. Такие кирпичи (наряду с обычными примесями) содержат ΖτΟ₂ в количестве примерно 93 мас.%, а также МдО в количестве около 4 мас.% и 8ίΟ₂ в количестве примерно 1,5 мас.%. Плотность этих кирпичей в необожженном состоянии составляет 4,4 г/см³ (при определении в соответствии со стандартом ΕΝ 993-1). Предел прочности кирпичей при сжатии (согласно стандарту ΕΝ 993-5) составляет около 110 Н/мм² при комнатной температуре. Открытая пористость указанных кирпичей (измеренная в соответствии со стандартом ΕΝ 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 ΕΝ 993-8 показатель сопротивления размягчению при нагреве под давлением Т₀,₅, равный примерно 1650°С.

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 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 описаны в публикациях ЕР 1124094 А1 и ΌΕ 4420294 С2, которые тем самым включены в настоящее описание в качестве ссылки.

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 еще один слой. Этот так называемый слойзаполнитель 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 должна, например, составлять не менее 5 Вт/(м-К). При большей массе образующего жертвенный слой бетона теплопроводность слоя-заполнителя имеет менее важное значение и

- 2 012363 может также составлять менее 5 Вт/(м-К).

К пригодным для выполнения слоя-заполнителя материалам относятся огнеупорные керамические массы, содержащие углерод. Углерод может присутствовать при этом как таковой, например, в виде графита. Однако равным образом слои-заполнители можно выполнять и на основе 81С-содержащей массы.

Для применения в других целях может оказаться предпочтительно использовать также жаростойкие слои-заполнители на основе ΖτΟ₂, Α1₂Ο₃, МдО или их смесей. Подобные массы можно приготавливать, например, из порошкового ΖτΟ₂ 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 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.

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 было установлено, что отдельные слои целесообразно выполнять следующей толщины:

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 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, 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 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 выше при описании задерживающего устройства. Огнеупорная футеровка сборника или ловушки не требуется, поскольку до попадания в него, соответственно в нее, расплав успевает охладиться в задерживающем устройстве и при определенных условиях в указанном канале до достаточно низкой температуры.

Ниже изобретение более подробно рассмотрено на примере.

В описанном ниже примере за основу взята установка, в которой корпус ядерного реактора окружен снизу предлагаемым в изобретении задерживающим устройством и при работе которой предполагается крайне маловероятная возможность расплавления активной зоны.

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 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 ИО₂ и ΖτΟ₂ в смешанном расплаве непрерывно снижается, тогда как содержание, например, 8ίΟ₂ и СаО в смешанном расплаве возрастает (ΖτΟ₂ и иО₂ являются компонентами расплава активной зоны, а 8ίΟ₂ и СаО являются преимущественно компонентами материала жертвенного слоя).

В последующем благодаря применению предлагаемого в изобретении ваннообразного задерживающего устройства предполагается снижение температуры смешанного расплава со скоростью примерно 100°С/ч.

При упоминании в настоящем описании жаростойких материалов под ними подразумеваются материалы, которые, если не указано иное, в любом случае обладают жаростойкостью при температурах выше 1000°С, предпочтительно 1500°С. Верхнего предела жаростойкости не существует. Описанные выше формованные изделия на основе ΖτΟ₂ могут обладать жаростойкостью при температурах выше 1900°С. Такие формованные изделия способны в течение по меньшей мере 3 ч выдерживать воздействие расплава с температурой 1900°С.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Ядерная энергетическая установка с ваннообразным задерживающим расплав активной зоны устройством, установленным непосредственно под находящимся под давлением корпусом реактора и содержащим наружный кожух, 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 слоязаполнителя между кожухом и составным слоем из формованных изделий, а также имеющее выпускное отверстие и примыкающий к нему канал с жаростойкой футеровкой, которая соответствует футеровке задерживающего устройства и через которую расплав активной зоны попадает в ловушку, не имеющую огнеупорной футеровки.
2. Установка по п.1, в которой жертвенный слой задерживающего расплав активной зоны устройства выполнен из материала, который при контакте с расплавом активной зоны приводит к возникновению эндотермических реакций.
3. Установка по п.2, в которой жертвенный слой выполнен из бетона.
4. Установка по п.1, в которой составной слой задерживающего расплав активной зоны устройства выполнен из формованных изделий на керамической связке.
5. Установка по п.4, в которой составной слой выполнен из формованных изделий на основе ΖγΟ₂.
6. Установка по п.4, в которой составной слой выполнен из формованных изделий с содержанием ΖγΟ₂ не менее 90 мас.%.
7. Установка по п.4, в которой составной слой выполнен из примыкающих друг к другу с геометрическим замыканием формованных изделий.
8. Установка по п.1, в которой слой-заполнитель задерживающего расплав активной зоны устройства обладает теплопроводностью не менее 5 Вт/(м-К).
9. Установка по п.8, в которой слой-заполнитель содержит углерод.
10. Установка по п.8, в которой слой-заполнитель выполнен из 81С-содержащей массы.
11. Установка по п.8, в которой слой-заполнитель выполнен из Ζ^Ο₂-содержащей массы.
12. Установка по п.1, в которой кожух задерживающего расплав активной зоны устройства выполнен из металла.
13. Установка по п.1, в которой кожух задерживающего расплав активной меньшей мере, частично находится внутри бетонной ванны.
14. Установка по п.1, в которой кожух задерживающего расплав активной меньшей мере, частично выполнен из жаростойкого керамического материала.
15. Установка по п.1, в которой кожух задерживающего расплав активной меньшей мере, частично выполнен из бетона.
16. Установка по п.15, в которой кожух, по меньшей мере, частично образован бетонной ванной.