RU2106025C1 - Система защиты защитной оболочки реакторной установки водо-водяного типа - Google Patents

Abstract

Сущность изобретения: на выходе трубопроводов подачи воздуха в подреакторное помещение установлена решетка-ограничитель; на полу подреакторного помещения установлен дренаж с ограничителями, а в выполенные отверстия в днище теплоизоляции корпуса аппарата установлены опоры, на которые сверху над днищем теплоизоляции корпуса аппарата с зазором установлена опорная конструкция в виде решетки или перфорированного листа. На опорной конструкции установлены сухие термостойкие элементы. Между выходами трубопроводов подачи воздуха установлены упругопластичные воздушные компенсаторы, расположенные до кольцевого бака по периметру подреакторного помещения. 12 з.п. ф-лы, 4 ил.

Description

Изобретение относится к ядерной энергетике, конкретно к системам защиты защитной оболочки реакторной установки водо-водяного типа и к устройствам для локализации расплавленной или разрушенной активной зоны, вышедшей за пределы корпуса реактора в процессе протекания тяжелой аварии.

Известен ядерный реактор, оборудованный устройством для рекуперации активной зоны после ее аварийного разрушения [1] С целью обеспечения рекуперации и удержания активной зоны ядерного реактора, а именно реактора с водой под давлением, в случае тяжелой аварии, приведшей к ее расплавлению, предлагается разместить под баком реактора сборник, обеспечивающий на начальной стадии аварии удаление воды, сосредоточенной под баком, а на второй стадии сбор обломков расплавленной активной зоны. Вода автоматически с помощью сливной трубы и сифона перетекает в охлаждающий объем, расположенный под сборником. Если регистрируется расплавление активной зоны, вода, содержащаяся в резервуарах, самотеком перетекает в объем таким образом, чтобы полностью затопить контейнеры, размещенные в этом объеме. Расплавленная активная зона, проходя через дно бака, перетекает в сборник через плавящиеся пробки в контейнеры и между резервуарами и объемом устанавливается естественная конвекция, обеспечивающая охлаждение. В сборнике на случай падения бака реактора установлены амортизаторы.

В описании устройства [1] приведена ссылка на имеющиеся в конструкции, но не показанные на рисунках проходки (коридор) для обследования и инспекции состояния оборудования или восстановления его функций (для обслуживания подреакторного помещения и устройства для рекуперации активной зоны); в описании дополнительных функций коридора указывается, что он служит для сброса давления при переопрессовке (при возникновении паровых или водородных взрывов), и эта дополнительная функция обеспечивает защиту подреакторного помещения и устройства для рекуперации активной зоны от разрушения.

Недостатки технического решения [1]
1) устройство для рекуперации активной зоны [1] спроектировано как оборудование высокой технологической точности и содержит: сифон, герметичные незащищенные трубы, водонепроницаемые многослойные охлаждаемые контейнеры, плавящиеся при определенной температуре пробки, клапаны, теплообменники и др. оборудование, объединенное в пассивные и активные системы, составляющие устройство для рекуперации активной зоны [1] это оборудование не защищено от частичных повреждений или полного разрушения в результате локальных тепловых или ударных воздействий на отдельные его элементы или в случае частичных отказов, или отказов элементов оборудования по общей причине, в результате чего устройство для рекуперации активной зоны [1] не может выполнять свои функции при частичном или полном разрушении ни в старом ни в новом качестве;
отказ функционирования при частичном или полном разрушении противоречит основному принципу управления тяжелыми авариями: барьеры безопасности и локализующие системы должны быть спроектированы таким образом, чтобы их разрушение или частичный отказ не приводили к развитию, усилению или ускорению протекания аварий с разрушением (расплавлением) активной зоны;
2) устройство для рекуперации активной зоны [1] может выполнять свои функции согласно описанию только в одном случае, когда разрушение активной зоны происходит без подачи охлаждающей воды, то есть во всех режимах с разрушением корпуса реактора и последующей подачей воды в корпус реактора устройство для рекуперации активной зоны будет частично повреждено или полностью разрушено локальным или общим подъемом давления в бетонной шахте сопровождающимся:
появлением летящих предметов, способных смять или разрушить сифон,
заплавлением или разрушением контейнеров сбора кориума,
разрушением сливных трубопроводов,
разрушением самой бетонной шахты;
3) ссылка в описании [1] на дополнительные защитные функции коридора для обслуживания подреакторного помещения несостоятельна по следующим причинам:
не описана и не показана на рисунках конструкция коридора, что не позволяет провести детальный анализ его функционирования при паровых или водородных взрывах, однако, исходя из конструкции подреакторного помещения и расположения реактора, минимальная площадь проходного сечения коридора может быть оценена в пределах 4 м², что для минимально остающегося объема воды в подреакторном помещении около 6 м³ явно недостаточно для сброса давления при возникновении парового взрыва;
реальное количество воды в подреакторном помещении может достигать величины порядка 50 м³ что определяется высотой сифона над полом подреакторного помещения, при условии, что уровень воды в подреакторном помещении несколько ниже верхней точки сифона (в этом случае сифон работать не будет и вся вода останется в подреакторном помещении), в этих условиях взаимодействие нескольких тонн кориума и воды в подреакторном помещении приведет к паровому взрыву такой силы, что будут разрушены не только подреакторное помещение и устройство для рекуперации активной зоны, но и гермозона; площадь проходного сечения бокового коридора в этих условиях не будет иметь решающего значения для сброса пара и снижения давления в подреакторном помещении при паровом взрыве, так как даже при проходном сечении бокового коридора в 12-15 м² обеспечить необходимую скорость снижения давления невозможно;
если предположить, что дополнительная функция коридора заключается в том, что коридор используется для слива воды из подреакторного помещения, то при поступлении кориума в подреакторное помещение последний также будет поступать и сливаться через коридор со всеми вытекающими последствиями;
в данной конструкции подреакторного помещения выполнить коридор с большим проходным сечением не представляется возможным, так как потолок коридора не может быть выполнен выше днища корпуса реактора (это связано с защитой от нейтронного прострела), а пол коридора не может быть выполнен на уровне пола подреакторного помещения (в противном случае кориум потечет в коридор), следовательно площадь проходного сечения коридора (суммарная площадь проходок) находится в пределах 4-15 м², что явно недостаточно для сброса давления при паровых взрывах большой мощности;
4) то что баки для охлаждения контейнеров находятся ниже уровня пола бетонной шахты позволяет организовать прием воды из бетонной шахты и обеспечить падение кориума в бетонную шахту, содержащую только несколько кубометров воды при проектном срабатывании сифона, однако это приведет к тому, что при течах теплоносителя из 1-го контура вся вода поступит в эти баки и либо зальет их полностью с образованием уровня в бетонной шахте, либо, если объем баков достаточен, произойдет полное осушение активной зоны и опорожнение баков запаса охлаждающей воды, при этом подача воды насосами из этих баков может прекратиться или не начаться совсем по условиям протекания тяжелой аварии (полное обесточивание, отказ дизельгенераторов, разрушение трубопроводов возврата теплоносителя из баков, отказ арматуры или насосов на этих трубопроводах и др.); в этих условиях проектное срабатывание устройства для рекуперации активной зоны приведет к более быстрому разрушению активной зоны и, следовательно, к более тяжелым последствиям для всей реакторной установки в целом;
5) контейнеры для приема жидкого кориума не обеспечивают прием крупных твердых фрагментов активной зоны, при этом крупные твердые фрагменты остаются в подреакторном помещении, что само по себе может привести к непроектному охлаждению расплавленной активной зоны и, как следствие, к разрушению бетонной шахты, устройства для рекуперации активной зоны и гермозоны;
6) то что контейнер, принимающий кориум, размещен в баке с водой не позволяет организовать нормальный теплоотвод при разрушении или проплавлении внутренних стенок контейнера потому, что выход пара в верхней части бака организован со стороны боковой, а не верхней торцевой поверхности контейнера (изменение конструкции пароотводящего узла на более надежное и безопасное вертикальное исполнение не может быть выполнено без изменения идеологии размещения и охлаждения кориума), что приведет к образованию парового слоя вокруг верхней части контейнера, к перегреву и разрушению стенок контейнера с последующим поступлением жидкого кориума в воду охлаждающего контейнер бака, следствием чего явится образование ударных волн парового взрыва, которые приведут к разрушениям как самого устройства для рекуперации активной зоны, так и самой бетонной шахты и элементов гермозоны;
в случае, если для интенсификации теплоотвода будет применена активная система, например, циркуляционный насос, то при сохранении боковых отвода и подвода теплоносителя это решение не изменит результата: застойная зона вокруг центральных контейнеров будет существовать, что приведет к перегреву и разрушению контейнеров, и, как следствие этого, возможному перемешиванию кориума с теплоносителем с последующим паровым взрывом (впрыск воды под давлением внутрь жидкого кориума);
применение профилирования контейнеров обеспечивает ликвидацию застойных зон для центральных контейнеров в центральной части устройства для рекуперации активной зоны, но не защищает устройство ни от проплавления в верхней его части ни от поступления кориума в пароводяное пространство между контейнерами (это происходит потому, что при малых углах наклона, до 30 град. в случае обращенного вниз теплового потока, что имеет место в [1] для развития устойчивого докризисного теплообмена необходимо иметь обращенную к воде гидравлически гладкую сплошную охлаждаемую поверхность, эти условия в [1] не выполняются и, согласно рисункам и описанию, без изменения идеологии конструкции выполнены быть не могут), что приведет к блокированию теплоотвода от контейнеров и разрушению последних;
7) изображенная на рисунках гидравлическая схема охлаждения контейнеров с кориумом в общем случае неработоспособна по следующим причинам:
изображенная на рисунках гидравлическая схема противоречит описанию (в описании сказано, что уровень воды в напорных баках на 5 м выше верхней точки подъемных каналов, по которым пароводяная смесь поступает под уровень воды в напорные баки, где пароводяная смесь барботируется, перемешивается и охлаждается; оставшийся несконденсированный пар поступает в верхнюю часть гермозоны, конденсируясь на теплообменниках активного типа), таким образом, если уровень воды в напорных баках будет ниже верхней точки подъемных каналов, то водяная циркуляция окажется разорванной, а пароводяная циркуляция, в геометрии предложенной конструкции контейнеров, не обеспечивает необходимый теплоотвод, что приведет к разрушению контейнеров с выходом кориума в водяное пространство баков и последующим разрушениям;
принцип работы этой схемы описан только для одного конкретного сценария развития охлаждения контейнеров и возникновения циркуляции при проектном срабатывании активных элементов схемы (любой отказ активных элементов приведет к разрушению бетонной шахты и устройства для рекуперации активной зоны); при изменении сценария поступления кориума в контейнеры, даже при проектной работе активных элементов, гидравлическая схема будет работать в непроектном режиме, что приведет к ее разрушению, момент этого разрушения в основном зависит от мощности остаточных тепловыделений в кориуме: чем мощность больше, тем раньше разрушение (момент разрушения слабо зависит от циркуляции теплоносителя в гидравлической схеме, так как разрушение будет происходить не в местах гидродинамического вентилирования на периферии, а в застойных верхних центральных областях, где возникает кризис теплообмена);
в случае непроектной работы автономных электрических вентилей или их отказа по общей причине произойдет блокирование циркуляции теплоносителя вокруг контейнеров и, как следствие, разрушение контейнеров (вентили открываются по сигналу начала плавления активной зоны, в нормальном положении вентили закрыты, сигнал начала плавления формируется либо в реакторе, либо в гермозоне, принципы формирования сигналов и управляющие системы не описаны);
при отказе теплообменников, расположенных в напорных баках системы охлаждения контейнеров, естественная циркуляция будет либо значительно снижена, либо блокирована, так как произойдет вскипание воды в напорных баках и, как следствие, разрыв водяной циркуляции и снижение гидравлического напора;
для того, чтобы реализовать гидравлическую схему охлаждения контейнеров, представленную на фиг. 1, 4a 4e, необходимо иметь в напорных баках теплообменники активного типа, с насосом в каждом контуре охлаждения, что в режиме полного обесточивания приведет к непроектной работе гидравлической схемы охлаждения контейнеров;
8) под контейнерами, в которые поступает расплавленная активная зона, находятся баки с большим количеством воды, при разрушении контейнеров происходит неконтролируемое поступление расплава в воду, сопровождающееся взрывными процессами; если при проплавлении внутренней стенки контейнера взрыва не происходит, то кориум блокирует циркуляцию теплоносителя в пространстве между контейнерами, что приводит к прекращению теплоотвода от кориума и к дальнейшему разрушению устройства для рекуперации активной зоны.

Известно устройство реакторная установка [2] состоящее из: гермозоны, реактора, парогенератора, главных циркуляционных насосов, компенсатора объема, главного циркуляционного трубопровода, гидроемкостей системы аварийного охлаждения активной зоны, насосов системы безопасности, подпиточных насосов системы нормальной эксплуатации, соединяющих трубопроводов, фермы опорной, расположенной под зоной патрубков корпуса реактора, тепловой защиты нижней части корпуса реактора, металлоконструкции водяной защиты, трубопроводов подачи воздуха, подреакторного помещения, технологического коридора, колодца, откачивающего насоса.

Недостатки технического решения [2]
защитная оболочка реакторной установки [2] в процессе протекания тяжелой аварии не защищена:
от разрушения при паровых взрывах, которые могут происходить в бетонной шахте реактора в случаях разрушения корпуса реактора и падения расплава активной зоны в воду, находящуюся в бетонной шахте,
от взрывов водородосодержащих смесей;
2) бетонная шахта реакторной установки [2] (при полном обесточивании, при отказе дренажной системы или при течах теплоносителя из корпуса реактора) не защищена от затопления:
теплоносителем,
водой системы аварийного охлаждения активной зоны,
водой из баков водяной (биологической) защиты в процессе протекания тяжелой аварии;
3) гермозона в процессе протекания тяжелой аварии не защищена ни от разрушения при падении кориума в сухую бетонную шахту, ни от размывания при струйном истечении кориума из корпуса реактора;
4) нет возможности осуществлять контролируемое управляемое охлаждение кориума при выходе его за пределы корпуса реактора, контролировать химический состав, скорость эрозии бетона, предотвратить возникновение повторной критичности при заливе кориума теплоносителем с недостаточным содержанием поглотителя, предотвратить возникновение взрывов водородосодержащих смесей;
5) при поступлении кориума в подреакторное помещение жидкие фракции будут стекать в колодец, если в колодце будет находиться вода, возможно возникновение ударных волн парового взрыва и разрушение гермозоны, если воды в колодце нет, то произойдет разрушение тонкого слоя бетона и выход кориума за пределы гермозоны.

По совокупности признаков, включая конструктивные особенности, устройство [2] является наиболее близким аналогом и взято за прототип.

Целью предлагаемого изобретения является создание системы защиты защитной оболочки реакторной установки водо-водяного типа на действующих блоках АЭС с ВВЭР, обеспечивающей повышение надежности удержания кориума в бетонной шахте реактора в пределах гермозоны в авариях с разрушением активной зоны и выходом кориума за пределы корпуса реактора.

Эта задача решается для действующих блоков АЭС с водо-водяными реакторами типа ВВЭР, для которых основными принципами создания системы защиты защитной оболочки являются:
1) принцип дооборудования шахтного объема;
2) принцип максимального использования особенностей конструкции бетонной шахты и обслуживающих систем.

Предлагаемая система защиты защитной оболочки выполняет свои функции в условиях:
1) быстрого или медленного непрерывного поступления воды в бетонную шахту в любой момент протекания аварии, как от систем безопасности, систем нормальной эксплуатации, так и в результате разрушений элементов оборудования реакторной установки;
2) полного или частичного залива бетонной шахты водой;
3) периодического (импульсного) поступления воды в бетонную шахту;
4) воздушного охлаждения (используется как временная мера до подачи теплоносителя в бетонную шахту).

Наиболее важные проектные особенности бетонных шахт действующих реакторных установок с ВВЭР и их качественные характеристики:
1) подвод воздуха для охлаждения бетона производится по каналам, выходящим со стороны боковой поверхности бетонной шахты;
2) подвод воздуха по отношению к тепловой защите нижней части корпуса реактора производится сбоку.

Система защиты защитной оболочки реакторной установки водо-водяного типа обеспечивает:
1) естественную водяную, пароводяную и парогазовую циркуляцию охлаждающего теплоносителя в бетонной шахте с кориумом,
2) контролируемый химический состав,
3) контролируемый рост давления при контакте кориума с теплоносителем,
4) ограничение влияния паровых и водородных взрывов на процесс локализации и охлаждения кориума, вследствие чего появляется возможность обеспечить надежную локализацию, удержание и охлаждение кориума в пределах гермозоны.

Процесс поступления кориума в бетонную шахту сводится к двум различным механизмам, он начинается:
1) с проплавления или разрушения днища или боковой поверхности корпуса реактора;
2) с разрушения сварного шва и обрыва всего днища корпуса реактора.

Эти два процесса определяют два различных механизма поступления кориума или разрушенных твердых обломков активной зоны в бетонную шахту:
1) механизм струйного истечения кориума;
2) механизм обрушения со значительным перекрытием проходного сечения системы защиты защитной оболочки.

Процесс протекания тяжелой аварии сопровождается различными отказами или непроектными периодическими срабатываниями систем безопасности и систем нормальной эксплуатации. В результате отказов или непроектных режимов работы этих систем к моменту выхода кориума в бетонную шахту в ней может содержаться любое (по уровню) количество теплоносителя. Бетонная шахта может быть:
1) полностью залита водой, с заполнением внутреннего пространства между днищем и тепловой защитой нижней части корпуса реактора;
2) неполностью залита водой, уровень которой может находиться между днищем корпуса реактора и полом подреакторного помещения;
3) залита водой только под тепловой защитой нижней части корпуса реактора;
4) не залита водой (вода может содержаться только в колодце).

Техническим результатом изобретения является повышение безопасности ядерной энергетической установки в случае разрушения активной зоны и выхода кориума за пределы корпуса реактора.

Технический результат достигается за счет того, что система защиты защитной оболочки реакторной установки водо-водяного типа, содержащая гермозону 1, реактор 2, опору кольцевого бака 3, расположенную под зоной патрубков корпуса реактора, теплоизоляцию корпуса аппарата 4, кольцевой бак 5, трубопроводы подачи воздуха 6, подреакторное помещение 7, технологический коридор 8, колодец 9, откачивающий насос 10, собрана в следующем порядке согласно фиг. 1 4:
на выходе трубопроводов подачи воздуха 6 в подреакторное помещение 7 установлена по крайней мере одна решетка-ограничитель 11, выполняющая защитные функции, решетка-ограничитель 11 выполнена для прикрытия выходов трубопроводов подачи воздуха 6 и предназначена для обеспечения гарантированного зазора для прохода воздуха или теплоносителя в случае возникновения гидроударов или смещения элементов системы защиты защитной оболочки реакторной установки;
на полу подреакторного помещения 7 под теплоизоляцией корпуса аппарата 4 и в технологическом коридоре 8 установлен дренаж 12 в виде перфорированных труб, перфорированных швеллеров, двутавров, перфорированных коробчатых конструкций,
дренаж 12 предназначен для гарантированного подвода охлаждающей воды при различных вариантах развития аварии, с учетом обрушения, смятия, расплавления и диспергирования вышерасположенных элементов системы защиты защитной оболочки;
дренаж 12 выполнен с ограничителями 26 в виде сварных, болтовых соединений между элементами дренажа 12 для предотвращения смещений и самоблокирования элементов дренажа 12, что необходимо для сохранения гарантированных проходных сечений для подачи охлаждающего теплоносителя в подреакторное помещения 7 снизу под элементы системы защиты защитной оболочки реакторной установки;
на полу подреакторного помещения 7 в выполненные отверстия в днище теплоизоляции корпуса аппарата 4 установлены опоры 13,
на установленные опоры 13 сверху над днищем теплоизоляции корпуса аппарата 4 с зазором установлена опорная конструкция 14 в виде решетки или перфорированного листа, которая предназначена для удержания элементов системы защиты, защиты пола подреакторного помещения 7 от прямого контакта с кориумом, демпфирования гидроударов, и механических ударных нагрузок, связанных с падением кориума, с отрывом днища корпуса реактора 2 или внутрикорпусных устройств реактора 2;
опорная конструкция 14 выполнена для разделения водяного и парогазового объемов подреакторного помещения 7 в процессе протекания тяжелой аварии;
на установленную опорную конструкцию 14 с минимальным зазором до боковых поверхностей теплоизоляции корпуса аппарата 4 установлены сухие термостойкие элементы 15, состоящие из по крайней мере одной герметичной по воде гибкопластичной оболочки 16 и пористого, гранулированного и другого наполнителя 17, заполняющие оставшийся внутри теплоизоляции корпуса аппарата 4 объем до днища корпуса реактора 2 с повторением его профиля, с минимальным зазором до наружной поверхности днища 150 мм,
сухие термостойкие элементы 15 предназначены для:
поглощения кориума,
снижения его температуры начала плавления (температура solidus), введения в кориум поглотителей нейтронов для предотвращения повторной критичности при заливе кориума водой,
изменения фазового состава кориума,
обеспечения растрескивания кориума при охлаждении с образованием диспергированной структуры для последующего охлаждения в режиме пористого тела либо в режиме крупнодисперсной структуры;
установка сухих термостойких элементов 15 вплотную друг к другу выполнена для обеспечения режима практически сухого взаимодействия между кориумом и материалами элементов системы защиты на первой стадии выхода кориума в подреакторное помещение 7;
герметичные по воде гибкопластичные оболочки 16 предназначены для плотной укладки элементов 15 между собой без зазоров, с сохранением наполнителя 17 сухим до момента взаимодействия с кориумом, и предохранения от поступления большого количества теплоносителя в подреакторное помещение 7 до момента разрушения днища корпуса реактора 2;
кроме того, гибкопластичные оболочки 16 сухих термостойких элементов 15 предназначены для гашения гидроударов и ударных волн в осевом направлении и гашения вертикальных ударных нагрузок, действующих на пол подреакторного помещения 7;
пористый, гранулированный или сыпучий наполнитель 17 установлен для дополнительного механического демпфирования при воздействии на него ударной волны и для теплового демпфирования как энергетический поглотитель за счет своей развитой поверхности контакта при прямом взаимодействии с кориумом;
сухой наполнитель 17 повышенной сыпучести предназначен для защиты от прямого проникновения кориума по щелям и неплотностям между оболочками элементов 15;
сыпучий наполнитель 17 при поступлении в него воды (пористый гидроаккумулятор) предназначен для связывания воды за счет пористости, последующее взаимодействие такой системы с кориумом предназначено для торможения или блокировки процесса образования и распространения ударных волн при охлаждении кориума;
сухие термостойкие элементы 15, заполненные тугоплавкими наполнителями 17, установлены с минимальным зазором до днища корпуса реактора 2 в 150 мм для того, чтобы уменьшить объем теплоносителя, который может заполнить это свободное пространство; ограничение объема теплоносителя между днищем корпуса реактора 2 и сухими термостойкими элементами 15 необходимо для уменьшения как вероятности возникновения паровых взрывов, так и энергии ударных волн в случае их возникновения; на установленный дренаж 12 вплотную к стенам подреакторного помещения 7, секторно, между выходами трубопроводов подачи воздуха 6 установлены упругопластичные воздушные компенсаторы 18, расположенных до кольцевого бака 5, в виде сильфона, наборов пружин, рессор, профилированных пластин и конструкций корпусного типа, расположенный по периметру подреакторного помещения 7, закрывающих боковую поверхность и скрепленных между собой сваркой, болтами, с зазором для прохода воздуха между теплоизоляцией корпуса аппарата 4 и упругопластичными воздушными компенсаторами 18 не менее 300 мм,
упругопластичные воздушные компенсаторы 18 корпусного типа выполнены со сминаемыми под воздействием ударных нагрузок корпусами, с расположенными внутри компенсирующими элементами и предназначены для гашения ударных волн и динамических колебательных нагрузок и служат для защиты стен подреакторного помещения 7 от динамического ударного разрушения;
упругопластичные воздушные компенсаторы 18 выполнены в виде арочных конструкций, передающих нормальное давление на боковые поверхности компенсатора, тем самым передавая нагрузку другим жестко связанным упругопластичным воздушным компенсаторам 18 через боковые поверхности врaспор;
компенсаторы 18 герметичны и при заполнении подреакторного помещения 7 водой наполнены воздухом; от всплытия они защищены креплениями между собой и с опорной конструкцией 14;
для того чтобы при локальном воздействии ударной волны в работу были включены не только те упругопластичные воздушные компенсаторы 18, на которые непосредственно воздействует ударная волна, но и более отдаленные упругопластичные воздушные компенсаторы 18, выполнено беззазорное жесткое соединение упругопластичных воздушных компенсаторов 18 между собой;
секторная установка воздушных компенсаторов 18 необходима для обеспечения циркуляции воздуха в нормальных условиях эксплуатации и в авариях с функционирующим воздушным охлаждением подреакторного помещения 7;
проходы между секторами выполнены в виде каналов для сброса паровоздушной или пароводяной смеси при водяном или пароводяном охлаждении кориума в подреакторном помещении 7;
на установленный в технологическом коридоре 8 дренаж 12 установлена опорная конструкция 14 в виде решетки 14 или перфорированного листа,
на установленную в технологическом коридоре 8 опорную конструкцию 19 на расстоянии не менее 100 мм от стен и не менее 500 мм от потолка установлены термостойкие тугоплавкие 20 элементы в виде прямоугольных или профилированных элементов,
на полу колодца 9 установлены опоры 21,
на установленные опоры 21 установлена опорная конструкция 22 в виде решетки, перфорированного листа или рамы, выполненной из труб, коробчатых конструкций,
опорная конструкция 22 выполнена в виде сминаемых, разрушаемых или размыкаемых элементов, обеспечивающих проваливание установленных на опорную конструкцию 22 упругопластичных воздушных компенсаторов;
установленная в колодце опорная конструкция 22 выполнена с зазорами, обеспечивающими проваливание смятых упругопластичных воздушных компенсаторов 23, установленных над ними сверху сухих термостойких элементов 27 и установленных в технологическом коридоре 8 термостойких тугоплавких элементов 20 в случае их разрушения или выброса в колодец 9 под действием повышенного давления в подреакторном помещении 7;
на установленную опорную конструкцию 22 установлены упругопластичные воздушные компенсаторы 23 в виде сильфона, наборов пружин, рессор, профилированных пластин и конструкций корпусного типа,
упругопластичные воздушные компенсаторы 23, установленные в колодце 9, выполнены в форме параллелепипедов и в виде сминаемых в направлении действующей силы коротких секций, что обеспечивает проваливание в колодец 9 деформированного компенсатора 23;
на установленные упругопластичные воздушные компенсаторы 23 с зазором не менее 500 мм установлена опорная конструкция 24, в виде решетки, перфорированного листа или рамы, выполненной из труб, коробчатых конструкций, проходное сечение которой не менее площади свободного проходного сечения в технологическом коридоре 8,
опорная конструкция 24 выполнена в виде сминаемых, разрушаемых или размыкаемых элементов, обеспечивающих проваливание установленных на опорную конструкцию 24 сухих термостойких элементов 15;
на установленную над упругопластичными воздушными компенсаторами 23 опорную конструкцию 24 с зазорами, общей площадью не менее площади оставшегося свободного проходного сечения в технологическом коридоре 8, установлены сухие термостойкие элементы 15, состоящие из по крайней мере одной герметичной по воде гибкопластичной оболочки 16 и пористого, гранулированного и другого наполнителя 17, заполняющие колодец 9 до высоты, при которой площадь свободного проходного сечения равна площади проходного сечения колодца 9,
на входе в колодец 9 установлено, не менее двух трубопроводов 25 подачи охлаждающей воды.

При разрушении днища корпуса реактора 2 кориум поступает в пространство между днищем и сухими термостойкими элементами 15. В процессе протекания тяжелой аварии в этом пространстве может находиться теплоноситель, который представляет потенциальную угрозу целостности подреакторного помещения 7 и гермозоны 1 при возникновении условий для прямого взаимодействия с кориумом. Однако, до момента проплавления или до момента разрушения днища корпуса реактора 2, теплоноситель в узком щелевом пространстве между днищем и сухими термостойкими элементами 15 находится либо в гомогенном насыщенном состоянии, либо в гетерогенном двухфазном состоянии (это состояние отличается тем, что теплоноситель имеет границу раздела между фазами), причем, слой жидкости в такой системе находится при температуре близкой к температуре насыщения, а перегретый корпус реактора 2 с наружной стороны окружает паровой насыщенный или перегретый слой, что существенно снижает как вероятность образования ударной волны, так и силу парового взрыва, в случае его возникновения. Оценки, опирающиеся на экспериментальные исследования [3] показывают, что в стоячем гомогенном или гетерогенном двухфазном теплоносителе узкого щелевого пространства непосредственно примыкающего к днищу корпуса реактора 2 возможно локальное повышение давления при разрушении днища, вызванное выходом кориума в теплоноситель щелевого пространства. Это локальное давление приводит к распространению ударной волны в подреакторном помещении 7 в зависимости от степени разрушения теплоизоляции корпуса аппарата 4:
во внутреннем объеме тепловой защиты 4 нижней части корпуса реактора 2, в подреакторном помещении 7, внутри корпуса реактора 2,
в объеме между наружной поверхностью теплоизоляции корпуса аппарата 4 и внутренней стеной подреакторного помещения 7 (в этом пространстве находятся упругопластичные воздушные компенсаторы, которые, деформируясь, поглощают энергию ударной волны),
в объеме между наружной поверхностью теплоизоляции корпуса аппарата 4 и кольцевого бака 5 (которая может быть разрушена ударной волной или летящими предметами, что вызовет поступление воды из кольцевого бака 5 в подреакторное помещение 7).

Окончательное установившееся давление за ударной волной в связанной системе двух объемов подреакторного помещения 7 и корпуса реактора 2, составляет около 0,6 МПа. Последующее истечение пароводяной или паровоздушной смеси из подреакторного помещения 7 происходит по кольцевым соосным щелевым каналам: вдоль боковой поверхности корпуса реактора 2, вдоль теплоизоляции корпуса аппарата 4 и вдоль кольцевого бака 5, через опору кольцевого бака 3, расположенную под зоной патрубков корпуса реактора, в помещения боксов парогенераторов и далее в объем гермозоны 1.

Разрушение кольцевого бака 5 не приводит к повторным паровым взрывам, так как вода из кольцевого бака 5 поступает в пространство, занятое упругопластичными воздушными компенсаторами 18 и теплоизоляцией корпуса аппарата 4, которые препятствуют быстрому опорожнению баков 5 и прямому поступлению воды в центральную часть подреакторного помещения 7, как в условиях проектного функционирования оборудования системы защиты, так и при частичном разрушении элементов оборудования во время контакта с кориумом.

В случае отрыва днища корпуса реактора 2 теплоноситель из пространства между днищем корпуса и сухими термостойкими элементами 15 будет выдавлен в щелевые цилиндрические каналы, расположенные вокруг корпуса реактора 2, и парового взрыва не произойдет.

При возникновении ударных нагрузок в пространстве между днищем и сухими термостойкими элементами 15 поглощение энергии одной или серии ударных волн будет происходить на сухих термостойких элементах 15 системы защиты защитной оболочки, объем воздушного пространства которых позволяет эффективно поглощать энергию ударных волн при однократном или многократном их воздействии на эти элементы. Разрушение теплоизоляции корпуса аппарата 4 открывает еще один канал для выхода пароводяной или парогазовой смеси из подреакторного помещения 7 трубопроводы подачи воздуха 6. Защищенные решетками-ограничителями 11 от забивания при гидроударах или смещениях элементов системы защиты эти трубопроводы, объединенные в два кольцевых коллектора, позволяют быстро сбросить избыточное давление в подреакторного помещения 7.

Поступление кориума из корпуса реактора 2 на сухие термостойкие элементы 15 приводит к разрушению оболочек элементов 16, 28 и взаимодействию между кориумом и сухим наполнителем 17 термостойких элементов 15. Если в объеме подреакторного помещения 7 находится теплоноситель, то происходит взаимодействие между теплоносителем и кориумом. Теплоноситель находится только в узком щелевом пространстве вокруг стен подреакторного помещения 7. Между оболочками сухих термостойких элементов 15 его содержится очень мало, так как элементы плотно уложены друг к другу. В этих условиях никакого значительного повышения давления не происходит, так как малый объем и пространственно-рассредоточенное расположение теплоносителя между герметичными оболочками сухих термостойких элементов 15 тормозит развитие процессов парообразования, процессов перемешивания теплоносителя с кориумом. Сухие термостойкие элементы 15 гасят распространение ударных волн и блокируют диспергирование (разбрызгивание) при струйном истечении кориума в подреакторное помещение 7. Блокирование и торможение процессов взаимодействия кориума с теплоносителем на сухих термостойких элементах 15 достигается применением (в случае использования элемента по пунктам 4, 5 и 6):
1) гибкого упругого каркаса 27;
2) внутренней водонепроницаемой эластичной оболочки 28;
3) наружной прочной на разрыв термостойкой эластичной оболочки 16;
4) сухой плотной тугоплавкой или пористой легкоплавкой гранулированной засыпки 17 (кроме того, сухой термостойкий элемент 15 может иметь наружную 16 и внутреннюю оболочки 28, причем наполнитель расфасовывается в независимые секции внутренней оболочки 28, которые укладываются внутрь наружной оболочки 16 вплотную друг к другу).

Каждый сухой термостойкий элемент 15 представляют собой каркас 27, обтянутый двумя слоями разнородных материалов. Первый внутренний слой, обтягивающий каркас толстая многослойная пленка, в задачу которой входит обеспечение герметичности по воде внутреннего объема элемента. Второй наружный слой, обтягивающий каркас 27 прочная на разрыв термостойкая стеклоткань, способная выдержать температуру до 400^oC, задача которой обеспечение герметичности и прочности на разрыв первого внутреннего слоя при укладке элементов друг на друга, при вибрациях и при небольших смещениях. В то же время этот наружный прочный слой 16 выполняется из достаточно мягкой ткани для плотной укладки элементов друг к другу и к конструкциям, находящимся в подреакторном помещении 7, с целью уменьшения площади проходного сечения для воды. Заполнение элемента производится сухим плотным термостойким наполнителем 17 в виде гранулированной засыпки, что обеспечивает:
1) поглощение ударных нагрузок при импульсном воздействии на элемент;
2) образование пористого тела при разрушении двухслойной оболочки за счет сыпучести;
3) аккумулирование поступающего в подреакторное помещение 7 теплоносителя, что позволяет осуществлять эффективное парогазовое или пароводяное охлаждение кориума, гасить гидроудары и блокировать процессы, приводящие к паровым взрывам;
4) регулирование химического состава кориума, это дает возможность использовать эффективные шлакообразующие добавки, снижающие температуру кориума, позволяет обеспечить прогнозируемый состав кориума с помощью введения в наполнитель окислителя.

Герметичность по воде сухих термостойких элементов 15 обеспечивает сухой контакт кориума с наполнителем 17 каждого элемента 15. Этот контакт не приводит к быстрому повышению давления в подреакторном помещении 7, а последующий контакт кориума с водой не приводит к бурному или ударному парообразованию, так как заполнение подреакторного помещения 7 водой производится достаточно медленно до тех пор, пока сухие термостойкие элементы 15 закрывают дренаж 12 на полу подреакторного помещения 7. Требование на ограничение парообразования является главным требованием, которое необходимо учитывать при водяном охлаждении кориума, так как проходные сечения трубопровода подачи воздуха 6 подреакторного помещения 7 невелики. При разрушении сухих термостойких элементов 15 их содержимое образует пористое тело, сквозь которое теплоноситель взаимодействует с кориумом. Для обеспечения эффективного охлаждения кориума выходы трубопровода подачи воздуха 6 должны быть защищены от затеснения, что позволяет:
1) обеспечить циркуляцию водяного, пароводяного или парогазового теплоносителя по трубопроводам этой системы;
2) обеспечить сброс пароводяной (парогазовой) смеси из подреакторного помещения 7 в режиме пароводяного охлаждения кориума при подаче теплоносителя в подреакторное помещение 7 из колодца 9 по дренажу 12;
3) обеспечить эффективное снижение давления в подреакторном помещении 7 при подаче теплоносителя на кориум сверху при использовании насосов системы безопасности (не показаны), подпиточных насосов системы нормальной эксплуатации, или при внезапном срабатывании гидроемкостей системы аварийного охлаждения активной зоны (в случае разрушения трубопроводов, разрушения одного или нескольких корпусов гидроемкостей, или в результате восстановления работоспособности систем).

При быстром или медленном непрерывном поступлении теплоносителя в подреакторное помещение 7 как от систем безопасности, систем нормальной эксплуатации, так и в результате разрушений элементов оборудования реакторной установки, в любой момент протекания аварии, теплоноситель по трубопроводам подачи охлаждающей воды 25 поступает в колодец 9, оттуда в технологический коридор 8, затем в дренаж 12 на полу подреакторного помещения 7. По щелям между сухими термостойкими элементами 15 и по зазорам между воздушными компенсаторами, теплоизоляцией корпуса аппарата 4 и стенами подреакторного помещения 7 теплоноситель поднимается вверх. Благодаря тому, что сухие термостойкие элементы 15 герметичны и уложены плотно, объем воды в подреакторном помещении 7 минимален и при разрушении днища корпуса реактора 2 кориум попадает на практически сухие элементы системы защиты защитной оболочки, содержащие минимальное количество воды, что предотвращает возникновение и развитие паровых взрывов.

В случае неуправляемого поступления теплоносителя с пола боксов парогенераторов (не показаны) через опору кольцевого бака 3, по кольцевым соосным щелевым каналам вдоль боковой поверхности корпуса реактора 2, вдоль теплоизоляции корпуса аппарата 4 и вдоль кольцевого бака 5 в подреакторное помещение 7 после разрушения корпуса реактора 2 кориумом возможно возникновение паровых взрывов при прямом струйном воздействии теплоносителя на кориум. Для снижения последствий воздействия ударной волны на стены подреакторного помещения 7 используются упругопластичные воздушные компенсаторы 18, которые поглощают энергию ударной волны, предохраняя стены подреакторного помещения 7 от разрушения. Пол подреакторного помещения 7 защищен сухими термостойкими элементами 15, также поглощающими энергию ударной волны. Упругопластичные воздушные компенсаторы 18 позволяют защитить стены подреакторного помещения 7 от ударных нагрузок при гидроударах, паровых и водородных взрывах. Компенсаторы 18 снабжены упругими механическими и пневматическими элементами, рассчитанными на относительно небольшие ударные нагрузки и элементами, работающими в области пластических деформаций при больших ударных нагрузках. В случае сильных гидродинамических возмущений компенсатор 18 работает на смятие, увеличивая свободный гидродинамический объем в подреакторном помещении 7 для последующего пароводяного охлаждения кориума. Жесткая механическая связь упругопластичных воздушных компенсаторов 18 между собой как в аксиальном, так и в азимутальном направлениях, обеспечивает дополнительную защиту стен подреакторного помещения 7 от ударных нагрузок, так как позволяет включить в работу не только те компенсаторы 18, на которые непосредственно воздействует ударная нагрузка, но и всю связанную систему в целом. Таким образом, система жестко связанных упругопластичных воздушных компенсаторов 18 работает как единая система ослабления и поглощения ударных нагрузок и предохраняет стены подреакторного помещения 7 от ударного разрушения и прямого гидродинамического воздействия со стороны кориума.

В процессе протекания тяжелой аварии возможно восстановление подачи воздуха в подреакторное помещение 7. При разрушении теплоизоляции корпуса аппарата 4 воздух, проходя по каналам в подреакторном помещении 7 и в зазорах между сухими термостойкими элементами 15, будет охлаждать кориум до тех пор, пока кориум находится выше отметки входа трубопроводов подачи воздуха 6 в подреакторное помещение 7. Если воздушным охлаждением процесс разрушения сухих термостойких элементов 15 остановить не удалось и кориум продолжает свое движение вниз, то эффективность охлаждения кориума будет быстро уменьшаться по мере пересечения кориумом отметки, на которой находятся выходы трубопроводов подачи воздуха 6.

Охлаждение воздухом мера временная и вынужденная, основная задача которой обеспечить замедление процесса разрушения подреакторного помещения 7 и дать оперативному персоналу дополнительное время для организации подачи воды в подреакторное помещение 7 для последующего пароводяного или водяного охлаждения кориума.

Укладка тугоплавких элементов 20 в технологическом коридоре 8 с зазорами между стенами и потолком обеспечивает сброс парогазовой смеси при подъеме давления в подреакторном помещении 7. При быстром повышении давления до 5 бар кладка тугоплавких элементов 20 будет выброшена из технологического коридора 8 в колодец 9. Для защиты стен колодца 9 от ударных нагрузок при разрушении и перемещении кладки 20 напротив технологического коридора 8 в колодце 9 расположены упругопластичные воздушные компенсаторы 23. При перемещении кладки 20 компенсаторы 23 деформируются (сминаются, рвутся, разрушаются), поглощая энергию перемещения кладки 20. Смятые компенсаторы 23 сквозь опорную конструкцию 22 проваливаются на дно колодца 9. Выпавшие из технологического коридора 8 элементы кладки 20 сквозь опорную конструкцию 22 опрокидываются в колодец 9, заполняя его дно, туда же падают сухие термостойкие элементы 15, расположенные в колодце 9 над упругопластическими воздушными компенсаторами 23. Установленные в колодцев на опоры 21 и на упругопластичные воздушные компенсаторы 23 опорные конструкции 22 и 24 выполнены в виде сминаемых, разрушаемых или размыкаемых элементов, обеспечивающих проваливание на дно колодца 9 смятых упруго-пластичных воздушных компенсаторов 23 и установленных над ними сухих термостойких элементов 15. Заполнение колодца 9 материалами системы защиты защитной оболочки необходимо для предохранения колодца 9 от быстрого разрушения при поступлении в него кориума. Эти материалы удерживают кориум, защищают дно колодца 9, вытесняют воду, блокируют возможное взрывное взаимодействие кориума и воды, препятствуют вытеканию кориума за пределы подреакторного помещения 7.

При восстановлении работоспособности систем безопасности или систем нормальной эксплуатации, возобновляется подача воды в корпус реактора 2, если к этому моменту разрушение корпуса реактора 2 произошло, то охлаждающая вода поступает из корпуса реактора 2 непосредственно в подреакторное помещение 7 сверху на кориум. Производительность одной системы подачи воды достаточна для локализации и охлаждения кориума на сухих термостойких элементах 15 в подреакторном помещении 7 даже без поступления охлаждающего теплоносителя по трубопроводам подачи охлаждающей воды 25 в колодец 9 и подреакторное помещение 7.

Наиболее целесообразно предложенную систему защиты защитной оболочки реакторной установки водо-водяного типа использовать при реконструкции ядерных энергетических установок с реакторами типа ВВЭР, что обеспечивается минимально-необходимым объемом работ по модернизации имеющегося оборудования.

Claims (1)

1. Система защиты защитной оболочки реакторной установки водо-водяного типа, содержащая гермозону 1, реактор 2, опору кольцевого бака 3, расположенную под зоной патрубков корпуса реактора, теплоизоляцию корпуса аппарата 4, кольцевой бак 5, трубопроводы подачи воздуха 6, подреакторное помещение 7, технологический коридор 8, колодец 9, откачивающий насос 10, отличающаяся тем, что на выходе трубопроводов подачи воздуха 6 в подреакторное помещение 7 установлена по крайней мере одна решетка-ограничитель 11, на полу подреакторного помещения 7 под теплоизоляцией корпуса аппарата 4 и в технологическом коридоре 8 установлен дренаж 12 в виде перфорированных труб, перфорированных швеллеров, двутавров, перфорированных коробчатых конструкций, на полу подреакторного помещения 7 в выполненные отверстия в днище теплоизоляции корпуса аппарата 4 установлены опоры 13, на установленные опоры 13 сверху над днищем теплоизоляции корпуса аппарата 4 с зазором, учитывающим тепловые и упругие удлинения корпуса аппарата 4, установлена опорная конструкция 14 в виде решетки или перфорированного листа, на установленную опорную конструкцию 14 с минимальным зазором до боковых поверхностей теплоизоляции корпуса аппарата 4, учитывающим ее тепловые расширения и механические колебания, установлены сухие термостойкие элементы 15, состоящие из по крайней мере одной герметичной по воде гибкопластичной оболочки 16 и пористого, гранулированного наполнителя 17, заполняющие оставшийся внутри теплоизоляции корпуса аппарата 4 объем до днища корпуса реактора 2 с повторением его профиля с минимальным зазором до наружной поверхности днища 150 мм, на установленный дренаж 12 вплотную к стенам подреакторного помещения 7, секторно, между выходами трубопроводов подачи воздуха 6 установлены упругопластичные воздушные компенсаторы 18, расположенные до кольцевого бака 5, в виде сильфона, наборов пружин, рессор, профилированных пластин и конструкций корпусного типа, расположенных по периметру подреакторного помещения 7, закрывающих боковую поверхность и скрепленных между собой сваркой, болтами, с зазором для прохода воздуха между теплоизоляцией корпуса аппарата 4 и упругопластичными воздушными компенсаторами 18 не менее 300 мм, на установленный в технологическом коридоре 8 дренаж 12 установлена опорная конструкция 19 в виде решетки или перфорированного листа.

Images