BR112017013047B1 - Sistema de confinamento e resfriamento de material fundido nuclear de reator nuclear moderado por água e resfriado a água - Google Patents

Abstract

A invenção se refere à indústria de energia nuclear, a saber, sistemas que fornecem segurança de usinas de energia nuclear (NPP), e podem ser usados durante acidentes graves que levam à falha do recipiente do reator e do confinamento de NPP. O sistema de confinamento e resfriamento de material fundido inclui uma placa de guia em formato de cone instalada sob o fundo do recipiente do reator, uma viga de cantiléver instalada sob a placa de guia e que sustenta a mesma, um coletor de núcleo instalado sob a viga de cantiléver e equipado com revestimento resfriado na forma de um recipiente de múltiplas camadas para proteção da parede externa de troca de calor contra impactos dinâmicos, térmicos e químicos e material de carga para diluição de material fundido dentro do recipiente de múltiplas camadas. O dito recipiente de múltiplas camadas contém paredes metálicas interna e externa com carga de material pouco condutor de calor em relação à parede entre as mesmas. A espessura de carga hcarga deve atender o seguinte requisito: 0,8hext hcarga 1,6hext, em que hext é a espessura da parede externa do recipiente. O resultado técnico da invenção é a eficácia aumentada de remoção de calor do (...).

Description

DESCRIÇÃO

[0001] A invenção refere-se à indústria de energia nuclear, a saber, sistemas que fornecem segurança de usinas de energia nuclear (NPP) e podem ser usados durante acidentes graves que levam à falha do recipiente do reator e do confinamento de NPP.

[0002] Acidentes de fusão do núcleo que ocorrem em falhas múltiplas dos sistemas de resfriamento do núcleo constituem o mais alto perigo de radiação.

[0003] Durante os ditos acidentes, o material fundido nuclear, cório, derrete os elementos internos do reator e seu recipiente e flui para fora do recipiente do reator e, devido a seu calor residual, pode afetar a integridade do confinamento de NPP, a última barreira no caminho do produto radiativo antes de sua liberação para o meio ambiente.

[0004] Para evitar tal fato, o cório liberado deve ser confinado e refrigerado continuamente até que se complete sua cristalização. Um sistema de resfriamento de material fundido de núcleo de reator (cório) e de confinamento desempenha esta função, prevenindo danos ao confinamento de NPP e, portanto, protegendo a população e o meio ambiente contra a exposição à radiação em caso de acidentes graves nos reatores nucleares.

[0005] De acordo com os antecedentes da invenção, há um dispositivo de confinamento e resfriamento de cório de reator nuclear localizado em uma cavidade concreta sob o reator e que contém um recipiente resfriado a água, pelotas com um diluente de cório de óxido que contém urânio que são ligadas por argamassa de cimento e colocadas em camadas horizontais de blocos de aço, sendo que o fundo do bloco inferior tem um formato idêntico ao fundo do recipiente, sendo que os blocos acima têm um orifício central e as montagens que acoplam os blocos entre si e o recipiente são localizadas em fendas de corte vertical dos blocos (consulte Patente Russa No 2514419 depositada em 4/27/2014).

[0006] O dito análogo tem diversas desvantagens:

[0007] - o fundo do bloco inferior com formato idêntico ao do fundo do recipiente não tem orifício central enquanto os blocos acima têm, o que resulta na "compressão" das pelotas com diluente no bloco inferior quando entra a primeira porção de cório que contém, em sua maioria, aço fundido e zircônio. Considerando que o ângulo de inclinação inferior é de 10 a 20 graus, o peso das pelotas "comprimidas" com diluente constitui de 25 a 35% do peso total das pelotas no recipiente. As próximas porções de cório que contém, principalmente, óxidos de urânio e zircônio chegam após uma a três horas após a primeira porção e não podem fornecer condições para a reação química térmica com as pelotas no bloco inferior, visto que o aço entregue anteriormente irá se solidificar no bloco inferior (prevenindo, assim, a interação das pelotas com óxidos de urânio e zircônio) ou irá destruir a estrutura de aço e prendedores do bloco inferior (então, todas as pelotas localizadas no interior irão flutuar e formar um a cobertura de escória acima do cório),

[0008] - uma fórmula para determinar o peso do diluente de cório de óxido que contém urânio não determina o limite mínimo do peso requerido de diluente corretamente devido à consideração incorreta de correlação entre a espessura de camadas de óxidos e metais a partir do reator nuclear. O limite inferior sob esta fórmula deve aumentar em 35% caso as pelotas sejam comprimidas no bloco inferior, e em 15% mais caso as pelotas sejam bloqueadas por aço fundido nos blocos superiores antes que a inversão do óxido e camadas de metal inicie. Portanto, o limite inferior para cálculo do peso diluente deve ser multiplicado por um coeficiente de 1,5.

[0009] - o peso máximo da água residual na porcentagem de peso no elemento aglutinante de cimento para pelotas de diluição não excede 8%, o que não parece correto. De acordo com os resultados de experimentos (consulte “Investigation of conditions to provide bonding of sacrificial SFAO ceramic with colored mixture brick mortar”). Informação Técnica. Ministério de Ciências e Educação da Federação Russa, State Educational Institution of Higher Professional Training, St. Petersburg State Technological Institute (technical university), 2013, [1]), aglutinação eficaz das pelotas que fornece a operabilidade do projeto que requer que a fração de peso da água de aglutinação química deva ser 10%, caso contrário a integridade da configuração das pelotas e sua operabilidade será comprometida. Uma tese sobre a diminuição do teor de água no elemento aglutinante de cimento para diminuir a liberação de hidrogênio é incorreta devido à consideração incorreta da interação de vapor com estrutura porosa da configuração das pelotas.

[0010] De acordo com os antecedentes da invenção, há uma estrutura de parede do recipiente de trocador de calor projetado para dispositivos de confinamento e resfriamento de cório que compreendem paredes internas e externas com material de carga de cerâmica granulada que é quimicamente similar ao material sacrificial, ao menos 100 mm de espessura entre (consultar Patente de Modelo de Utilidade no RU 100326, 12/10/2010).

[0011] Essa estrutura de recipiente apresenta as seguintes desvantagens:

[0012] - o material de cerâmica granulada não fornece proteção eficaz da parede externa de recipiente de trocador de calor contra o impacto térmico induzido por material fundido de alta-temperatura, visto que esse material é um isolante de calor eficaz com condutividade térmica menor que 0,5 W/(m K) em média e praticamente não transfere calor à parede externa de recipiente até o final do processo de fusão, o que aumenta o risco de destruição de trocador de calor durante a lavagem de convecção do material granulado pelo material fundido de núcleo,

[0013] - material de cerâmica granulada não fornece proteção química confiável da parede externa de recipiente de trocador de calor, visto que, no caso de a parede interna do trocador de calor ser destruída, esse material pode ser derramado a partir do espaço vertical entre paredes na taxa de descarga determinada pela área de destruição, em que o dito processo irá esvaziar o espaço entre paredes e deixar a parede externa sem a proteção química e térmica exigida, intensificando, assim, o risco de destruição do trocador de calor,

[0014] - grande largura (ao menos 100 m) do vão entre as paredes externas e internas do trocador de calor durante a fusão do material de cerâmica granulada (que contém ferro e óxidos de alumínio) resulta na redistribuição significativa de fluxos de calor, em que o fluxo de calor principal passa, não através do recipiente de parede externa do reator de trocador de calor, mas através da superfície livre não protegida do espelho fundido, de modo a aumentar a temperatura de cório média no trocador de calor, resultando, portanto, nos seguintes processos: geração de aerossol intensificada, alta liberação de gases não condensados, emissão térmica aumentada, destruição e aquecimento adicionais de gases não condensados, alta liberação de gases não condensados, emissão térmica intensificada, aquecimento adicional e destruição do equipamento localizado acima e, como resultado, cório fluindo para fora da área refrigerada ocasionando a destruição do trocador de calor.

[0015] Essa é a razão de a aplicação de preenchimento de cerâmica granulada sem uma forte conexão de condução de calor com a parede externa do trocador de calor ser ineficaz.

[0016] O propósito dessa invenção é eliminar as deficiências de invenções similares.

[0017] O resultado técnico da invenção envolve eficácia intensificada da remoção de calor do material fundido e confiabilidade estrutural aprimorada.

[0018] O dito resultado técnico é obtido devido ao fato de que o sistema de confinamento e resfriamento de material fundido de núcleo de reator nuclear moderado por água e resfriado a água contém uma placa de guia em formato de cone instalada sob o fundo do recipiente, uma viga de cantiléver instalado sob a placa de guia e que sustenta o mesmo, em que um coletor nuclear instalado sob a viga de cantiléver e equipado com um revestimento refrigerado na forma de um recipiente de múltiplas camadas para proteção da parede de troca de calor externa a partir de impactos químicos, térmicos e dinâmicos e material de carga para diluição de material fundido no interior do recipiente de múltiplas camadas, em que o dito recipiente de múltiplas camadas do coletor contém paredes de metal internas e externas com carga de condução de calor fraca com relação ao material de parede entre estes, sendo que a espessura do material de carga hcarga cumpre os seguintes requerimentos: 0,8hext< hcarga <1,6hext, em que hext é a espessura da parede externa de recipiente.

[0019] O resultado técnico acima é também alcançado em opções específicas da invenção devido ao fato de que:

[0020] - paredes internas e externas são produzidas a partir de aço,

[0021] - carga com ponto de fusão de 800 a 1.400 °C é usado no sistema,

[0022] - camada de preenchimento de concreto ou cerâmica com uma troca de calor estável com a parede externa é usada como uma carga,

[0023] - nervuras de mancal ficam localizadas entre as paredes internas e externas, sendo que a espessura das nervuras (hnervura) cumpre o seguinte critério: 0,5hext<

[0024] - nervuras de mancal passam através da parede interna por dentro do volume do recipiente interior formando uma estrutura de suporte protetora,

[0025] - a parte superior do recipiente é equipada com um flange, sendo que seus diâmetros internos e externos correspondem aqueles das paredes internas e externas do recipiente adequadamente,

[0026] - o sistema contém uma camada adicional de escória artificial entre a parede externa e a carga do recipiente, sendo a camada de escória baseada em ao menos um dos seguintes óxidos: óxido de zircônio, óxido de alumínio, óxido férrico, com teor de massa da base na camada não menor que 20 % em peso.

[0027] Em comparação com os análogos, o sistema em consideração inclui um coletor nuclear com um revestimento de três camadas com paredes de metal externas (de fora) e internas e uma fraca carga condutora de calor com uma espessura que cumpre os seguintes critérios:

[0028] 0,8hext< hcarga <1,6hext,

[0029] A dita correlação de parâmetro fornece uma remoção de calor eficaz a partir do cório sem impacto na integridade da parede externa devido ao seguinte.

[0030] Por um lado, a espessura da carga condutora de calor fraca não deve ser menor que 0,8 hext, como em outro modo, no caso de um choque térmico, a carga não irá conseguir desempenhar suas funções e não irá garantir a integridade da parede externa de troca de calor.

[0031] Por outro lado, a espessura da carga insatisfatoriamente condutora de calor não deve ser mais que 1,6 hext, visto que, em caso contrário, pode levar a um bloqueio total da troca de calor através da parede de troca de calor externa por mais de uma hora, o que é inaceitável com base nas exigências termofísicas (cório e temperatura de radiação, formação de aerossol aumentada, etc.).

[0032] A invenção é ilustrada com desenhos, sendo que-: Figuras 1 (a, b) mostram o projeto esquemático do sistema de confinamento, e a Figura 2 mostra o projeto do coletor de recipiente de múltiplas camadas.

[0033] Designação de elementos estruturais:

[0034] 1 - recipiente de reator,

[0035] 2 - fundo do recipiente de reator,

[0036] 3 - abóbada concreta (cavidade de reator),

[0037] 4 - placa de guia,

[0038] 5 - viga de cantiléver,

[0039] 6 - proteção térmica de viga de cantiléver,

[0040] 7 - solo de operação,

[0041] 8 - coletor nuclear,

[0042] 9 - proteção térmica de flange de recipiente de múltiplas camadas,

[0043] 10 - carga,

[0044] 11 - camada externa de recipiente de múltiplas camadas,

[0045] 12 - carga de recipiente de múltiplas camadas,

[0046] 13 - camada interna de recipiente de múltiplas camadas,

[0047] 14 - reservatório cônico gradeado ou cilíndrico para cório,

[0048] 15 - camada de escória.

[0049] De acordo com a invenção reivindicada, a placa de guia em formato de cone (4) sustentado por uma viga de cantiléver (5) com proteção térmica (6) é instalado sob o fundo (2) do recipiente de reator (1) localizado em uma abóbada concreta (3). Sob a viga de cantiléver (5), há um coletor nuclear (8) com um revestimento (recipiente) refrigerado na forma de um recipiente de múltiplas camadas que contém (paredes) de camadas de metal externas (11) e internas (13) com uma carga condutora de calor fraca (12) entre estes.

[0050] No interior do coletor nuclear (8) há uma carga sacrificial (10) aplicada a cório diluído. Adicionalmente, a carga (11) é equipada com um reservatório cilíndrico cônico, gradeado (14) ou para acomodação de cório.

[0051] Além disso, o recipiente do coletor nuclear (8) é fornecido com proteção térmica (9) de um flange de recipientes de múltiplas camadas.

[0052] Um solo de operação (7) é localizado no espaço entre a viga de cantiléver (5) e o coletor (8).

[0053] A placa de guia (4) é projetada para guiar o cório (material fundido de núcleo) após a destruição de recipiente do reator ou solda com penetração total no interior do coletor (8). Adicionalmente, a placa de guia (4) evita que grandes fragmentos de elementos internos de recipiente, montagens de combustível e fundo de recipiente de reator caiam no interior do coletor e protege a viga de cantiléver (5) e suas linhas de comunicação caso haja contato do cório do recipiente de reator (1) com o coletor (8). A placa de guia (4) também protege a abóbada concreta (3) do contato direto com material fundido de núcleo. A placa de guia (4) é dividida por nervuras de resistência em seções para defluência de material fundido de núcleo. As nervuras de resistência restringem o fundo de recipiente de reator (2), de modo que o material fundido evite que o fundo cubra os furos das seções da placa de guia (4) e bloqueie a defluência de material fundido caso seja destruído ou sofra graves deformações plásticas. Sob a superfície de um cone de placa de guia, há duas camadas de concreto: uma camada de concreto sacrificial (ferro e óxido de alumínio base) diretamente sob a superfície, e a camada de concreto resistente a calor termoestável (base de óxido de alumínio) sob o concreto sacrificial. Conforme o concreto sacrificial é diluído na fusão, tal fato aumenta a área livre nas seções de placa de guia em caso de bloqueio (quando o cório é solidificado em um ou diversos setores), o que permite prevenir o superaquecimento e destruição de nervuras de resistência, isto é, de modo a bloquear completamente a área livre e, subsequentemente, a destruição da placa de guia. Concreto resistente a calor termoestável fornece força de estrutura quando a espessura do concreto sacrificial é diminuída. Esse concreto protege o equipamento de camada inferior contra o impacto de cório evitando que este seja fundido ou seja fundido ou que destrua a placa de guia (4).

[0054] A viga de cantiléver (5) protege não apenas o coletor (8), mas também as linhas de comunicação interna de todo o confinamento de cório e sistema de refrigeração a partir da destruição por cório e serve como um suporte para a placa de guia (4) que transfere impactos estatísticos e dinâmicos para a viga de cantiléver (5) presa no recipiente de reator (3). A viga de cantiléver (5) também garante a operabilidade de uma placa de guia (4) no caso de uma destruição seccional quando a capacidade de mancal das nervuras é comprometida.

[0055] A viga de cantiléver (5) compreende:

[0056] - canos de cobertura que conectam sensores de controle e instrumentação (I&C),

[0057] - linhas de aspersão de cório (um cabeçote com tubulações de distribuição) que conecta o fornecimento de água de refrigeração às fontes externas, sendo que a água de refrigeração é fornecida pelas linhas de aspersão a serem aspergidas no cório a partir da viga de cantiléver acima,

[0058] - linhas de remoção de vapor da abóbada concreta (3) sob o reator até a área pressurizada quando o cório é refrigerado no coletor nuclear (8), sendo que as linhas removem vapor saturado sem exceder a pressão permissível na abóbada concreta (3),

[0059] - linhas de fornecimento de ar para refrigeração de placa de guia (4) durante operação normal.

[0060] O coletor (8) confina e resfria o material fundido de núcleo sob o reator na cavidade de reator (3) no caso de o recipiente de reator (1) ser fundido de modo atravessante ou destruído por meio de uma superfície de troca de calor evoluída e no caso de transferência de calor para grandes volumes de água em ebulição. O coletor (8) é instalado na fundação da cavidade de reator (3) em partes embutidas.

[0061] De acordo com a invenção reivindicada, o revestimento do coletor (8) é um recipiente de múltiplas camadas que compreende:

[0062] - camada metálica externa (11) (parede externa),

[0063] - camada de carga (12) de material condutor de calor fraco com relação aos materiais de parede, que é um material com condutividade de calor inferior à condutividade das paredes,

[0064] - camada metálica interna (13) (parede interna),

[0065] A camada externa (11) pode ser produzida a partir de aço, como um grau de 22K, 20K, 25L, 20L, com espessura de parede de 10 a 90 mm e espessura de fundo de 70 a 120 mm.

[0066] A camada interna (13) pode ser produzida a partir de aço como grau de 22K, 20K, 25L, 20L, 09G2S, aço 20, com espessura de parede de 5 a 50 mm e espessura de fundo de 20 a 60 mm.

[0067] A camada de carga (12) é produzida a partir de um material com ponto de fusão de 800 a 1400 °C, sendo que o ponto de fusão máximo é igual ao ponto de fusão do aço usado na camada interna (13). A carga pode ser produzida a partir de lascas de concreto ou cerâmica (enchimento) que trocam calor com as camadas externas do recipiente de múltiplas camadas (11) do coletor (8) com óxidos férricos conforme seu principal componente. Para garantir condutividade de calor, lascas de cerâmica devem incluir ao menos dois componentes: alta-fusão e baixa- fusão. Componentes de baixa-fusão garantem condutividade de calor com a camada externa do recipiente de múltiplas camadas (11).

[0068] A espessura de carga (12) hcarga deve cumprir o seguinte critério: 0,8hext< hcarga <1,6hext, em que hext é a espessura da parede externa de recipiente. O valor inferior é usado para moldar cargas com porosidade de 5 a 10%, e o valor mais alto é usado para carga a granel com porosidade de até 40%:

[0069] Em particular, a espessura de camada de carga pode ser de hcarga = 10 a 100 mm.

[0070] A parte superior do recipiente de múltiplas camadas do coletor (8) é equipada com um flange, sendo que seus diâmetros internos e externos correspondem àqueles das paredes internas e externas do recipiente de forma correspondente.

[0071] A camada externa do recipiente de múltiplas camadas (11) do coletor (8) pode conter adicionalmente uma camada de escória (15) localizada entre a camada de carga (12) e a camada externa (11) do coletor (8) (consultar Figura 3). A camada de escória (15) pode ser tanto pré-formada como formada no processo de refrigeração de cório. Dependendo das condições termoquímicas e de troca de calor, a espessura de camada varia de 0,1 a 5 mm durante o estágio inicial de refrigeração de cório, então, conforme o cório é refrigerado, a espessura da crosta de escória pode aumentar significativamente. A camada de escória é produzida a partir de ao menos um dos seguintes óxidos: óxido de zircônio, óxido de alumínio, óxido férrico, contando que o teor mínimo da base da camada é 20% em peso.

[0072] Além disso, o recipiente de múltiplas camadas do coletor (8) pode ter nervuras de resistência adicionais localizadas entre as paredes internas e externas.

[0073] Espessura da nervura de mancal hnervura deve cumprir os seguintes critérios: 0,5hext< hnervura<hext, em que o valor inferior adotado para que a espessura da parede interna seja menor que 0,5hext, e a maior, a não ser que:

[0074] - o valor inferior não seja menor que 0,5 hext devido à instabilidade termomecânica das nervuras (deformação estrutural grave ocorre sob impacto dinâmico mesmo com a carga),

[0075] - o valor maior não pode exceder hext devido à falha de remoção de calor da camada externa do recipiente de múltiplas camadas (11): a superfície de troca de calor é superaquecida e fundida de modo atravessante.

[0076] Nervuras de mancal podem passar através da camada interna do recipiente de múltiplas camadas (13) até o interior da cavidade interna do coletor (8) que forma uma estrutura protetora. EXEMPLO DE UM PROJETO DE recipiente de múltiplas camadas:

[0077] - diâmetro: 6 m.

[0078] - camada externa: uma parede de aço de 22K, 60 mm de espessura, e o fundo de aço de 25K, espessura de 90 mm,

[0079] - camada interna: uma parede de aço de 22K, 20 mm de espessura, e o fundo de aço de 22K, 30 mm de espessura,

[0080] - camada da carga: lascas de cerâmica com base em óxido férrico, 60 mm de espessura,

[0081] - camada de escória: uma mistura de ferro, óxidos de alumínio e de zircônios, 0,5 mm de espessura,

[0082] - nervuras de mancal: aço de 22 K, 40 mm de espessura.

[0083] A carga (10) fornece distribuição volumétrica de cório no interior do coletor nuclear (8). É projetado para oxidação e dissolução de cório para reduzir a liberação de energia volumétrica e aumentar a superfície de troca de calor entre a camada externa (11) do recipiente de múltiplas camadas, assim como contribuir para criar condições para que frações de cório que contém combustível flutuem acima da camada de aço. A carga pode ser produzida a partir de componentes de aço e óxido que contém ferro, alumínio e óxido de zircônio, com canais para distribuição de cório não apenas na parte cilíndrica, mas na cavidade inferior de cone também.

[0084] O solo de operação (7) fornece proteção contra calor do coletor (8) em que a parte superior permite desempenhar inspeção visual do recipiente reator (1) durante a manutenção preventiva esquematizada ao fornecer acesso a:

[0085] - a carga para revisão e remoção de água em caso de acidentes por vazamento,

[0086] - as montagens pressurizadas que protegem a carga contra acidentes por vazamento,

[0087] - os acessórios de extremidade de cano de sensor I&C para reparos ou substituição de sensor.

[0088] O sistema reivindicado opera conforme a seguir:

[0089] No momento da destruição do recipiente (1), o material fundido de núcleo impactado por pressões hidrostáticas e excessivas começa a se mover para a superfície de placa de guia (4) sustentada pela viga de cantiléver (5).

[0090] Conforme o núcleo flui através das seções da placa de guia (4), esse vai dentro do recipiente de múltiplas camadas do coletor (8) e entra em contato com a carga (10).

[0091] Em caso de defluência de cório assimétrico seccional, proteções térmicas (6) da viga de cantiléver (5) e solo de operação (7) começam a ser fundidos. Ao serem destruídas, as proteções térmicas diminuem o impacto do calor do cório no equipamento protegido enquanto diminui a temperatura e reatividade química do cório por si só.

[0092] Primeiramente, o cório preenche o reservatório (14), então, conforme os outros componentes de estrutura de aço da carga (10) são fundidos, os vazios são preenchidos entre os componentes não metálicos da carga (10). Os componentes não metálicos da carga são interconectados com cimento especial que fornece o cozimento desses componentes não metálicos juntos no interior de uma estrutura que previne que os componentes de carga flutuem no material fundido de núcleo mais pesado. Conforme os componentes não metálicos são cozidos juntos, a configuração tem uma força suficiente quando os prendedores de aço de uma carga perdem sua força. Portanto, a diminuição da força do componente de aço da carga durante o aumento da temperatura é compensada pelo aumento da força do componente não-metálico da configuração de uma carga durante o cozimento. Após os componentes de aço de uma carga serem fundidos e dissolvidos, a interação de superfície dos componentes não metálicos da carga com componentes de material fundido de núcleo se inicia. As propriedades químicas, físicas e do projeto da carga são selecionadas para fornecer eficácia máxima da dissolução de carga no material fundido de núcleo, para prevenir o aumento da temperatura de cório, para diminuir a geração de aerossol e transferência de calor radioativo do espelho fundido, diminuir a geração de hidrogênio e outros gases não condensados. Um dos componentes da carga é óxido férrico com diversos graus de oxidação que oxidam zircônio, oxidam completamente dióxidos de urânio e plutônio no decorrer da sua interação com a material fundido de núcleo, prevenindo assim sua fase metálica, e garante a oxidação completa de outros componentes de cório que permite prevenir a radiólise de vapor d'água e bloquear sorção de oxigênio da atmosfera sobre a superfície do espelho fundido. Tal fato leva adicionalmente a uma redução significativa de emissão de hidrogênio. Óxido férrico libera oxigênio durante esse processo e pode dioxidar ferro metálico, inclusive.

[0093] O material fundido de núcleo entra na carga (10) em dois estágios: durante o primeiro, o aço fundido e o zircônio misturados por adição com óxidos passam do recipiente de reator (1) até o interior da carga (10) e durante o segundo estágio, são óxidos de alto ponto de fusão líquidos misturados por adição com metais que servem como o principal componente da fusão. Consequentemente, há dois tipos de interação de material fundido de núcleo com a carga: 1) componentes metálicos da material fundido de núcleo interagem com componentes da carga e os fundem, conforme o zircônio de metal fluido da material fundido de núcleo é oxidado no decorrer da interação de aglutinação com os componentes da carga não metálica que flutua após a fusão e formam uma camada de ferro leve e óxido de zircônio acima da camada de metais fundidos, 2) componentes de óxido da material fundido de núcleo interagem tanto com estruturas metálicas quanto componentes de carga não metálicas, os fundem e dissolvem, enquanto zircônio, cromo e alguns outros metais fundidos incluídos na fração de óxido da material fundido de núcleo são oxidados durante a interação com os componentes de carga não metálica. A dita interação de múltiplos estágios complicada resulta na oxidação adicional da fração de fusão de óxido e oxidação dos mais ativos componentes da fração de metal fundida, na geração de cório com propriedades pré- configurada que permitem confinar em um volume restrito e desempenhar sua refrigeração eficaz, segura e a longo prazo.

[0094] Interação de cório com a carga resulta na diminuição da temperatura de cório gerada em aproximadamente 1,5 a 2 vezes, o que permite diminuir significativamente o fluxo de calor radioativo a partir do espelho fundido até a viga de cantiléver, placa de guia e fundo de recipiente de reator acima do citado anteriormente. Para diminuir os fluxos de calor radioativo oriundos da geração de espelho fundido e aerossol mais eficazmente, coberturas de escória naturais e artificiais são usadas de modo que são ambas formadas durante a fusão de concretos de propósito especial sob emissão de calor a partir do espelho fundido e durante a interação de fusão de cório fluido com a carga. A espessura e vida útil da cobertura de escória são selecionadas para minimizar o impacto no espelho fundido no equipamento localizado acima, no período inicial do pior caso de confinamento de cório: durante sua entrada no interior da carga e acumulação no recipiente do coletor nuclear. O tempo de entrada de material fundido de núcleo no recipiente do coletor nuclear pode alcançar várias horas, enquanto a entrada da fase de óxido é significativamente desigual e pode ser seguido por uma mudança significativa ou fim temporário do fluxo.

[0095] Reações químicas da carga e a material fundido de núcleo gradualmente alteram a composição e estrutura do cório. No estágio inicial, a material fundido de núcleo pode alterar do estado homogêneo para estrutura de camada dupla: geralmente, a mistura de aço fundido e zircônio no topo com fusão de óxidos de alto ponto de fusão misturados com metais no fundo, a densidade de material fundido do óxido de alto ponto de fusão é, em média, 25% mais alta do que a densidade da mistura de metal fundido. Gradualmente, conforme a carga é dissolvida nos óxidos de fluido de material fundido de núcleo, a composição de cório, particularmente sua fração de óxido, é alterada: a diminuição da densidade do óxido fluido é mais intensa do que a alteração de densidade de metais fundidos. Esse processo leva a uma diminuição contínua de diferença de densidade entre metal fluido e frações de óxido do cório. O peso inicial dos materiais sacrificiais não metálicos na carga é selecionado de maneira a garantir a dissolução de materiais sacrificiais não metálicos nos óxidos de alta- fusão de fluido nuclear em uma quantidade tal que a densidade resultante do novo material fundido de óxido seria menor que a densidade da fração de metal fundido de cório. Quando a densidade de óxido fluido se torna menor que a densidade do metal fundido, a inversão ocorre no poço fundido de cório: óxidos fluidos flutuam e a fração de metal fundido de cório desce. A nova estrutura de cório permite desempenhar refrigeração de água segura do espelho fundido. Quando óxidos fluidos chegam à superfície, água de refrigeração não cria riscos de explosões de vapor devido a propriedades físicas de óxidos fluidos, e não entram em reações químicas de geração de hidrogênio, não é sujeita à decomposição térmica devido à temperatura relativamente baixa do espelho fundido. A inversão de óxidos fluidos e metais permite fornecer um fluxo de calor mais estável através do recipiente do coletor nuclear até o dissipador de calor final, água, sendo que é causado por várias propriedades físicas térmicas de óxidos fluidos e metais fundidos.

[0096] O calor é transferido do cório até o coletor (8) em três estágios. No primeiro estágio, quando principalmente os metais fundidos fluírem para dentro do reservatório (14) da carga (10), a troca de calor entre as camadas (11 a 13) do recipiente de múltiplas camadas do coletor (8) e o material fundido não é particularmente intensa: o calor acumulado pelo material fundido é gasto primariamente no aquecimento e na fusão parcial dos componentes estruturais de carga. A parte inferior do coletor (8) é aquecida uniformemente e não tem aspectos significativos. Considerando que o fundo de cone do coletor (8) é em média 30% mais espesso que sua parte cilíndrica e a transferência de calor convectiva vertical de cima para baixo é consideravelmente menos eficaz do que a transferência de calor convectiva radial ou a transferência de calor convectiva vertical de baixo para cima, sendo que o processo de aquecimento do fundo do coletor (8) é significativamente mais lento do que o aquecimento subsequente da sua parte cilíndrica.

[0097] No segundo estágio, quando os óxidos de alto ponto de fusão de fluido dominam, o nível do material fundido de cório aumenta significativamente (considerando a dissolução dos materiais sacrificiais de carga). A fração de óxido de cório é emissora de energia. A emissão de energia é distribuída entre as frações de óxido de metal e de cório na proporção de aproximadamente 9 a 1, que leva os fluxos de calor consideráveis a partir da fração de óxido de cório. Conforme a densidade da fração de óxido de cório no estágio inicial de interação com a carga é significativamente mais alta do que a densidade do metal fundido, a estratificação e redistribuição de componentes de cório se torna possível: metais fundidos no topo e óxidos de alta fusão no fundo. Nessa condição, quando o fundo do coletor (8) não é significativamente centrado pelos óxidos de alta-fusão porque a transferência de calor convectiva é direcionada de cima para baixo, e a condutividade de calor da crosta de óxido na aglutinação de “recipiente parede/óxidos” é insignificante e, em média, não excede 1 W/(m K). A crosta de óxido que consiste em óxidos de alta-fusão fundidos (linha de escória) é formada como um resultado do resfriamento de material fundido de óxido na aglutinação “óxidos/metal”, enquanto que o metal tem uma condutividade de calor muito mais alta do que os óxidos e pode fornecer uma melhor transferência de calor para o dissipador de calor final, água. Esse efeito é usado para confinamento de cório confiável que permite prevenir interação química dos componentes de cório com a camada externa do recipiente de múltiplas camadas refrigerado por água (11) e fornece sua proteção térmica. Os metais fundidos acima dos óxidos fluidos recebem energia geralmente, devido à transferência de calor convectiva com óxidos fluidos, em que a direção de transferência de calor é de baixo para cima. Esta condição pode levar ao superaquecimento da fração de metal fundido de cório e à distribuição significativamente desigual de fluxos de calor através das camadas do recipiente de múltiplas camadas (11 a 13) do coletor (8) até o dissipador de calor final, enquanto aumenta a densidade do fluxo de calor através de radiação a partir do espelho fundido. Na área de interação das camadas do recipiente de múltiplas camadas (11 a 13) do coletor (8) e parte de metal líquido do cório, nem camada de escória e tampouco barreiras naturais causadas pelo superaquecimento de camadas de recipiente são formadas. A tarefa em questão é resolvida por provisões de projeto.

[0098] No terceiro estágio, o cório interage com a carga (10) conforme sai da camada interna do recipiente de múltiplas camadas (13). Até este momento, a camada externa do recipiente de múltiplas camadas (11) no lado da cavidade de reator (3) é preenchida com água. O coletor nuclear (8) é instalado na cavidade de reator (3) e é conectado ao reservatório que coleta o refrigerante de circuito primário da usina de reator durante acidentes baseados em projeto e além do projeto, e a água fornecida ao circuito primário a partir de sistemas de segurança. Para prevenir falhas da transferência de calor na camada externa do recipiente de múltiplas camadas (11) através de fusão de cório de alta-temperatura, o coletor nuclear (8) é projetado como um recipiente de múltiplas camadas descrito acima. Neste caso é possível distribuir carregamentos térmicos e mecânicos entre as camadas (11 a 13) do recipiente de múltiplas camadas: os carregamentos térmicos principais são tomados pela camada interna (13), e os carregamentos mecânicos principais (impacto e pressão) são tomados pela camada externa (11). Carregamentos mecânicos são transferidos da camada interna (13) para a camada externa (11) pelas nervuras de mancal instaladas na superfície interna da camada externa (11) com a camada interna (13) soldada à mesma. Esse projeto garante que a camada interna (13) transfira o estresse de deformação térmica através das nervuras até a camada externa refrigerada (11). Para minimizar o estresse térmico no lado da camada interna (13) as nervuras são conectadas à camada externa (11) com o uso de amortecimento térmico.

[0099] A carga do recipiente de múltiplas camadas (12) produzida a partir de material de fraca condução térmica e localizada entre as camadas internas e externas garantem a manutenção do isolamento térmico da camada externa (11) do coletor (8) no estágio inicial do ingresso do material fundido de núcleo. O principal propósito da carga (12) é proteger a camada externa (11) do coletor (8) a partir do impacto térmico e para formar a camada de escória na sua superfície interna. O cório aquece a camada interna (13) e é fundido, sendo que o calor é transferido até a carga (12) que também é fundida enquanto e aquecida e forma uma crosta de escória na superfície interna relativamente fria da camada externa do recipiente de múltiplas camadas (11). Este processo continua até a camada interna (13) e a carga (12) do recipiente de múltiplas camadas serem completamente fundidas. A carga (12) é fundida rapidamente e diluída em cório devido à baixa condutividade de calor da carga, consequentemente, a corrente de calor do cório até a camada interna (13) do recipiente de múltiplas camadas será usada quase que exclusivamente para fundir a camada interna (13) e a carga (12). A camada de escória formada pela carga permite limitar a corrente de calor até a camada externa (11) do recipiente de múltiplas camadas, redistribuí-la através do peso da camada externa (11), e aplaná-la com relação ao peso local e flutuações azimute (no plano central do recipiente de múltiplas camadas).

[0100] A limitação de densidade da corrente de calor que passa através da camada externa (11) do recipiente de múltiplas camadas é requerida para garantir uma transferência de calor estável e transferência de calor acrítica até o dissipador de calor final, isto é, água circundante do coletor nuclear (8). O calor é transferido para água no modo de “ebulição livre”, que fornece a possibilidade de remoção de calor passivo por um período não limitado de tempo. A função da restrição de corrente de calor é satisfeita por dois componentes do sistema de confinamento e resfriamento de material fundido de núcleo do reator nuclear.

[0101] O primeiro componente é a carga (10), que, por um lado, prevê a diluição e aumento do volume da parte de produção de calor do cório permitindo assim aumentar a área de troca de calor enquanto reduz a densidade da corrente de calor através da camada externa (11) do coletor nuclear (8), e, por outro lado, prevê a inversão do óxido e das partes metálicas do cório com a parte de óxido que se move para cima e a parte de metal líquido que se move para baixo enquanto reduz as correntes de calor máximas até a camada externa (11) redistribuindo as correntes de calor na parte inferior do coletor nuclear (8). O segundo componente é uma carga (12) das camadas do recipiente de múltiplas camadas, que prevê a redução (achatamento) de correntes de calor máxima na camada externa (11) formando a crosta de escória de alta-fusão que garantiam a redistribuição de correntes de calor máximas a partir do cório por peso e azimute da camada externa (11) do coletor nuclear (8).

[0102] O vapor produzido na superfície de camada externa (11) sobe e flutua através dos canais de liberação de vapor até o conteúdo em que é, então, condensado. Os fluxos condensados a partir da contenção até o reservatório conectado pelas passagens de fluxo com a cavidade de reator (3) em que o coletor nuclear (8) é instalado. Portanto, em caso de refrigeração a longo prazo da circulação de água de refrigeração de coletor nuclear e remoção de calor constante a partir da camada externa (11) são garantidos. O cório no coletor (8) refrigera gradualmente conforme o calor armazenado e o calor de emissões residuais diminuem. No estágio inicial de resfriamento de material fundido, após a interação com carga (10) ser completa, a troca de calor principal é executada através da camada externa das camadas do recipiente de múltiplas camadas (11). Após a água ser fornecida no interior das correntes do coletor (8) as correntes de calor aplanam gradualmente: corrente de calor através da camada externa (11) se torna igual à corrente de calor a partir da superfície de cório. No estágio final, o cório pode ser refrigerado diretamente pela água fornecida no interior do coletor nuclear (8), que é possível se o cório formar uma estrutura permeável em água durante a sua solidificação.

[0103] Portanto, o dito coletor (8) do sistema de confinamento e resfriamento de material fundido de núcleo de reator nuclear moderado por água e resfriado a água, como um todo, permite intensificar a eficácia de remoção de calor do material fundido enquanto mantém a integridade da camada externa do recipiente de múltiplas camadas (11).

Claims (8)

1. Sistema de confinamento e resfriamento de material fundido de núcleo de reator nuclear moderado por água e resfriado a água compreendendo: placa de guia (4) em formato de cone instalada sob o fundo (2) do recipiente do reator (1), viga de cantiléver (5) instalada sob a placa de guia (4) de tal forma que a placa (4) repousa sobre a viga de cantiléver (5), coletor de fusão (8) instalado sob a viga de cantiléver (5) e equipado com revestimento resfriado na forma de um vaso de múltiplas camadas para proteção da parede externa de troca de calor contra impactos dinâmicos, térmicos e químicos, e material de carga (10) para diluição de material fundido dentro do recipiente de múltiplas camadas, caracterizado por o recipiente de múltiplas camadas conter paredes metálicas interna e externa (11),(13) e uma carga de material (12) localizada entre elas e feito de um material condutor de calor baixo em relação aos materiais das paredes (11),(13), em que a espessura da carga hcarga atenda ao seguinte requisito: 0,8 hext< hcarga< 1,6 hext, em que hext é a espessura da parede externa (11) do recipiente.

2. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por as paredes interna e externa (11),(13) serem produzidas a partir de aço.

3. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por usar uma carga de material (12) com ponto de fusão de 800 a 1.400 °C.

4. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por uma camada de concreto ou material cerâmico com uma ligação termicamente condutora com a parede externa (11) de um recipiente de múltiplas camadas ser utilizada como carga de material (12).

5. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por existirem as nervuras de mancal entre as paredes interna e externa (11,13), em que a espessura da nervura (hnervura) atende a seguinte condição: 0,5 hext< hnervura< hext

6. Sistema, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado por as nervuras de mancal passarem através da parede interna (13) para o volume interno do recipiente e formarem uma estrutura protetora.

7. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o recipiente ter um flange na parte superior, em que seus diâmetros externos e internos correspondem, respectivamente, àqueles das paredes interna e externa (11,13) do recipiente.

8. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por conter adicionalmente uma camada de escória artificial adicional (15) colocada entre a parede externa (11) e a carga (12) do recipiente, em que a camada de escória (15) é feita à base de pelo menos um dos seguintes óxidos: óxido de zircônio, óxido de alumínio, óxido férrico, com teor de massa da base na camada de pelo menos 20% em peso.

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