EA045342B1 - SYSTEM FOR LOCALIZATION AND COOLING OF A NUCLEAR REACTOR CORE MELT - Google Patents

Description

Область техникиField of technology

Изобретение относится к области атомной энергетики, в частности к системам, обеспечивающим безопасность атомных электростанций (АЭС), и может быть использовано при тяжёлых авариях, приводящих к разрушению корпуса реактора и его герметичной оболочки.The invention relates to the field of nuclear energy, in particular to systems that ensure the safety of nuclear power plants (NPPs), and can be used in severe accidents leading to the destruction of the reactor vessel and its hermetically sealed shell.

Наибольшую радиационную опасность представляют аварии с расплавлением активной зоны, которые могут происходить при множественном отказе систем охлаждения активной зоны.The greatest radiation hazard is posed by accidents with core melting, which can occur with multiple failures of core cooling systems.

При таких авариях расплав активной зоны - кориум, расплавляя внутриреакторные конструкции и корпус реактора, вытекает за его пределы и вследствие сохраняющегося в нем остаточного тепловыделения может нарушить целостность герметичной оболочки АЭС - последнего барьера на пути выхода радиоактивных продуктов в окружающую среду.In such accidents, the core melt - corium, melting the internal reactor structures and the reactor vessel, flows beyond its boundaries and, due to residual heat remaining in it, can disrupt the integrity of the sealed shell of the nuclear power plant - the last barrier to the release of radioactive products into the environment.

Для исключения этого необходимо локализовать вытекший из корпуса реактора расплав активной зоны (кориум) и обеспечить его непрерывное охлаждение, вплоть до полной кристаллизации. Эту функцию выполняет система локализации и охлаждения расплава активной зоны ядерного реактора, которая предотвращает повреждения герметичной оболочки АЭС и тем самым защищает население и окружающую среду от радиационного воздействия при тяжелых авариях ядерных реакторов.To eliminate this, it is necessary to localize the core melt (corium) that has leaked from the reactor vessel and ensure its continuous cooling until complete crystallization. This function is performed by a system for localizing and cooling the melt of a nuclear reactor core, which prevents damage to the sealed shell of a nuclear power plant and thereby protects the population and the environment from radiation exposure in the event of severe accidents of nuclear reactors.

Одним из самых важных факторов обеспечения надежного процесса охлаждения и локализации расплава активной зоны ядерного реактора в случае возникновения тяжелых аварий является своевременное, гарантированное обеспечение подачи воды внутрь многослойного корпуса для охлаждения расплава, которые реализуется за счет установки в верхней части корпуса, предназначенного для приема и распределения расплава, клапанов подачи воды. Ключевым аспектом в данном случае является то, что подача воды через установленные клапаны должна быть осуществлена в определенный момент времени при достижении определенных (специфических) условий, а именно: преждевременная подача воды может привести к паровому взрыву, а невозможность подачи воды может привести к перегреву оборудования внутри корпуса под действием лучистых тепловых потоков со стороны зеркала расплава, что, в конечном итоге, может привести к обрушению оборудования внутрь корпуса, попаданию воды из шахты реактора в расплав, смешиванию воды с расплавом, результатом чего станут паровые взрывы, разрушающие систему локализации и охлаждения расплава и гермозону с выходом радиоактивных веществ в окружающую среду.One of the most important factors in ensuring a reliable cooling process and localization of the melt of the core of a nuclear reactor in the event of severe accidents is the timely, guaranteed supply of water inside the multilayer vessel for cooling the melt, which is implemented through installation in the upper part of the vessel designed for receiving and distribution melt, water supply valves. The key aspect in this case is that the supply of water through the installed valves must be carried out at a certain point in time when certain (specific) conditions are reached, namely: premature supply of water can lead to a steam explosion, and the inability to supply water can lead to overheating of the equipment inside the housing under the influence of radiant heat flows from the side of the melt mirror, which ultimately can lead to the collapse of the equipment inside the housing, the entry of water from the reactor shaft into the melt, mixing of water with the melt, resulting in steam explosions that destroy the localization and cooling system melt and hermetic zone with the release of radioactive substances into the environment.

Предшествующий уровень техникиPrior Art

Известна система [1-3] локализации и охлаждения расплава активной зоны ядерного реактора, содержащая направляющую плиту, установленную под корпусом ядерного реактора и опирающуюся на ферму-консоль, установленный на закладные детали в основании бетонной шахты многослойный корпус, фланец которого снабжен тепловой защитой, наполнитель, состоящий из набора кассет, установленных друг на друге, площадку обслуживания, установленную внутри корпуса между наполнителем и направляющей плитой.A known system [1-3] for localizing and cooling the melt of a nuclear reactor core, containing a guide plate installed under the nuclear reactor vessel and resting on a cantilever truss, a multilayer housing mounted on embedded parts at the base of a concrete shaft, the flange of which is equipped with thermal protection, filler , consisting of a set of cassettes installed on top of each other, a service platform installed inside the housing between the filler and the guide plate.

Данная система имеет низкую надежность, обусловленную следующими недостатками:This system has low reliability due to the following disadvantages:

при проплавлении (разрушении) корпуса реактора расплавом активной зоны в образовавшееся отверстие под действием остаточного давления, имеющегося в корпусе реактора, начинает истекать перегретый расплав, который распространяется неосесимметрично внутри объёма многослойного корпуса и оказывает динамическое воздействие на периферийные конструкции: зону герметичного соединения многослойного корпуса с фермой-консолью, тепловую защиту фланца многослойного корпуса, клапаны подачи воды, расположенные в многослойном корпусе, что приводит к их разрушению, а также разрушению фланца многослойного корпуса, и внутренних поверхностей фермы-консоли, омываемых расплавом активной зоны, что в результате приводит к нарушению работы системы локализации и охлаждения расплава, ввиду разрушения её элементов;when the reactor vessel is penetrated (destructed) by the core melt, a superheated melt begins to flow into the resulting hole under the influence of the residual pressure present in the reactor vessel, which spreads non-axisymmetrically inside the volume of the multilayer vessel and has a dynamic effect on the peripheral structures: the zone of hermetic connection of the multilayer vessel with the truss -console, thermal protection of the flange of the multilayer casing, water supply valves located in the multilayer casing, which leads to their destruction, as well as destruction of the flange of the multilayer casing, and the internal surfaces of the console truss, washed by the core melt, which results in disruption of operation melt localization and cooling systems due to the destruction of its elements;

при струйном поступлении большого объема, (например, от 10 до 15 м³) перегретого расплава внутрь многослойного корпуса на наполнитель часть такого расплава, в результате отражающего эффекта со стороны наполнителя, перемещается в обратном направлении в сторону периферийных конструкций - в сторону герметичного соединения многослойного корпуса с фермой-консолью, в сторону тепловой защиты фланца многослойного корпуса и в сторону многослойного корпуса, а именно в зону установки клапанов подачи воды, что приводит к их повреждению и разрушению (завариванию) и, следовательно, нарушению процесса подачи воды внутрь многослойного корпуса для охлаждения расплава, в результате чего может произойти разрушение системы локализации и охлаждения расплава и выход радиоактивных веществ в окружающую среду;when a large volume (for example, from 10 to 15 m ³ ) of superheated melt flows into the filler into the multilayer casing, part of such a melt, as a result of the reflective effect on the part of the filler, moves in the opposite direction towards the peripheral structures - towards the hermetic connection of the multilayer casing with a console truss, towards the thermal protection of the flange of the multilayer housing and towards the multilayer housing, namely in the area where the water supply valves are installed, which leads to their damage and destruction (welding) and, consequently, disruption of the process of supplying water inside the multilayer housing for cooling melt, which may result in destruction of the melt localization and cooling system and release of radioactive substances into the environment;

при истечении расплава внутрь многослойного корпуса в наполнитель объем расплава увеличивается за счёт плавления наполнителя и повышается его уровень внутри многослойного корпуса, при этом падение обломков активной зоны и днища корпуса реактора приводит к образованию выплесков (волн) расплава, которые динамически воздействуют на периферийное оборудование и установленные в многослойном корпусе клапаны подачи воды, что приводит к их разрушению (завариванию), и, следовательно, нарушению процесса подачи воды внутрь многослойного корпуса для охлаждения расплава, в результате чего может произойти разрушение системы локализации и охлаждения расплава и выход радиоактивных веществ во внешнюю среду;when the melt flows into the filler into the multilayer vessel, the volume of the melt increases due to the melting of the filler and its level inside the multilayer vessel increases, while the fall of debris from the core and the bottom of the reactor vessel leads to the formation of splashes (waves) of the melt, which dynamically affect the peripheral equipment and installed in the multilayer casing there are water supply valves, which leads to their destruction (welding), and, consequently, disruption of the process of supplying water inside the multilayer casing for cooling the melt, which may result in the destruction of the melt localization and cooling system and the release of radioactive substances into the external environment;

- 1 045342 в процессе истечения расплава из корпуса ядерного реактора и при взаимодействии расплава с наполнителем образуются аэрозоли, перемещающиеся вверх из горячих зон и оседающие в холодных зонах на периферийном оборудовании и на клапанах подачи воды, что приводит к их экранированию с последующим блокированием срабатывания от воздействия теплового излучения со стороны зеркала расплава, и, следовательно, к нарушению процесса подачи воды внутрь многослойного корпуса для охлаждения расплава, в результате чего может произойти разрушение системы локализации и охлаждения расплава и выход радиоактивных веществ во внешнюю среду.- 1 045342 in the process of melt outflow from the nuclear reactor vessel and during the interaction of the melt with the filler, aerosols are formed, moving upward from hot zones and settling in cold zones on peripheral equipment and on water supply valves, which leads to their shielding with subsequent blocking of operation from exposure thermal radiation from the side of the melt mirror, and, consequently, to disruption of the process of supplying water inside the multilayer housing for cooling the melt, which may result in the destruction of the melt localization and cooling system and the release of radioactive substances into the external environment.

Раскрытие изобретенияDisclosure of the Invention

Технический результат заявленного изобретения заключается в повышении надежности системы локализации и охлаждения расплава активной зоны ядерного реактора.The technical result of the claimed invention is to increase the reliability of the system for localizing and cooling the melt of the core of a nuclear reactor.

Задачи, на решение которых направлено заявленное изобретение, заключаются в исключении разрушения периферийных конструкций, оборудования, установленного на фланец корпуса, и обеспечении гарантированной подачи охлаждающей воды на расплав в случае отказа клапанов подачи воды, установленных в корпусе.The problems to be solved by the claimed invention are to eliminate the destruction of peripheral structures and equipment installed on the housing flange, and to ensure a guaranteed supply of cooling water to the melt in the event of failure of the water supply valves installed in the housing.

Поставленные задачи решаются за счет того, что система локализации и охлаждения расплава активной зоны ядерного реактора, содержащая направляющее устройство, ферму-консоль, наполнитель для приема и распределения расплава, размещенный в корпусе, по периметру которого установлены клапаны подачи воды и на фланце установлена тепловая защита, согласно изобретению, дополнительно содержит барабан, установленный на фланце корпуса, выполненный в форме обечайки с установленными с внутренней стороны по её периметру усиливающими ребрами, опирающимися на крышку и днище, имеющий элементы натяжения, соединяющие барабан через приваренный к нему опорный фланец с фланцем корпуса, дистанционирующие элементы, обеспечивающие регулировочный зазор между барабаном и фланцем корпуса, при этом в барабане выполнены патрубки, снабженные тепловыми отражателями и охлаждающими ребрами, в которых установлены клапаны подачи воды.The objectives are solved due to the fact that the system for localizing and cooling the melt of the core of a nuclear reactor, containing a guide device, a truss-console, a filler for receiving and distributing the melt, located in a housing, along the perimeter of which water supply valves are installed and thermal protection is installed on the flange , according to the invention, additionally contains a drum installed on the housing flange, made in the form of a shell with reinforcing ribs installed on the inside along its perimeter, resting on the cover and bottom, having tension elements connecting the drum through a support flange welded to it with the housing flange, spacers that provide an adjustable gap between the drum and the housing flange, while the drum has pipes equipped with thermal reflectors and cooling fins in which water supply valves are installed.

Одним существенным признаком заявленного изобретения является наличие в системе локализации и охлаждения расплава активной зоны ядерного реактора барабана, установленного на фланце корпуса, выполненного в форме обечайки с установленными с внутренней стороны по её периметру усиливающими ребрами, опирающимися на крышку и днище, имеющего элементы натяжения, соединяющие барабан через приваренный к нему опорный фланец с фланцем корпуса, дистанционирующие элементы, обеспечивающие регулировочный зазор между барабаном и фланцем корпуса, патрубки, снабженные тепловыми отражателями и ребрами, в которых размещены клапаны подачи воды. Барабан с установленными в нём клапанами подачи воды позволяет обеспечить рециркуляцию парогазовой смеси, пароводяной смеси или воды между пространством внутри и снаружи корпуса в условиях отказа клапанов подачи воды, установленных по периметру корпуса, и, следовательно, обеспечить парогазовое, пароводяное или водяное охлаждение зеркала расплава и оборудования, расположенного выше зеркала расплава (фермыконсоли и направляющего устройства) за счёт рециркуляции охлаждающих сред между шахтой реактора и внутренними объёмами, расположенными как внутри корпуса, так и выше зеркала расплава.One essential feature of the claimed invention is the presence in the system of localization and cooling of the core melt of a nuclear reactor of a drum installed on the flange of the housing, made in the form of a shell with reinforcing ribs installed on the inside along its perimeter, resting on the cover and bottom, having tension elements connecting the drum through a support flange welded to it with the housing flange, spacer elements that provide an adjustable gap between the drum and the housing flange, pipes equipped with thermal reflectors and ribs in which water supply valves are located. A drum with water supply valves installed in it allows for recirculation of a steam-gas mixture, steam-water mixture or water between the space inside and outside the housing in conditions of failure of the water supply valves installed along the perimeter of the housing, and, therefore, to provide steam-gas, steam-water or water cooling of the melt mirror and equipment located above the melt mirror (console truss and guide device) due to the recirculation of cooling media between the reactor shaft and internal volumes located both inside the housing and above the melt mirror.

Усиливающие рёбра, установленные с внутренней стороны обечайки барабана, обеспечивают защиту клапанов подачи воды барабана от воздействия летящих предметов и азимутального распространения ударных волн за счёт дробления и отражения ударных волн, ослабляя их воздействие на клапаны подачи воды корпуса.Reinforcing ribs installed on the inside of the drum shell protect the drum water supply valves from the impact of flying objects and azimuthal propagation of shock waves due to crushing and reflection of shock waves, weakening their impact on the body water supply valves.

Тепловые отражатели и охлаждающие ребра, в свою очередь, защищают клапаны подачи воды барабана от непроектного воздействия теплового излучения со стороны зеркала расплава, а также от воздействия летящих предметов, способных нарушить работоспособность указанных клапанов подачи воды.Thermal reflectors and cooling fins, in turn, protect the drum water supply valves from the off-design effects of thermal radiation from the melt mirror, as well as from the impact of flying objects that can disrupt the operation of these water supply valves.

Краткое описание чертежейBrief description of drawings

На фиг. 1 изображена система локализации и охлаждения расплава активной зоны ядерного реактора, выполненная в соответствии с заявленным изобретением.In fig. 1 shows a system for localizing and cooling the melt of a nuclear reactor core, made in accordance with the claimed invention.

На фиг. 2 изображён барабан, установленный на фланец корпуса.In fig. Figure 2 shows a drum mounted on the housing flange.

На фиг. 3 изображён фрагмент барабана, установленного на фланец корпуса.In fig. Figure 3 shows a fragment of a drum mounted on the housing flange.

На фиг. 4 изображён клапан подачи воды, установленный в барабане.In fig. Figure 4 shows a water supply valve installed in a drum.

Варианты осуществления изобретенияEmbodiments of the Invention

Как показано на фиг. 1-4, система локализации и охлаждения расплава активной зоны ядерного реактора содержит направляющее устройство 1, установленное под корпусом 2 ядерного реактора и опирающееся на ферму-консоль 3. Под фермой-консолью 3 установлен корпус 4, который монтируется в основании шахты реактора на закладных деталях. Корпус 4 с наполнителем 7 предназначен для приема и распределения расплава. В верхней части корпуса 4 выполнен фланец 5, снабженный тепловой защитой 6. Внутри корпуса 4 установлен наполнитель 7. В зоне между наполнителем 7 и фланцем 5 по периметру корпуса 4 расположены клапаны 8 подачи воды. На фланце 5 корпуса 4 установлен барабан 12.As shown in FIG. 1-4, the system for localizing and cooling the core melt of a nuclear reactor contains a guide device 1 installed under the nuclear reactor vessel 2 and resting on a console truss 3. A housing 4 is installed under the console truss 3, which is mounted at the base of the reactor shaft on embedded parts . Housing 4 with filler 7 is designed to receive and distribute the melt. In the upper part of the housing 4 there is a flange 5 equipped with thermal protection 6. A filler 7 is installed inside the housing 4. In the area between the filler 7 and the flange 5 along the perimeter of the housing 4 there are water supply valves 8. A drum 12 is installed on the flange 5 of the housing 4.

Как показано на фиг. 2-4, в барабане (12) установлены патрубки (10) с тепловыми отражателями (11 и охлаждающими рёбрами 21, в патрубки 10 установлены клапаны 9 подачи воды, обеспечивающие рециркуляцию парогазовой смеси, пароводяной смеси или воды между пространством внутри и снаружиAs shown in FIG. 2-4, in the drum (12) nozzles (10) with thermal reflectors (11 and cooling fins 21) are installed, water supply valves 9 are installed in the nozzles 10, providing recirculation of the steam-gas mixture, steam-water mixture or water between the space inside and outside

- 2 045342 корпуса 4.- 2 045342 buildings 4.

Заявленная система локализации и охлаждения расплава активной зоны ядерного реактора работает следующим образом.The declared system for localizing and cooling the melt of a nuclear reactor core works as follows.

В момент разрушения корпуса 2 ядерного реактора расплав активной зоны под действием гидростатического и остаточного давлений начинает поступать на поверхность направляющего устройства 1, удерживаемого фермой-консолью 3. Расплав, стекая по направляющему устройству 1, попадает в корпус 4 и входит в контакт с наполнителем 7. При секторном неосесимметричном стекании расплава происходит частичное плавление тепловых защит фермы-консоли 3 и тепловой защиты 6 фланца 5 корпуса 4. Разрушаясь, эти тепловые защиты, с одной стороны, снижают тепловое воздействие расплава активной зоны на защищаемое оборудование, а с другой - уменьшают температуру и химическую активность самого расплава.At the moment of destruction of the nuclear reactor vessel 2, the core melt, under the influence of hydrostatic and residual pressures, begins to flow onto the surface of the guide device 1, held by the cantilever truss 3. The melt, flowing down the guide device 1, enters the vessel 4 and comes into contact with the filler 7. During the sectoral non-axisymmetric flow of the melt, partial melting of the thermal protections of the truss-console 3 and the thermal protection 6 of the flange 5 of the housing 4 occurs. By collapsing, these thermal protections, on the one hand, reduce the thermal effect of the core melt on the protected equipment, and on the other, reduce the temperature and chemical activity of the melt itself.

Тепловая защита 6 фланца 5 корпуса 4 обеспечивает защиту его верхней толстостенной внутренней части от теплового воздействия со стороны зеркала расплава активной зоны с момента поступления расплава в наполнитель 7 и до окончания взаимодействия расплава с наполнителем 7, т.е. до момента начала охлаждения водой корки, расположенной на поверхности расплава активной зоны. Тепловая защита 6 фланца 5 корпуса 4 устанавливается таким образом, что позволяет обеспечить защиту внутренней поверхности корпуса 4 выше уровня расплава активной зоны, образующегося в корпусе 4 в процессе взаимодействия с наполнителем 7, именно той верхней части корпуса 4, которая имеет большую толщину по сравнению с цилиндрической частью корпуса 4, обеспечивающей нормальную без кризиса теплообмена в режиме кипения в большом объёме передачу тепла от расплава активной зоны к воде, находящейся с внешней стороны корпуса 4.Thermal protection 6 of the flange 5 of the housing 4 provides protection of its upper thick-walled internal part from thermal effects from the core melt mirror from the moment the melt enters the filler 7 until the end of the interaction of the melt with the filler 7, i.e. until the water begins to cool the crust located on the surface of the core melt. Thermal protection 6 of the flange 5 of the housing 4 is installed in such a way that it allows protection of the inner surface of the housing 4 above the level of the core melt formed in the housing 4 during interaction with the filler 7, precisely that upper part of the housing 4, which has a greater thickness compared to the cylindrical part of the housing 4, which ensures normal heat transfer without a crisis in boiling mode in a large volume, heat transfer from the core melt to the water located on the outside of the housing 4.

В процессе взаимодействия расплава активной зоны с наполнителем 7 тепловая защита 6 фланца 5 корпуса 4 подвергается разогреву и частичному разрушению, экранируя тепловое излучение со стороны зеркала расплава. Геометрические и теплофизические характеристики тепловой защиты 6 фланца 5 корпуса 4 выбираются таким образом, что при любых условиях обеспечивают экранирование фланца 5 корпуса 4 со стороны зеркала расплава, благодаря чему обеспечивается независимость защитных функций от времени завершения процессов физико-химического взаимодействия расплава активной зоны с наполнителем 7. Наличие тепловой защиты 6 фланца 5 корпуса 4 позволяет обеспечить выполнение защитных функций до начала подачи воды на корку, расположенную на поверхности расплава активной зоны.During the interaction of the core melt with the filler 7, the thermal protection 6 of the flange 5 of the housing 4 is heated and partially destroyed, shielding thermal radiation from the side of the melt mirror. The geometric and thermophysical characteristics of the thermal protection 6 of the flange 5 of the housing 4 are selected in such a way that, under any conditions, they provide shielding of the flange 5 of the housing 4 from the side of the melt mirror, thereby ensuring the independence of the protective functions from the completion time of the processes of physical and chemical interaction of the core melt with the filler 7 The presence of thermal protection 6 of the flange 5 of the housing 4 allows for the performance of protective functions before the start of water supply to the crust located on the surface of the core melt.

Защита клапанов 8 подачи воды корпуса 4 осуществляется пассивным способом: тепловая защита 6 фланца 5 корпуса 4 обеспечивает защиту от летящих предметов при разрушении днища корпуса реактора 2, обеспечивает защиту от разрушения стекающим расплавом и защиту от падения обломков тепловых защит, расположенных выше зеркала расплава.Protection of the water supply valves 8 of the housing 4 is carried out in a passive way: thermal protection 6 of the flange 5 of the housing 4 provides protection from flying objects when the bottom of the reactor vessel 2 is destroyed, provides protection from destruction by the flowing melt and protection from falling fragments of thermal protections located above the melt mirror.

Поступление металлических и оксидных компонентов расплава в наполнитель 7, размещенный в корпусе 4, приводит к постепенному расплавлению наполнителя 7 и образованию свободной поверхности расплава - зеркала расплава - внутри корпуса 4. По мере завершения физико-химических реакций между металлическими и оксидными компонентами расплава и наполнителем 7 температура зеркала расплава начинает расти за счёт перераспределения остаточных энерговыделений в расплаве между физико-химическими реакциями, теплопередачей через корпус 4, тепловым излучением на оборудование и конвективным нагревом газовой смеси со стороны зеркала расплава.The entry of metal and oxide components of the melt into the filler 7, located in the housing 4, leads to the gradual melting of the filler 7 and the formation of a free surface of the melt - a melt mirror - inside the housing 4. As the physico-chemical reactions between the metal and oxide components of the melt and the filler 7 are completed the temperature of the melt mirror begins to increase due to the redistribution of residual energy releases in the melt between physical and chemical reactions, heat transfer through housing 4, thermal radiation to the equipment and convective heating of the gas mixture from the side of the melt mirror.

Тепловое излучение на клапаны подачи воды 8 корпуса 4 и клапаны 9 подачи воды барабана 12 со стороны зеркала расплава действует неравномерно: на клапаны 8 подачи воды корпуса 4 такое излучение действует значительно сильнее, чем на клапаны 9 подачи воды барабана 12, что связано с различным расположением указанных клапанов 8 и 9 по высоте относительно положения зеркала расплава. Вследствие этого клапаны 8 подачи воды корпуса 4 будут нагреваться быстрее клапанов 9 подачи воды барабана 12 и сработают на открытие значительно раньше по времени.Thermal radiation acts unevenly on the water supply valves 8 of the housing 4 and the water supply valves 9 of the drum 12 from the side of the melt mirror: such radiation acts on the water supply valves 8 of the housing 4 much stronger than on the water supply valves 9 of the drum 12, which is due to the different location the specified valves 8 and 9 in height relative to the position of the melt mirror. As a result, the water supply valves 8 of the housing 4 will heat up faster than the water supply valves 9 of the drum 12 and will open much earlier in time.

Если клапаны 8 подачи воды корпуса 4 не сработают на открытие, что возможно, например, при падении одного или нескольких обломков днища корпуса реактора 2 в ванну расплава с образованием волн выплесков расплава, заваривающих указанные клапаны 8 подачи воды, тогда тепловое излучение со стороны зеркала расплава будет продолжать нагревать клапаны 9 подачи воды барабана 12 до срабатывания первых одного-двух из них.If the water supply valves 8 of the housing 4 do not operate to open, which is possible, for example, when one or more fragments of the bottom of the reactor vessel 2 fall into the melt bath with the formation of waves of melt splashes that weld the specified water supply valves 8, then thermal radiation from the side of the melt mirror will continue to heat the water supply valves 9 of the drum 12 until the first one or two of them are activated.

Как показано на фиг. 1-4, на фланце 5 корпуса 4 установлен барабан 12. Конструктивно барабан 12 выполнен в форме обечайки 13 с установленными с внутренней стороны по её периметру усиливающими ребрами 14, опирающимися на крышку 15 и днище 16. Барабан 12 имеет элементы 17 натяжения, соединяющие барабан 12 через приваренный к нему опорный фланец 18 с фланцем 5 корпуса 4. В барабане 12 установлены дистанционирующие элементы 20, посредством которых обеспечивается регулировочный зазор 19 между барабаном 12 и фланцем 5 корпуса 4. В барабане 12 установлены патрубки 10. Каждый патрубок 10 снабжен тепловыми отражателями 11 и охлаждающими ребрами 21. В патрубках 10 барабана 12 размещены клапаны 9 подачи воды, обеспечивающие рециркуляцию парогазовой смеси, пароводяной смеси или воды между пространством внутри и снаружи корпуса 4.As shown in FIG. 1-4, a drum 12 is installed on the flange 5 of the housing 4. Structurally, the drum 12 is made in the form of a shell 13 with reinforcing ribs 14 installed on the inside along its perimeter, resting on the cover 15 and the bottom 16. The drum 12 has tension elements 17 connecting the drum 12 through the support flange 18 welded to it with the flange 5 of the housing 4. In the drum 12, spacer elements 20 are installed, through which an adjustable gap 19 is provided between the drum 12 and the flange 5 of the housing 4. The nozzles 10 are installed in the drum 12. Each nozzle 10 is equipped with thermal reflectors 11 and cooling fins 21. In the pipes 10 of the drum 12 there are water supply valves 9, which ensure recirculation of the steam-gas mixture, steam-water mixture or water between the space inside and outside the housing 4.

Усиливающие рёбра 14 барабана 12, установленные с внутренней стороны его обечайки 13, обеспе- 3 045342 чивают защиту клапанов 9 подачи воды от воздействия летящих предметов и азимутального распространения ударных волн за счет дробления и отражения ударных волн.Reinforcing ribs 14 of the drum 12, installed on the inside of its shell 13, provide protection for the water supply valves 9 from the effects of flying objects and the azimuthal propagation of shock waves due to crushing and reflection of shock waves.

Тепловые отражатели 11 и охлаждающие ребра 21 защищают клапаны 9 подачи воды барабана 12 от непроектного воздействия теплового излучения со стороны зеркала расплава, а также от воздействия летящих предметов, способных нарушить работоспособность указанных клапанов 9 подачи воды.Thermal reflectors 11 and cooling fins 21 protect the water supply valves 9 of the drum 12 from the off-design effects of thermal radiation from the melt mirror, as well as from the impact of flying objects that can disrupt the operation of these water supply valves 9.

Регулировочный зазор 19 позволяет обеспечить точную установку барабана 12 на фланец 5 корпуса 4.The adjusting gap 19 allows for precise installation of the drum 12 on the flange 5 of the housing 4.

В процессе локализации расплава активной зоны в наполнителе 7 возможны нарушения целостности некоторых элементов оборудования системы локализации и охлаждения расплава активной зоны ядерного реактора:In the process of localizing the core melt in filler 7, the integrity of some elements of the equipment of the system for localizing and cooling the core melt of a nuclear reactor is possible:

тепловые защиты фермы-консоли 3 могут быть секторно повреждены, разрушены или расплавлены в результате неосесимметричного поступления расплава;thermal protection of the console truss 3 can be sectorally damaged, destroyed or melted as a result of non-axisymmetric flow of the melt;

тепловая защита 6 фланца 5 корпуса 4 может быть локально разрушена в нижней части выплесками расплава, а в верхней части может быть секторно разрушена в результате неосесимметричного поступления расплава.The thermal protection 6 of the flange 5 of the housing 4 can be locally destroyed in the lower part by melt splashes, and in the upper part it can be sectorally destroyed as a result of non-axisymmetric flow of the melt.

Эти разрушения возможны как на начальной стадии локализации расплава активной зоны, так и на длительной стадии локализации. При таких разрушениях лучистые и конвективные тепловые потоки со стороны зеркала расплава начинают оказывать значительное воздействие на оборудование, расположенное выше корпуса 4: на направляющее устройство 1, на ферму-консоль 3, на барабан 12. В этих условиях интенсивность разогрева барабана 12, расположенного между фермой-консолью 3 и корпусом 4, будет существенно зависеть от интенсивности теплового излучения со стороны зеркала расплава и состояния клапанов 8 подачи воды корпуса 4: если при падении обломков днища корпуса 2 ядерного реактора в расплав, находящийся в корпусе 4, произойдёт выброс выплеск жидкого расплава или его волнообразный подъём, то возможно заваривание клапанов 8 подачи воды корпуса 4 жидким расплавом и полная блокировка их проходного сечения. В этих условиях возможен полный отказ клапанов 8 подачи воды корпуса 4 на подачу охлаждающей воды на зеркало расплава. Разогрев тепловой защиты 6 фланца 5 корпуса 4, тепловых защит в ферме-консоли 3 и барабана 12 будет продолжаться.These destructions are possible both at the initial stage of localization of the core melt and at the long-term stage of localization. With such destruction, radiant and convective heat flows from the side of the melt mirror begin to have a significant impact on the equipment located above the housing 4: on the guide device 1, on the console truss 3, on the drum 12. Under these conditions, the heating intensity of the drum 12 located between the truss - console 3 and housing 4, will significantly depend on the intensity of thermal radiation from the side of the melt mirror and the state of the water supply valves 8 of housing 4: if, when debris from the bottom of housing 2 of a nuclear reactor falls into the melt located in housing 4, a splash of liquid melt occurs or its wave-like rise, it is possible to weld the water supply valves 8 of the housing 4 with liquid melt and completely block their flow area. Under these conditions, a complete failure of the water supply valves 8 of the housing 4 for supplying cooling water to the melt mirror is possible. The heating of the thermal protection 6 of the flange 5 of the housing 4, the thermal protection in the console truss 3 and the drum 12 will continue.

Разогрев барабана 12 сопровождается разогревом клапанов 9 подачи воды, которые срабатывают на открытие при достижении заданной температуры. Срабатывание на открытие клапанов 9 подачи воды барабана 12 обеспечивает связь между средами, расположенными снаружи и внутри корпуса 4 выше положения зеркала расплава, т.е. выше расположения наполнителя 7. При открытии клапанов 9 подачи воды барабана 12 пароводяная смесь, находящаяся снаружи корпуса 4, начинает поступать во внутреннее пространство корпуса 4 сверху на шлаковую шапку, образованную растворёнными элементами наполнителя 7. Начинается процесс пароводяного охлаждения поверхности расплава.Warming up of drum 12 is accompanied by heating of water supply valves 9, which are triggered to open when the set temperature is reached. The opening of the water supply valves 9 of the drum 12 ensures communication between the media located outside and inside the housing 4 above the position of the melt mirror, i.e. above the location of the filler 7. When the water supply valves 9 of the drum 12 are opened, the steam-water mixture located outside the housing 4 begins to enter the internal space of the housing 4 from above onto the slag cap formed by the dissolved elements of the filler 7. The process of steam-water cooling of the melt surface begins.

Для того, чтобы клапаны 9 подачи воды барабана 12 не подвергались значительному формоизменению в результате тепловых деформаций патрубков 10, на которые воздействует тепловое излучение со стороны зеркала расплава, необходимо ограничить прямое действие лучистых тепловых потоков. С этой целью патрубки 10 внутри барабана 12 закрыты тепловыми отражателями 11 лучистых тепловых потоков. С внешней стороны барабана 12 к патрубкам 10 приварены охлаждающие рёбра 21, обеспечивающие интенсификацию теплоотвода от патрубков 10.In order for the water supply valves 9 of the drum 12 not to undergo significant changes in shape as a result of thermal deformations of the nozzles 10, which are affected by thermal radiation from the melt mirror, it is necessary to limit the direct effect of radiant heat flows. For this purpose, the pipes 10 inside the drum 12 are closed with thermal reflectors 11 of radiant heat flows. On the outer side of the drum 12, cooling ribs 21 are welded to the nozzles 10, ensuring intensified heat removal from the nozzles 10.

В условиях, при которых уровень охлаждающей воды, находящейся со стороны наружной поверхности корпуса 4, будет располагаться несколько ниже отметки установки клапанов 8 подачи воды корпуса 4, невозможно гидростатическое поступление охлаждающей воды внутрь корпуса 4 при срабатывании на открытие клапанов 8 подачи воды. Учитывая тот факт, что при интенсивном отводе тепла от корпуса 4 в режиме кипения в большом объёме, вдоль наружной стенки корпуса 4 образуется пароводяной горб, обусловленный парообразованием, размеры которого составляют от 0,5 до 1,5 м по высоте, необходимо обеспечить поступление этой пароводяной смеси внутрь корпуса 4 для охлаждения зеркала расплава. Однако при отсутствии гидростатического подпора пароводяная смесь не будет поступать через открытые клапаны 8 подачи воды корпуса 4 в связи с небольшой разницей давлений внутри указанного корпуса 4 и снаружи него. Эта небольшая разница давлений обусловлена более высокой температурой внутри корпуса 4 относительно давления насыщенного пара со стороны внешней поверхности корпуса 4. Для выравнивания этих давлений необходимо обеспечить рециркуляцию парогазовой среды снаружи и внутри корпуса 4. С этой целью в барабане 12 установлены клапаны 9 подачи воды, расположенные выше клапанов 8 подачи воды корпуса 4 таким образом, что пароводяной горб, образующийся при кипении воды на наружной поверхности корпуса 4, не запирает проходное сечение клапанов 9 подачи воды барабана 12 и не мешает выравниванию давления между парогазовыми средами, расположенными как снаружи, так и внутри корпуса 4.Under conditions in which the level of cooling water located on the outer surface of the housing 4 will be located slightly below the installation mark of the water supply valves 8 of the housing 4, hydrostatic flow of cooling water into the housing 4 is impossible when the water supply valves 8 are triggered to open. Considering the fact that with intensive heat removal from housing 4 in boiling mode in a large volume, a steam-water hump is formed along the outer wall of housing 4 due to steam formation, the dimensions of which range from 0.5 to 1.5 m in height, it is necessary to ensure the supply of this steam-water mixture inside housing 4 to cool the melt mirror. However, in the absence of hydrostatic pressure, the steam-water mixture will not flow through the open water supply valves 8 of the housing 4 due to the small pressure difference inside the specified housing 4 and outside it. This small pressure difference is due to the higher temperature inside the housing 4 relative to the saturated steam pressure on the side of the outer surface of the housing 4. To equalize these pressures, it is necessary to ensure recirculation of the vapor-gas environment outside and inside the housing 4. For this purpose, water supply valves 9 are installed in the drum 12, located above the water supply valves 8 of the housing 4 in such a way that the steam-water hump formed when water boils on the outer surface of the housing 4 does not block the flow area of the water supply valves 9 of the drum 12 and does not interfere with the equalization of pressure between the steam-gas environments located both outside and inside buildings 4.

После срабатывания клапанов 8 подачи воды корпуса 4 охлаждение зеркала расплава не происходит, так как уровень воды располагается несколько ниже расположения указанных клапанов 8 подачи воды. Происходит дальнейший разогрев лучистыми тепловыми потоками оборудования, расположенного над зеркалом расплава, в том числе, и клапанов 9 подачи воды барабана 12. Достигнув температуры срабатывания, клапаны 9 подачи воды барабана 12 открываются, обеспечивая выравнивание давления внут- 4 045342 ри и снаружи корпуса 4. Возникает вертикальная парогазовая тяга, обеспечивающая циркуляцию парогазовой смеси по следующему тракту: пароводяная смесь поступает через клапаны 8 подачи воды внутрь корпуса 4 в пространство над зеркалом расплава, где интенсивно испаряется и, устремляясь вверх, частично выходит через открытые клапаны 9 подачи воды барабана 12 в пространство вокруг наружной поверхности корпуса 4 - в пространство над ним, расположенное вокруг наружной поверхности обечайки 13 барабана 12, и далее - в герметичную оболочку, а частично проходит вдоль фермы-консоли 3 и поступает в направляющее устройство 1, через которое, в зависимости от состояния днища корпуса реактора 2 и направляющего устройства 1, может, в конечном итоге, также выйти в герметичную оболочку. Следовательно, последовательное срабатывание клапанов 8 подачи воды корпуса 4 и клапанов 9 подачи воды барабана 12 обеспечивает рециркуляцию парогазовой смеси, охлаждающей оборудование системы локализации и охлаждения расплава активной зоны ядерного реактора, расположенное над зеркалом расплава, что позволяет, в конечном итоге, обеспечить устойчивое длительное, сначала парогазовое, а затем паровое парокапельное охлаждение зеркала расплава в условиях сверхпроектных отказах оборудования.After the water supply valves 8 of the housing 4 are activated, cooling of the melt mirror does not occur, since the water level is located slightly below the location of the specified water supply valves 8. Further heating occurs by radiant heat flows of the equipment located above the melt mirror, including the water supply valves 9 of the drum 12. Having reached the response temperature, the water supply valves 9 of the drum 12 open, ensuring pressure equalization inside and outside the housing 4. A vertical steam-gas draft arises, ensuring the circulation of the steam-gas mixture along the following path: the steam-water mixture enters through the water supply valves 8 inside the housing 4 into the space above the melt mirror, where it intensively evaporates and, rushing upward, partially exits through the open water supply valves 9 of the drum 12 into the space around the outer surface of the housing 4 - into the space above it, located around the outer surface of the shell 13 of the drum 12, and then into the sealed shell, and partially passes along the console truss 3 and enters the guide device 1, through which, depending on the condition of the bottom the reactor vessel 2 and the guide device 1 may eventually also exit into the sealed shell. Consequently, the sequential operation of the water supply valves 8 of the housing 4 and the water supply valves 9 of the drum 12 ensures recirculation of the vapor-gas mixture cooling the equipment of the system for localizing and cooling the nuclear reactor core melt, located above the melt mirror, which ultimately makes it possible to ensure stable long-term, first steam-gas, and then steam-droplet cooling of the melt mirror under conditions of equipment failures beyond design.

Таким образом, применение в составе системы локализации и охлаждения расплава активной зоны ядерного реактора барабана с клапанами подачи воды, установленными в патрубки, снабженные тепловыми отражателями и охлаждающими ребрами, позволило повысить её надежность за счет размещения на разных уровнях клапанов подачи воды и обеспечения охлаждения зеркала расплава при недостаточном уровне охлаждающей воды в шахте реактора.Thus, the use of a drum with water supply valves installed in pipes equipped with thermal reflectors and cooling fins as part of the system for localizing and cooling the core melt of a nuclear reactor made it possible to increase its reliability by placing water supply valves at different levels and ensuring cooling of the melt mirror when the level of cooling water in the reactor shaft is insufficient.

Источники информации:Information sources:

1. Патент РФ № 2576517, МПК G21C 9/016, приоритет от 16.12.2014.1. RF Patent No. 2576517, IPC G21C 9/016, priority dated 12/16/2014.

2. Патент РФ № 2576516, МПК G21C 9/016, приоритет от 16.12.2014.2. RF Patent No. 2576516, IPC G21C 9/016, priority dated 12/16/2014.

3. Патент РФ № 2575878, МПК G21C 9/016, приоритет от 16.12.2014.3. RF Patent No. 2575878, IPC G21C 9/016, priority dated 12/16/2014.

Claims (1)

Система локализации и охлаждения расплава активной зоны ядерного реактора, содержащая направляющее устройство, ферму-консоль, наполнитель для приема и распределения расплава, размещенный в корпусе, по периметру которого установлены клапаны подачи воды и на фланце установлена тепловая защита, отличающаяся тем, что дополнительно содержит барабан, установленный на фланце корпуса, выполненный в форме обечайки с установленными с внутренней стороны по её периметру усиливающими ребрами, опирающимися на крышку и днище, имеющий элементы натяжения, соединяющие барабан через приваренный к нему опорный фланец с фланцем корпуса, дистанционирующие элементы, обеспечивающие регулировочный зазор между барабаном и фланцем корпуса, при этом в барабане выполнены патрубки, снабженные тепловыми отражателями и ребрами, в которых установлены клапаны подачи воды.A system for localizing and cooling the melt of a nuclear reactor core, containing a guide device, a console truss, a filler for receiving and distributing the melt, housed in a housing, around the perimeter of which water supply valves are installed and a thermal protection is installed on the flange, characterized in that it additionally contains a drum , installed on the housing flange, made in the form of a shell with reinforcing ribs installed on the inside along its perimeter, resting on the cover and bottom, having tension elements connecting the drum through a support flange welded to it with the housing flange, spacer elements providing an adjustable gap between a drum and a housing flange, while the drum contains pipes equipped with thermal reflectors and ribs in which water supply valves are installed.