RU219060U1

RU219060U1 - Устройство локализации расплава

Info

Publication number: RU219060U1
Application number: RU2023112499U
Authority: RU
Inventors: Игорь Анатольевич Магола; Антон Александрович Фиськов; Владимир Георгиевич Крицкий
Original assignee: Акционерное Общество "Атомэнергопроект"
Filing date: 2023-05-15
Publication date: 2023-06-27

Abstract

Полезная модель относится к устройству локализации расплава. Устройство включает охлаждаемый корпус и направляющий элемент для организации движения расплава, на который нанесен наружный слой защитной эмали, выполненной в виде суспензии тонкодисперсных термоактивированных силикатов, диоксида титана и оксида хрома (III) в толуольном растворе полидиметилсилоксана, содержащего силанольные группы, и отвердителя. В предпочтительном варианте полезной модели защитное покрытие может быть выполнено из органосиликатной композиции ОС-51-03. Техническим результатом является повышение безопасности устройства локализации расплава атомной электростанции за счет применения покрытия направляющего устройства с повышенной стойкостью к температурным и радиационным воздействиям. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

Description

Область техники

Устройство локализации расплава относится к ядерной технике, в частности к системам локализации расплава активной зоны атомного реактора и может быть использовано для предотвращения выхода расплава за пределы атомной электростанции (АЭС) при тяжелой аварии.

Предшествующий уровень техники

При тяжелой аварии на АЭС возможно проплавление корпуса реактора расплавом, образующимся при аварии и состоящим из расплавленных компонентов активной зоны реактора и их обломков. Для противодействия попаданию расплава в окружающую среду в последние десятилетия разрабатываются различные типы устройств локализации расплава (УЛР), назначение которых заключается в улавливании расплава активной зоны с его дальнейшим охлаждением внутри УЛР, при этом охлаждение происходит через стенки УЛР за счет контакта с охлаждающей жидкостью, наполняющей шахту, в которой размещено УЛР, при тяжелой аварии. Важным элементом УЛР является направляющий элемент (плита), расположенный непосредственно под днищем реактора и установленный на ферме-консоли, которая, в свою очередь, закреплена в стенках бетонной шахты УЛР.

Направляющий элемент выполнен в форме воронки и организует поступление расплавленного кориума в корпус УЛР в ее центральной осевой зоне. Таким образом, прочностные характеристики направляющего элемента имеют важное значение для безопасности работы УЛР при тяжелых авариях.

Одним из важных требований, предъявляемых к УЛР, является требование в части управления старением как оборудования, так и материалов, применяемых при проектировании и сооружении АЭС.

УЛР располагается в шахте подреакторного пространства. В нем предусматривается использование специализированных бетонов типа ОКА, ОКА-М, ЦКС и ЦКС-М в качестве защитного и жертвенного материала, которые выполняют свои функции при протекании тяжелых аварий.

К материалам, используемым в УЛР, предъявляются особые требования по составу, теплопроводности, пористости, прочности, влагопоглощению и другим свойствам, в том числе в условиях старения и эксплуатации, а также в условиях термической и радиационной нагрузки. При этом следует учитывать, что, поскольку УЛР располагается в подреакторном пространстве, бетоны, применяемые в нем, подвергаются высокому радиационному и термическому воздействию в течение всего периода эксплуатации АЭС. Это может привести к потере прочности направляющего элемента УЛР и его разрушению при тяжелой аварии, что может вызвать попадание кориума на стенки УЛР вместо его центральной части. Вследствие этого при падении в корпус УЛР кориум может задевать тепловые защиты элементов УЛР, а зона максимального энерговыделения, при этом сдвигается от центра корпуса УЛР, что может привести к проплавлению корпуса УЛР.

Известен ряд технических решений, раскрывающих устройство локализации расплава.

Известна система локализации и охлаждения кориума аварийного ядерного реактора водо-водяного типа (патент РФ №2253914, опубл. 27.02.2005), содержащая расположенную в подреакторном пространстве бетонной шахты ловушку, охлаждаемая оболочка которой выполнена в форме сосуда и заполнена жертвенными материалами. Эта система также содержит направляющее устройство для кориума, выполненное в форме воронки, размещенной между днищем реактора и верхним краем ловушки, при этом стенки направляющего устройства покрыты термостойким бетоном, поверх которого нанесено покрытие из легкоплавкого бетона.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели является устройство локализации расплава (патент РФ №100327, опубл. 10.12.2010), включающее охлаждаемый корпус с двойной стенкой, заполненный наполнителем, направляющий элемент для организации движения расплава, пассивную систему подачи воды на поверхность расплава, наполнитель скомпонован в блоки, каждый из которых разделен на сегменты узлами крепления, установленными радиально относительно вертикальной оси устройства, при этом заполнение наполнителем сегментов осуществлено с образованием свободных зон, сообщающихся с центральным сквозным отверстием для прохода расплава, при этом охлаждение корпуса выполнено в виде пассивной системы, имеющей возможность функционировать при естественной циркуляции охлаждающей воды неограниченное время, используя воду из объема контейнмента и баков-приямков, направляющий элемент выполнен с трехслойным защитным покрытием, состоящим последовательно из кладочного цемента ЦКС-М, огнеупорных бетонов ОКА-М, в который введены гранулы Fe₂O₃, и ОКА.

Недостатком обоих вышеуказанных технических решений является отсутствие покрытия направляющего элемента, обеспечивающего повышенную стойкость к температурным и радиационным воздействиям, что, как было показано выше, отрицательно влияет на безопасность АЭС.

Раскрытие полезной модели

Задача настоящей полезной модели состоит в разработке устройства локализации расплава атомной электростанции, обладающего повышенной безопасностью за счет применения покрытия направляющего устройства с повышенной стойкостью к температурным и радиационным воздействиям.

Технический результат настоящей полезной модели заключается в повышении безопасности устройства локализации расплава атомной электростанции за счет применения покрытия направляющего устройства с повышенной стойкостью к температурным и радиационным воздействиям.

Технический результат достигается тем, что в известном устройстве локализации расплава, включающем корпус и направляющий элемент для организации движения расплава, на поверхность направляющего элемента дополнительно нанесен наружный слой защитной эмали, выполненной в виде суспензии тонкодисперсных термоактивированных силикатов, диоксида титана и оксида хрома (III) в толуольном растворе полидиметилсилоксана, содержащего силанольные группы.

Предпочтительно выполнить наружный слой защитной эмали толщиной в диапазоне 100-200 мкм.

Краткое описание фигур чертежей.

На фиг. 1 приведена зависимость прочности при сжатии бетонов ЦКС и ЦКС-М от температуры нагрева.

На фиг. 2 приведена зависимость прочности при сжатии бетонов ОКА и ОКА-М от температуры нагрева.

На фиг. 3 приведено сравнение предела прочности на сжатие образцов бетонов ЦКС с образцами с нанесенным покрытием (П) на основе композиции ОС-51-03.

На фиг. 4 приведено сравнение предела прочности на сжатие образцов бетонов ЦКС-М с образцами с нанесенным покрытием (П) на основе композиции ОС-51-03.

На фиг. 5 приведено сравнение предела прочности на сжатие образцов бетонов ОКА с образцами с нанесенным покрытием (П) на основе композиции ОС-51-03.

На фиг. 6 приведено сравнение предела прочности на сжатие образцов бетонов ОКА-М с образцами с нанесенным покрытием (П) на основе композиции ОС-51-03.

Органосиликатные композиции представляют собой суспензии мелкодисперсных слоистых силикатов и окислов металлов в толуольных растворах полиорганосилоксанов разветвленного строения - кремнийорганических лаках. В ряде случаев для придания особых свойств в состав органосиликатных композиций (ОС) вводятся специальные добавки. При этом основными компонентами, определяющими комплекс и уровень свойств, являются кремнийорганические полимеры, главные цепи которых построены из чередующихся атомов кремния и кислорода, а органические составляющие представлены углеводородными радикалами, соединенными с кремнием.

После испарения растворителя и отверждения ОС образуют полимерный композиционный материал с полиорганосилоксановой матрицей. При этом гидрофобность и такие физико-химические свойства как стойкость к температурным нагрузкам обеспечиваются природой органического радикала у атома кремния, молекулярной и надмолекулярной структурой пленкообразователя.

Состав ОС придает покрытию высокие эксплуатационные показатели: атмосферостойкость, т.е. способность противостоять впитыванию воды из влажной среды, химическую стойкость, а также позволяет обеспечить работу в широком интервале температур от -60 до +700°С.

В процессе изготовления ОС происходит механохимическая прививка молекул полиорганосилоксанов на поверхности частиц кремния наполнителей. В результате этого процесса вблизи поверхности наполнителя образуются зоны уплотненной структуры пленкообразователя. При большом объемном содержании наполнителя в эту зону будет вовлечен весь пленкообразователь. Это приводит к максимуму механической и адгезионной прочности, а также изолирующей способности покрытия.

В предпочтительном варианте полезной модели защитное покрытие может быть выполнено из органосиликатной композиции ОС-51-03.

Покрытия из атмосферостойких органосиликатных композиций ОС-51-03 различных цветов обладают высокой атмосферостойкостью, а также являются паропроницаемыми и гидрофобными, срок безремонтной эксплуатации на фасадах зданий и сооружений составляет 20 и более лет, покрытия обладают высокой коррозионной стойкостью. Преимуществом также является высокая ремонтопригодность в случае каких-либо нарушений покрытий.

Состав органосиликатной композиции в предпочтительном варианте является следующим:

Отвердитель:

тетрабутоксититан 0,1-0,3%

Основной состав:

полиорганосилоксаны с концевыми силанольными группами,

слоистые гидросиликаты,

оксиды переходных металлов.

Проведенные экспериментальные исследования показали, что специализированные бетоны типа ОКА, ОКА-М, ЦКС и ЦКС-М в условиях термического нагружения при обработке органосиликатным покрытием демонстрируют повышенную прочность при сжатии, как показано на фиг. 1-6.

Для проведения исследования были изготовлены образцы одного объема и формы из бетонов указанных марок. После выдержки в течение 28 суток были определены их физические свойства, такие как распределение воды, водопоглощение, плотность и прочность на сжатие.

С целью обеспечения надежной антикоррозионной защиты в облицовки внутренней защитной оболочки контайнмента широко используется комбинированное защитное покрытие, включающее металлизацию стальной поверхности оболочки алюминием и последующее нанесение на него органосиликатной композиции ОС-51-03. Данное защитное покрытие хорошо проявило себя на металлических поверхностях, в том числе и при термическом воздействии. В связи с эти в отдельную серию экспериментов было выделено определение предела прочности на сжатие образцов покрытых органосиликатной композицией ОС-51-03. Нанесение органосиликатного покрытия производилось в соответствии с ТУ 84-725-78 «Композиции органосиликатные», в один слой не более 200 мкм до полного высыхания. Образцы после сушки на воздухе покрытые композицией ОС-51-03 нагревались в муфельной печи в интервале температур от 100 до 1000°С с шагом в 100°С. После термической обработки образцы также испытывали на прочность при сжатии.

Полученные результаты

Для образцов ОКА с увеличением сроков твердения до 14 суток происходит рост плотности и прочности бетона. Далее при твердении происходит разрыхление структуры вследствие перекристаллизации продуктов гидратации высокоглиноземистого цемента, которое приводит к незначительному снижению плотности, однако прочность образцов бетона постоянно возрастает. Прочность, определенная на 28 сутки, составляет 32,7 МПа, что соответствует требованиям по прочности при сжатии указанным в ТУ 1569-386-02068474-2008 для бетонов ОКА - не менее 20 МПа.

Поведение бетона на основе смеси ОКА-М имеет аналогичный характер с бетоном на основе смеси ОКА. Прочность, определенная на 28-е сутки составляет 38,5 МПа, что также выше нормативных требований (не менее 20 МПа) по ТУ 1569-417-02068474-2008 для бетонов ОКА-М.

Прочность образцов ЦКС-М в 28-ми суточном возрасте составляет 25,1 МПа, что соответствует нижнему пределу соответствия требования ТУ 1569-415-02068474-2008 [8] для бетонов ЦКС-М.

С увеличением сроков твердения происходит рост прочности бетона ЦКС, которая к 28-ми суткам твердения достигает значения 22,75 МПа. Согласно ТУ 1569-385-02068474-2008 [9] прочность бетона ЦКС должна быть в пределах 25-30 МПа. Полученные экспериментальные значения прочности при сжатии на 9% ниже указанных в ТУ, что может быть связано с большим количеством воды затворения и с использованием в качестве наполнителя (заполнителя) высокодисперсных инертных материалов, которые для своего смачивания берут значительное количество воды, исключая ее из процесса гидратации. Об этом свидетельствует и высокое значение свободной воды (от 4,32 до 4,69 мас.%) в затвердевшей композиции и низкое (от 1,66 до 1,99 мас.%), практически не изменяющееся количество связанной воды. Общее содержание воды находится в пределах от 5,98 до 6,68 мас.%

Полученные в результате термической обработки результаты приведены в таблице 1.

Данные таблицы 1 показывают, что количество связанной воды в бетонах типа ОКА в процессе твердения увеличивается (с 1,88 до 5,3 мас.%), что связано с продолжающимся процессом образования новых гидратных фаз и их перекристаллизацией. Этот процесс и определяет прирост прочности образцов. Общее количество воды изменяется в пределах от 4,90 до 6,78 мас.%.

В бетонных образцах на основе ОКА-М количество связанной воды увеличивается (от 1,75 до 4,14 мас.%), с увеличением срока твердения, что говорит об увеличении количества гидратных новообразований в процессе твердения и тем самым упрочнения структуры. Общее количество воды изменяется в пределах от 3,59 до 7,63 мас.%. Количество свободной воды в процессе твердения несколько повышается, что связано с большей гигроскопичностью модифицирующего компонента смеси ОКА-М - железорудных окатышей, которые могут в небольших количествах брать воду из окружающей среды.

Количество связанной воды для бетона ЦКС-М растет не значительно (от 1,70 до 1,97 мас.%) из-за низкого содержания цементной составляющей. При этом количество свободной воды практически постоянное (4,44-4,45 мас.%), что свидетельствует о водоудерживающей способности высокодисперсного наполнителя. Общее содержание воды находится в пределах от 6,14 до 6,42 мас.%.

Водопоглощение, определенное на образцах ОКА и ОКА-М, характеризует открытую пористость образцов, так для составов на основе смеси ОКА и ОКА-М водопоглощение составляет 19 об.% и 20,1 об.%, соответственно.

Водопоглощение составов на основе смеси ЦКС и ЦКС-М составляет 42 об.% и 40 об.%, соответственно. Большое значение водопоглощения связано с высоким содержанием инертного высокодисперсного наполнителя (50%), что не позволяет создать прочную непроницаемую структуру твердения композиции.

Термическое воздействие оказывает значительное влияние на структуру и свойства бетонов, во многих случаях приводящее к изменению их свойств.

Изменение свойств при термообработке может быть значительным, что должно быть учтено, в частности при проектировании АЭС.

Исследования прочностных характеристик бетонов в условиях термического воздействия проводили в муфельной печи путем нагревания образцов после достижения проектного возраста.

В результате термообработки в бетонах протекают различные физико-химические процессы, которые обусловливают поведение бетонов.

Исследования показали, что при термической обработке бетонов на основе смесей ЦКС и ЦКС-М с увеличением температуры обработки происходит снижение прочности при сжатии образцов. Снижение происходит ступенчато, в интервале температур от комнатной до 400°С, после в интервале 400-600°С происходит некоторое замедление снижения прочности при сжатии, а после 600°С плотность опять снижается (фиг. 1).

Такое поведение бетона отражает процессы, которые в нем протекают в различных диапазонах температур:

200-400°С - происходит удаление воды из гидросиликатов кальция (дегидратация);

405-480°С - происходит разложение гидрооксида кальция;

700-800°С - происходит полная дегидротация гидросиликатов и гидроалюминатов;

1000°С - происходит полиморфный переход силиката кальция (C₂S в β-C₂S).

На фиг. 2 представлена зависимость предела прочности на сжатие для бетонов состава ОКА и ОКА-М. При нагревании образцов бетонов состава ОКА до температуры 200°С происходит падение прочности на 40%. Падение прочности связано с фазовым переходом бетона гексагональной фазы в кубическую форму. При дальнейшей термической обработке до 400°С происходит процесс разложения и обезвоживания Al(ОН)₃. В этом же температурном интервале происходит удаление значительного количества кристаллизационной воды, снижение прочности на 57,5%. На этом участке происходит уплотнение образца вследствие развивающегося процесса спекания, что замедляет скорость потерю прочности. При температуре 1000°С происходит резкое падение прочности.

Изменение прочности обработанных и не обработанных органической композицией образцов представлены на фиг. 3-6.

Вид кривых на разных фигурах чертежей аналогичен друг другу, при этом можно выделить 3 основные области. Первая область - 200-400°С: на этом участке происходит значительное увеличение прочности обработанных органической композицией образцов. Вероятно, это связано с герметизацией поверхности образцов при высыхании органической композиции и созданием под непроницаемой коркой условий близких к условиям тепловлажностной обработки, при применении которой происходит значительная интенсификация синтеза основных фаз, обеспечивающих увеличение прочности. Далее при повышении температуры происходит полное выгорание органики из органической композиции, на поверхности остается белый порошок наполнителя, по данным рентгенофлуоресцентного анализа, он представлен фазой СаСО₃. На участке от 600 до 800°С происходит процесс разложения карбоната кальция, который применяется в качестве наполнителя в ОС-51-03. Образовавшийся активный оксид кальция вступает в реакцию с компонентами бетона с образованием основных кальцийсодержащих фаз, а также приводит к залечиванию дефектов на поверхности. Протекание этих процессов обеспечивает увеличение прочности образцов бетонов покрытых ОС-51-03 относительно не покрытых органической композицией.

На основании полученных данных можно сделать следующие выводы. Нагревание бетонов при всех температурах выше 200°С приводит к снижению прочностных характеристик. Ход кривых зависимостей изменения прочности от температуры нагрева для всех бетонов схож. Бетоны на основе портландцемента (ЦКС) теряют прочность быстрее, чем бетоны на основе высокоглиноземистого цемента (ОКА), как бетоны на основе высокоглиноземистого цемента имеют более тугоплавкую основу.

Был проведен сравнительный анализ полученных данных по свойствам образцов специализированных бетонов с образцами, покрытыми органосиликатной композицией ОС-51-03.

Было установлено положительное влияние покрытия образцов всех марок бетона композицией ОС-51-03 на прочность покрытых образцов в сравнении с непокрытыми при нагреве до 800°С. Обработка органической композицией ОС-51-03 образцов бетонов, и последующая их температурная обработка приводит к значительному увеличению предела прочности при сжатии для всех составов бетонов на участках температур от 200 до 800°С. В интервале температур 400 до 800°С увеличение прочности составляет от 15 до 30%, что является существенным преимуществом при протекании тяжелой аварии.

Промышленная применимость

Устройство локализации расплава может быть применено в атомной отрасли и обеспечивает безопасность использования АЭС при тяжелых авариях.

Claims

1. Устройство локализации расплава, включающее охлаждаемый корпус и направляющий элемент для организации движения расплава, отличающееся тем, что на направляющий элемент нанесен наружный слой защитной эмали, выполненной в виде суспензии тонкодисперсных термоактивированных силикатов, диоксида титана и оксида хрома (III) в толуольном растворе полидиметилсилоксана, содержащего силанольные группы, и отвердителя.

2. Устройство локализации расплава по п. 1, отличающееся тем, что слой защитной эмали имеет толщину в диапазоне 100-200 мкм.