RU2191436C1 - Оксидный материал ловушки расплава активной зоны ядерного реактора - Google Patents

Оксидный материал ловушки расплава активной зоны ядерного реактора Download PDF

Info

Publication number
RU2191436C1
RU2191436C1 RU2001128176/06A RU2001128176A RU2191436C1 RU 2191436 C1 RU2191436 C1 RU 2191436C1 RU 2001128176/06 A RU2001128176/06 A RU 2001128176/06A RU 2001128176 A RU2001128176 A RU 2001128176A RU 2191436 C1 RU2191436 C1 RU 2191436C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
melt
nuclear reactor
oxide material
oxide
nuclear
Prior art date
Application number
RU2001128176/06A
Other languages
English (en)
Inventor
В.В. Гусаров
С.В. Бешта
В.Б. Хабенский
В.С. Грановский
И.В. Саенко
В.В. Безлепкин
И.В. Кухтевич
В.А. Можжерин
В.П. Мигаль
В.Я. Сакулин
А.Н. Новиков
Г.Н. Салагина
Е.А. Штерн
Original Assignee
Открытое акционерное общество "Боровичский комбинат огнеупоров"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Открытое акционерное общество "Боровичский комбинат огнеупоров" filed Critical Открытое акционерное общество "Боровичский комбинат огнеупоров"
Priority to RU2001128176/06A priority Critical patent/RU2191436C1/ru
Priority to CNB028075889A priority patent/CN1266706C/zh
Priority to CNB028075870A priority patent/CN1210723C/zh
Priority to PCT/RU2002/000147 priority patent/WO2003032326A1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2191436C1 publication Critical patent/RU2191436C1/ru
Priority to FI20040517A priority patent/FI118655B/fi

Links

Images

Classifications

    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/30—Nuclear fission reactors

Landscapes

  • Structure Of Emergency Protection For Nuclear Reactors (AREA)

Abstract

Изобретение относится к атомной энергетике. Оксидный материал ловушки расплава активной зоны ядерного реактора, включающий Al2О3, SiО2, дополнительно содержит Fе2О3 и/или Fе3О4 и целевую добавку в виде Gd2О3, либо Еu2О3, либо Sm2О3 при следующем соотношении компонентов, мас.%: Fе2О3 и/или Fе3О4 46-80, А12О3 16-50, SiO2 1-4, целевая добавка 0,1-4. Технический результат изобретения состоит в обеспечении глубокой подкритичности расплава активной зоны ядерного реактора, его ядерной безопасности и высокой эффективности локализации. 2 з.п. ф-лы, 1 табл.

Description

Изобретение относится к атомной энергетике, в частности к так называемым жертвенным материалам, предназначенным для обеспечения локализации расплава активной зоны корпусных водоохлаждаемых ядерных реакторов при запроектной аварии. В случае запроектной аварии такой материал, взаимодействуя с высокотемпературным расплавом активной зоны, призван изменить характеристики и свойства расплава, уменьшить образование летучих компонентов, обеспечить удержание и локализацию расплава, а также его захолаживание и стабилизацию. При этом сам жертвенный материал в результате сложных физико-химических процессов постепенно растворяется и прекращает свое существование в первоначальном виде.
Актуальность разработки жертвенных материалов для устройств локализации расплава активной зоны, образующегося при запроектных авариях на АЭС, стала очевидной после крупных аварий на американской АЭС TMI и на четвертом блоке Чернобыльской АЭС, а также ряда других инцидентов на ядерных энергетических и специальных установках. Создание надежных систем локализации расплава активной зоны ядерного реактора и эффективных жертвенных материалов для их работы во многом определяет в настоящее время будущее атомной энергетики.
Разработки и исследования жертвенных материалов, представляющих собой по существу новый класс материалов, имеют ограниченный опыт и базируются из-за невозможности выполнения прямых экспериментов на методах системного проектирования материалов с использованием теоретических расчетов и модельных экспериментов.
Наиболее изучены в качестве жертвенного материала сталь и железо. Использование стали либо железа способно обеспечить эффективное снижение температуры (захолаживание) сильно перегретой металлической составляющей расплава активной зоны, недопущение кратковременного превышения критической плотности теплового потока на водоохлаждаемых поверхностях теплообменников, внутри которых локализуется расплав активной зоны и размещается жертвенный материал, при выходе на них расплава металлов, уменьшение объемной плотности энерговыделения в металлическом расплаве и, соответственно, уменьшение теплонапряженности работы теплообменников. Это делает железо и сталь незаменимыми жертвенными материалами ловушки расплава активной зоны ядерного реактора.
Сталь и железо, однако, способны разбавлять только металлическую составляющую расплава активной зоны ядерного реактора. Они не могут влиять на его оксидную часть, где находится основное количество радиоактивных компонентов, не могут обеспечить инверсию металлической и оксидной частей расплава активной зоны ядерного реактора, т.е. всплытие оксидного слоя расплава над металлическим слоем, что является одним из важнейших условий надежной локализации расплава активной зоны.
Поэтому сталь и железо необходимо применять в сочетании с материалами, способными разбавлять оксидную составляющую расплава активной зоны ядерного реактора. К таким материалам относятся оксиды.
В изобретении [1] в качестве оксидных жертвенных материалов ловушки расплава активной зоны ядерного реактора предложено использовать диоксид кремния (SiО2), оксид алюминия (Аl2О3) и металлургический шлак, представляющий собой смесь оксидов (CaO, SiO2, Аl2O3, FeO). Металлургический шлак, являющийся наиболее близким по совокупности существенных признаков к предлагаемому материалу, выбран в качестве прототипа.
Фактически наиболее близким к предлагаемому материалу является материал на основе шихты по неопубликованной заявке на изобретение [2], содержащий, мас. %: Fе2O3 и/или Fе3O4 46-80, Аl2O3 16-50 и SiO2 1-4. Оксид железа в виде Fе3O4 может частично или полностью заменить Fе2O3 вследствие восстановления Fе2O3 в процессе обжига жертвенного материала. При этом присутствие в данном материале в указанном количестве Fе2O3, либо Fе3O4, либо Fе2O3 и Fе3O4 (в любом соотношении) обеспечивает одинаково высокий эффект локализации расплава активной зоны ядерного реактора.
Общий недостаток известных оксидных жертвенных материалов состоит в том, что ни один из них не способен оказать определяющего влияния на ядерно-физические свойства расплава, содержащего делящиеся изотопы, и поэтому при некоторых, хотя и маловероятных условиях и геометрии системы существует возможность достижения локальной критичности и надкритичности, т.е. повышение коэффициента размножения нейтронов - К, до значений, равных или больших единицы (К≥1), что не допустимо для работы системы локализации, т.к. может привести к развитию цепной реакции.
Задачей настоящего изобретения является обеспечение ядерной безопасности расплава активной зоны ядерного реактора без снижения эффективности локализации этого расплава.
Эта задача решается тем, что оксидный материал ловушки расплава активной зоны ядерного реактора, включающий Аl2О3, SiO2, дополнительно содержит Fе2O3 и/или Fе3O4 и целевую добавку в виде Gd2O3, либо Еu2O3, либо Sm2О3 при следующем соотношении компонентов, мас. %: Fе2O3 и/или Fе3O4 - 46-80, Аl2О3 - 16-50, SiO2 - 1-4, целевая добавка 0,1-4.
Технический результат изобретения состоит в обеспечении глубокой подкритичности расплава активной зоны ядерного реактора, его ядерной безопасности и высокой эффективности локализации.
Достижение указанного технического результата определяется, с одной стороны, способностью оксидов Gd, Eu и Sm локализовываться в оксидной части расплава активной зоны, содержащей основную массу делящихся изотопов, и кристаллизоваться вместе с ней при захолаживании расплава активной зоны ядерного реактора, а с другой стороны, - их способностью эффективно поглощать нейтроны в широком спектре их энергий.
До поступления расплава в ловушку соответствующий оксид (Gd2O3, Еu2O3 или Sm2О3) находится в пределах крупноячеистой структуры, состоящей из блоков жертвенного материала. После растворения жертвенного материала в расплаве активной зоны поглотители нейтронов Gd, либо Eu, либо Sm в виде оксида перейдут в расплав, содержащий делящиеся изотопы, и обеспечат глубокую подкритичность расплава. При затвердевании расплава Gd в виде Gd2O3, Eu в виде Еu2О3 и Sm в виде Sm2О3 кристаллизуются совместно с оксидом урана и основньм количеством делящихся изотопов, что обеспечивает условия, в которых не возможна локальная критичность (надкритичность) системы.
Хотя введение Gd2O3, Еu2О3 или Sm2O3 в состав базового оксидного жертвенного материала позволит получить одинаковый технический результат, предпочтительным все же является использование Gd2O3, содержание которого в жертвенном материале будет находиться в пределах 0,1-0,4 мас.%, что примерно в 10 раз меньше, чем в случае введения Еu2О3 или Sm2О3 (1-4 мас.%).
Нижняя граница содержания Gd2O3, Еu2О3 или Sm2О3 обусловлена необходимостью обеспечения значения коэффициента размножения К, гарантирующего подкритичность урансодержащего кориума (К≤0,95). Верхняя граница содержания этих компонентов определяется экономическими соображениями, а именно высокой стоимостью Gd2O3, Еu2О3, Sm2О3.
Важную роль в решении задачи ядерной безопасности расплава активной зоны ядерного реактора играет способ введения оксидов Gd, Eu и Sm в оксидный жертвенный материал, который должен обеспечить высокую равномерность распределения этих оксидов в шихте. Предлагаемый материал может быть получен следующим образом.
На начальном этапе получения готовят исходные компоненты для последующего смешивания их в соответствующем соотношении (см. примеры в таблице). Далее проводят сухой вибропомол соответствующего исходного оксида (Gd2O3, Еu2O3 или Sm2О3) для получения порошка с размером частиц не более 63 мкм и сухой вибропомол шихты базовой части предлагаемого материала. По достижении размера частиц не более 63 мкм помол шихты приостанавливают. Порошок Gd2O3, Еu2О3 или Sm2О3 смешивают с частью шихты базового состава в соотношении 1/10-1/5. Полученную смесь гомогенизируют, а затем вводят в остальную часть шихты базового материала. В результате двукратного смешивания тонкодисперсный порошок целевой добавки оказывается равномерно распределенным в порошке, содержащем базовые компоненты материала.
Далее осуществляют прессование брикетов с использованием в качестве выгорающей связки 5% водного раствора поливинилового спирта и обжиг при температуре 1280-1300oС с выдержкой 2 часа.
После этого следуют дробление брикетов, помол, рассев на фракции, смешивание с временным связующим (5% водным раствором поливинилового спирта) и прессование изделий.
Окончательной операцией является обжиг в воздушной среде при температуре 1320oС с выдержкой 6 часов.
Для примеров предлагаемого материала, приведенных в таблице, коэффициент размножения К, максимальное значение которого по консервативным оценкам составляет К= 1,195, для случая, когда целевая добавка отсутствует, рассчитывался с использованием комплекса программ нейтронно-физического расчета САПФИР ВВР-95. Эта программа верифицирована на большой базе экспериментальных данных, полученных на критсборках, исследовательских и энергетических реакторах и аттестована в Госатомнадзоре РФ.
Из таблицы видно, что предлагаемый оксидный жертвенный материал с целевой добавкой в виде Gd2O3, либо Еu2O3, либо Sm2О3 гарантирует ядерную безопасность расплава активной зоны ядерного реактора.
Способность предлагаемого материала обеспечить эффективную локализацию расплава активной зоны ядерного реактора была оценена посредством модельных экспериментов и термодинамических расчетов.
В ходе модельных экспериментов на установке "Расплав 2" по методикам, верифицированным для проведения подобных исследований, были определены: скорость взаимодействия предлагаемого материала с расплавом активной зоны ядерного реактора, температура начала взаимодействия и температура ликвидуса. Тепловой эффект и выделение газов оценивались путем термодинамических расчетов с использованием верифицированной программы и базы данных термодинамических свойств ИВТАНТЕРМО.
Средняя скорость взаимодействия предлагаемого материала с расплавом составляет от 2 до 17 мм/с, температура начала взаимодействия от 1250 до 1380oС, температура ликвидуса от 1400 до 1880oС, тепловой эффект (ΔН) от 6050 до 7400 МДж/м3. Активного выделения газов и ликвации расплава не было зафиксировано.
Приведенные данные говорят о том, что предлагаемый материал способен обеспечить не только ядерную безопасность расплава активной зоны ядерного реактора, но и его эффективную локализацию.
Спеченные изделия из предлагаемого материала в виде брикетов могут быть встроены в конструкцию ловушки расплава активной зоны ядерного реактора. Другой вариант использования предлагаемого жертвенного материала - введение дробленого материала, полученного измельчением спеченных брикетов жертвенного материала, в состав бетона, укладываемого в пространстве ловушки расплава активной зоны ядерного реактора.
Целевая добавка по настоящему изобретению может быть введена в любой оксидный жертвенный материал с достижением эффекта уменьшения коэффициента размножения нейтронов в пространстве ловушки расплава активной зоны до необходимого значения - менее К=0,95 при любых, самых консервативных условиях.
Получение предлагаемого оксидного жертвенного материала предполагает выполнение известных технологических операций с использованием стандартного технологического оборудования, что свидетельствует о возможности промышленного осуществления настоящего изобретения.
Источники информации
1. Патент РФ 2165106, МПК 7 G 21 C 9/016, 13/10, опубликован 10.04.2001.
2. Заявка РФ 2001 108 841/06, МПК 7 G 21 C 09/16, находится на стадии экспертизы по существу.

Claims (2)

1. Оксидный материал ловушки расплава активной зоны ядерного реактора, включающий Аl2O3, SiO2, отличающийся тем, что он дополнительно содержит Fe2О3 и/или Fe3О4 и целевую добавку в виде Gd2О3, либо Eu2О3, либо Sm2О3 при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Fe2О3 и/или Fe3О4 - 46 - 80
Аl2О3 - 16 - 50
SiO2 - 1 - 4
Целевая добавка - 0,1 - 4
2. Оксидный материал по п.1, отличающийся тем, что в качестве целевой добавки он содержит Gd2О3 в количестве 0,1-0,4 мас.%.
3. Оксидный материал по п.1, отличающийся тем, что в качестве целевой добавки он содержит Eu2О3 либо Sm2О3 в количестве 1-4 мас.%.
RU2001128176/06A 2001-10-12 2001-10-12 Оксидный материал ловушки расплава активной зоны ядерного реактора RU2191436C1 (ru)

Priority Applications (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2001128176/06A RU2191436C1 (ru) 2001-10-12 2001-10-12 Оксидный материал ловушки расплава активной зоны ядерного реактора
CNB028075889A CN1266706C (zh) 2001-10-12 2002-04-02 用于核反应堆熔化衬层阱的氧化物材料
CNB028075870A CN1210723C (zh) 2001-10-12 2002-04-02 用于核反应堆熔化衬层阱的氧化物材料
PCT/RU2002/000147 WO2003032326A1 (fr) 2001-10-12 2002-04-02 Matiere a base d'oxyde pour piege a bain de fusion destine a la zone active d'un reacteur nucleaire
FI20040517A FI118655B (fi) 2001-10-12 2004-04-08 Oksidimateriaali ydinreaktorin sulaneen ytimen loukkuun

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2001128176/06A RU2191436C1 (ru) 2001-10-12 2001-10-12 Оксидный материал ловушки расплава активной зоны ядерного реактора

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2191436C1 true RU2191436C1 (ru) 2002-10-20

Family

ID=20253808

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2001128176/06A RU2191436C1 (ru) 2001-10-12 2001-10-12 Оксидный материал ловушки расплава активной зоны ядерного реактора

Country Status (3)

Country Link
CN (2) CN1210723C (ru)
FI (1) FI118655B (ru)
RU (1) RU2191436C1 (ru)

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7678723B2 (en) 2004-09-14 2010-03-16 Carbo Ceramics, Inc. Sintered spherical pellets
US7721804B2 (en) 2007-07-06 2010-05-25 Carbo Ceramics Inc. Proppants for gel clean-up
US7828998B2 (en) 2006-07-11 2010-11-09 Carbo Ceramics, Inc. Material having a controlled microstructure, core-shell macrostructure, and method for its fabrication
US8063000B2 (en) 2006-08-30 2011-11-22 Carbo Ceramics Inc. Low bulk density proppant and methods for producing the same
US8216675B2 (en) 2005-03-01 2012-07-10 Carbo Ceramics Inc. Methods for producing sintered particles from a slurry of an alumina-containing raw material
RU2517436C2 (ru) * 2012-09-03 2014-05-27 Закрытое акционерное общество "НПО Петропромсервис" Способ изготовления керамического материала для устройства локализации расплава активной зоны ядерного реактора
RU2586224C1 (ru) * 2015-01-28 2016-06-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)" Однофазный керамический оксидный материал для устройства локализации расплава активной зоны

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111430051B (zh) * 2020-04-02 2022-02-22 中国核动力研究设计院 金属层熔池传热特性模拟材料、制备方法及应用
CN115196930A (zh) * 2022-08-02 2022-10-18 南京林业大学 一种用于堆芯捕集器的牺牲砂浆及制备方法

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7678723B2 (en) 2004-09-14 2010-03-16 Carbo Ceramics, Inc. Sintered spherical pellets
US7825053B2 (en) 2004-09-14 2010-11-02 Carbo Ceramics Inc. Sintered spherical pellets
US8216675B2 (en) 2005-03-01 2012-07-10 Carbo Ceramics Inc. Methods for producing sintered particles from a slurry of an alumina-containing raw material
US7828998B2 (en) 2006-07-11 2010-11-09 Carbo Ceramics, Inc. Material having a controlled microstructure, core-shell macrostructure, and method for its fabrication
US8063000B2 (en) 2006-08-30 2011-11-22 Carbo Ceramics Inc. Low bulk density proppant and methods for producing the same
US7721804B2 (en) 2007-07-06 2010-05-25 Carbo Ceramics Inc. Proppants for gel clean-up
RU2517436C2 (ru) * 2012-09-03 2014-05-27 Закрытое акционерное общество "НПО Петропромсервис" Способ изготовления керамического материала для устройства локализации расплава активной зоны ядерного реактора
RU2586224C1 (ru) * 2015-01-28 2016-06-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)" Однофазный керамический оксидный материал для устройства локализации расплава активной зоны

Also Published As

Publication number Publication date
CN1500272A (zh) 2004-05-26
CN1266706C (zh) 2006-07-26
FI118655B (fi) 2008-01-31
CN1500273A (zh) 2004-05-26
CN1210723C (zh) 2005-07-13
FI20040517A0 (fi) 2004-04-08
FI20040517A (fi) 2004-06-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Lutique et al. Zirconate pyrochlore as a transmutation target: thermal behaviour and radiation resistance against fission fragment impact
US2727996A (en) Thermal neutron shield and method for making same
US2818605A (en) Method of making a refractory material
Roux et al. Summary of experimental results for ceramic breeder materials
RU2191436C1 (ru) Оксидный материал ловушки расплава активной зоны ядерного реактора
Khabensky et al. Severe accident management concept of the VVER-1000 and the justification of corium retention in a crucible-type core catcher
Scaffidi-Argentina et al. Beryllium R&D for fusion applications
RU2192053C1 (ru) Оксидный материал ловушки расплава активной зоны ядерного реактора
RU2212719C2 (ru) Оксидный материал ловушки расплава активной зоны ядерного реактора
Haas et al. Properties of cermet fuels for minor actinides transmutation in ADS
RU2178924C1 (ru) Шихта для получения материала, обеспечивающего локализацию расплава активной зоны ядерных реакторов
Farmer et al. Key findings and remaining questions in the areas of core-concrete interaction and debris coolability
RU2517436C2 (ru) Способ изготовления керамического материала для устройства локализации расплава активной зоны ядерного реактора
Baker Jr Core debris behavior and interactions with concrete
KR102255388B1 (ko) 방사성 핵종의 고형화 방법
Maschek et al. Safety analyses for ADS cores with dedicated fuel and proposals for safety improvements
Ding et al. The radioactive materials within accident reactors: A review of damaged fuel-containing materials
Bogatov et al. Formation and spread of Chernobyl lavas
Volkov et al. Use of burnable poisons in nuclear reactors
Durand et al. Preliminary developments of MTR plates with uranium nitride
Kato et al. COTELS fuel coolant interaction tests under ex-vessel conditions
Suh et al. Development of Sacrificial Material for the Eu-APR1400 Core Catcher
Adams et al. Development of a treatment technology for diluting highly enriched AL-based DOE spent nuclear fuel: principles and practices
Carmack et al. AECL/US INERI-Development of Inert Matrix Fuels for Plutonium and Minor Actinide Management in Power Reactors--Fuel Requirements and Down-Select Report
Kelsey Jr et al. Iron-enriched basalt and its application to Three-Mile Island radioactive waste disposal