Решение проблемы удержания расплава топлива на АЭС с ВВЭР

Известный вариант «сухой» ловушки (тигельного типа) разрабатывается специалистами фирмы «Сименс» (Германия) в рамках проекта Европейского ядерного реактора  (EPR), реализуемый в Финляндии компанией AREVA (Франция). Эта ловушка, размещаемая на фундаментной плите,  на первый взгляд реализует самую простую конструкцию, а именно пустой зал  большой площади (170 м2) в отдельном примыкающем к шахте реактора помещении, где  расплав топлива, пройдя инверсию при взаимодействии с жертвенными материалами, размещаемыми в промежуточной камере -  “предловушке”, может, растекаясь, образовать слой толщиной 0,2– 0,3 м,  который после выдержки начинают  орошать водой из баков ее запаса. Тепло, таким образом, отводится только через поверхностный слой растекшегося расплава к испаряемой воде. Несмотря на кажущуюся простоту концепции, особенности свойств и поведения расплава создают больше вопросов, чем дают ответов. В проекте Тяньваньской АЭС  представлен другой вариант тигельного устройства, заполненного  жертвенными материалами . Указанная концепция базируется на заполнении подреакторного пространства блоками кассет с наполнителем - жертвенным материалом, помещенными в корзину, которая является в свою очередь также расплавляемым жертвенным материалом и окружена теплоизоляционными слоями, охлаждаемыми кольцевым секционированным бассейном с кипящей водой. В  тигельных устройствах локализации расплава предполагается, что, будучи расплавленными при нагреве от расплава, жертвенные материалы образуют с урансодержащей оксидной частью расплава топлива композицию, удельной плотностью менее 6,4 кг/м3 , что, в свою очередь, позволит обеспечить всплытие оксидной фазы в верхнюю часть ловушки, где за счет воды, подаваемой на расплав из находящихся в бетонных стенах шахты труб, будет отводиться тепло, выделяемое распадом радионуклидов топлива активной зоны.

Особенности поведения расплава топлива в устройствах локализации расплава (см. http://courier.com.ru/energy/en0002stolyarevsky.htm) требуют проанализировать  трудности обоснования тигельного типа устройств локализации расплава, особенно в части взаимодействия расплава топлива с жертвенными материалами,  например, в предловушке  EPR. Трудности связаны с физическими явлениями, протекающими в ходе  тяжёлой аварии и определяющими работоспособность и  основные требования к техническим решениям: отвод выделяемой энергии и удержание расплава внутри бетонной шахты реактора; водородобезопасность; ядерная безопасность; предупреждение паровых взрывов, угрожающих защитной оболочке; сохранение целостности бетонных конструкций; локализация значительной части осколков деления.

Расчеты нестационарных температурных условий, которые возникают при удержании расплава топлива в пределах объема, заполненного жертвенными материалами на основе гематита и оксида алюминия, а также эксперименты показали, что образующаяся на поверхности кассет корка (краст, гарниссаж) из затвердевающего расплава  создает барьер для массообменных процессов и  отвода тепла. Такой барьер не позволяет развиться процессам взаиморастворения жидких фаз расплава топлива и жертвенными материалами, что служит основным препятствием для реализации концепции, основанной на гравитационной инверсии слоев в целях последующего охлаждения верхней корки водой.

Разогрев расплава топлива, не охлаждаемого с нужной эффективностью, может привести за короткое время к выходу системы за допустимые пределы (начало кипения диоксида урана). В то же время существует опасность проплавления  тяжёлых оксидов   вниз с выходом из защитной оболочки. Благоприятствует этому опасному процессу  химическое взаимодействие (абляция) расплавленного топлива со стальной стенкой, затем – расплава с  бетоном.

Очевидно, что одним из немногих путей принципиального решения перечисленных проблем может явиться распределение расплава в системе, имеющей высокую эффективность по отводу тепла от расплава топлива, что, в свою очередь, позволит быстро охладить, перевести в твердое состояние и предотвратить дальнейший выход радионуклидов и воздействие расплава топлива на оболочку безопасности. Существенно большую площадь теплосъема (до 1080 м2)  и эффективность дает стеллажный вариант устройства локализации расплава, построенный на распределении расплава топлива в сотовую систему труб, охлаждаемых выкипающей водой, которая подается после аварии в подреакторное помещение шахты.

Расчеты показали, что температурные условия работы всех основных элементов и узлов стеллажного устройства локализации расплава находятся в пределах, не вызывающих опасений по их работоспособности,  перевод расплава топлива в безопасное с инженерных позиций состояние происходит без  активных воздействий за относительно короткое время (1–2 ч). Опасность каких-либо нежелательных физико-химических процессов взаимодействия компонентов расплава топлива и материалов устройства локализации расплава полностью устраняется.

По результатам предварительного рассмотрения проектных решений имеется возможность размещения стеллажного устройства локализации расплава и ее систем обеспечения (подвод охлаждающей воды и отвод пара) в рамках разработанных строительных конструкций.

Дистанционирующие элементы предотвращают попадание расплава в охлаждающую трубы воду, находящуюся внутри и в  зазоре между ними. Образующийся в результате энерговыделения пар отводится через "окна" шахты реактора. Примером выполнения такого устройства может служить конструкция, которая состоит из труб  из бористой стали на основе шестигранных модулей, используемых в стеллажах уплотненного хранения топлива  ВВЭР-1000 с размером под "ключ" 257 мм, толщиной стенки 6 мм. При установке таких труб с шагом 300 мм в шахте реактора можно разместить примерно 350 труб, объем  для принятия расплава составит (при минимальной высоте ловушки  4,3 м) более 70 м3,что даст трехкратный запас по приему расплава топлива.

В упакованном состоянии тепловыделяющая масса распределена по чехлам (трубам) ловушки. Распределение может быть равномерным или неравномерным. Как показывают оценки, степень неравномерности не влияет на эффективность отвода остаточных тепловыделений. Так, если чехол полностью заполнен лишь тепловыделяющим материалом, то удельный тепловой поток через поверхность чехла будет составлять до 150 кВт/м2. Таким образом, имеется  более чем достаточный запас до кризиса. Полностью исключена и опасность абляционных процессов и образования водорода при реакции воды с металлом, поскольку температура  стенки стальных труб не превысит 900 К.

В варианте разомкнутого контура циркуляции вода, поступающая в ловушку, превращается в пар, который затем поступает в пространство защитной оболочки. Гидравлическое сопротивление ловушки обеспечивает возможность восполнения с требуемым расходом (до 50 т/ч) выпариваемой воды из баков, расположенных внутри  защитной оболочки. Дополнительный источник поступления воды – конденсат, стекающий через разуплотненный корпус реактора в ловушку.

Для восполнения запасы воды в баках спустя 1–2 часа после начала работы системы охлаждения ловушки могут быть использованы различные способы в зависимости от сценария аварии. В  случае, если аварийный запас воды из бассейна выдержки отработавшего топлива в процессе аварии попадает в шахту реактора зоны локализации аварии,  восполнение баков системы охлаждения ловушки может обеспечиваться этой водой.

В предлагаемом варианте объемы чехлового и межчехлового пространства сообщены между собой. Такое решение принято исходя из того, что выход пара из чехлов и  межчехлового пространства организован в объеме зоны локализации аварии.

При выходе расплава в шахту реактора межчехловое пространство заполняется раствором бора. Тепло тепловыделяющей массы при поступлении в ловушку отводится как в чехловом пространстве, так и за счет передачи тепла через стенки чехлов к среде межчехлового пространства. Такой подход позволяет уменьшить влияние различных сценариев поступления тепловыделяющей массы в ловушку, поскольку большое количество охлаждающей среды в ловушке (около 30 м3) позволяет обеспечить быстрый и эффективный отвод тепла независимо от скорости и равномерности заполнения каналов ловушки тепловыделяющей массы.

Известный вариант «сухой» ловушки (тигельного типа) разрабатывается специалистами фирмы «Сименс» (Германия) в рамках проекта Европейского ядерного реактора  (EPR), реализуемый в Финляндии компанией AREVA (Франция). Эта ловушка, размещаемая на фундаментной плите,  на первый взгляд реализует самую простую конструкцию, а именно пустой зал  большой площади (170 м2) в отдельном примыкающем к шахте реактора помещении, где  расплав топлива, пройдя инверсию при взаимодействии с жертвенными материалами, размещаемыми в промежуточной камере -  “предловушке”, может, растекаясь, образовать слой толщиной 0,2– 0,3 м,  который после выдержки начинают  орошать водой из баков ее запаса. Тепло, таким образом, отводится только через поверхностный слой растекшегося расплава к испаряемой воде. Несмотря на кажущуюся простоту концепции, особенности свойств и поведения расплава создают больше вопросов, чем дают ответов. В проекте Тяньваньской АЭС  представлен другой вариант тигельного устройства, заполненного  жертвенными материалами . Указанная концепция базируется на заполнении подреакторного пространства блоками кассет с наполнителем - жертвенным материалом, помещенными в корзину, которая является в свою очередь также расплавляемым жертвенным материалом и окружена теплоизоляционными слоями, охлаждаемыми кольцевым секционированным бассейном с кипящей водой. В  тигельных устройствах локализации расплава предполагается, что, будучи расплавленными при нагреве от расплава, жертвенные материалы образуют с урансодержащей оксидной частью расплава топлива композицию, удельной плотностью менее 6,4 кг/м3 , что, в свою очередь, позволит обеспечить всплытие оксидной фазы в верхнюю часть ловушки, где за счет воды, подаваемой на расплав из находящихся в бетонных стенах шахты труб, будет отводиться тепло, выделяемое распадом радионуклидов топлива активной зоны. 

Особенности поведения расплава топлива в устройствах локализации расплава требуют проанализировать  трудности обоснования тигельного типа устройств локализации расплава, особенно в части взаимодействия расплава топлива с жертвенными материалами,  например, в предловушке  EPR. Трудности связаны с физическими явлениями, протекающими в ходе  тяжёлой аварии и определяющими работоспособность и  основные требования к техническим решениям: отвод выделяемой энергии и удержание расплава внутри бетонной шахты реактора; водородобезопасность; ядерная безопасность; предупреждение паровых взрывов, угрожающих защитной оболочке; сохранение целостности бетонных конструкций; локализация значительной части осколков деления.

Расчеты нестационарных температурных условий, которые возникают при удержании расплава топлива в пределах объема, заполненного жертвенными материалами на основе гематита и оксида алюминия, а также эксперименты показали, что образующаяся на поверхности кассет корка (краст, гарниссаж) из затвердевающего расплава  создает барьер для массообменных процессов и  отвода тепла. Такой барьер не позволяет развиться процессам взаиморастворения жидких фаз расплава топлива и жертвенными материалами, что служит основным препятствием для реализации концепции, основанной на гравитационной инверсии слоев в целях последующего охлаждения верхней корки водой.

Разогрев расплава топлива, не охлаждаемого с нужной эффективностью, может привести за короткое время к выходу системы за допустимые пределы (начало кипения диоксида урана). В то же время существует опасность проплавления  тяжёлых оксидов   вниз с выходом из защитной оболочки. Благоприятствует этому опасному процессу химическое взаимодействие (абляция) расплавленного топлива со стальной стенкой, затем – расплава с  бетоном.

Очевидно, что одним из немногих путей принципиального решения перечисленных проблем может явиться распределение расплава в системе, имеющей высокую эффективность по отводу тепла от расплава топлива, что, в свою очередь, позволит быстро охладить, перевести в твердое состояние и предотвратить дальнейший выход радионуклидов и воздействие расплава топлива на оболочку безопасности. Существенно большую площадь теплосъема (до 1080 м2)  и эффективность дает стеллажный вариант устройства локализации расплава, построенный на распределении расплава топлива в сотовую систему труб, охлаждаемых выкипающей водой, которая подается после аварии в подреакторное помещение шахты.

Расчеты показали, что температурные условия работы всех основных элементов и узлов стеллажного устройства локализации расплава находятся в пределах, не вызывающих опасений по их работоспособности,  перевод расплава топлива в безопасное с инженерных позиций состояние происходит без  активных воздействий за относительно короткое время (1–2 ч). Опасность каких-либо нежелательных физико-химических процессов взаимодействия компонентов расплава топлива и материалов устройства локализации расплава полностью устраняется.

По результатам предварительного рассмотрения проектных решений имеется возможность размещения стеллажного устройства локализации расплава и ее систем обеспечения (подвод охлаждающей воды и отвод пара) в рамках разработанных строительных конструкций.  

Дистанционирующие элементы предотвращают попадание расплава в охлаждающую трубы воду, находящуюся внутри и в  зазоре между ними. Образующийся в результате энерговыделения пар отводится через "окна" шахты реактора. Примером выполнения такого устройства может служить конструкция, которая состоит из труб  из бористой стали на основе шестигранных модулей, используемых в стеллажах уплотненного хранения топлива  ВВЭР-1000 с размером под "ключ" 257 мм, толщиной стенки 6 мм. При установке таких труб с шагом 300 мм в шахте реактора можно разместить примерно 350 труб, объем  для принятия расплава составит (при минимальной высоте ловушки  4,3 м) более 70 м3,что даст трехкратный запас по приему расплава топлива.

В упакованном состоянии тепловыделяющая масса распределена по чехлам (трубам) ловушки. Распределение может быть равномерным или неравномерным. Как показывают оценки, степень неравномерности не влияет на эффективность отвода остаточных тепловыделений. Так, если чехол полностью заполнен лишь тепловыделяющим материалом, то удельный тепловой поток через поверхность чехла будет составлять до 150 кВт/м2. Таким образом, имеется  более чем достаточный запас до кризиса. Полностью исключена и опасность абляционных процессов и образования водорода при реакции воды с металлом, поскольку температура  стенки стальных труб не превысит 900 К.

В варианте разомкнутого контура циркуляции вода, поступающая в ловушку, превращается в пар, который затем поступает в пространство защитной оболочки. Гидравлическое сопротивление ловушки обеспечивает возможность восполнения с требуемым расходом (до 50 т/ч) выпариваемой воды из баков, расположенных внутри  защитной оболочки. Дополнительный источник поступления воды – конденсат, стекающий через разуплотненный корпус реактора в ловушку.
Для восполнения запасы воды в баках спустя 1–2 часа после начала работы системы охлаждения ловушки могут быть использованы различные способы в зависимости от сценария аварии. В  случае, если аварийный запас воды из бассейна выдержки отработавшего топлива в процессе аварии попадает в шахту реактора зоны локализации аварии,  восполнение баков системы охлаждения ловушки может обеспечиваться этой водой.В предлагаемом варианте объемы чехлового и межчехлового пространства сообщены между собой. Такое решение принято исходя из того, что выход пара из чехлов и  межчехлового пространства организован в объеме зоны локализации аварии.

При выходе расплава в шахту реактора межчехловое пространство заполняется раствором бора. Тепло тепловыделяющей массы при поступлении в ловушку отводится как в чехловом пространстве, так и за счет передачи тепла через стенки чехлов к среде межчехлового пространства. Такой подход позволяет уменьшить влияние различных сценариев поступления тепловыделяющей массы в ловушку, поскольку большое количество охлаждающей среды в ловушке (около 30 м3) позволяет обеспечить быстрый и эффективный отвод тепла независимо от скорости и равномерности заполнения каналов ловушки тепловыделяющей массы.

08.11.2006, 2025  просмотров.