Устройство для защиты объектов с атомной энергетической установкой от внешних ударных воздействий

 

Изобретение относится к области техники, связанной с защитой объектов от внешних ударных воздействий в аварийных ситуациях. Изобретение направлено на создание защитного устройства от внешних ударных воздействий построенных объектов с атомной энергетической установкой, позволяющего существенно снизить усилие, воспринимаемое защитной преградой, и нагрузки, передаваемые опорными конструкциями, что дает возможность уменьшить массу как защитной преграды, так и опорных конструкций. Для достижения этого результата в устройстве для защиты объектов с атомной энергетической установкой от внешних ударных воздействий, включающем опорные конструкции, представляющие собой рамный каркас, охватывающий защищаемый объект, и закрепленные на них защитные преграды, выполненные в виде сетки, изготовленной из перекрестного плетения витых канатов из эластичного материала, защитные преграды прикрепляют к опорным конструкциям через амортизаторы, у которых суммарная жесткость на растяжение существенно меньше жесткости на растяжение сетки в ее плоскости, при этом суммарную жесткость амортизаторов G(t) выбирают переменной во времени так, что с течением времени в процессе торможения она возрастает, причем величина упомянутой жесткости и закономерность ее изменения во времени удовлетворяют условию где Т - время торможения; u(t) - перемещение в плоскости сетки места крепления сетки к амортизатору; m - масса ударяющего тела; v_у - скорость тела в момент удара. При этом амортизаторы выполнены в виде соединенных между собой упругих элементов и гидравлических или пневматических демпферов. 1 з. п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области техники, связанной с защитой объектов от внешних ударных воздействий в различных аварийных ситуациях и прежде всего с защитой объектов с атомной энергетической установкой (АЭУ) от высокоскоростных ударных воздействий.

В соответствии с рекомендациями МАГАТЭ проектирование атомных электростанций (АЭС) и объектов с АЭУ должно производиться не только на регулярно действующие статические и динамические нагрузки, но и на воздействие случайных факторов, обусловленных как природными явлениями (торнадо, землетрясение), так и чрезвычайными ситуациями, возникающими в результате деятельности человека (учет внешних событий, вызванных деятельностью человека, при проектировании атомных электростанций. Руководство по безопасности 50-SG-D5, Вена: изд. МАГАТЭ, 1983).

К числу чрезвычайных ситуаций, вызванных деятельностью человека, относятся, в числе прочих, падения летательных аппаратов, двигателей и других высокоскоростных тел.

Отечественные АЭС, а также АЭС, построенные за рубежом (Армения, Польша, Болгария, Венгрия, Чехия, Словакия) по отечественным проектам вплоть до 1986 г., строились незащищенными от внешних ударных воздействий. Учет воздействия случайных динамических нагрузок при проектировании отечественных АЭС стал осуществляться после ввода в действие "Норм строительного проектирования АС с реакторами различного типа" (П и Н АЭ-5.6, 1986 г.) и "Норм проектирования сейсмостойких АС" (ПНАЭГ-5-006-87, 1987 г.).

В настоящее время ведутся обширные исследования по оценке безопасности эксплуатации АЭС, построенных до 1986 г., при воздействии случайных динамических нагрузок и разработке рекомендаций по повышенной защищенности АЭС при действии таких нагрузок (Костерев А.Е. Проблема динамических воздействий на здания и сооружения АЭС. Атомная техника за рубежом, 1998, 10). Сказанное в полной мере относится к случайному падению на АЭС летательных аппаратов и других высокоскоростных тел.

Защитные конструкции АЭС от действия динамических нагрузок выполняются, как правило, либо в виде железобетонных, либо двойных (железобетон+сталь) защитных оболочек. Так, защитная оболочка АЭС "Сарри" (США) представляет собой ненапряженную железобетонную облицованную изнутри сталью конструкцию в виде цилиндра с внутренним диаметром 38,4 м, сопряженного с куполом, и с плоским днищем толщиной 3 м, заглубленного в грунт на 20 м. Основание купола расположено на 37,2 м выше верха фундаментной плиты, полная высота помещения равна 56,5 м. Металлическая облицовка выполнена из листовой стали в пределах цилиндра толщиной 9,5 мм, в куполе - 12,7 мм и в днище - 6,4-19 мм и заанкерена в бетоне сооружения. Толщина бетонной защиты у днища достигает 45-60 см (Хайдуков Г.К., Коробов Л.А., Назарьев O.K., Карелин Е.П. Железобетонные защитные оболочки АЭС. М.: Атомиздат, 1978, с.128). Защитная оболочка рассчитана на действие сейсмических нагрузок, торнадо и удар предметов массой 1 т, летящих со скоростью 240 км/ч.

Стандартная предварительно напряженная железобетонная защитная оболочка АЭС США, примененная при строительстве АЭС "Ранчо Секо", "Кальверт-Клофс", "Окони" и др., состоит из цилиндра с внутренним диаметром 35,4 м и толщиной стенки 1,19 м, сопряженного с пологим куполом и плоским днищем. Радиус внутренней сферической поверхности купола равен 26,8 м, а его толщина - 0,98 м (там же). Оболочка рассчитана на эксплуатационные нагрузки, аварийное внутреннее давление 0,41 МПа, повышение температуры внутри здания до 143^oС, сейсмическое воздействие, воздействие от взрыва турбины, действие урагана, удар ракеты и другие нагрузки.

Аналогичный подход используется и в отечественной практике. Известен, например, проект защитной оболочки атомной электростанции нового поколения с реакторной установкой средней мощности (Атомная электростанция нового поколения с реакторной установкой средней мощности, Атомэнергопроект, Ленинградский научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт, Министерство РФ по атомной энергии, Санкт-Петербург, 1992 г.).

В проекте предлагается защитную оболочку выполнить в виде двойной оболочки с внутренней стальной и наружной железобетонной оболочкой с зазором между ними, равным 1,8 м. Внутренняя стальная оболочка цилиндрической формы диаметром 41 м с полусферическим куполом предназначена для ограничения протечек наружу радиации из внутреннего гермообъема.

Наружная железобетонная цилиндрическая оболочка наружным диаметром 48,2 м и толщиной 0,8 м с полусферическим куполом рассчитана на следующие внешние воздействия: - падение самолета; - взрывную волну; - сейсмические нагрузки при МРЗ - 8 баллов по шкале MSK - 64 Защитная оболочка общей высотой 64,2 м установлена на сейсмоизоляторы, закрепленные на железобетонном фундаменте.

Все приведенные технические решения содержат опорные конструкции (фундаментная плита, анкерные соединения, сейсмоизоляторы и т.д.) и непосредственно защитные преграды (цилиндр, купол).

Общим недостатком приведенных технических решений является то, что они могут быть установлены только на стадии строительства объекта с АЭУ и требуют больших материальных и трудовых затрат. Эти решения практически не могут быть реализованы на стадии модернизации уже построенных атомных электростанций и других объектов с АЭУ, поскольку требуют капитального строительства (демонтаж строительных конструкций, рытье котлована, установка фундамента и строительных конструкций и т.д.).

Известно техническое решение для защиты построенных атомных электростанций на стадии модернизации по патенту РФ на изобретение 2155844 от 10.09.2000 (Бюллетень изобретений 25 2000 г.), принятое в качестве прототипа.

Защитное устройство, описанное в указанном патенте, включает опорные конструкции, представляющие собой рамный каркас, охватывающий защищаемый объект, и закрепленные на них защитные преграды, выполненные в виде сетки, изготовленной из перекрестного плетения витых канатов из эластичного материала.

Это устройство позволяет по сравнению с аналогами существенно уменьшить материальные и трудовые затраты на изготовление защиты от внешних ударных воздействий.

Недостатком прототипа является то, что время торможения ударяющего тела и нагрузки, передаваемые на опорные конструкции, существенно зависят от жесткости защитной преграды - сетки, определяемой суммарной площадью ее несущих сечений, упруго-пластическими характеристиками ее материала и длиной канатов, из которых она изготовлена.

Чем больше эта жесткость, тем меньше время торможения и тем больше как усилие, воспринимаемое сеткой, так и нагрузка, передаваемая на опорные конструкции.

При этом, как показали результаты теоретических исследований (см., например, А.В.Агафонов. Удар упругого стержня конечной длины по бесконечной упругой пластине, Труды научно-технической конференции "Бубновские чтения", ГНЦ РФ ЦНИИ им. акад. А.Н.Крылова, C-Пб, 1997), при ударе тела по защитной преграде постоянной жесткости усилие торможения, резко возрастая в начальный момент соударения, затем интенсивно падает в процессе торможения по мере падения скорости ударяющего тела.

Другими словами, при постоянной жесткости защитной преграды прочность сетки и опорных конструкций должна определяться максимальным усилием торможения в начальный период соударения; в последующие моменты времени прочностные характеристики сетки и опорных конструкций используются нерационально (в эти моменты времени прочность сетки и опорных конструкций существенно больше, чем это необходимо для восприятия действующих на них усилий). В результате опорные конструкции и защитная преграда сетки имеют неоправданно большую металло- и материалоемкость и массу.

Задачей предлагаемого изобретения является уменьшение масс защитной преграды-сетки и опорных конструкций за счет снижения максимального значения действующих на них усилий.

Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для защиты объектов с АЭУ от внешних ударных воздействий, включающем опорные конструкции, представляющие собой рамный каркас, охватывающий защитный объект, и закрепленные на них защитные преграды, выполненные в виде сетки, изготовленной из перекрестного плетения витых канатов из эластичного материала, защитные преграды прикреплены к опорным конструкциям через амортизаторы, у которых суммарная жесткость на растяжение существенно меньше жесткости на растяжение сетки в ее плоскости, при этом суммарную жесткость амортизаторов G(t) выбирают переменной во времени и таким образом, что с течением времени в процессе торможения она возрастает, причем величина упомянутой жесткости и закономерность ее изменения во времени удовлетворяют условию где Т - время торможения, u(t) - перемещение в плоскости сетки места крепления сетки к амортизатору,
m - масса ударяющего тела,
v_у - скорость тела в момент удара.

При этом амортизаторы могут быть выполнены в виде соединенных между собой упругих элементов и гидравлических или пневмогидравлических демпферов.

Крепление защитной преграды-сетки к опорным конструкциям через амортизаторы, суммарная жесткость на растяжение которых существенно меньше жесткости на растяжение сетки в ее плоскости, позволяет заметно снизить усилие, воспринимаемое сеткой, и нагрузки, передаваемые на опорные конструкции, что дает возможность уменьшить массу как сетки, так и опорных конструкций.

Выбор жесткости амортизаторов таким образом, что с течением времени в процессе торможения она возрастает, позволяет обеспечить постоянство усилий, воспринимаемых сеткой, и нагрузок, передаваемых на опорные конструкции в процессе торможения, и тем самым рациональное использование материала как сетки, так и опорных конструкций.

Удовлетворение жесткости амортизаторов условию

позволяет осуществить торможение ударяющего тела, главным образом, амортизаторами, в связи с чем деформирование сетки может быть ограничено упругими деформациями, что дает возможность ее многократного использования.

Предлагаемое устройство может быть использовано для защиты от внешних ударных воздействий других наземных экологически опасных объектов, таких как нефтехранилища, хранилища токсичных отходов и т.п.

Сущность изобретения поясняется рисунками, где на фиг.1 схематично представлено взаимное расположение защищаемого объекта и предлагаемого устройства, а на фиг.2 - вид сверху.

Защищаемый объект с АЭУ 1 охвачен рамным каркасом 2, на котором через амортизаторы 3 закреплена защитная преграда в виде сетки 4, выполненной из перекрестного плетения витых канатов 5 из эластичного материала.

При внешнем ударном воздействии, обусловленном ударом падающего тела по устройству защиты объекта с АЭУ, удар воспринимается сеткой 4, передающей усилие торможения на амортизаторы 3, которые осуществляют торможение падающего тела вплоть до его остановки.

Формула изобретения

1. Устройство для защиты объектов с атомной энергетической установкой от внешних ударных воздействий, включающее опорные конструкции, представляющие собой рамный каркас, охватывающий защищаемый объект, и закрепленные на них защитные преграды, выполненные в виде сетки, изготовленной из перекрестного плетения витых канатов из эластичного материала, отличающееся тем, что защитные преграды прикреплены к опорным конструкциям через амортизаторы, у которых суммарная жесткость на растяжение существенно меньше жесткости на растяжение сетки в ее плоскости, при этом суммарную жесткость амортизаторов G(t) выбирают переменной во времени, и так, что с течением времени в процессе торможения она возрастает, причем величина упомянутой жесткости и закономерность ее изменения во времени удовлетворяют условию

где Т - время торможения;
u(t) - перемещение в плоскости сетки места крепления сетки к амортизатору;
m - масса ударяющего тела;
v_y - скорость тела в момент удара.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что амортизаторы выполнены в виде соединенных между собой упругих элементов и гидравлических или пневматических демпферов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2