Материал жертвенного слоя ловушки расплава активной зоны ядерного реактора

Авторы патента:

G21C9/016 - устройства для улавливания разрушенной активной зоны

Изобретение относится к материалам, предназначенным для снижения радиоэкологических последствий тяжелой аварии и для иммобилизации радионуклидов. Сущность изобретения: материал жертвенного слоя ловушки расплава активной зоны ядерного реактора состоит из смеси оксидов кальция, алюминия, титана, циркония и бария. Материал имеет следующее соотношение компонентов, мас.%: TiO₂ - 22,5324,70; ZrO₂ - 52,756,80; Al₂O₃ - 11,0412,1; СаО - 3,684,00; ВаО - 5,936,50. Преимущества изобретения заключаются в снижении воздействия расплава материалов активной зоны на огнеупорные слои ловушки, а также снижении температуры в расплаве при одновременном связывании продуктов деления в стабильные во времени вещества. 1 табл.

Изобретение относится к материалам конструкций АЭС, а именно к материалам, используемым в ловушках расплава активной зоны ядерного реактора, предназначенным для снижения радиоэкологических последствий тяжелой аварии, и материалам, предназначенным для иммобилизации радионуклидов.

Основное назначение ловушек расплава состоит в том, чтобы - вместить и удержать от распространения всю массу расплава; - обеспечить снижение температуры и эффективный отвод остаточного энерговыделения продуктов деления ПД; - предотвратить проплавление основания шахты реактора (как правило, бетонное) и разрушение основных конструкций внутри контейнмента.

При этом конструкция ловушек расплава должна - сохранять работоспособность в течение всего периода эксплуатации реакторной установки; - исключать неблагоприятные воздействия на контейнмент как при нормальной эксплуатации реакторной установки, так и в ходе аварии; - иметь умеренные капитальные затраты на сооружение.

Для управления процессом развития тяжелых аварий на действующих и проектируемых АЭС и ослабления их последствий предлагаются различные варианты устройств удержания расплава активной зоны - ловушки расплава [1-3]. Для сохранения их конструктивной целостности при экстремальных механических, термических и химических нагрузках со стороны расплава внутренние поверхности ловушек защищаются покрытиями из огнеупорных и жертвенных материалов.

При выборе жертвенных материалов необходимо отдавать предпочтение тем из них, которые, во-первых, не представляют опасности для остальных конструкционных материалов ловушки в ходе продолжительной эксплуатации ее в экстремальных условиях и, во-вторых, уже имеются в активной зоне ядерного реактора.

Известно, что оксиды металлов активной зоны при температурах выше 2000 К чрезвычайно активно взаимодействуют с огнеупорами на основе диоксида циркония, который рассматривается как наиболее предпочтительный огнеупор для ловушек расплава активной зоны реактора.

Жертвенные слои предлагается выполнять из оксидных эвтектик с низкой температурой плавления [4, 5] или из смеси фрагментов высокоогнеупорной керамики и поглощающего нейтроны материала [6].

Наиболее близким к изобретению является материал жертвенного слоя ловушки расплава активной зоны ядерного реактора Европейского проекта ядерного реактора EPR [7]. Материал жертвенного слоя в этой ловушке представляет собой смесь оксида железа (70,8 мас.%), оксида кремния (10,4 мас.%), оксида кальция (0,7 мас.%), оксида магния (0,7 мас.%) и оксида алюминия (17,4 мас. %). Он является основным участником процесса кондиционирования расплава, в ходе которого предполагается достичь полного окисления циркония, находящегося в расплаве, а также существенного снижения температуры плавления и плотности расплава.

Основным недостатком жертвенного материала на основе оксидов железа является значительное энерговыделение при окислении циркония. В результате в слое керамического огнеупора могут возникнуть температурные градиенты, превышающие допустимый для нее уровень, равный 300 град/мм. Кроме того, входящий в состав жертвенного материала оксид железа является чрезвычайно агрессивным компонентом по отношению к диоксидциркониевой керамике.

Техническим результатом, на которое направлено изобретение, является снижение воздействия расплава материалов активной зоны на огнеупорные слои ловушки, а также снижения температуры в расплаве при одновременном связывании продуктов деления в стабильные во времени вещества.

Для достижения этого результата предложен материал жертвенного слоя ловушки расплава активной зоны ядерного реактора, состоящий из смеси оксидов кальция и алюминия, а также титана, циркония, и бария при следующих соотношениях компонентов, мас.%: 22,53

24,70 - Тi₂, 52,7

56,80 - ZrO₂, 11,04

12,1 - Аl₂О₃, 3,68

4,00 - CaO, 5,93

6,50 - BaO.

Для снижения температуры расплава при окислении циркония в состав материала жертвенного слоя вводится диоксид титана, который активно окисляет цирконий кориума, однако при этом экзотермический эффект такой реакции на 76% меньше по сравнению с реакцией с участием оксида железа. Использование диоксида титана повышает стойкость огнеупорного слоя и надежности внешней ловушки в целом.

Оксид титана жертвенного слоя будет образовывать с оксидом циркония, находящимся в расплаве, а также с рядом других специально подобранных оксидов следующие минералы: цирконолит, перовскит, голландит и другие. При охлаждении расплава с растворенными в нем материалами жертвенного слоя будет происходить образование минералов, способных кристаллохимически связывать уран, плутоний и продукты деления. Это обеспечивает кристаллохимичнеское связывание радионуклидов и топлива.

Выполненные оценки показали, что наиболее эффективно этот процесс будет протекать при следующем составе жертвенного материала: диоксид титана - 22,53

24,7 мас. %, диоксид циркония - 52,7

56,80 маc.%, оксид алюминия - 11,04

12,10 мас.%, оксид кальция - 3,68

4,00 мас.%, оксид бария - 5,93

6,50 мас.%.

Результаты экспериментов показали, что при охлаждении предлагаемого жертвенного материала, нагретого до температуры 2300 К, образуются основные фазы цирконолита, перовскита, голландита, а также фазы титанатов бария и алюминия.

Результаты рентгенофазового анализа экспериментальных образцов синрока после плавки с выдержкой 20 минут представлены в таблице. Из представленных данных следует, что основными являются фазы типа голландита, цирконолита и перовскита. Если в образцах в исходном составе присутствовали оксиды железа, то они связываются в титанаты и алюминаты. В оксидной форме железо не наблюдается. В образцах, полученных после плавки без выдержки, были обнаружены две фазы типа голландита, причем исходный компонент ВаТiO₃ не вступал полностью в реакцию, а присутствовал в материале после охлаждения расплава. В образцах, полученных после плавки с выдержкой, присутствует одна фаза типа голландита состава BaTi₄Al₂O₁₂.

Таким образом, использование материала жертвенного слоя ловушки расплава ядерного реактора указанного выше состава позволит повысить ее надежность за счет снижения теплового воздействия расплава активной зоны на огнеупорное покрытие ловушки и, кроме того, создать благоприятные условия для длительного захоронения образующихся в ходе аварии радиоактивных материалов, за счет кристаллохимического связывания продуктов деления и топлива в геологически-подобные матрицы, устойчивые к воздействию внешней среды.

Литература 1. Kuczera В. аnd all. Two core catcher concepts for innovative future PWR containments. Transactions of the American Nuclear Society, vol.66, p. 307-308, 1992.

2. Fieg G. , Moschke M., Werle H. Studies for the staggered pans core catcher. Nuclear Tecnology, vol.111, p.331-340, sept. 1995.

3. Патент 2653258/С, Германия, 1985.

4. Патент 2236210 А, Великобритании.

5. Патент 3702802, США.

6. Патент 2169953, Россия.

7. M. Nie. Application of Sacrifitial Concrete for Retention and Conditioning of Molten Corium in EPR Melt Retention Concept. Proceeding of OECD Workshop on Ex-vessel, Debris Coolability, Karlsruhe, 15-18 November 1999. May 2000. P. 527-536.

Формула изобретения

Материал жертвенного слоя ловушки расплава активной зоны ядерного реактора, состоящий из смеси оксидов, включая оксид кальция и оксид алюминия, отличающийся тем, что он дополнительно содержит оксид титана, диоксид циркония и оксид бария при следующих соотношениях компонентов, мас.%: TiO₂ - 22,53

24,70
ZrO₂ - 52,70

56,80
Al₂O₃ - 11,04

12,10
CaO - 3,68

4,00
BaO - 5,93

6,50

РИСУНКИ

Рисунок 1

Изобретение относится к составам материалов для атомной энергетики и предназначено для обеспечения локализации расплава активной зоны корпусных водоохлаждаемых реакторов (кориума) при запроектной аварии с выходом расплава из корпуса

Оксидный материал ловушки расплава активной зоны ядерного реактора // 2212719

Изобретение относится к атомной энергетике, в частности к жертвенным материалам, предназначенным для обеспечения локализации расплава активной зоны корпусных водоохлаждаемых ядерных реакторов при запроектной аварии

Способ получения керамических материалов для ловушки расплава активной зоны ядерного реактора, содержащих оксиды железа, алюминия и диоксид кремния // 2206930

Изобретение относится к атомной энергетике, в частности к технологии получения материалов, предназначенных для обеспечения локализации расплава активной зоны корпусных водоохлаждаемых ядерных реакторов

Ловушка расплава активной зоны ядерного реактора // 2206929

Изобретение относится к конструкциям систем локализации аварий АЭС

Оксидный материал ловушки расплава активной зоны ядерного реактора // 2192053

Изобретение относится к атомной энергетике

Ядерная энергетическая установка // 2192052

Изобретение относится к ядерной технике и может быть использовано в реакторных установках с жидкометаллическим охлаждением

Оксидный материал ловушки расплава активной зоны ядерного реактора // 2191436

Изобретение относится к атомной энергетике

Ловушка расплава активной зоны ядерного реактора // 2187852

Изобретение относится к системам локализации расплава активной зоны ядерного реактора, предназначенным для снижения радиоэкологических последствий тяжелой аварии

Устройство для улавливания разрушенной активной зоны // 2187851

Изобретение относится к области атомной энергетики с реакторами водо-водяного типа

Шихта для получения материала, обеспечивающего локализацию расплава активной зоны ядерных реакторов // 2178924

Цемент для ловушки расплава активной зоны ядерного реактора // 2215340

Изобретение относится к составам материалов для атомной энергетики и предназначено для обеспечения локализации расплава активной зоны корпусных водоохлаждаемых реакторов-кориума при запроектной аварии с выходом расплава из корпуса

Система локализации и охлаждения кориума аварийного ядерного реактора водо-водяного типа // 2253914

Изобретение относится к системам для локализации и охлаждения расплавленного корпуса при аварийном выходе его за пределы корпуса реактора

Жертвенный керамический материал для ловушки расплава активной зоны ядерного реактора (варианты) // 2264996

Устройство локализации и охлаждения кориума ядерного реактора // 2514419

Изобретение относится к области атомной энергетики. Устройство включает корпус в виде сосуда, днище которого углублено к центру с уклоном 10-20 градусов, а толщина днища не менее чем на 30% больше толщины боковой стенки корпуса. В корпусе расположены брикеты материала-разбавителя урансодержащего оксидного кориума, связанные цементным раствором и размещенные в стальных блоках. Масса материала-разбавителя определена условием обеспечения инверсии расплавов урансодержащей и стальной составляющих кориума и ограничения теплового потока, подводимого к корпусу, допустимым уровнем. Масса стальных элементов блоков определена условием уменьшения температуры стальной составляющей кориума до допустимого уровня. Блоки размещены в несколько горизонтальных слоев, днище нижнего блока по форме совпадает с днищем корпуса, расположенные над ним блоки имеют центральное отверстие. Узлы крепления блоков к корпусу и между собой размещены в вертикальных прорезях блоков, причем прорези и, частично, блоки заполнены бетоном. Технический результат - повышение эффективности устройства, упрощение его сборки. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Способ изготовления керамического материала для устройства локализации расплава активной зоны ядерного реактора // 2517436

Изобретение относится к способу изготовления керамического жертвенного материала для устройства локализации расплава ядерного реактора, который включает приготовление шихты, содержащей компоненты оксид железа, оксид алюминия, добавку поглотителя нейтронов и активатор спекания, помол и обжиг порошка. При этом первоначально производят совместный помол оксида алюминия, добавки поглотителя нейтронов и активатора спекания, а затем дополнительный совместный помол всех компонентов шихты до достижения размера зерна порошка менее 10 мкм. Способ позволяет с меньшими трудо- и энергозатратами получить материал хорошего качества. 4 з.п. ф-лы, 1 табл.

Пассивная защита ядерного реактора // 2522943

Изобретение относится к ядерной энергетике и может быть использовано для повышения степени надежности реакторного блока, повышения интенсивности и регулируемости охлаждения кориума в процессе локализации аварии на АЭС. Пассивная защита ядерного реактора содержит корпус ядерного реактора, на внутренней поверхности нижней части корпуса реактора размещены тонкостенные металлические блоки, внутренняя полость которых заполнена керамическим тугоплавким материалом. В средней части противоположных сторон блоков выполнены углубленные выборки на половину толщины блока. На внутренней поверхности нижней части корпуса реактора закреплены фиксаторы, имеющие на одной стороне, совмещенной с углубленной выборкой в блоке, жесткий паз, а с другой стороны, совмещенной с углубленной выборкой другого пристыкованного блока паз, выполненный на упруго отжимаемой пластине. Технический результат - уменьшение теплового потока от ядра кориума к корпусу реактора и при отводе тепла от внешней поверхности корпуса контролируемое снижение температуры корпуса до значений, гарантировано сохраняющих его механическую прочность, что предотвращает прорыв кориума в подреакторное пространство. 4 ил.

Шихта и защитный оксидный материал для устройства локализации расплава активной зоны ядерного реактора // 2548659

Изобретение относится к устройствам для улавливания разрушенной активной зоны ядерного реактора, к средствам предотвращения пожаров и накопления взрывчатых газов. Шихта включает корундовую смесь из крупно- и мелкодисперсного оксида алюминия и алюмокальциевую смесь из моно- и диалюмината кальция в соотношении, мас.%: корундовая смесь - 55-85, алюмокальциевая смесь - 15-45, при этом весовые отношения крупно- и мелкодисперсного оксида алюминия в смеси в пределах от 99:1 до 10:1, а весовые отношения моно- и диалюмината кальция в смеси в пределах от 1:4 до 1:5. Защитный оксидный материал выполнен из указанной шихты и воды. Технический результат изобретения получен новым фазовым и дисперсным составом шихты и защитного оксидного материала, а также выбором оптимальных соотношений компонентов шихты. Количество воды в оксидном материале снижено в сравнении с прототипом (5,5-8,0% против 18%), а температура плавления повышена. Применение шихты и материала для защиты днища и стенок ловушки обеспечит ее большую надежность, эффективность, взрывобезопасность, что повышает безопасность ядерного реактора в целом. 2 н.п. ф-лы, 3 табл.

Фиксирующий оксидный материал для пластин жертвенного материала устройства локализации расплава активной зоны ядерного реактора // 2551375

Изобретение относится к фиксирующим оксидным материалам, конкретно - к теплостойким материалам для применения в устройствах локализации расплава активной зоны ядерных реакторов. Заявленный фиксирующий оксидный материал содержит высокодисперсный оксид алюминия и алюмокальциевую смесь из моно- и диалюмината кальция в соотношении, масс.%: высокодисперсный оксид алюминия - 25-84, алюмокальциевая смесь - 16-75, при этом весовое отношение моно- и диалюмината кальция в алюмокальциевой смеси в пределах от 1:4 до 1:5. При этом в заявленном фиксирующем материале нет компонентов, способных вступать в реакцию с расплавом активной зоны с выделением летучих соединений. Процессы выхода воды из разработанного фиксирующего материала значительно разделены по времени с выходом кислорода из пластин жертвенного материала. Компоненты фиксирующего материала химически не взаимодействуют с компонентами расплава активной зоны. Техническим результатом является повышение взрывобезопасности ядерного реактора путем создания фиксирующего материала для сцепления пластин и гранул жертвенного материала устройства локализации расплава активной зоны ядерного реактора с меньшим содержанием воды и более высокой температурой плавления. 1 ил., 3 табл.

Шихта и оксидный жертвенный материал для устройства локализации расплава активной зоны ядерного реактора // 2559294

Изобретение относится к составам оксидных жертвенных материалов для устройств улавливания разрушенной активной зоны ядерного реактора и средствам предотвращения пожаров и накопления взрывчатых газов. В заявленном изобретении предусмотрено использование шихты, включающей гематитовую смесь, содержащую спеченные гранулы из оксида железа, оксида алюминия и оксида кремния в качестве крупнодисперсной составляющей, и мелкодисперсный оксид алюминия, и алюмокальциевую смесь, которая содержит моно- и диалюминат кальция, в соотношении, масс.%: гематитовая смесь - 70-85, алюмокальциевая смесь - 15-30. При этом весовые отношения оксида железа и оксида алюминия в гематитовой смеси в пределах от 4,5:1,0 до 1,0:1,0, а весовые отношения моно- и диалюмината кальция в алюмокальциевой смеси в пределах от 1:4 до 1:5. Оксидный материал включает вышеописанную шихту и воду в соотношении, масс.%: оксидная смесь - 100%, вода - 8-13,5% (сверх 100%). Техническим результатом является повышение надежности и взрывобезопасности ядерного реактора путем создания шихты и оксидного материала с меньшим содержанием воды. 2 н.п. ф-лы, 3 табл.

Система локализации и охлаждения расплава активной зоны ядерного реактора водоводяного типа // 2575878

Изобретение относится к атомной энергетике, в частности к системам, обеспечивающим безопасность атомных электростанций (АЭС), и может быть использовано при тяжелых авариях, приводящих к разрушению корпуса реактора и герметичной оболочки АЭС. Система локализации и охлаждения расплава содержит направляющую плиту в форме воронки, установленную под днищем корпуса реактора, ферму-консоль, установленную под направляющей плитой таким образом, что плита опирается на ферму-консоль, ловушку расплава, установленную под фермой-консолью и снабженную охлаждаемой оболочкой в виде многослойного сосуда для защиты наружной теплообменной стенки от динамического, термического и химического воздействий. При этом многослойный сосуд имеет металлические наружную и внутреннюю стенки и размещенный между ними заполнитель из высокотеплопроводного, по отношению к материалам стенок, материала, при этом толщина заполнителя hзап удовлетворяет условию: 1,2hнар<hзап<2,4hнар, где hнар - толщина наружной стенки сосуда. Технический результат - повышение эффективности отвода тепла от расплава и повышение надежности конструкции. 6 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 пр.