Пассивный вертикальный и горизонтальный заглушающие узлы для предотвращения утечки (разлива) расплава вне гермозоны при тяжелой аварии на атомной станции
Изобретение относится к пассивному вертикальному заглушающему узлу для предотвращения утечки (разлива) расплава по механизму раннего байпаса гермозоны/герметического объема при тяжелой аварии в ядерном реакторе атомной станции. Узел состоит из вертикальной цилиндрической центральной трубы (1), зафиксированной на стальной плите (2). Вокруг трубы (1) размещена обсадная труба (3), вмонтированная в бетонную конструкцию (4.b). В нижней части трубы (1) размещен монолитный биозащитный цилиндр, состоящий из двух полуцилиндрических сегментов (5.1) и (5.2), между которыми проходит центральное отверстие/канал (6), через который проходит кабель/трос (8). Пространство между обсадной трубой (3) и вертикальной трубой (1) заполнено бетоном (9). Над биозащитным цилиндром установлена заглушающая пробка из двух сегментов (7.1) и (7.2), плотно стянутых между собой скобами (12.1) и (12.2), при этом канал (6) также проходит и между сегментами (7.1) и (7.2). содержащими пустоты, образующие соответствующие полости (10.1) и (10.2), а нижний наклон двух сегментов (7.1) и (7.2) подпирает закрывающую сферу-заглушку (11), выполненную монолитной и изготовленную из чистого карбида вольфрама. Техническим результатом является срабатывание узла в случае аварии по принципу обратной связи. 1 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 пр.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к пассивным вертикальным и горизонтальным заглушающим узлам и может быть использовано в атомной энергетике.
ПРЕДШЕСТВУЮЩЕЕ СОСТОЯНИЕ ТЕХНИКИ
Из уровня техники известен пассивный вертикальный заглушающий узел, понижающий вредное воздействие гамма-излучений в обслуживаемых помещениях под шахтой реактора. Этот узел состоит из вертикальной цилиндрической центральной трубы, расположенной на стальной плите, при этом вокруг этой трубы размещена обсадная труба, вмонтированная в бетонную конструкцию. В нижней части трубы имеется монолитный биозащитный цилиндр, состоящий из двух сегментов из текстолита или тефлона. Между двумя сегментами имеется центральное отверстие/канал, через которое проходит подвижный кабель/трос.
Недостатком известного пассивного заглушающего вертикального узла является ненадежность его использования в качестве препятствия разлива расплава по механизму раннего байпаса гермозоны/герметичного объема при тяжелой аварии ядреного реактора атомной станции.
Из уровня техники не известен пассивный горизонтальный заглушающий узел, который использовался бы в горизонтальных или близких к ним (с относительно малым наклоном) трубах в обслуживаемых помещениях под или в стороне от шахты реактора.
ТЕХНИЧЕСКАЯ СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задача изобретения состоит в том, чтобы создать пассивные вертикальные и горизонтальные заглушающие узлы, которые на 100% препятствуют разливу расплава по механизму раннего байпаса гермозоны/герметического объема при тяжелой аварии ядреного реактора атомной станции.
Эти задачи решаются путем создания:
Пассивного вертикального заглушающего узла для предотвращения разлива расплава по механизму раннего байпаса гермозоны/герметического объема при тяжелой аварии на атомной станции, состоящего из вертикальной цилиндрической центральной трубы, зафиксированной на стальной плите. Вокруг этой трубы размещена обсадная труба, вмонтированная в бетонную конструкцию. В нижней части трубы имеется монолитный биозащитный цилиндр, состоящий из двух сегментов. Между двумя сегментами имеется центральное отверстие/канал, через которое проходит подвижный кабель/трос. Пространство между обсадной и вертикальной трубой заполнено бетоном. Над биозащитным цилиндром из двух сегментов расположена заглушающая пробка из двух сегментов, плотно зафиксированных между собой с помощью скоб. При этом канал проходит и между этими двумя сегментами. В сегментах заглушающей пробки есть пустоты, образующие соответствующие полости, а нижний наклон обоих сегментов подпирает закрывающую сферу-заглушку. При этом сфера-заглушка со стороны зафиксирована кабелем/тросом.
Пассивный вертикальный заглушающий узел для предотвращения разлива расплава по механизму раннего байпаса гермозоны/герметического объема при тяжелой аварии в атомной станции характеризуется тем, что сегменты являются термоустойчивыми до 2850 градусов по Цельсию, при этом указанные сегменты выполнены монолитными и изготовлены из чистого карбида титана. Фиксирующие скобы изготовлены из эластичной стали. Закрывающая сфера-заглушка выполнена монолитной и изготовлена из чистого карбида вольфрама. Биозащитный цилиндр из двух сегментов выполнен из огнеупорного бетона с содержанием табулярного корунда от 50% до 96%.
Пассивный горизонтальный заглушающий узел для предотвращения разлива расплава по механизму раннего байпаса гермозоны/герметического объема при тяжелой аварии в атомной станции, состоит из центральной цилиндрической трубы, вмонтированной в бетонную конструкцию с горизонтальным наклоном под углом α от 6 до 30 градусов к горизонтали. В центральной трубе имеется корпусная труба, в которой размещено опорное кольцо, приваренное к корпусной трубе. Опорное кольцо блокирует плотно прижатое к нему конусное седло, торец которого имеет форму лейкобразного конуса, пред которым размещено приваренное к корпусной трубе ограничительное кольцо. Между опорным кольцом и прижимающей плитой установлена натянутая пружина. Между ушком с винтом и гайкой прижимающей плиты и ушком закрепляющего винта, ввинченного в втулку с прилежащего к пружине конца закрывающего органа, размещена соединительная штанга. Закрывающий орган на обоих концах имеет обтекаемые усеченные конусы. Его средняя часть также представляет собой усеченный конус обращенного малым основанием к горловине седла. Канал проходит через вход корпусной трубы, ограничительное кольцо, седло, опорное кольцо, отверстия прижимающей плиты и конец корпусной трубы. Конусные поверхности внутренней стороны ограничительного кольца, торец и внутренняя часть седла, плавно переходят одна в другую. В противоположном конце закрывающего органа, перед ушком ввинченного во втулку закрепляющего винта, имеется штанга, прикрепленная к анкерному элементу, который присоединен к корпусной трубе.
Пассивный горизонтальный заглушающий узел для предотвращения разлива расплава по механизму раннего байпаса гермозоны/герметического объема при тяжелой аварии на атомной станции характеризуется тем, что седло и закрывающий орган являются термоустойчивыми до 2850 градусов по Цельсию, и представляют собой монолитные тела из чистого карбида титана, анкерный элемент присоединен к корпусной трубе с помощью серебряного припоя, а пружина изготовлена из нержавеющей стали.
ПОЯСНЕНИЕ К ПРИЛОЖЕННЫМ ЧЕРТЕЖАМ
Предложенное изобретение проиллюстрировано следующими чертежами:
фиг. 1 - разрез пассивного вертикального заглушающего узла в режиме нормальной эксплуатации;
фиг. 2 - разрез пассивного вертикального заглушающего узла в режиме тяжелой аварии;
фиг. 3 - разрез пассивного горизонтального заглушающего узла в режиме нормальной эксплуатации;
фиг. 4 - разрез пассивного горизонтального заглушающего узла в режиме тяжелой аварии.
ПРИМЕРНОЕ ИСПОЛНЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Пассивный вертикальный заглушающий узел (на фиг. 1 и фиг. 2) для предотвращения утечки (разлива) расплава по механизму раннего байпаса гермозоны/герметического объема при тяжелой аварии в ядерном реакторе атомной станции состоит из вертикальной цилиндрической центральной трубы (1), зафиксированной на стальной плите (2). Вокруг трубы (1) размещена обсадная труба (3), вмонтированная в бетонную конструкцию (4.b). В нижней части трубы (1) размещен монолитный биозащитный цилиндр, состоящий из двух полуцилиндрических сегментов (5.1) и (5.2). Между двумя указанными сегментами (5.1) и (5.2) проходит центральное отверстие/канал (6), через который проходит кабель/трос (8). Пространство между обсадной трубой (3) и вертикальной трубой (1) заполнено бетоном (9). Над биозащитным цилиндром из двух сегментов (5.1) и (5.2) установлена заглушающая пробка из двух сегментов (7.1) и (7.2), плотно стянутых между собой скобами (12.1) и (12.2), при этом канал (6) также проходит и между этими двумя сегментами (7.1) и (7.2). В указанных сегментах есть пустоты, образующие соответствующие полости (10.1) и (10.2), а нижний наклон двух сегментов (7.1) и (7.2), подпирает закрывающую сферу-заглушку (11), которая боковой стороной фиксирована кабелем/тросом (8).
Пассивный вертикальный заглушающий узел для предотвращения разлива расплава по механизму раннего байпаса гермозоны/герметического объема при тяжелой аварии в ядерном реакторе атомной станции характеризуется тем, что сегменты (7.1) и (7.2) термоустойчивы до 2850 градусов по Цельсию, при этом сегменты (7.1) и (7.2) являются монолитными и изготовлены из чистого карбида титана. Фиксирующие скобы (12.1) и (12.2) изготовлены из эластичной стали. Закрывающаяся сфера-заглушка (11) выполнена монолитной и изготовлена из чистого карбида вольфрама. Биозащитный цилиндр из двух сегментов (5.1) и (5.2) изготовлен из огнеупорного бетона, содержащего от 75% до 96% табулярного корунда.
Пассивный горизонтальный заглушающий узел для предотвращения разлива, расплава по механизму раннего байпаса гермозоны/герметического объема при тяжелой аварии в атомной станции состоит из центральной цилиндрической трубы (13), которая находится в бетонной конструкции (4.x) с горизонтальным наклоном трубы α от 6 до 30 градусов к горизонтали. В центральной трубе (13) размещена корпусная труба (14), с приваренным к ней опорным кольцом (15). Опорное кольцо (15) блокирует плотно прижатое к нему конусное седло (16), торец которого (17) имеет вид лейкообразного конуса, перед которым размещено приваренное к корпусной трубе (14) ограничительное кольцо (23). Между опорным кольцом (15) и прижимающей плитой (18) установлена натянутая пружина (19). Между ушком с винтом и гайкой (28) прижимающей плиты (18) и ушком закрепляющего винта (25.2), ввинченного в втулку (26.2) с прилежащего к пружине (19) конца закрывающего органа (20), размещена соединительная штанга (21). Закрывающий орган (20) на обоих концах имеет обтекаемые усеченные конусы (20.1) и (20.2). Его средняя часть (20.3) также представляет собой усеченный конус, обращенный малым основанием к горловине седла (16). Канал проходит через вход корпусной трубы (14), ограничительное кольцо (23), седло (16), опорное кольцо (15), отверстия прижимающей плиты (18) и конец корпусной трубы (14). Конусные поверхности внутренней стороны ограничительного кольца (23), торец (17) и внутренняя часть седла (16) плавно переходят одна в другую. В противоположном конце закрывающего органа (20), перед ушком ввинченного во втулку (26.2) закрепляющего винта (25.1) имеется штанга (24), прикрепленная к анкерному элементу (22), прикрепленного к корпусной трубе (14).
Пассивный горизонтальный заглушающий узел для предотвращения разлива расплава по механизму раннего байпаса гермозоны/герметичного объема при тяжелой аварии в атомной станции характеризуется тем, что седло (16) и закрывающий орган (20) термоустойчивы до 2850 градусов по Цельсию и представляют собой монолитные тела из чистого карбида титана, анкерный элемент (22) прикреплен к корпусной трубе (14) серебряным припоем (27), а пружина (19) изготовлена из нержавеющей стали.
ПРИМЕР ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПАССИВНОГО ВЕРТИКАЛЬНОГО ЗАГЛУШАЮЩЕГО УЗЛА
Когда ядерный реактор работает без аварий в режиме нормальной эксплуатации блока, пассивные вертикальные и горизонтальные заглушающие узлы не влияют на работу ядреного реактора.
Пассивный вертикальный заглушающий узел, в режиме нормальной эксплуатации ядерного реактора (фиг. 1), никаким образом не препятствует работе механизмов движения вверх-вниз кабеля/троса (8), не мешает функционированию всех устройств, например ионизационных камер, которые размещены в вертикальной трубе (1).
В случае тяжелой аварии, при которой в корпусе ядерного реактора атомной станции появляется прорыв (пробоина), через который за пределы корпуса выбрасывается расплав, полученный в результате плавления материалов в активной зоне и внутрикорпусных устройств. Указанный расплав, определенное время после его разлива по полу шахты реактора, разъедает/аблирует бетон по всей его толщине в пространстве между стеной шахты и трубой (1) в бетонной конструкции (4.b). Проникая бесконтрольно в трубу (1), расплав растекается и попадает на верхнюю поверхность заглушающей пробки с полуцилиндрическими сегментами (7.1) и (7.2). Расплав прожигает и прерывает кабель/трос (8), нижняя часть которого падает, освобождая отверстие/канал (6), проходящий по всей центральной оси полуцилиндрических сегментов (7.1) и (7.2). В этот момент закрывающая сфера-заглушка (11), под действием гравитации скатывается по наклонной поверхности полости (10.1) и/или (10.2) на горловину отверстия/канала (6) и заглушает его (фиг. 2). Ввиду того, что специфический вес сферы-заглушки значительно выше соответствующего веса расплава, проникающего в канал (6) и полости (10.1) и (10.2), указанная сфера-заглушка (11) не может всплыть и, таким образом, надежно закрывает отверстие/канал (6). Выбранные материалы для изготовления заглушающей пробки с полуцилиндрическими сегментами (7.1) и (7.2) и закрывающей сферы-заглушки (11) устойчивы к высоким температурам - до 2850 градуса по Цельсию, т.е. выдерживают термическую нагрузку от воздействия упавшего на них расплава. Расплав задерживается в пространстве над заглушающей пробкой с полуцилиндрическими сегментами (7.1) и (7.2) и в объеме ее полостей (10.1) и (10.2). Проведенные температурные анализы показывают, что спустя некоторое время расплав начинает остывать и становится твердым. Эти исследования также свидетельствуют, что температура нижнего конца (края) заглушающей пробки с полуцилиндрическими сегментами (7.1) и (7.2) значительно повышается, но указанная пробка имеет достаточно большой запас теромоустойчивости по отношению к критичной температуре, при этом биозащитный цилиндр с двумя полицентрическими сегментами (5.1) и (5.2) изготовлен из специального бетона. Специальный бетон (9) в пространстве между вертикальной трубой (1) и обсадной трубой (3) препятствует расплаву обойти (байпасировать) заглушающую пробку с полуцилиндрическими сегментами (7.1) и (7.2). Это возможно, потому что уровень бетона (9) находится на достаточной высоте над верхней поверхностью заглушки с полуцилиндрическими сегментами (7.1, 7.2). В результате этого проникший в канал трубы (1) расплав хотя и расплавляет стенку трубы (1), но не может проникнуть в промежуток между трубами (1) и (3). Таким образом застывший расплав остается „захваченным”/застопоренным в промежутке времени, определенном как время т.наз. раннего байпаса гермозоны, при этом его состояние после этого зависит только от скорости абляции бетона и геометрии полученной вследствие этого пробоины в фундаменте/постаменте шахты реактора. Таким образом, в этом режиме тяжелой аварии заглушающий вертикальный узел также целиком и полностью пассивен.
В условиях тяжелой аварии заглушающий вертикальный узел не требует ни человеческого вмешательства, ни потребления электрической или другой энергии, не влияет на пневмо-, гидро- или другую рабочую среду. Пассивный вертикальный заглушающий узел срабатывает только под воздействием самого проникающего в канал вертикальной трубы (1) расплава, то есть действует по принципу внутренней самозащиты посредством естественной обратной связи - инициатором сработки является сам расплав, дальнейшее движение которого останавливает заглушающий вертикальный узел.
ПРИМЕР ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПАССИВНОГО ГОРИЗОНТАЛЬНОГО ЗАГЛУШАЮЩЕГО УЗЛА
Пассивный горизонтальный заглушающий узел в режиме нормальной эксплуатации ядерного реактора атомной станции никаким образом не препятствует работе механизмов ядерного реактора.
В случае тяжелой аварии, при которой в корпусе ядерного реактора атомной станции появляется прорыв (пробоина), через который за пределы корпуса выбрасывается расплав, полученный в результате плавления материалов в активной зоне и внутрикорпусных устройств. Указанный расплав разливается по полу шахты реактора и беспрепятственно проникает в трубу начинающегося от входа корпусной трубы (14, проходного дренажного канала, через ограничительное кольцо (23), седло (16), опорное кольцо (15), отверстия прижимающей плиты (18) и конец (край) корпусной трубы (14). Перемещаясь по наклону канала трубы (13) под углом α (между 6 и 30 градусами), расплав достигает анкерного элемента (22), где расплавляет серебряный припой (27), при этом освобождается соединительный элемент штанги (24). В этот момент закрывающий орган (20), находящийся под воздействием силы растяжения натянутой пружины (19), посредством соединительной штанги (21), прикрепленной к ушку с винтом и гайкой (28) прижимающей плиты (18), притягивается в направлении седла (16), которое с двух концов зафиксировано к внутренней части корпусной трубы (14) через приваренное опорное кольцо (15) и приваренное ограничительное кольцо (23) (фиг. 3).
Закрывающий орган (20) входит в седло (16) (фиг. 4), при этом величина силы натяжения пружины (19), а также обработка соответствующих конусных поверхностей (16) и (20) (в частности средняя часть (20.3) закрывающего органа (20) подобраны таким образом, чтобы обеспечить плотный контакт при закрытии и тем самым гарантировать надежное препятствие на пути расплава. Выбранный материал для изготовления закрывающего органа (20) и седла (16) устойчив к высоким температурам - до 2850 градусов по Цельсию, т.е. выдерживает термическую нагрузку попавшего на них расплава.
Расплав задерживается в пространстве между входом канала дренажного трубопровода (часть горизонтального участка на котором расположена труба (13) и сопряжения поверхностей (16) и (20), которое закрывает проходной дренажный канал, при этом через некоторое время расплав начинает охлаждаться и твердеть. Температура в нижнем крае седла (16), как и труб (13) и (14), в этой области значительно повышается, но в термически стойке сварочные материалы крепления опорного кольца (15) к корпусной трубе (14) имеют достаточный запас термоустойчивости, т.е. опорная функция кольца (15) обеспечена во время всего процесса остывания и затвердения расплава.
Таким образом, застывший расплав остается пойманным/застопоренным в интервале, определенном как время раннего байпаса стены герметичной оболочки, а его состояние в последующем зависит только от скорости абляции бетона и геометрии полученной вследствие этого пробоины в фундаменте/постаменте (4.x) шахты реактора.
Заглушающий горизонтальный узел целиком и полностью пассивен в режиме нормальной эксплуатации ядерного реактора, и никак не препятствует передвижению дренажированного флюида, то есть обеспечивает ему проходимость в условиях минимального гидравлического сопротивления. Это достигается местоположением закрывающего органа (20), который посредством анкерного элемента (22) и выбранной длины штанги (24) надежно зафиксирован на достаточном расстоянии перед горловиной седла (16). Хорошей проходимости дренированного флюида способствует как геометрия самого закрывающего органа (20), концы которого (20.1) и (20.2) имеют форму усеченного конуса, так и плавно переходящие одна в другую внутренние поверхности ограничительного кольца (23), торца (17) и внутренней поверхности седла (16), а также специально выполненные отверстия в прижимающей плите (18).
В условиях тяжелой аварии заглушающий горизонтальный узел не требует человеческого вмешательства, не потребляет электрическую или другую энергию, не влияет на пневмо-, гидро, или другую рабочую среду. Пассивный горизонтальный заглушающий узел срабатывает только под воздействием расплава, проникающего в канал трубы (13) расплава, то есть по принципу внутренней самозащиты посредством естественной обратной связи - сработку горизонтального узла заглушивания с последующей остановкой движения расплава инициирует сам расплав.
Материалы, из которых изготовлены как заглушающий вертикальный, так и заглушающий горизонтальный узлы, характеризуются высокой устойчивостью к сильным нейтронным потокам - до 1016 Bq/m3, объемной активности воздуха и 106 Gy/h мощностью дозы. В условиях нормальной эксплуатации блока они радиационно-устойчивы с большим запасом времени эксплуатации (проектный срок - более 30-ти лет).
1. Пассивный вертикальный заглушающий узел для предотвращения разлива расплава по механизму раннего байпаса гермозоны/герметического объема при тяжелой аварии в ядерном реакторе атомной станции, состоящий из вертикальной цилиндрической центральной трубы (1), зафиксированной на стальной плите (2); причем вокруг трубы (1) размещена обсадная труба (3), вмонтированная в бетонную конструкцию (4.b), а в нижней части трубы (1) размещен монолитный биозащитный цилиндр, состоящий из двух полуцилиндрических сегментов (5.1) и (5.2); между двумя указанными сегментами (5.1) и (5.2) проходит центральный отверстие/канал (6), в котором проложен кабель/трос (8), характеризующийся тем, что пространство между обсадной трубой (3) и вертикальной трубой (1) заполнено бетоном (9), а над биозащитным цилиндром из двух сегментов (5.1) и (5.2) установлена заглушающая пробка из двух сегментов (7.1) и (7.2), плотно стянутых между собой скобами (12.1) и (12.2), причем канал (6) также проходит между сегментами (7.1) и (7.2), при этом в указанных сегментах есть пустоты, образующие соответствующие полости (10.1) и (10.2), при этом нижний уклон сегментов (7.1) и (7.2) подпирает закрывающую сферу-заглушку (11) боковой поверхностью, зафиксированной кабелем /тросом (8).
2. Пассивный вертикальный заглушающий узел для предотвращения разлива расплава по механизму раннего байпаса гермозоны/герметического объема при тяжелой аварии в ядерном реакторе атомной станции по п. 1, характеризующийся тем, что сегменты заглушающей пробки (7.1) и (7.2) выполнены монолитными, изготовлены из карбида титана; фиксирующие скобы (12.1) и (12.2) изготовлены из эластичной стали; заглушающая сфера-заглушка (11) является монолитной и изготовлена из карбида вольфрама; биозащитный цилиндр из двух сегментов (5.1) и (5.2) изготовлен из огнеупорного бетона с содержанием табулярного корунда от 50% до 96%.
