Стартовая >> Архив >> Генерация >> Бетон в защите ядерных установок

Тепловая защита из жаростойкого железобетона - Бетон в защите ядерных установок

Оглавление
Бетон в защите ядерных установок
О биологической защите ядерных установок
Виды бетонов для защиты
Составы бетонов
Количество воды в бетонах
Схема расчета и проектирования защиты
Прохождение излучения через среды
Предельно допустимые уровни облучений
Ядерный реактор - источник нейтронов и гамма-квантов
Ускорители и их излучения
Излучения ускорителей тяжелых частиц средних энергий
Наведенная радиоактивность
Расчеты ослабления в защите потоков средних энергий
Вычисления спектра замедляющихся нейтронов
Расчеты потоков и дозы гамма-излучения
Образование вторичного гамма-излучения в защите
Расчеты ослабления излучений высоких энергий
Ослабление потока нейтронов высокой энергии
Вычисление факторов накопления замедляющихся нейтронов
Прохождение сверхбыстрых нейтронов через бетоны
Прохождение быстрых нейтронов через бетоны
Накопление нейтронов низких энергий в бетонах
Параметры для расчетов ослабления в бетонах потоков нейтронов
Прохождение гамма-излучения через бетоны
Образование и ослабление захватного гамма-излучения
Тепловая защита из жаростойкого железобетона
Вопросы выбора оптимальной защиты
Вклад излучений синхроциклотрона
Влияние содержания водорода и бора в бетонах на толщину защиты реактора
Влияние содержания водорода в бетонах на толщину защиты синхроциклотрона
Стоимость бетонной защиты
Приложения
Литература

Глава 7
РАДИАЦИОННЫЙ РАЗОГРЕВ БЕТОННОЙ ЗАЩИТЫ
7.1. ТЕПЛОВАЯ ЗАЩИТА ИЗ ЖАРОСТОЙКОГО ЖЕЛЕЗОБЕТОНА
О назначении тепловой защиты уже говорилось в первой главе, причем подчеркивалось, что тепловая защита фактически начинается с самой активной зоны, а именно с отражателя и корпуса реактора. Собственно тепловая защита разделяется на две части: тепловую защиту, предназначенную для уменьшения потоков радиации, падающих на корпус реактора, и тепловую защиту, необходимую для еще большего уменьшения потоков излучений в бетоне биологической защиты. Рассмотрим вторую часть тепловой защиты и подтвердим расчетами возможность замены стали, воды или других материалов жаростойким железобетоном [1].
Характерная особенность, присущая большинству построенных реакторов — суммарный поток нейтронов, падающий на бетонную защиту, который не превышает 1011—1012 нейтрон/(см2 х X сек). Поэтому согласно данным работ [2—6] проблему радиационной стойкости бетона в этих потоках можно считать второстепенной.
Однако поток энергии смешанного гамма-нейтронного излучения на внутренней границе тепловой защиты может достигать 1014—1015 Мэв/(см2-сек) [2], что соответствует энерговыделению ~1,6·103—1,6-104 мвт/см. Принимая перепад температур равным 1° С на 1 мвт/см 2 [2], можно показать, что в этом случае в толстой бетонной защите возникают слишком большие температуры (~1600° С). Такая тепловая нагрузка на обычный бетон недопустима по двум причинам. Во-первых, при этом превысится максимально возможная температура в бетоне (200° С), т. е. температурный предел использования обычного бетона [7—9]. Во-вторых, в толстой монолитной защите возникнут температурные перепады, не воспринимаемые армированием. Если даже расчеты проводить с учетом ползучести бетона [10], то все же при температурном перепаде выше 100° С очень быстро растет степень необходимого армирования.
Если нагревают обычный бетон до 200° С, прочность на сжатие снижается на 10—15%, а модуль упругости — на 25%; при температуре 500° С прочность снижается, на 60—70%, модуль упругости — на 90% [11—13]. Нарушение структуры обычного бетона на портланд-цементе обусловлено следующими процессами: при нагревании до 100° С из бетона начинает выделяться свободная вода, находящаяся в порах; при нагревании до 200° С из бетона выделяется физически и частично химически связанная вода. Обезвоживание цементного камня приводит к разрушению пространственной решетки кристаллогидратов, которое сопровождается изменением объема цементного камня и потерей его прочности. После охлаждения нагретого бетона свободная окись кальция гасится влагой воздуха, в результате происходит значительное увеличение объема минерала и нарушение структуры бетона.

Рис. 7.1. Схемы физико-химических процессов (а) и изменения механических свойств (б) жаростойкого бетона с шамотным заполнителем при первом нагреве — охлаждении:
А — дополнительная гидратация; Б — дегидратация минералов цементного камня, усадка цементного камня, расширение заполнителей; В — гашение свободной извести при охлаждении; Г — образование безводных минералов — керамики; Д — начало плавления бетона; 1 — уменьшение модуля упругости; 2 — изменение гидравлической прочности бетона; 3 — изменение керамической прочности; 4 — изменение суммарной прочности.

Температурная усадка цементного камня при одновременном расширении заполнителей приводит к нарушению связи между ними и разрыву цементного скелета. Попеременное нагревание п охлаждение вызывает дополнительное нарушение структуры бетона. Чтобы устранить или уменьшить влияние причин, вызывающих нарушение структуры обычного бетона при нагревании, были разработаны специальные составы жаростойких бетонов (приложение II).
В жаростойком бетоне при первом нагреве и охлаждении протекают различные физико-химические процессы (рис. 7.1, а), в результате которых меняются его физико-механические свойства (см. рис. 7.1,6). Под влиянием температуры (до 200—250° С) и еще не удалившейся свободной воды идет дополнительная гидратация, вызывающая некоторое повышение прочности бетона. В этом температурном интервале разница в расширении цементного камня и заполнителей на прочности бетона заметно не сказывается, но вызывает лишь уменьшение модуля упругости. Степень повышения прочности бетона зависит как от минералогического состава цемента, так и от количества и активности тонкомолотой добавки.
Нагрев жаростойкого бетона до температуры выше 500—600° С с последующим охлаждением приводит к модификационным и объемным изменениям минералов цементного камня, что, так же как и в обычном бетоне, может вызвать некоторое уменьшение прочности и модуля упругости бетона. Однако при нагреве выше 600° С уже начинают действовать положительные факторы — реакция между свободной окисью кальция и кремнеземом и алюминатом тонкомолотой добавки. Реакция идет в твердой фазе сначала весьма медленно, а затем ускоряется. В бетоне образуется керамический материал, и прочность бетона снова увеличивается. Если температура близка к пределу жаростойкости, бетон начинает размягчаться (плавиться). Многочисленные работы [14, 16, 17] по изучению физико-механических свойств жаростойкого бетона на портланд-цементе с тонкомолотыми добавками показали, что введение последних в количестве 30% от веса портландцемента придает бетону необходимые жаростойкие свойства.
Такова суммарная физическая схема поведения жаростойкого бетона на портланд-цементе, не затрагивающая всего многообразия физико-химических процессов, происходящих в нем при нагревании, так как исследование их выходит за рамки настоящей книги. Повторные нагрев — охлаждение, как установлено, не вызывают сколько-нибудь заметного дальнейшего уменьшения прочности и модуля упругости бетона, так как все физические и химические процессы, связанные с воздействием температур, почти полностью заканчиваются при первом нагреве.
В жаростойком железобетоне к физико-химическим процессам, происходящим в бетоне, добавляются физические явления в стальной арматуре, вызывающие изменение ее механических и физических свойств [7]. Сцепление арматуры с жаростойким бетоном также меняется в процессе нагрева вследствие изменения физикомеханических свойств бетона и арматуры и неодинаковых их температурных деформаций.
Большие, температурные перепады по толщине конструкции вызывают значительные температурные деформации и напряжения. Чтобы усилия в бетоне и арматуре не превышали расчетных значений, необходимо применять специальные конструктивные приемы, компенсирующие температурные деформации и обеспечивающие надежную работу тепловой железобетонной защиты. Выгодно, например, уменьшать жесткость конструкции, проектируя ее в виде отдельных цилиндрических колец небольшой толщины, каждое из которых работает самостоятельно. Необходимо также стремиться к тому, чтобы температура в жаростойком бетоне была по возможности большей, особенно в сжатой зоне,— это создает условия для развития пластических деформаций.

При небольших внутренних тепловыделениях температуру в жаростойком бетоне можно повысить, используя теплоизоляцию внутреннего слоя жаростойкого бетона. Кроме того, такое решение позволяет уменьшить интенсивность теплоотвода или в некоторых случаях ликвидировать его совсем.
Радиационная стойкость обычного бетона имеет меньшее значение, чем температурные напряжения в железобетонной защите. В случае применения жаростойких бетонов, наоборот, первостепенное значение может иметь проблема радиационной стойкости бетона. Это объясняется следующим. Жаростойкий бетон эффективно используется при максимальных температурах порядка 800—1200° С (есть бетоны, работающие при температуре до 1700° С). Тепловыделения, которые дают такие температуры, обусловлены высокими потоками гамма-нейтронного излучения. Следовательно, интегральный поток может составлять 1020— 1022 нейтрон/см2.
А. Н. Комаровский [1] отмечает, что в настоящее время в СССР на одном из реакторов проводятся большие экспериментальные исследования радиационной стойкости жаростойких бетонов. Им проанализированы многие конструкции тепловых защит и систем теплоотвода и сделан вывод, что устройство стальной тепловой защиты обходится довольно дорого, а большие капитальные и эксплуатационные затраты в слабой мере возмещаются уменьшением толщины основной биологической защиты. Опыт эксплуатации тепловых агрегатов из жаростойкого бетона в СССР и за рубежом [18—22] свидетельствует о больших перспективах применения этого материала для конструкций ядерных реакторов, работающих в условиях высоких температур.



 
« АЭС с ВВЭР   Варианты модернизации ЦНД турбин большой мощности »
электрические сети