Стартовая >> Архив >> Генерация >> Реакторы-размножители на быстрых нейтронах

Аварийная разгерметизация бака реактора - Реакторы-размножители на быстрых нейтронах

Оглавление
Реакторы-размножители на быстрых нейтронах
Воспроизводство и роль быстрых реакторов-размножителей
Физические принципы воспроизводства
Роль воспроизводства в оценках энергетических ресурсов
Программы исследования быстрых реакторов
Принципы конструирования
Механическая конструкция и система теплопередачи
Выбор материалов и параметров активной зоны
Экономический анализ
Обращение с топливом
Выгорание топлива
Уравнения выгорания
Время удвоения
Численные результаты анализа топливного цикла реактора с жидкометаллическим теплоносителем
Конструкции твэла и сборки
Перестройка топлива
Выделение газа из топлива и длина газовой полости
Критерий повреждаемости и анализ прочности твэла
Конструкция тепловыделяющей сборки
Другие сборки
Поведение совокупности сборок
Факторы перегрева
Материалы активной зоны
Топливо на основе урана
Топливо, содержащее торий
Общее сравнение топлива
Оболочка и чехол
Материалы оболочки
Теплоноситель
Совместимость с оболочкой
Сравнение различных теплоносителей
Органы управления
Основное оборудование теплоотводящих контуров реакторов
Регулирование параметров технологической схемы АЭС
Основное оборудование натриевых контуров
Натриевые насосы
Парогенераторы
Нейтронная защита
Защита оборудования теплоотводящих контуров в реакторе петлевого типа
Система транспортировки тепловыделяющих сборок
Измерительные системы
Контроль герметичности оболочек твэлов, течей
Вспомогательные системы
Общие вопросы безопасности реакторов БН
Многоступенчатая защита как концепция безопасности
Развитие методов исследования аварийных режимов
Оценка риска и методы исследования аварийных режимов
Контролируемые переходные процессы
ффективность системы аварийной защиты АЭС
Некоторые параметры, характеризующие состояние реактора в аварийных режимах
Вопросы надежности
Надежность системы аварийного расхолаживания реактора
Распространение локальных повреждений твэлов
Переходные процессы в объеме активной зоны
Другие аварийные режимы
Неконтролируемые аварийные режимы
Уравнения сохранения
Аварийные режимы с повышением мощности реактора
Разрушение твэлов
Прочие факторы
Аварийный режим с ухудшением условий теплоотвода
Неконтролируемый аварийный режим, связанный с прекращением циркуляции теплоносителя
Нарушение герметичности трубопроводов
Переходная стадия
Переходная стадия - расчет
Разрушение активной зоны
Защитная оболочка
Процесс расширения топлива
Взаимодействие расплавленного топлива с теплоносителем
Взрыв паров
Деформация элементов конструкции реактора
Охлаждение реактора после аварии
Аварийная разгерметизация бака реактора
Натриевые пожары
Конструкции защитных оболочек и локализующих систем
Конструкция быстрых реакторов с газовым охлаждением
Системы реактора
Конструкция активной зоны
Конструкция твэла
Безопасность газоохлаждаемых быстрых реакторов
Контролируемые аварии
Неконтролируемые аварии
Защитное окружение быстрых реакторов с газовым охлаждением
Сравнение гомогенного и гетерогенного проектных вариантов быстрого реактора CRBRP
Ядерная энергетика и быстрые реакторы

Если в результате контакта с топливом происходит проплавление стенки бака реактора, натрий и осколки топлива могут попасть в полость шахты реактора. В связи с этим необходимо рассмотреть два основных вопроса: во-первых, возможность ограничения последствий разгерметизации бака реактора (например, за счет специальных устройств, предотвращающих растекание расплавленного топлива) и, во-вторых, взаимодействие натрия и топлива с конструкционными материалами шахты реактора.

Устройства для удержания топлива и натрия, устанавливаемые за пределами бака реактора

В целях ограничения опасных последствий, связанных с выбросом топлива и натрия через неплотности, образовавшиеся в стенках бака реактора, внутренняя поверхность шахты облицовывается стальными листами, и, кроме того, внутри шахты устанавливаются удерживающие устройства различных конструкций.
Прежде всего необходимо исключить возможность контакта вылившегося натрия с бетонными стенами шахты, так как при этом возможно выделение влаги, которая бурно взаимодействует с натрием. Однако стальная облицовка не может противостоять высоким температурам в случае попадания на нее осколков топлива. В связи с этим необходимо предусматривать специальные системы, предназначенные для удержания топлива в течение длительного времени. Обычно такие системы выполняются в виде поддонов, заполненных термостойким материалом, служащим поглотителем тепла. Охлаждение поддонов осуществляется автономной системой теплоотвода, не связанной с основными контурами реактора. На рис. 16.20 показана система удержания осколков активной зоны, проектируемая для реактора SNR-300. Над поддоном с термостойким наполнителем расположено устройство, предназначенное для равномерного распределения осколков топлива по поверхности поддона, что исключает возможность образования вторичной критической массы и обеспечивает оптимальные условия для охлаждения, которое осуществляется теплоносителем NaK.
Системы, предназначенные для удержания выброшенных из реактора осколков топлива, делятся на три категории в соответствии с эффективностью их охлаждения.
Наружная система удержания осколков активной зоны реактора SNR-300 в случае ее разрушени
Рис. 16. 20. Наружная система удержания осколков активной зоны реактора SNR-300 в случае ее разрушения
1 — биологическая защита; 2— шахта реактора; 3 — центр активной зоны (нулевая отметка), 4 — выход натрия, 5 — пол обслуживаемого помещения, 6 — регулирующие стержни; 7 — вход натрия, 8 — бак реактора, 9 — страховочный кожух; 10 — устройство для удержания осколков активной зоны; 11 — система охлаждения удерживающего устройства (теплоноситель NaK), 12 — термостойкая конструкция, 13 - наполнитель (обедненная) двуокись урана или графит), 14 - распределительное устройство

Существуют пассивные удерживающие устройства, работающие без охлаждения. Они представляют собой поддоны, заполненные материалом с большой теплоемкостью и низкой теплопроводностью. Конструкция устройства должна обеспечивать постепенное и равномерное заполнение поддона осколками топлива. В качестве материалов наполнителей применяются ThO2, обедненная UO2, окись магния MgO и графит. Наиболее устойчивой является MgO благодаря большим значениям удельной теплоемкости и теплоты плавления. Кроме того, в процессе смешивания MgO с осколками топлива не происходит выделения газов или аэрозолей.
В удерживающих устройствах, принадлежащих к другой разновидности, используется охлаждение наружной поверхности поддона за счет естественной конвекции (система с пассивным охлаждением), что повышает эффективность системы и уменьшает нагрев бетонных стен шахты реактора. Кроме того, существуют удерживающие системы с активным охлаждением, в которых используется принудительная циркуляция теплоносителя.
В табл. 16.2 представлены характеристики систем, предназначенных для удержания осколков активной зоны в различных реакторах БН.
Таблица 16. 2. Системы удержания осколков активной зоны, применяемые в реакторах БН


Реакторы

Характеристики систем удержания

 

 

США

 

EBR-1
EBR-2
«Энрико Ферми-1»

Системы отсутствуют
Системы отсутствуют
Внутри бака: циркониевый поддон
Вне бака: поддон с графитовым наполнителем,

SEFOR

 расположенный под реактором
Вне бака: емкость для улавливания натрия,
расположенная на 14 м ниже реактора;

FFTF

 конусы для рассеяния топлива, расположенные под баком реактора и в сливном натриевом баке
Внутри бака, естественное охлаждение осколков топлива на элементах крепления активной зоны н надтепловой защитой (специальные устройства не предусматриваются)
Вне бака: облицовка стен шахты стальными

CRBRP

листами
Внутри бака: естественное охлаждение небольшого количества осколков на внутренних элементах конструкции (специальные устройства не предусматриваются)
Вне бака: теплоизоляционное покрытие и стальная облицовка стен шахты, контроль сдувок: система сбросной вентиляции и охлаждения газа за пределами защитной оболочки

Великобритания

 

DFR

Конический рассеиватель топлива и трубы

PFR

для слива расплавленной массы в поддон
Один ряд поддонов внутри бака, вмещающий

CDFR (проект)

топливо семи разрушенных ТВС Три ряда поддонов внутри бака, рассчитанные на полное количество топлива активной зоны

Франция

 

«Рапсодия»
«Феникс»
«Супер-Феникс»

Системы отсутствуют Наружное охлаждение внешнего бака Поддоны внутри бака; наружное охлаждение страховочного кожуха

ФРГ, Нидерланды, Бельгия

 

SNR-300

Внутри бака: поддоны в напорном коллекторе
Вне бака: поддон с термостойким наполнителем, охлаждаемый сплавом NaK

 

 

Взаимодействие натрия и топлива с бетоном

Изменение температурного режима бетона. Несмотря на то, что стены шахты реактора облицованы стальными листами, которые предотвращают непосредственный контакт натрия с бетоном, возможен значительный нагрев бетона горячим натрием, попавшим на стальные листы. Иногда между стальными листами и бетоном устанавливают прослойку из огнеупорного материала.
Как видно из рис. 16.21, при нагревании бетона может выделяться большое количество влаги [40]. Свободная (или капиллярная) влага начинает выделяться при сравнительно низких температурах. При температуре около 450 °С выделяется химически связанная вода.

Рис. 16.21. Выделение влаги из бетона в зависимости от температуры:
1— бетон марки М 225-С с магнезитовым заполнителем; 2 — бетон марки C-IX с базальтовым заполнителем; 3 — то же с эпоксидным покрытием; 4 — бетой марки LC-2 с известняком в качестве заполнителя, испытанный под давлением 1 атм

По данным некоторых исследований, при более высоких температурах возможно увеличение выделения влаги за счет обезвоживания заполнителя бетона. Таким образом, следует учитывать возможность значительного выделения влаги бетоном при повышенной температуре и предусматривать специальные меры (например, каналы внутри бетона) для сброса давления.
Если в качестве заполнителя бетона используется известняк, возможно выделение значительного количества СO2 вследствие диссоциации СаСО3 при высоких температурах:

Еще одна проблема, связанная с отсутствием покрытия на бетоне, — это возможность откалывания больших кусков бетона за счет растрескивания или выкрашивания. Такое откалывание возможно при непосредственном соприкосновении расплавленного топлива с бетоном. Разломы могут привести к образованию сквозных трещин в бетоне, через которые расплавленное топливо будет проникать в толщу бетонных конструкций.
Взаимодействие натрия с бетоном. При прямом взаимодействии горячего натрия с бетоном происходят химические реакции, сопровождающиеся выделением водорода. Большая часть этого водорода выделяется за счет экзотермической реакции натрия с водой:

Как показали экспериментальные исследования [41], выделение водорода на поверхности контакта бетона с натрием составляет около 5 кг/(м2 · ч). Если не обеспечить отвод этого водорода или его рекомбинацию за счет подачи кислорода, реакция натрия с водой приведет к опасному росту давления внутри защитной оболочки.
Наблюдения показали, что вначале происходит нагрев бетона и выделение влаги, а затем натрий реагирует с водой и заполнителем, при этом высвобождается водород и тепловая энергия. За счет выделяющегося тепла происходит нагрев натрия и бетона, что приводит к дальнейшей интенсификации взаимодействия.

Рис. 16.22. Скорость проникновения жидкого натрия в бетон [41]:
1 — магнетит; 2 — известняк, сплошная линия — по горизонтали, штриховая линия — по вертикали
В то же время интенсивность реакции может постепенно снижаться за счет образования тяжелых и вязких продуктов взаимодействия, которые скапливаются на горизонтальных участках конструкций и препятствуют контакту натрия с бетоном. Подобный эффект наблюдается и на вертикальных поверхностях бетона, однако, поскольку продукты реакции здесь удерживаются хуже, они оказывают гораздо меньшее сопротивление взаимодействию.
Если во время контакта с натрием в бетонных конструкциях появляются трещины, открывающие доступ натрия к незащищенным поверхностям, ослабляющее действие продуктов реакции на ход взаимодействия становится ничтожно малым. Количественным оценкам эффекта взаимодействия натрия с бетоном посвящены многочисленные исследования, проводимые в лабораториях в Сэндиа и в Хэнфорде.
Для расчета глубины проникновения натрия через горизонтальную поверхность бетона получены следующие зависимости [41]:
бетон на основе магнетита d= 17,5 [1 — exp (—0,2t)1;
бетон на основе известняка d= 10,4 [1—exp (—0,4t)1, где d— глубина проникновения натрия, мм; t—время, ч.
На рис. 16.22 сравниваются результаты расчетов по приведенным формулам и данные экспериментальных исследований для горизонтальных и вертикальных поверхностей. При расчете аварийных режимов, сопровождающихся попаданием натрия на горизонтальные бетонные плиты, обычно принимают, что в течение 4 ч скорость проникновения натрия в бетон равна 13 мм/ч.
Взаимодействие натрия и бетона сопровождается и другими экзотермическими реакциями (см. рис. 16.27), если не считать горения натрия в кислороде, которому посвящен § 16.6.
Взаимодействие осколков ТВС с бетоном. При анализе возможных аварийных режимов, приводящих к разгерметизации бака реактора, необходимо учитывать вероятность контакта с бетонными стенами шахты расплавленной стали и расплавленного топлива. Благодаря выделению из нагретого бетона влаги и двуокиси углерода происходит окисление стали,поступающей вместе с топливом из активной зоны. Продуктами реакции окисления являются Н2 и СО (в дополнение к водороду, выделяющемуся при взаимодействии натрия с бетоном).
Несмотря на значительный объем расчетных исследований (с использованием программ GROWS [42] и USINT [43]), проблема количественной оценки интенсивности проникновения в бетон расплавленных осколков ТВС окончательно не решена. В процессе взаимодействия с топливом происходит расплавление бетона, что усложняет расчет. Поскольку составляющие бетона имеют меньшую плотность по сравнению с компонентами активной зоны, в очаге взаимодействия происходит сложное перемещение слоев расплавленной массы. Кроме того, выделяемый бетоном газ уносит часть тепла и может захватывать тепловыделяющий материал.



 
« Расчетная обеспеченность работы гидроэлектростанции   Режим системы охлаждения генераторов на теплофикационных энергоблоках 250 МВт »
электрические сети