§ 2.2. КОРПУС ИЗ ПРЕДВАРИТЕЛЬНО напряженного ЖЕЛЕЗОБЕТОНА
Корпус из железобетона был испытан еще на французских газовых реакторах в конце 50-х годов, причем первоначально в бетонном корпусе размещалась только активная зона. В Англии также проведены широкие исследования по использованию бетонных корпусов в магноксовых реакторах. Для реакторов AGR вообще предусматривается только бетонный корпус. В настоящее время эксплуатируется и сооружается 21 реактор с бетонным корпусом, из них 19 с охлаждением СО2 и два высокотемпературных реактора с гелиевым охлаждением — «Форт-Сент-Врейн» и THTR-300.
Бетонный корпус представляет собой толстостенный сосуд из железобетона, который предварительно напрягается для создания сопротивления внутреннему рабочему давлению. Предварительное нагружение корпуса обеспечивается в основном многочисленными стальными тягами или тросами, которые проходят в забетонированных сквозных трубах и натягиваются с помощью гидравлических домкратов. Эта операция производится спустя примерно три месяца после окончания бетонирования.
При таком способе основная часть стальной арматуры постепенно натягивается, но во многих местах она остается разгруженной. Силовые тросы, например бетонного корпуса реактора THTR-300, размещены в таких областях, где не может возникать существенных термических или радиационных напряжений. Для создания равномерных тангенциальных и радиальных предварительных напряжений тросы расположены по всей высоте корпуса (см. рис. 2.1).
1 В дальнейшем — бетонный корпус. — Прим. перев.
2 КАЭ 21 декабря 1973 г. выдала фирме «Паблик сервиз» разрешение на эксплуатацию реактора на полной мощности. С 26/XII 1973 г. по 16/I 1974 г. загружался реактор топливом, а 9/II 1974 г. впервые была достигнута критичность. Вывод реактора на проектную мощность намечалось осуществить летом 1974 г.— Прим. ред.
Приспособления для нагружения крепятся через пластины к вертикальным ребрам бетонного корпуса. Для создания осевых нагрузок используются вертикальные штанги. Подобным образом предварительно нагружается и корпус реактора «Форт-Сент-Врейн», высота которого снаружи 35 м, внешний диаметр более 16 м. Внутренние размеры корпуса соответственно составляют 25 и 10 м. Толщина его стен от 4 до 5 м, общая масса около 15 000 т, из них до 1000 т приходится на тросы предварительной нагрузки и герметичную облицовку (см. ниже). В рассматриваемом корпусе имеются 448 нагрузочных тяг общей длиной более 20 км.
Один из разработанных ранее методов получения требуемых тангенциальных и радиальных предварительных напряжений заключался в том, что корпус снаружи обматывался проволокой или лентой с соответствующим натяжением. Такой способ применялся достаточно давно для предварительно напряженных бетонных корпусов небольших размеров, используемых не только в ядерной технике. Для реакторов он впервые был использован при строительстве реактора в Хартлпуле (Англия). Способ требует значительных предварительных напряжений на многослойной обмотке, тщательно уложенной в специальные гнезда с помощью намоточной машины, которая должна работать снаружи корпуса, натягивать проволоку или ленту и обеспечивать их плотную намотку. Скорость намотки составляет около 2 м/с.
Проволоку располагают в стальных горизонтальных пазах шириной 50 см и глубиной более 20 см. Используемая проволока диаметром более 1 см должна обладать малой склонностью к релаксации. Каждый слой обмотки закрепляют в напряженном состоянии, причем на один паз приходится до 48 слоев проволоки (ленты). Повторное натяжение проволоки при таком способе невозможно. Для увеличения или снижения предварительных напряжений, созданных предыдущими слоями, служат последующие слои проволоки. После окончания намотки пазы снаружи закрывают стальными пластинами. Удаление намотки производится достаточно просто: изменением направления движения машины.
Преимущество такого способа — снижение общей стоимости бетонного корпуса. Намотка проволокой эффективнее использования нагрузочных тросов, так как она практически наматывается кольцеобразно вокруг корпуса и не подвергается изгибу из-за наружных выступающих элементов креплений, что имеет место у нагрузочных тросов. Поскольку проволока напрягается раньше, чем она касается поверхности бетонного корпуса, существенно уменьшаются и потери на трение. Диаметр бетонного корпуса после намотки несколько уменьшается, так как нагрузочные элементы расположены не внутри, а снаружи корпуса.
Рис. 2.4. Диаграмма нагрузки-деформации для бетонного корпуса [4].
Третий способ получения необходимых предварительных напряжений осуществляется с помощью стальной ленты, наматываемой не непосредственно на бетонный корпус, а на множество стальных вертикальных ребер. Каждое из отдельных силовых колец может иметь от 200 до 300 слоев ленты. Натяжение лепты производится нагрузочным приспособлением, движущимся между стальными ребрами. Бетонный корпус в этом случае должен иметь форму простого цилиндра без выступов или каких-либо пазов. Таким способом на корпусе можно получить очень высокие предварительные напряжения [4].
С точки зрения возможного растрескивания корпус из предварительно напряженного железобетона предпочтительнее стального. В стальном корпусе возможен внезапный (типа взрывного) разрыв, в бетонном же корпусе такой разрыв исключается (рис. 2.4). Диаграмму напряжений в бетонном корпусе можно разделить на три области. Первая из них начинается там, где внутреннее давление компенсирует предварительно созданное напряжение и определяется в основном механическими свойствами бетона; стальные силовые элементы при этом воспринимают меньшую часть общей нагрузки. В этой области корпус сохраняет свою упругость.
Переход из первой области во вторую характеризуется появлением микротрещин, нагрузка при этом перераспределяется от бетона к стальным силовым элементам, которые, несмотря на увеличение нагрузки, все еще находятся в области упругих деформаций. Во второй области явно видно различие между бетонным и стальным корпусами: бетонный корпус остается здесь в основном упругим без существенного снижения предела прочности, даже если образуются микротрещины. Переход из первой области во вторую происходит плавно, хотя даже при одинаковых внутренних давлениях не всегда в корпусе могут появиться микротрещины.
При дальнейшем нагружении корпус попадает в третью область, в которой стальные силовые элементы претерпевают пластические деформации, что приводит к прогрессирующему развитию микротрещин и превращению их в большие трещины.
Бетонный корпус проектируется таким образом, чтобы во всех эксплуатационных и аварийных ситуациях он всегда находился в первой части диаграммы, в области упругих деформаций. При этом учитываются также усталостные эффекты, вызываемые ползучестью собственно бетона и релаксацией стальных силовых элементов корпуса. В результате этих эффектов переход от первой области диаграммы деформаций ко второй смещается в сторону более низкого внутреннего давления, правда без изменения формы всей диаграммы. Верхняя часть третьей области диаграммы остается без изменений, поскольку зависит только от предела прочности силовых элементов, а не от качества бетона.
Использование бетонного корпуса позволяет отказаться от дополнительной защитной оболочки снаружи всей установки. К другим преимуществам такого корпуса можно отнести повышенную сейсмическую стойкость, а также возможность использования его в качестве биологической защиты. Чтобы обеспечить газовую плотность корпуса, внутри его облицовывают стальной оболочкой сантиметровой толщины, которая при строительстве служит внутренней опалубкой бетонного корпуса. Внутренняя оболочка несет и ряд других важных функций, в частности уменьшает действие на бетон высоких температур теплоносителя. Если же горячий гелий придет в непосредственное соприкосновение с бетонным корпусом, то существенно упадет прочность бетона и увеличится релаксация силовых тросов, а из-за больших температурных напряжений в стенках корпуса возникнут значительные термические напряжения.
Рис. 2.5. Водяное охлаждение внутренней оболочки с помощью труб, приваренных к ней со стороны бетона [5]:
1 — горячий теплоноситель; 2 — изоляция; 3 — оболочка; 4 — трубная система водяного охлаждения; 5 — бетон (Р — давление; Т — температура)
Поэтому на внутренней стороне корпуса всегда должна сохраняться температура не более 60—80° С. Для этого предусмотрено водяное охлаждение внутренней оболочки с помощью системы многочисленных автономных охлаждающих труб, приваренных непосредственно к оболочке со стороны железобетона. Чтобы уменьшить влияние высоких температур газа, на внутреннюю сторону оболочки (по крайней мере, в один слой) накладывают тепловую стальфолиевую изоляцию толщиной в несколько сантиметров. Слои стальфоля разделены проволочными кольцами. Такая металлическая теплоизоляция целесообразна в высокотемпературных реакторах по ряду причин: она лучше отвечает требованиям чистоты внутреннего объема, характеризуется небольшим старением и коррозией, достаточно изучено ее поведение под облучением. Коэффициент теплопроводности такой изоляции только в 1,5 раза меньше коэффициента теплопроводности чистого гелия.
Рис. 2.6. Водяное охлаждение оболочки с помощью труб, приваренных к ней с внутренней стороны [5]:
1 — горячий теплоноситель; 2 — изоляция; 3 — трубная система водяного охлаждения; 4 — бетон; 5 — оболочка.
Описанная тепловая защита бетонных корпусов, схематически показанная на рис. 2.5, широко применялась до последнего времени. На рис. 2.6 приведен другой вариант изоляции, когда охлаждающие трубы приварены с внутренней стороны оболочки, что позволяет повысить качество изоляции. Для охлаждения можно применить газ или воду. К недостаткам последнего варианта относится требование повышенной плотности охлаждающих труб для исключения попадания воды в первый контур.
При газовом охлаждении (рис. 2.7) используется тот же газ, что и в первом контуре; требование к плотности охлаждающих труб не столь существенно [5]. Такой способ тепловой защиты бетонного корпуса получил название «газовая стенка» и уже применен в реакторах типа AGR.
Бетонный корпус должен иметь отверстия для замены оборудования первого контура и перегрузки твэлов. Оборудование первого контура — газодувки или приводы поглощающих стержней — устанавливается непосредственно в эти отверстия. Наконец, должны быть отверстия для измерительных приборов и люки для входа в корпус. Некоторые из этих отверстий имеют диаметр до 2 м.
Рис. 2.7. Охлаждение оболочки с помощью газовой стенки [5]: 1 — элемент жесткости; 2 — накладка; 3 — изоляция; 4 — канал охлаждающего газа; 5 — опорная плита; 6 — оболочка; 7 — бетон.
