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.
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 | Системы отсутствуют |
SEFOR | расположенный под реактором |
FFTF | конусы для рассеяния топлива, расположенные под баком реактора и в сливном натриевом баке |
CRBRP | листами |
Великобритания |
|
DFR | Конический рассеиватель топлива и трубы |
PFR | для слива расплавленной массы в поддон |
CDFR (проект) | топливо семи разрушенных ТВС Три ряда поддонов внутри бака, рассчитанные на полное количество топлива активной зоны |
Франция |
|
«Рапсодия» | Системы отсутствуют Наружное охлаждение внешнего бака Поддоны внутри бака; наружное охлаждение страховочного кожуха |
ФРГ, Нидерланды, Бельгия |
|
SNR-300 | Внутри бака: поддоны в напорном коллекторе |
|
|
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.
