Материал: Морозов Скхемные решения и принтсипы работы пассивныкх систем 2015 (1)

сти подреакторного пространства для его заполнения хватает той массы воды, которая содержится в корпусе реактора. Следовательно, при любой аварии с разгерметизацией первого контура бетонная шахта будет затоплена [185].

Пассивный принцип использованных в проекте ВВЭР-640 систем безопасности уменьшает вероятность аварии с плавлением активной зоны. К тяжелой аварии могут привести только дополнительные отказы систем безопасности, в результате которых либо нарушается гидравлическая связь в системе реактор – аварийный бассейн – топливный бассейн (отказ арматурного блока разгерметизации), либо в авариях без течи из первого контура происходит отказ системы пассивного отвода тепла от парогенераторов и АБР. Последняя ситуация, приводящая к так называемому сценарию высокого давления, крайне неблагоприятна для охлаждения кориума. Поэтому в первом контуре предусмотрена дополнительная возможность его разгерметизации. Оператор при отказе штатных систем расхолаживания открывает клапан на компенсаторе давления

[186].

Поскольку концепция удержания расплава изначально учитывалась в проекте АЭС с ВВЭР-640, то проблем, связанных с собственно организацией контура наружного охлаждения корпуса, не возникало, хотя именно эти проблемы являлись основными при решении аналогичных задач на АЭС с реактором ВВЭР-440, где конструкция теплоизоляции исходно не обеспечивала возможность организации контура естественной циркуляции теплоносителя. Таким образом, благодаря изначальному проектированию реактора ВВЭР-640 с учетом возможности удержания расплава в корпусе, конструктивное исполнение системы наружного охлаждения корпуса оказалось достаточно простым, особенно в сравнении с аналогичными системами, реализованными на реакторах ВВЭР-440 с РУ-213 за рубежом.

3.2 Системы удержания расплава в шахте реактора

Несмотря на перспективность и кажущуюся простоту концепции удержания расплава активной зоны в корпусе реактора, она имеет ограниченное применение в связи с тем, что для надежного обоснования бескризисного кипения охлаждающей воды на наружной поверхности корпуса требуется иметь большой запас плотно-

136

сти теплового потока до критического значения. Такой гарантированный запас удается обеспечить при удержании расплава кориума в корпусе реакторов средней мощности. В реакторах большой мощности (Nэл > 1000 МВт) взаимодействие кориума с неохлаждаемой снаружи стенкой корпуса может привести к выходу расплава активной зоны в шахту реактора. При таких авариях кориум, вследствие сохраняющегося в нем остаточного тепловыделения, может нарушить целостность герметичной оболочки АЭС. Для исключения этого необходимо локализовать вытекший кориум и обеспечить его непрерывное охлаждение вплоть до полной кристаллизации. Эту функцию выполняют системы локализации и охлаждения расплава активной зоны реактора, которые предотвращают повреждение герметичной оболочки контейнмента АЭС и тем самым защищают население и окружающую среду от радиационного воздействия при тяжелых авариях. Предложено два варианта размещения ловушки расплава: непосредственно под корпусом реактора (отечественные проекты) и на удалении от реактора в специальном помещении с организацией стока расплава в ловушку.

3.2.1 Зарубежные проекты реакторов

3.2.1.1 Реактор EPR (ЕС)

Реактор с водой под давлением EPR разработан французскими компаниями Areva NP и EDF, а также немецким концерном Siemens AG на базе немецкой АЭС «Konvoi» и французского энергоблока N4. Разработка велась с 1989 г. [187] В 1995 г. EPR был утвержден как новый стандартный проект АЭС во Франции, в 2004 г. он получил одобрение французского регулирующего органа [188]. Первый энергоблок EPR сооружается на площадке АЭС «Olkiluoto- 3» в Финляндии (с 2005 г.), еще два блока строятся во Франции на АЭС «Flamanville-3» (с 2007 г.) и «Penly». Кроме этого, сооружение двух реакторов ведется на АЭС «Taishan» в Китае (с 2009 г.) [189].

Для преодоления последствий тяжелых аварий в проекте EPR предусмотрено использование ловушки расплава, установленной под корпусом реактора, и входящей в состав пассивной системы стабилизации расплава активной зоны (Core Melt Stabilization System – CMSS) [190]. Концепция локализации расплава активной зоны в этом проекте состоит в создании внекорпусного устройства в котором кориум распространяется по большой горизонтальной поверхно-

137

сти специального помещения с обеспечением его последующего пассивного водяного охлаждения. Схема устройства локализации расплава реактора EPR приведена на рис. 3.6 [191].

8

Рис. 3.6. Схема устройства локализации расплава реактора EPR:

1 – бокс растекания, 2 – бассейн перегрузки, 3 – подача воды в ловушку, 4 – наклонный канал с защитным слоем, 5 – выплавляемая заглушка,

6 – пассивное устройство залива, 7 – системы теплоотвода от защитной оболочки (2 канала), 8 – спринклерные устройства, х – уровень воды в случае активного впрыска воды в бокс растекания

Функционирование устройства локализации расплава EPR происходит следующим образом. После проплавления корпуса реактора расплав кориума не попадает сразу в помещение локализации, а некоторое время выдерживается в накопителе (предловушке), расположенном в шахте реактора. В накопителе размещен жертвенный материал толщиной около 50 см, который состоит из бетона, в состав которого входят оксид железа Fe2O3, кремнеземная галька и боросиликатное стекло [192]. Количество жертвенного материала рассчитано на удержание расплава в накопителе примерно в течение одного часа. Под жертвенным бетоном расположен тугоплавкий защитный слой из керамики на основе циркония [190]. Он предназначен для локализации расплава и для предотвращения его контакта с бетонными структурами контейнмента.

138

Накопитель, в котором происходит предварительная выдержка расплава, рассчитан на то, чтобы выдержать последствия аварии с повреждением корпуса реактора при давлении в первом контуре РУ не выше 2 МПа [191]. Нагрузка на предловушку определяется воздействием струй расплава и механическим ударом от днища реактора.

Заглушка состоит из трех частей: слой жертвенного бетона в верхней части, алюминиевая пластина толщиной около 4 см (так называемые «ворота») и поддерживающая структура, которая прикрепляет заглушку к бетонному основанию шахты. Алюминий выбран в качестве материала заглушки из-за низкой температуры плавления. В результате этого даже небольшой контакт расплава АЗ с «воротами» приводит к быстрому проплавлению всей заглушки и, таким образом, к образованию большого отверстия для быстрого выхода расплава. Площадь выходного отверстия составляет более 2 м2, что обеспечит скорость излива более 10 т/с и позволит расплаву АЗ вытечь в ловушку за время менее одной минуты.

После проплавления заглушки расплав через стальной наклонный канал, покрытый защитным слоем, поступает в помещение локализации (рис. 3.7 [191]), где должен растечься тонким слоем по всей горизонтальной поверхности ловушки, что увеличивает поверхностно-объемный коэффициент и позволяет охладить кориум более эффективно.

Ловушка размещена в боксе растекания и представляет собой неглубокий тигель массой около 500 т. Ее дно и боковые стенки собраны из большого числа соединенных между собой металлических элементов, на нижней поверхности которых размещены ребра, формирующие каналы охлаждения.

Поверхность охлаждающих элементов покрыта слоем жертвенного бетона толщиной около 10 см. Наличие такого слоя позволяет полностью заполнить водой металлические структуры ловушки до того, как расплав начнет контактировать непосредственно с охлаждающими элементами. В отличие от накопителя, здесь применяется бетон с высоким содержанием кварца. Добавка этого бетона улучшает долговременное удержание продуктов деления и уменьшает плотность оксидной фазы расплава, что в дальнейшем улучшает стабильность двухфазной структуры кориума [190].

139

6 3

5

4

1

5

Рис. 3.7. Вид сверху на шахту реактора EPR с установленной ловушкой расплава: 1 – шахта реактора, 2 – наклонный канал, 3 – бокс растекания, 4 – боковая стенка устройства растекания, 5 – зазор, 6 – помещения, в

которых расположены устройства для залива

Поступление расплава в пространство ловушки разрушает стальные преднапряженные кабели, что вызывает открытие клапанов пружинного типа, размещенных в специальных помещениях, примыкающих к ловушке, и приводит к началу подачи воды из внутреннего перегрузочного бассейна (Internal Refueling Water Storage Tank – IRWST). Вода подается пассивно, за счет силы тяжести

[193].

Первоначально вода поступает в систему параллельных, горизонтальных охлаждающих каналов, сформированных ребрами, размещенными на нижней части охлаждающих элементов. Поле этого вода заполняет все пространство сбоку от охлаждающих элементов и начинает поступать на поверхность расплава. Учитывая,

140