20.02.2019
219.016.c477

ШИХТА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ МАТЕРИАЛА, ОБЕСПЕЧИВАЮЩЕГО ЛОКАЛИЗАЦИЮ РАСПЛАВА АКТИВНОЙ ЗОНЫ ЯДЕРНЫХ РЕАКТОРОВ

Вид РИД

Изобретение

Юридическая информация Свернуть Развернуть
Краткое описание РИД Свернуть Развернуть
Аннотация: Использование: при локализации расплава активной зоны корпусных водоохлаждаемых ядерных реакторов при запроектной аварии. Технический результат изобретения состоит в уменьшении температуры начала взаимодействия материала с ядерным расплавом, увеличении скорости этого взаимодействия, обеспечении синхронности взаимодействия. Сущность изобретения: шихта, включающая АlО, SiO, дополнительно содержит FеО при следующем соотношении компонентов, мас. %: FеO - 46-80, AlO - 16-50, SiO - 1-4. 4 табл.
Реферат Свернуть Развернуть

Изобретение относится к атомной энергетике, в частности к так называемым жертвенным материалам, предназначенным для обеспечения локализации расплава активной зоны корпусных водоохлаждаемых ядерных реакторов при запроектной аварии. В случае запроектной аварии такой материал, взаимодействуя с высокотемпературным ядерным расплавом, призван изменить характеристики и свойства расплава, уменьшить образование летучих компонентов, обеспечить удержание и локализацию расплава, а также его захолаживание и стабилизацию. При этом сам жертвенный материал в результате сложных физико-химических процессов постепенно растворяется и прекращает свое существование в первоначальном виде.

Актуальность разработки жертвенных материалов стала очевидной после крупных аварий на американской АЭС ТМ 1 и на четвертом блоке Чернобыльской АЭС, а также ряда других инцидентов на ядерных энергетических и специальных установках. Создание эффективных жертвенных материалов и надежных систем локализации ядерного расплава на их основе во многом определяет в настоящее время будущее атомной энергетики.

К жертвенным материалам предъявляется комплекс требований.

Во время нахождения системы локализации ядерного расплава в режиме длительного ожидания запроектной аварии жертвенный материал должен обладать долговременной механической прочностью, химической инертностью к воздействию окружающей среды и отсутствием заметной активизации в нейтронном потоке.

При запроектной аварии, сопровождающейся расплавлением активной зоны реактора, жертвенный материал должен обеспечить:
- интенсивное химическое взаимодействие с оксидной частью расплава активной зоны, эффективное охлаждение и уменьшение температуры расплава, а также понижение его плотности до инверсии оксидной части с металлической частью расплава;
- интенсивное химическое взаимодействие с металлической частью расплава активной зоны, сопровождающееся окислением наиболее сильных восстановителей, входящих в ее состав и способных к образованию водорода при взаимодействии с парами воды;
- разбавление тепловыделяющего расплава, содержащего делящиеся материалы, с уменьшением плотности энерговыделения от продуктов деления и обеспечением ядерной подкритичности системы;
- отсутствие равновесного или гравитационного расслоения расплава;
- минимальное значение количества выделяющихся газов, паров и аэрозолей;
- понижение количества выделяющихся в газовую фазу наиболее опасных радиоактивных компонентов;
- высокое значение механической прочности, ударной вязкости и термостойкости;
- стабильность существования образующегося после локализации расплава твердого тела в течение длительного промежутка времени;
- низкие скорости выщелачивания продуктов деления из закристаллизованного тела.

Перечисленным требованиям в полной мере не отвечает ни один из известных жертвенных материалов. Причиной этого являются новизна и сложность решаемых проблем, сравнительно небольшой объем накопленных к настоящему времени теоретических знаний и экспериментальных данных в данной области (в том числе недостаточная степень изученности характера взаимодействия ядерного расплава с жертвенными материалами), невозможность выполнения прямых экспериментов. Разработки и исследования жертвенных материалов, представляющих собой, по существу, новый класс материалов, имеют ограниченный опыт и базируются на методах системного проектирования материалов с использованием теоретических расчетов и модельных экспериментов.

Наиболее изучены, в качестве жертвенного материала, сталь и железо [1] . Использование стали либо железа способно обеспечить эффективное снижение температуры (захолаживание) сильно перегретой металлической составляющей ядерного расплава, недопущение кратковременного превышения критической плотности теплового потока водоохлаждаемых поверхностей теплообменников при выходе на них расплавов металлов, уменьшение объемной плотности энерговыделения в металлическом расплаве после инверсии слоев и соответственно теплонапряженности в нижней части теплообменников.

Сталь и железо, однако, способны разбавлять только металлическую составляющую ядерного расплава. Они не оказывают влияния на его оксидную часть, где находятся радиоактивные компоненты, не обеспечивают инверсию металлической и оксидной частей ядерного расплава, что является одним их важнейших условий локализации этого расплава.

Поэтому сталь и железо предпочтительно применять в сочетании с материалами, способными разбавлять оксидную составляющую ядерного расплава. К таким материалам относятся оксиды.

Известно устройство для локализации ядерного расплава [2] , содержащее перфорированные элементы, выполненные из диоксида кремния (SiO2) или оксида алюминия (А12О3). Эти оксиды обеспечивают инверсию расплава и, кроме того, способны понизить концентрацию присутствующего в расплаве в большом количестве диоксида урана.

Общими недостатками применения SiО2 и А12О3 являются низкая скорость их взаимодействия с расплавом и неспособность активно окислять Zr. При этом присутствие А12О3 определяет крайне высокую температуру ликвидуса расплава (2000oС и более), что негативно влияет на процесс удержания расплава, а наличие SiO2 вызывает повышенное газовыделение и ликвацию (расслоение) расплава.

Наиболее близкими по совокупности существенных признаков к заявляемой шихте является металлургический шлак, предложенный для использования в качестве жертвенного материала в изобретении [2] . Металлургический шлак, представляющий собой смесь оксидов (CaO, SiО2, А12О3, FeO), выбран прототипом предлагаемого изобретения.

Оксиды, содержащиеся в металлургическом шлаке, способны раствориться в оксидной части ядерного расплава, уменьшить ее плотность и обеспечить инверсию оксидной и металлической составляющих расплава. Металлургический шлак, являющийся отходом производства, имеет низкую стоимость.

Тем не менее, использование металлургического шлака не может дать полного решения проблем локализации ядерного расплава в силу следующих обстоятельств. Прежде всего, присутствие в составе металлургического шлака такого компонента, как FeO, недостаточно для окисления циркония, находящегося в большом количестве в ядерном расплаве. В присутствии неокисленного циркония в расплаве будут протекать процессы, приводящие к генерации водорода, а также к образованию других газообразных продуктов, что крайне нежелательно и опасно из-за возможности возникновения взрыва.

Образованию газообразных и летучих продуктов способствует, вместе с тем, входящий в металлургический шлак диоксид кремния из-за его взаимодействия с Zr с образованием летучего монооксида кремния.

К другим существенным недостаткам прототипа следует отнести невысокую скорость взаимодействия с ядерным расплавом и высокую температуру начала взаимодействия, результатом чего будет преждевременная кристаллизация оксидной части расплава активной зоны, ухудшение отвода тепла от него и, следовательно, увеличение времени захолаживания расплава, нестабильность состава металлургического шлака.

Задачей настоящего изобретения является снижение температуры начала взаимодействия жертвенного материала с ядерным расплавом, увеличение скорости и синхронности этого взаимодействия с одновременным обеспечением захолаживания расплава активной зоны и уменьшения образования газообразных и летучих продуктов.

Эта задача решается тем, что шихта для получения материала, обеспечивающего локализацию расплава активной зоны ядерных реакторов, включающая А12О3, SiO2, дополнительно содержит Fе2О3 при следующем соотношении компонентов, мас. %: Fе2О3 - 46-80, А12О3 - 16-50, SiO2 - 1-4.

Технический результат изобретения состоит:
- в уменьшении температуры начала взаимодействия жертвенного материала с ядерным расплавом (температуры начала плавления жертвенного материала);
- в увеличении скорости взаимодействия жертвенного материала с ядерным расплавом;
- в обеспечении синхронности взаимодействия;
- в уменьшении образования газообразных и летучих продуктов и аэрозолей;
- в уменьшении времени захолаживания ядерного расплава;
- в стабильности фазового состава получаемого жертвенного материала в условиях длительного воздействия факторов внешней среды.

Указанный технический результат достигнут в процессе многочисленных экспериментов и теоретического обобщения экспериментальных данных, итогом чего явилось создание сбалансированного состава шихты, позволяющего получить материал, обеспечивающий эффективную локализацию ядерного расплава.

Важнейшими отличиями предлагаемой шихты от прототипа и других известных составов, определяющими ее преимущества и достигаемый технический результат, являются: высокое содержание Fе2О3 и А12О3 и низкое содержание SiO2.

Высокое содержание Fе2О3 обуславливает автокаталитический характер процесса взаимодействия получаемого из предлагаемой шихты жертвенного материала с ядерным расплавом. Суть этого процесса состоит в том, что на фронте взаимодействия протекает экзотермическая реакция с выделением тепла, приводящая к повышению температуры в зоне реакции и, как следствие этого, к повышению скорости взаимодействия. При этом в случае соблюдения установленного баланса в соотношении между количеством Fе2О3 и А12О3 в жертвенном материале, процесс в целом носит эндотермический характер, что обеспечивает активное захолаживание ванны расплава.

Выделение тепла и саморазогрев на фронте взаимодействия, являющийся следствием интенсивного процесса окисления циркония из-за наличия большого количества Fе2О3, определяют как понижение температуры начала взаимодействия (до значения 1250-1400oС), так и высокую среднюю скорость взаимодействия, которая составляет 2-28 мм/с, что на один-два порядка выше, по сравнению с известными жертвенными материалами. Важно отметить, что, благодаря экзотермическому процессу на границе взаимодействия жертвенного материала и ядерного расплава во время взаимодействия не будет происходить охлаждения и кристаллизации кориума, тормозящих процессы растворения компонентов жертвенного материала в ядерном расплаве, инверсии оксидной и металлической составляющих расплава и захолаживания ванны расплава.

Немаловажно также и то обстоятельство, что вызывающий экзотермическую реакцию процесс окисления циркония происходит без выделения заметного количества кислорода и образования летучих компонентов. Полное окисление циркония исключает возможность генерации водорода при поступлении воды и образования других газообразных продуктов.

Благодаря экзотермической реакции на фронте взаимодействия и понижению температуры ликвидуса оксидного расплава, вследствие разбавления расплава активной зоны компонентами жертвенного материала, оксидная и металлическая составляющие расплава остаются в жидком состоянии в течение длительного времени. При этом высокое содержание А12О3, обладающего высокой теплоемкостью, способствует эффективному поглощению тепла. Перечисленные факторы приводят к тому, что, взаимодействуя с жертвенным материалом, расплав активной зоны быстро захолаживается до температур, при которых начинается эффективный теплоотвод с помощью водоохлаждаемых поверхностей теплообменников. При этом низкая температура ликвидуса обеспечивает жидкое состояние ванны расплава до низких температур, что позволяет быстро отводить тепло и активно захолаживать ванну расплава, поскольку расплав имеет более высокую теплопроводность, чем твердое тело.

Несмотря на высокое содержание А12О3, повышения температуры ликвидуса, в отличие от известных составов с использованием оксида алюминия, не происходит. Это объясняется присутствием в достаточном количестве Fе2О3, который, будучи легкоплавким компонентом, препятствует возможному увеличению температуры ликвидуса.

Тепловой эффект характеризует величина ΔH (изменение энтальпии), оптимальное значение которой зависит от содержания в шихте Fе2О3 и Аl2О3. Например, положительное значение ΔH свидетельствует о том, что процесс в целом носит эндотермический характер. Экзотермическая реакция на границе жертвенного материала и ядерного расплава компенсируется поглощением тепла, связанным с большой теплоемкостью оксида алюминия. При этом в целом происходит активное захолаживание оксидного расплава, несмотря на то, что на границе жертвенного материала и расплава идет экзотермическая реакция.

Что касается роли SiО2 в достижении технического результата, то необходимо сказать следующее. Присутствие SiО2 способствует, с одной стороны, разбавлению оксидной составляющей ядерного расплава, уменьшению ее плотности, что интенсифицирует процесс инверсии расплава, и снижению температуры ликвидуса. С другой стороны, SiО2 в случае использования предлагаемой шихты для получения спеченного жертвенного материала активизирует процесс спекания и повышает плотность синтезируемого таким путем материала, что положительно влияет на ход локализации ядерного расплава. В связи с малым содержанием SiО2 в предлагаемой шихте проблема ликвации расплава, актуальная для известных оксидных жертвенных материалов, в данном случае отсутствует.

Одним из важных качеств предлагаемой шихты является возможность гомогенного распределения входящих в ее состав оксидов при получении жертвенного материала, что создает условия синхронного взаимодействия жертвенного материала с ядерным расплавом по всему фронту, препятствуя, тем самым, неблагоприятным прорывам расплава в дискретных точках фронта взаимодействия.

При содержании Fе2О3 в шихте менее 46 мас. % из-за нехватки кислорода не будет обеспечиваться полное окисление циркония, что может вызвать опасное образование водорода и других газообразных и летучих продуктов. Если содержание Fe2O3 превысит 80 мас. %, суммарный эндотермический эффект взаимодействия жертвенного материала с расплавом уменьшится, что приведет к недостаточному захолаживанию ванны расплава. Кроме того, взаимодействие будет сопровождаться недопустимыми выделениями газообразных и летучих продуктов.

При содержании А12О3 в шихте менее 16 мас. % экзотермическая реакция будет недостаточно компенсироваться эндотермическим эффектом нагрева жертвенного материала на начальной стадии взаимодействия жертвенного материала и расплава и становится возможным суммарный экзотермический эффект, который приведет к саморазогреву всего устройства локализации расплава.

Если содержание А12О3 превысит 50 мас. %, не будет обеспечиваться окисление циркония из-за нехватки Fе2О3, повысится температура ликвидуса расплава, произойдет образование водорода, вследствие контакта неокисленного циркония с парами воды, что существенно повысит вероятность водородного взрыва.

При содержании SiO2 менее 1 мас. % не будет обеспечиваться нужная плотность спеченного жертвенного материала, ухудшатся условия спекания.

Если содержание SiO2 превысит 4 мас. %, увеличится газовыделение, увеличится вероятность расслоения расплава вследствие ликвационных процессов, увеличится пористость самого спеченного жертвенного материала.

Предлагаемая шихта может быть использована для получения, по крайней мере, двух видов жертвенного материала: материала, спеченного по керамической технологии, и бетона с наполнителем в виде гранулированного порошка, полученного измельчением спеченного материала.

Спеченный материал получают следующим образом:
Пример 1. Шихту, содержавшую, мас. %: 44 Fе2О3, 50 Аl2О3 и 1 SiО2, подвергали сухому вибропомолу. Затем осуществляли прессование брикетов с использованием в качестве возгорающей связки 5% водного раствора поливинилового спирта и обжиг при температуре 1300oС с выдержкой 2 часа. Далее следовали дробление брикетов, помол, рассев на фракции, смешение с использованием в качестве временного связывающего ПВС и прессование брикетов. Окончательной операцией был обжиг в воздушной среде при температуре 1350oС с выдержкой 6 часов.

Аналогичным образом получали материалы с другим составом шихты. Соответствующие примеры 2-7 приведены в таблице 1.

Сравнительные характеристики спеченных материалов, полученных из предлагаемой шихты и материала - прототипа, представлены в табл. 2.

Скорость взаимодействия с ядерным расплавом, температура начала взаимодействия, температура ликвидуса и ликвация расплава определялись в ходе модельных экспериментов на установке "Расплав 2" по методикам, верифицированным для проведения подобных экспериментов в системе ядерных исследований. Тепловой эффект и газовыделение оценивались путем термодинамических расчетов с использованием верифицированной программы и базы данных термодинамических свойств ИВТАНТЕРМО.

Из табл. 2 видно, что жертвенный материал, полученный спеканием предлагаемой шихты, по всем характеристикам превосходит материал - прототип.

В табл. 3 приведены примеры жертвенного бетона с наполнителем в виде гранул, полученных измельчением брикетов из спеченной шихты по настоящему изобретению (примеры 8-14). Бетон получали по стандартной технологии с использованием в качестве связки цемента марки ВЦ-70. Во всех примерах содержание наполнителя составляло 80%, содержание связки 20%. Характеристики этого бетона, представленные в табл. 4, получены тем же путем, что и характеристики табл. 2.

Из сопоставления данных табл. 2 и 4 видно, что жертвенный материал, получаемый спеканием предлагаемой шихты, превосходит жертвенный бетон по величине теплопоглощения (ΔH), характеризующей возможность захолаживать активный расплав жертвенным материалом. Это объясняется тем, что спеченная шихта имеет более высокую плотность, чем жертвенный бетон с наполнителем в виде гранул, полученных измельчением брикетов из спеченной шихты.

Представленные примеры получения жертвенных материалов из предлагаемой шихты свидетельствуют о промышленной осуществимости заявляемого изобретения.

Литература
1. Bechta S. V. , Khabensky V. B. , Vitol S. A. , Krushinov E. V. , Lopukh D. B. , Petrov Y. B. , Petchenkov A. Y. , Kulagin I. V. , Granovsky V. S. , Kovtunova S. V. , Martinov V. V. , Gusarov V. V. Experimental studies of ceramik corium melt interaction with steel /Proc. of Rasplav Seminar 2000, OECD, Committee of the Safety of Nuclear Installations, Munich. Germany, November 14-15, 2000, p. 217.

2. Заявка РФ 99113119/06, МПК 7 G 21 C 9/06, G 21 C 13/10, решение о выдаче патента от 08.08.2000 г.

Шихтадляполученияматериала,обеспечивающеголокализациюрасплаваактивнойзоныядерныхреакторов,включающаяАlО,SiO,отличающаясятем,чтоонадополнительносодержитFеОприследующемсоотношениикомпонентов,мас.%:FеО-46-80АlО-16-50SiO-1-4
Источник поступления информации: Роспатент

Показаны записи 1-10 из 14.
20.01.2013
№216.012.1caf

Легкий проппант

Изобретение относится к нефтегазовой промышленности, конкретно к производству проппантов. Легкий проппант, используемый при добыче нефти и газа методом гидравлического разрыва пласта, полученный в виде гранул с пикнометрической плотностью 1,1-2,5 г/см и размерами 0,2-4,0 мм, из смеси...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002472837
Дата охранного документа: 20.01.2013
20.05.2013
№216.012.40c9

Проппант

Изобретение относится к производству проппантов, применяемых при добыче нефти и газа методом гидравлического разрыва пласта. Проппант, используемый при добыче нефти и газа методом гидравлического разрыва пласта, полученный в виде гранул с пикнометрической плотностью 1,2-3,0 г/см и размерами...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002482155
Дата охранного документа: 20.05.2013
10.06.2014
№216.012.ce6f

Способ получения проппанта и проппант

Изобретение относится к нефтегазовой промышленности, а именно к производству проппантов, используемых при добыче нефти и газа методом гидравлического разрыва пласта. В способе производства проппанта, включающем подготовку исходного алюмосиликатного сырья, его помол со спекающей добавкой,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002518618
Дата охранного документа: 10.06.2014
20.04.2015
№216.013.4309

Шихта и защитный оксидный материал для устройства локализации расплава активной зоны ядерного реактора

Изобретение относится к устройствам для улавливания разрушенной активной зоны ядерного реактора, к средствам предотвращения пожаров и накопления взрывчатых газов. Шихта включает корундовую смесь из крупно- и мелкодисперсного оксида алюминия и алюмокальциевую смесь из моно- и диалюмината кальция...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002548659
Дата охранного документа: 20.04.2015
20.05.2015
№216.013.4d95

Фиксирующий оксидный материал для пластин жертвенного материала устройства локализации расплава активной зоны ядерного реактора

Изобретение относится к фиксирующим оксидным материалам, конкретно - к теплостойким материалам для применения в устройствах локализации расплава активной зоны ядерных реакторов. Заявленный фиксирующий оксидный материал содержит высокодисперсный оксид алюминия и алюмокальциевую смесь из моно- и...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002551375
Дата охранного документа: 20.05.2015
10.08.2015
№216.013.6c3c

Проппант и способ получения проппанта

Изобретение относится к нефтегазовой промышленности, а именно к производству проппантов для гидроразрыва пласта. В способе получения проппанта, используемого при добыче нефти и газа, из измельченного алюмосиликатного сырья и связующего, включающем предварительный обжиг алюмосиликатного сырья,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002559266
Дата охранного документа: 10.08.2015
10.08.2015
№216.013.6c58

Шихта и оксидный жертвенный материал для устройства локализации расплава активной зоны ядерного реактора

Изобретение относится к составам оксидных жертвенных материалов для устройств улавливания разрушенной активной зоны ядерного реактора и средствам предотвращения пожаров и накопления взрывчатых газов. В заявленном изобретении предусмотрено использование шихты, включающей гематитовую смесь,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002559294
Дата охранного документа: 10.08.2015
20.11.2015
№216.013.9006

Многослойный проппант и способ его получения

Изобретение относится к производству проппантов, используемых при добыче нефти и газа методом гидравлического разрыва пласта. Многослойный проппант получен на основе спеченного алюмосиликатного сырья в виде гранул, с пикнометрической плотностью 2,0-3,5 г/см и размерами 0,2-2,5 мм. Проппант...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002568486
Дата охранного документа: 20.11.2015
20.02.2019
№219.016.bc63

Огнеупорный мертель

Изобретение относится к составу огнеупорного мертеля, предназначенного для изготовления крупногабаритных углеродсодержащих огнеупорных изделий, приготовления кладочных растворов при выполнении футеровки тепловых агрегатов. Огнеупорный мертель, включающий глиноземсодержащий наполнитель в виде...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002274624
Дата охранного документа: 20.04.2006
20.02.2019
№219.016.bcb6

Составное огнеупорное изделие

Изобретение относится к производству огнеупорных изделий для непрерывной разливки стали. Составное огнеупорное изделие для разливки металла содержит не менее двух частей, изготовленных из шихты различных составов. Одна часть выполнена газопроницаемой, в виде отдельного пористого элемента. Для...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002283725
Дата охранного документа: 20.09.2006
Показаны записи 1-6 из 6.
11.03.2019
№219.016.d734

Способ получения керамических материалов для ловушки расплава активной зоны ядерного реактора, содержащих оксиды железа, алюминия и диоксид кремния

Изобретение относится к атомной энергетике, в частности к технологии получения материалов, предназначенных для обеспечения локализации расплава активной зоны корпусных водоохлаждаемых ядерных реакторов. Сущность изобретения: способ заключается в приготовлении шихты посредством помола и смешения...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 02206930
Дата охранного документа: 20.06.2003
11.03.2019
№219.016.d7a9

Шихта для изготовления огнеупорных высокопрочных сферических гранул и способ их производства

Изобретение относится к области производства огнеупорных гранулированных материалов, предназначенных для использования в качестве расклинивающего агента при добыче нефти и газа способом гидравлического разрыва пласта. Для изготовления огнеупорных высокопрочных сферических гранул с удельным...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 02229456
Дата охранного документа: 27.05.2004
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0000046769
Дата охранного документа: 30.04.1936
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0000054106
Дата охранного документа: 31.10.1938
18.05.2019
№219.017.552a

Способ получения отбеленных износостойких отливок

Изобретение относится к литейному производству. Чугун выплавляют в дуговой печи с кислой футеровкой. В металлозавалку печи вводят гипс в количестве 0,1-0,8% от объема жидкого металла. Выливают металл в передаточный ковш, а затем в заливочные ковши. Формы с установленными в них холодильниками...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002254207
Дата охранного документа: 20.06.2005
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0000110132
Дата охранного документа: 25.02.1958

Похожие РИД в системе