Бетонные реакторы токоограничивающие
Идея использования токоограничивающих реакторов проста: потребление активной (полезной) мощности катушкой индуктивности минимальна, но её реактивное сопротивление суммируется с эквивалентным сопротивлением системы, что по закону Ома уменьшает токи в случае коротких замыканий. Уменьшение токов КЗ желательно по целому ряду соображений — позволяет уменьшить отключающую способность выключателей, стойкость оборудования к термическим и динамическим токам, уменьшить «толчок» энергосистеме в случае КЗ. В конечном итоге — позволяет снизить стоимость оборудования и повысить надёжность работы.
Первоначально, в качестве токоограничивающих использовались реакторы с масляной изоляцией. Но поскольку изготовление и эксплуатация большого бака с маслом чрезвычайно затруднительны, такие реакторы приходилось изготавливать с ферромагнитным сердечником (для уменьшения габаритов обмоток).
Быстро выяснились существенные недостатки таких реакторов — при токах КЗ с апериодической составляющей сердечник такого реактора насыщался, что приводило к снижению сопротивления реактора (то есть реактор терял свою функцию ограничения тока) и искажению формы кривой тока (что затрудняло действие устройств релейной защиты).
Поэтому, в 1950-е и 1960-е годы во всём мире шёл активный поиск технических решений в части сухих токограничивающих реакторов с воздушным сердечником. Было предложено две основных конструкции: с бетонным каркасом и с несущей обмоткой.
В СССР была принята конструкция с бетонным каркасом — так называемые бетонные реакторы. В англоязычной литературе эти реакторы известных как cast-in-concrete air-core reactor или cement hollow reactor. Первая версия ГОСТ «Реакторы токоограничивающие сухие», определяющих требования к этим реакторам, была введена в действие в 1970 году. Затем этот стандарт был заменён на ГОСТ 14794-79, который действует до сих пор. Актуальная версия стандарта ФСК СТО 56947007-29.
Бетонные реакторы это комбинация конструкции и технологии изготовления. Получить аналогичные свойства аппарата с использованием других материалов или технологий изготовления весьма затруднительно.
Обмотка реактора изготавливалась горизонтальными слоями в виде спирали. Между витками обмотки предусматривались воздушные зазоры. Это делалось для увеличения уровня изоляции и для охлаждения и вентиляции обмоток. Механическая фиксация обмотки выполнялась бетонным каркасом, который изготавливался методом заливки на подготовленную обмотку. Делалось это так:
Многожильный провод укладывался в специальный шаблон. Шаблон предусматривал специальные отсеки — формы для заливки бетона. Такие отсеки имели прямоугольную форму и располагались радиально по отношению к обмотке.
После укладки провода, в отсеки заливался электротехнический бетон высокого качества. После затвердевания бетона образовывался монолитный каркас, идеально облегающий провод обмотки. Вся конструкция тщательно высушивалась, дополнительно обрабатывалась лаком для защиты от влаги.
Бетонные реакторы в целом получились удачными. Бетон это материал, обладающий высокой прочностью, немагнитный и не проводящий электрический ток, что очень важно. Реактор в процессе работы создаёт сильное переменное магнитное поле, которое взаимодействует с любыми ферромагнитными материалами и электропроводящими предметами. Бетон нейтрален к электромагнитному полю и в этой связи идеально подходит в качестве материала каркаса реактора.
При заливке жидкий бетон плотно облегает провода обмотки точно повторяет их форму, что предупреждает образование точек концентрации механических усилий при прохождении больших токов через обмотку реактора. Благодаря этому механические усилия равномерно распределяются по всей конструкции реактора.
Это, в сочетании с высокой прочностью бетона, обеспечивает стойкость к динамическим токам КЗ.
Также бетонный каркас не требует никакого технического обслуживания.
Практически 50-ти летний опыт эксплуатации бетонных реакторов в СССР, а затем и в России однозначно доказал их высокую надёжность и высокие эксплуатационные качества. Производство бетонных реакторов было освоено целым рядом предприятий СССР, они до сих пор эксплуатируются на сотнях объектов по всей территории России и бывшего СССР.
Вместе с тем, бетонные реакторы имеют объективные недостатки:
- Для их производства требуется обеспечить высокое качество бетона, стабильную технологию заливки и сушки. Необходимо обеспечить полное отсутствие трещин в бетоне. Поскольку в противном случае конструкция будет легко разрушена при прохождении токов КЗ.
- Бетонные реакторы изготавливались главным образом для внутренней установки. Так, как нагрев солнечной радиацией, перепады температур и осадки снижают срок службы бетонного каркаса.
- Бетонные реакторы обладали значительными габаритами и весом, что вело к сложностям при их монтаже и демонтаже.
- Сравнительно большие потери — за счёт большего рассеяния магнитного потока, что обусловлено геометрией обмотки.
Отдельной проблемой бетонных реакторов является жесткая зависимость между габаритами реактора и его номиналом (индуктивным сопротивлением). А увеличение номинала реактора приводит и к пропорциональному увеличению геометрических размеров его магнитного поля. Что требует переноса другого оборудования. Это ведёт к тому, что установить в существующую камеру бетонного реактора меньшего номинала новый бетонный реактор большего номинала часто оказывается невозможным.
В настоящий момент, хотя бетонные реакторы продолжают эксплуатироваться, они физически и морально устарели. Выпущенные в Советском Союзе реакторы полностью выработали свой ресурс. А современные электрические сети характеризуются значительно большими токами как нагрузки, так и короткого замыкания.
Альтернативная конструкция реакторов — без каркаса, была разработана на Западе. Западные инженеры считали чрезмерно трудным обеспечить стабильное производство бетонных каркасов реакторов (хотя в СССР с этой задачей справились). А найти другой материал, который бы обладал свойствами, аналогичными электротехническому бетону, но был бы более технологичным, не удалось.
Первая успешная конструкция небетонного сухого реактора была предложена в 1950-х годах фирмой Spezielektra. Которая затем вошла в состав компании Trench, которая в свою очередь была куплена концерном Siemens. В 1962 году Тренч предложил конструкцию обмотки реактора, механическая прочность которой обеспечивалась за счёт её пропитки и заливки эпоксидной смолой.
Аналогичные по конструкции сухие реакторы без каркаса были затем выпущены рядом европейских и азиатских компаний либо на основе лицензии, либо на основе собственной разработки, заимствовавшей основную идею Spezielektra. В их основе общий принцип — выполнение обмотки в виде параллельных ветвей, каждая из которых представляет собой спираль, намотанную вокруг цилиндра. Ветви выполняются разного диаметра и устанавливаются в реакторе с воздушными промежутками по принципу матрёшки — самый маленький диаметр в центре, самый большой снаружи. Обмотки обжимаются сверху и снизу крестовинами, бандажируются, а затем пропитываются смолами или лаками. В результате образуется монолитная прочная конструкция, которая совсем не нуждается в каркасе.
Направление намотки обмоток монолитных реакторов — по спирали сверху вниз. Магнитное поле таких реакторов тороидальное, а разность потенциалов между слоями обмотки по горизонтали отсутствует.
Это обеспечивает меньший уровень потерь, чем в бетонных реакторах и меньший стресс межвитковой изоляции.
Производство сухих реакторов с самонесущей обмоткой освоено и в России. Этим занимается компания КПМ. Её реакторы по своим характеристикам ничем не уступают реакторам зарубежного производства, являясь при этом полностью отечественным продуктом. На настоящий момент в эксплуатации находятся несколько тысяч фаз таких реакторов.
Прочность реакторов с монолитной конструкцией обмотки не уступает бетонным реакторам. Что подтверждено как испытаниями в независимых лабораториях, так и опытом эксплуатации. При этом, конструкция таких реакторов является более гибкой. Есть возможность, например, при равном номинале изготавливать реакторы меньшего диаметра большей высоты или наоборот. При равных с бетонным реактором размерах оказывается возможным обеспечить большие параметры — номинальный ток и индуктивное сопротивление реактора. Также реакторы с монолитной обмоткой не имеют ограничений на их эксплуатацию под открытым воздухом.
Современные монолитные реакторы самонесущей конструкции не только не уступают бетонным реакторам, но и во многом превосходят. В этой связи, использование монолитных реакторов вместо бетонных технически вполне оправданно.
В настоящий момент компанией КПМ накоплен большой успешный опыт замены бетонных реакторов на реакторы как в рамках аварийно-восстановительных работ, так и в рамках проектов ретрофит — увеличения мощности существующих объектов. Есть опыт реализации комплексных проектов — от разработки технических требований на замену бетонного реактора, до его монтажа и ввода в эксплуатацию. Это касается как токоограничивающих реакторов, так и реакторов специального назначения — например, пусковых.
Реакторы РБ, РБУ, РБДУ, РБГ, РБДГ, РБС; РБСУ; РБСГ, РБСД; РБСДУ
Бетонные реакторы получили распространение на внутренней установке и на напряжения до 35 кВ. Бетонный реактор представляет собой концентрически расположенные витки изолированного многожильного провода, залитого в радиально расположенные бетонные колонки.
Бетон выпускается с высокими механическими свойствами. Все металлические детали реактора изготавливаются из немагнитных материалов. В случае больших токов применяют искусственное охлаждение.
Фазные катушки реактора располагают так, что при собранном реакторе поля катушек расположены встречно, что необходимо для преодоления продольных динамических усилий при коротком замыкании.
Расшифровка РБ
РБ-Х-Х-Х-Х-Х-Х-Х-Х
РБ — реактор бетонный
Х — С — сдвоенный реактор, отсутствие буквы — одинарный реактор
Х — Вид охлаждения: Д — принудительно-воздушное, отсутствие буквы — естественное охлаждение
Х — Расположение фаз: Г- горизонтальное, У-ступенчатое, отсутствие буквы — вертикальное расположение
Х — Класс напряжения в киловольтах
Х — Номинальный ток в амперах, у сдвоенных реакторов впереди помещается обозначение 2Х.
Х — Номинальное индуктивное сопротивление в Омах при частоте 50 Гц, у сдвоенных реакторов обозначается сопротивление ветви.
Х — Климатическое исполнение реакторов
Х — Категория размещения реакторов
Расшифровка обозначения реактора токоограничивающего бетонного с вертикальным расположением фаз, с естественным воздушным охлаждением, класса напряжения 10 кВ, с номинальным током 1000 А, с номинальным индуктивным сопротивлением 0,28 Ом, исполнения У, категория размещения 2:
РБ 10-1000-0,28 У2 ГОСТ 14794-79
Расшифровка обозначения реактора токоограничивающего бетонного с горизонтальным расположением фаз, с принудительно-воздушным охлаждением, класса напряжения 10 кВ, с номинальным током 2500 А, с номинальным индуктивным сопротивлением 0,35 Ом, исполнения У, категории размещения 1:
РБДГ 10-2500-0,35 У1 ГОСТ 14794-79
Расшифровка обозначения реактора токоограничивающего бетонного с сдвоенного с горизонтальным расположением фаз, с принудительно-воздушным охлаждением, класса напряжения 10 кВ, с номинальным током 1600 А, с номинальным индуктивным сопротивлением 0,35 Ом, исполнения У, категории размещения 3:
РБСДГ 10-21600-0,35 УЗ ГОСТ 14794-79
Расшифровка обозначения реактора токоограничивающего бетонного одинарного со ступенчатым расположением фаз, с естественным воздушным охлаждением, класса напряжения 10 кВ, с номинальным током 250 А, с номинальным индуктивным сопротивлением 1,40 Ом, исполнения Т, категории размещения 3:
РБУ 10-250-1,40 Т3 ГОСТ 14794-79
Реактор с вертикальным расположением фаз
Реактор со ступенчатым расположением фаз
Реактор с горизонтальным расположением фаз
Характеристики одинарных бетонных реакторов серий РБ, РБУ, РБГ, РБД, РБДУ, РБДГ
| Тип | Номиналь- ное индуктивное сопротив- ление, Ом | Номиналь- ные потери на фазу, кВт | Длительно допустимый ток при естественном охлаждении, А | Устой- чивость динами- ческая, кА | Наружный диаметр по бетону, мм | Высота комплекта при установке, мм | Масса фазы, кг | ||
верт..jpg) | ступ. | гор. | |||||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 |
| РБ, РБУ, РБГ-10-400-0,35 | 0,35 | 1,6 | 400 | 25 | 1430 | 2870 | 1930 | 945 | 880 |
| РБ, РБУ, РБГ-10-400-0,45 | 0,45 | 1,9 | 400 | 25 | 1440 | 3450 | 2315 | 1135 | 880 |
| РБ, РБУ, РБГ-10-630-0,25 | 0,25 | 2,5 | 630 | 40 | 1350 | 3345 | 2215 | 1040 | 930 |
| РБ, РБУ-10-630-0,40 | 0,4 | 3,2 | 630 | 32 | 1410 | 3435 | 2260 | – | 1160 |
| РБГ-10-630-0,40 | 0,4 | 3,2 | 630 | 33 | 1410 | – | – | 1040 | 1020 |
| РБ, РБУ-10-630-0,56 | 0,56 | 4,0 | 630 | 24 | 1710 | 3345 | 2215 | 1040 | 1130 |
| РБ, РБУ, РБГ-10-1000-0,14 | 0,14 | 3,5 | 1000 | 63 | 1370 | 3660 | 2395 | 1040 | 1120 |
| РБ, РБУ-10-1000-0,22 | 0,22 | 4,4 | 1000 | 49 | 1490 | 3765 | 2495 | – | 1340 | РБ, РБУ-10-1000-0,22; РБГ-10-1000-0,22 | 0,22 | 4,4 | 1000 | 55 | 1490 | – | – | 1135 | 1190 |
| РБ, РБУ, РБГ-10-1000-0,28 | 0,28 | 5,2 | 1000 | 45 | 1530 | 4050 | 2685 | 1230 | 1490 |
| РБ, РБУ, РБГ-10-1000-0,35 | 0,35 | 5,9 | 1000 | 37 | 1590 | 3675 | 2450 | 1135 | 1660 |
| РБ, РБУ, РБГ-10-1000-0,45 | 0,45 | 6,6 | 1000 | 29 | 1730 | 3645 | 2460 | 1140 | 1560 |
| РБ, РБУ, РБГ-10-1000-0,56 | 0,56 | 7,8 | 1000 | 24 | 1750 | 3780 | 2550 | 1230 | 1670 |
| РБ, РБУ-10-1600-0,14 | 0,14 | 6,1 | 1600 | 66 | 1510 | 4335 | 2875 | – | 1770 |
| РБГ-10-1600-0,14 | 0,14 | 6,1 | 1600 | 79 | 1510 | – | – | 1325 | 1610 |
| РБ, РБУ-10-1600-0,2 | 0,20 | 7,5 | 1600 | 52 | 1665 | 4050 | 2885 | – | 2040 |
| РБГ-10-1600-0,2 | 0,20 | 7,5 | 1600 | 60 | 1665 | – | – | 1230 | 1830 |
| РБ, РБУ, РБГ-10-1600-0,25 | 0,25 | 8,5 | 1600 | 49 | 1910 | 4140 | 2730 | 1230 | 2230 |
| РБ, РБУ, РБГ-10-1600-0,35 | 0,35 | 11,0 | 1600 | 37 | 1905 | 3960 | 2685 | 1220 | 2530 |
| РБД, РБДУ-10-2500-0,14 | 0,14 | 11,0 | 2150 | 66 | 1955 | 4185 | 2775 | – | 2380 |
| РБГ-10-2500-0,14 | 0,14 | 11,0 | 2500 | 79 | 1955 | – | – | 1230 | 2070 |
| РБД, РБДУ-10-2500-0,2 | 0,20 | 14,0 | 2150 | 52 | 1925 | 4335 | 2920 | – | 2460 |
| РБГ-10-2500-0,2 | 0,2 | 14 | 2500 | 60 | 1925 | – | – | 1280 | 2180 |
| РБДГ-10-2500-0,25 | 0,25 | 16,1 | 2150 | 49 | 2145 | – | – | 1180 | 2740 |
| РБДГ-10-2500-0,35 | 0,35 | 20,5 | 2000 | 37 | 2220 | – | – | 1230 | 3040 |
| РБДГ-10-4000-0,105* | 0,105 | 18,5 | 3750 | 97 | 2082 | – | – | 1170 | 2160 |
| РБДГ-10-4000-0,18* | 0,18 | 27,7 | 3200 | 65 | 2140 | – | – | 1370 | 2890 |
* с секционной схемой обмотки
Технические характеристики сдвоенных бетонных реакторов серий РБС, РБСУ, РБСГ, РБСД
Тип | Номи- нальное индук- тивное сопро- тив- ление, См | Индуктивное сопротивление, Ом | Номи- нальный коэф- фициент связи | Номи- нальные потери на фазу, кВт | Длительно допустимый ток при естественном охлаждении, А | Эле- ктро- дина- мич- еская стой- кость, кА | Электро- динамическая стойкость при встречных токах КЗ, кА | ||||||
| обеих ветвей | ветвей при встреч- ных токах | ||||||||||||
| РБС, РБСУ, Р БСГ-10-2 х630-0,25 | 0,25 | 0,73 | 0,35 | 0. 46 | 4,8 | 2X630 | 40 | 14,5 | |||||
| РБС, РБСУ-10-2Х 630-0,40 | 0,4 | 1.2 | 0,2 | 0,5 | 6,3 | 2X630 | 32 | 12,5 | |||||
| РБСГ-10-2Х 630-0,40 | 0,4 | 1,2 | 0,2 | 0,5 | 6,3 | 2X630 | 33 | 12.5 | |||||
| РБС, РБСУ, Р БСГ-10-2х 630-0,56 | 0,56 | 1.71 | 0,263 | 0.53 | 7,8 | 2×630 | 24 | II | |||||
| РБС, РБСУ, РБСГ-10-2х 1000-0,14 | 0,14 | 0,41 / | 0,071 | 0,49 | 6,4 | 2X1000 | 63 | 21 | |||||
| РБС, РБСУ-10-2Х 1000-0,22 | 0,22 | 0.673 | 0,103 | 0,53 | 8,4 | 2X1000 | 49 | 18,5 | |||||
| РБСГ-10-2Х 1000-0,22 | 0,22 | 0,673 | 0.103 | 0,53 | 8,4 | 2X1000 | 55 | 18,5 | |||||
| РБС, РБСУ, РБСГ-10-2×1000-0,28 | 0,28 | 0,856 | 0,132 | 0,53 | 10 | 2X1000 | 45 | 16 | |||||
| РБСД, РБСДУ-10-2×1000-0,35 | 0,35 | 1,08 | 0,159 | 0,55 | 11. ’ 1000-0,4 Г | 0,45 | 1,34 | 0 ,23 | 0,49 | 13,1 | 2X940 | 29 | 13,5 |
| РБСГ-10-2Х 1000-0,45 | 0,45 | 1,34 | 0,23 | 0,49 | 13,1 | 2X1000 | 29 | 13,5 | |||||
| РЬСД, РБСДУ-10-2Х 1000-0,56 | 0,56 | 1,68 | 0,28 | 0,5 | 15,7 | 2×900 | 24 | 13 | |||||
| РБСГ-10-2Х 1000-0,56 | 0,56 | 1,68 | 0,28 | 0,5 | 15,7 | 2X1000 | 24 | 13 | |||||
| РБС, РБСУ-10-2×1600-0,14 | 0,14 | 0,436 | 0,062 | 0,56 | 11,5 | 2*Х 1600 | 66 | 26 | |||||
| РБСГ-10-2Х 1600-0,14 | 0,14 | 0,436 | 0,662 | 0,56 | 11,5 | 2X1600 | 79 | 26 | |||||
| РБСД, РБСДУ-10-2Х 1600-0,20 | 0,2 | 0,6 | 0,098 | 0,51 | 14.3 | 2X1420 | 52 | 22 | |||||
| РБС-10-2Х1600-0,2 | 0,2 | 0,6 | 0,098 | 0,51 | 14,3 | 2X1600 | 60 | 22 | |||||
| РБСД, РБСДУ-10-2×1600-0,25 | 0,25 | 0,75 | 0,119 | 0. 52 | 16,7 | 2X1350 | 49 | 20 | |||||
| Р БС ДГ-10-2 х 1600-0,25 | 0,25 | 0,76 | 0,119 | 0,52 | 16,7 | 2X1500 | 49 | 20 | |||||
| РБСДГ-10-2Х1600-0,35 | 0,35 | 1,07 | 0,197 | 0,46 | 22 | 2X1470 | 37 | 18,5 | |||||
| РБСДГ-10-2Х 2500-0.14 | 0,14 | 0,43 | 0,067 | 0,52 | 22,5 | 2Х2100 | 79 | 29,5 | |||||
| РБСДГ-10-2×2500-0,20 | 0,2 | 0,58 | 0,109 | 0,46 | 32,1 | 2X1800 | 60 | 26 | |||||
Технические характеристики реакторов ФРОМ
Здание реактора — Энергетическое образование
Энергетическое образованиеМеню навигации
ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ
ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ
ИНДЕКС
Поиск
Рис.
1. Здания серого цвета с круглыми куполами наверху — это защитные сооружения атомной электростанции имени Дональда Кука. [1]
Реакторные здания используются для локализации ядерных реакторов и многих компонентов атомной электростанции, для обеспечения максимальной безопасности при эксплуатации и в случае аварии. Строительство этих зданий требует, чтобы они были чрезвычайно прочными и часто были сделаны из толстых железобетонных или стальных стен и крыш. [2] [3] Защитная оболочка здания реактора должна выполнять следующие функции безопасности: [3]
- Удержание радиоактивных веществ при эксплуатации и в случае аварии
- Защита станции от стихийных бедствий и техногенных катастроф
- Радиационная защита во время работы и в случае аварии
Здания должны быть доступны во время нормальной эксплуатации, чтобы в них поддерживалось «отрицательное давление», что означает, что когда оператор входит в защитную конструкцию, воздух будет поступать в структуру , а не из .
[2] Таким образом, даже в случае ядерного выброса внутри здания неконтролируемый выброс в окружающую среду маловероятен. Оператор может войти через шлюзовую камеру с двумя дверями, чтобы внутренняя часть здания никогда не подвергалась воздействию наружного воздуха. [2]
Меры безопасности
Основная цель этих конструкций — ограждать внутренние помещения атомной электростанции, таким образом изолируя окружающую среду и все живое снаружи от внутреннего излучения. Конструктивная целостность этих зданий строго контролируется и проверяется, и в случае аварии они должны соответствовать требованиям к герметичности. Системы защитной оболочки обеспечивают защиту от нейтронов и частиц гамма-распада в случае их утечки из активной зоны, а само здание часто поддерживается многими другими мерами безопасности, такими как вентиляция, системы охлаждения, системы отключения и многое другое. [3]
Эти системы безопасности должны обеспечивать сброс высоких температур и давлений в случае аварийного отключения.
Поэтому они должны выдерживать чрезвычайно высокие термические и механические нагрузки, давление и экстремальные погодные условия. [3] На видео ниже показано, как самолет на максимальной скорости врезается в стену здания содержания. Этот драматический тест дает представление о том, насколько прочны эти здания.
Внутренние отказы, которые необходимо устранить, включают: [3]
- Аварии с потерей теплоносителя (LOCA),
- Разрывы трубопроводов пара или питательной воды,
- Пожары или наводнения,
- Разрывы напорных труб в водо-водяных реакторах,
- Несчастные случаи при обращении с топливом,
- и т.д.
Внешние события, которые необходимо учитывать, варьируются от землетрясений до цунами и извержений вулканов. Даже авиакатастрофы, как показано на видео выше, могут вызывать беспокойство.
Кодексы и стандарты были разработаны различными национальными и международными организациями и охватывают все области строительства (материалы, производство, проектирование), технического обслуживания (проверки и испытания) и обеспечения качества. [3]
Для дальнейшего чтения
- Типы реакторов
- Атомная электростанция
- Атомная энергетика
- Энергия ядер
- Авария с потерей охлаждающей жидкости
- Или просмотрите случайную страницу
Ссылки
- ↑ 2.0 2.1 2.2 Ядерный реактор Макмастера. (26 июня 2015 г.). Structural Features [Online], доступно: http://mnr.mcmaster.ca/overview/reactor-operations-sp-688/structural-features.html
- ↑ 3.0 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 Серия стандартов безопасности МАГАТЭ. (26 июня 2015 г.). Проектирование систем защитной оболочки реактора для атомных электростанций [онлайн], Доступно: http://www-pub. iaea.org/MTCD/publications/PDF/Pub1189_web.pdf
iaea.org/MTCD/publications/PDF/Pub1189_web.pdfПредотвращение РАС в радиационно-защитном бетоне ядерных реакторов
[Изображение вверху] Атомная электростанция Сибрук-Стейшн — единственная известная в США коммерческая атомная электростанция, которая страдает от щелочно-кремнеземной реакции. Предотвращение ASR является важной задачей при строительстве атомных станций. Предоставлено: Джим Ричмонд, CC BY-SA 2.0
Хотя в Соединенных Штатах будущее ядерной энергетики в настоящее время неопределенно, другие страны, такие как Китай и Россия, извлекают выгоду из растущего мирового рынка ядерной энергетики. Пока страны готовятся к строительству сложных ядерных реакторов, проектировщики станций обращаются к знакомому материалу для защиты от поломок: бетону.
Атомные энергетические реакторы обычно имеют бетонную футеровку, которая, в свою очередь, помещается в большую стальную защитную оболочку, а затем окружается внешней бетонной конструкцией. В отличие от бетона, из которого сделаны тротуары, в бетоне, используемом на атомных электростанциях, для эффективной защиты от радиации используются заполнители высокой плотности (крупно- и среднезернистый материал). Однако этот радиационно-защитный бетон, как и бетон средней плотности, может быть восприимчив к щелочно-кремнеземным реакциям.
Щелочно-кремнеземные реакции (ASR) происходят, когда заполнители, содержащие определенные формы кремнезема, реагируют с гидроксильными ионами в щелочном цементном поровом растворе. В результате реакции образуется гель, который поглощает воду из окружающей среды и расширяется. Расширение геля оказывает давление на бетон и приводит к его растрескиванию и разрушению.
Хотя отказ атомных электростанций из-за ASR случается нечасто — известно, что только одна коммерческая атомная станция в Соединенных Штатах страдает от ASR — предотвращение ASR по-прежнему является важной задачей для правительств, строящих новые атомные станции. Это упреждающее планирование рассматривается в недавней статье из Польши.
В ожидании цели Польши ввести в эксплуатацию свою первую атомную электростанцию после 2030 года исследователи из Института фундаментальных технологических исследований и Института керамики и строительных материалов протестировали пять вариантов заполнителей высокой плотности для бетона защиты реактора: три барита, магнетит и гематит.
Гематитовый агрегат и второй баритовый агрегат расширились более чем на допустимые 0,08 процента за 28 дней. Магнетитовый агрегат и два других баритовых агрегата прошли дальнейшие испытания. Фото: Дарья Юзвяк-Недзвидска; Материалы, CC BY 4.0
Исследователи провели ускоренное испытание строительного раствора на заполнителях в соответствии со спецификациями Министерства обороны США, более строгой версией ASTM C1260. Исследователи заявляют, что хотя ASTM C1260 считает заполнители нереакционноспособными, если они расширяются менее чем на 0,10% за 14 дней, спецификация DOD устанавливает порог расширения на уровне 0,08% за 28 дней.
Гематитовый агрегат и второй баритовый агрегат расширились за пределы допустимых 0,08 процента после 28 дней при 176 ° F (80 ° C), гематит на заметные 0,43 процента.
Посмертный анализ микроструктуры этих агрегатов с помощью сканирующей электронной микроскопии подтвердил наличие щелочно-силикагельного геля. Дальнейшие испытания магнетитового заполнителя и первого и третьего баритовых заполнителей в соответствии с ASTM C129.3 показано, что все три заполнителя остались под 0,04-процентным расширением бетонной призмы, разрешенным после одного года при температуре 100 ° F (38 ° C) и высокой влажности.
В статье исследователи объяснили расширение агрегата гематита и второго агрегата барита присутствием микрокристаллического кварца. Все исследованные высокоплотные агрегаты содержали кристаллы SiO 2 , но только в двух агрегатах — гематите и втором барите — присутствовал микрокристаллический кварц. Частицы микрокристаллического кварца имеют диаметр 10–60 мкм, в то время как считается, что кварц более 60 мкм оказывает незначительное влияние на расширение. Кристаллы размером более 130 мкм считаются безвредными.
Предыдущее исследование показало, что заполнители с высоким удельным весом, такие как бариты, практически не вступают в реакцию с щелочами в цементе, однако современные исследователи подчеркнули, что важно учитывать не только тип породы, но и ее минералогический состав при оценке ее потенциала для реактивность.