Введение к работе
Актуальность. Создание нового вида экологически безопасного и экономически эффективного атомного реактора, разрабатываемого в рамках Федеральных научно-технических программ «Экологически чистые АЭС нового поколения», «Ядерная энергетика повышенной безопасности» и «Фундаментальные и поисковые исследования в обеспечении разработки перспективных проектов ядерных энергетических установок (ЯЭУ) нового поколения» во исполнении распоряжения Правительства РФ от 05.07.01 №88б-Р (реализация инициативы Президента РФ В.В. Путина по комплексному решению политических, экономических и экологических проблем, связанных с обеспечением человечества энергией), невозможно без использования жаростойких бетонов в конструкции шахты реактора, которая находится в сложных условиях эксплуатации при воздействии высокой температуры, радиации, статических и динамических нагрузок и должна обеспечить безопасность реактора в случае протечек теплоносителя.
Сложность создания нового вида ядерного реактора также связана с решением задачи, включающей помимо проблем ядерной энергетики, проблемы его строительства и в первую очередь шахты реактора.
Требования к материалам шахты реактора определены на основании опыта проектирования подобных агрегатов с учетом мнения специалистов в определенных областях физики, химии и строительства, так как физико-механические, теплофизические и физико-химические процессы, которые могут наблюдаться в материалах и конструкциях шахты при ее разогреве, эксплуатации и аварийном режиме имеют важное значение для безопасности эксплуатации ядерного реактора.
Для использования жаростойких бетонов в реакторостроении необходимо проанализировать большое количество уже существующих видов жаростойких бетонов и оценить, удовлетворяют ли их свойства при нагреве достаточно специфическим требованиям, предъявляемым к материалам, применяемым в шахте реактора. Это могут быть требования по прочности, деформативности, температурным деформациям, теплопроводности, стойкости в условиях радиационного воздействия, стойкости в теплоносителе-расплавленном свинце.
Данная диссертация является частью общей работы, выполненной ФГУП НИКИЭТ им. Доллежая Агентства атомной энергетики Российской Федерации, ОАО «КБСМ», ГУП «НИИЖБ» и Дагестанского государственного технического университета Министерства образования и науки Российской Федерации, которая кроме исследований по жаростойкому бетону, устройства футеровки, сушки и первого нагрева, включает в себя теплотехнический расчет, расчет термонапряженного состояния, а также конструирование шахты и технологию производства работ при ее строительстве.
Цель и задачи. Основная цель диссертации заключается в изучении существующих, разработке и исследовании новых жаростойких бетонов, исследовании способа (метода) устройства футеровки, исследовании режима сушки и первого нагрева, теплотехническом расчете и расчете тер-
монапряженного состояния для шахты реакторной установки типа «БРЕСТ ОД-300» со следующими свойствами.
Для зон шахты, примыкающих к внутренним лайнерам легкого жаростойкого бетона класса по температуре применения не менее И60, с физико-механическими свойствами при рабочей температуре теплоносителя 450С : теплопроводностью X, не более 0,5 Вт/м- "С, коэффициентом линейного температурного расширения а не менее (10-11) -10 '6 град *', классом по прочности при сжатии не менее В 12,5 и хорошей совместимостью с расплавом свинца.
Для зон шахты, не примыкающих к лайнерам легкого жаростойкого бетона класса И60, с физико-механическими свойствами при температуре 450С: X не более 0,6 Вт/м -С, а не менее 9.10 "6 град'1 и класса по прочности при сжатии не менее В20.
Требования обусловлены: по температуре применения 600С (класс ИбО); максимальной температурой при аварии реактора, температурой 450С (рабочая температура теплоносителя), а -совместной работой бетона с металлом лайнера, Л -теплотехническим расчетом шахты с целью уменьшения теплопотерь и предотвращения перегрева обычного бетона, классом бетона по прочности при сжатии, расчетом на прочность шахты при землетрясении.
В процессе выполнения работы решались следующие задачи:
-анализ существующих данных о жаростойких бетонах и экспериментальная проверка некоторых из них с целью выбора и обоснования их возможности применения в шахте реактора;
-анализ существующих данных по материалам для жаростойких бетонов с целью их применения для разработки новых видов жаростойких бетонов с требованиями, предъявляемыми для шахты реактора;
-разработка новых жаростойких бетонов с требуемыми свойствами, изучение этих свойств при тепловом воздействии;
-исследования стойкости разработанных жаростойких бетонов расплава свинца;
-моделирование протечки теплоносителя;
-исследования радиационно-термической стойкости;
-теплотехнический расчет и расчет термонапряженного состояния шахты реактора;
-разработка и исследования технологии устройства шахты реактора на примере БРЕСТ ОД-300;
-разработка технологии устройства футеровки лайнеров реакторной установки;
-разработка и исследования режима сушки и первого нагрева шахты реактора;
-разработка рекомендаций по жаростойким бетонам для шахты реактора;
-выпуск опытной партии изделий из разработанных бетонов с целью проверки технологии изготовления и работоспособности при высоких температурах.
Научная новизна
Научно обоснована и экспериментально подтверждена возможность получения жаростойких бетонов с требуемыми для шахты реактора свойствами.
Разработаны и впервые изучены жаростойкие бетоны на высокоглиноземистом цементе с заполнителем из шлаковой пемзы (патент на изобретение №2247093), керамзита и шамота относительно их применения в шахте реактора. Использование высокоглиноземистого цемента обеспечило наилучшую стойкость жаростойкого бетона в расплаве свинца.
Исследованы закономерности изменения теплопроводности, коэффициента линейного температурного расширения, деформации под нагрузкой 0,2 МПа, ползучесть, усадка и физико-механические характеристики жаростойких бетонов на высокоглиноземистом цементе со шлаковым, керамзитовым и шамотным заполнителем при воздействии высоких температур.
Исследованы физико-химические свойства разработанных бетонов.
Смоделирована схема воздействия расплавленного свинца на разработанные жаростойкие бетоны.
Проведены радиационно-термические исследования разработанных жаростойких бетонов.
Впервые проведены расчет термонапряженного состояния и теплотехнический расчет шахты реактора с применением разработанных жаростойких бетонов.
Разработан и исследован метод футеровки, сушки и первого нагрева шахты реактора (патент №2276764).
Разработана технологическая последовательность строительства шахты реактора с использованием монолитной футеровки и футеровки из сборных блоков (патенты №№ 38347, 39902).
Достоверность научных результатов обеспечена анализом экспериментальных и теоретических данных и сравнением их с результатами проведенных исследований, проверкой результатов лабораторных испытаний в производственных условиях.
Практическая значимость
Разработаны и впервые изучены жаростойкие бетоны на высокоглиноземистом цементе с заполнителями из шлаковой пемзы, керамзита и шамота относительно их применения в шахте реактора нового поколения.
Проведены исследования стойкости в жидком свинце жаростойкого бетона на высокоглиноземистом цементе с заполнителем из шлаковой пемзы, а также исследования радиационно-термической стойкости жаростойкого бетона с заполнителем из керамзита.
Разработаны режимы, технология сушки и первого разогрева для шахты реактора нового поколения.
Разработаны основные принципы компоновки и эскизный вариант проекта шахты реактора.
Разработана технология устройства шахты реактора из сборных блоков и монолитного бетона.
Разработаны рекомендации по технологии изготовления теплоизоляционного жаростойкого бетона для шахты реактора.
Кроме того, уже в настоящее время эти жаростойкие бетоны можно применять в тепловых агрегатах нефтехимии и промышленности строительных материалов. Особенно в том случае, когда требуется быстрый набор прочности бетона, коррозионной стойкости за счет применения высокоглиноземистого цемента и обеспечение стойкости жаростойкого бетона в расплаве металла.
Внедрение результатов работы
Результаты исследования внедрены в рабочий проект шахты реакторной установки «Р.У.БРЕСТ-ОД-300», разработанный ФГУП «НИКИ-ЭТ» им.Доллежая и ОАО «КБСМ», и эскизный проект шахты, разработанный ГУП «НИИЖБ» (1999-2004гг.).
Разработанный состав жаростойких бетонов на ВГЦ рекомендован для облицовки железобетонной обделки транспортного тоннеля участка Краснопресненского проспекта от проспекта маршала Жукова до МКАД Научно-исследовательским институтом противопожарной обороны «НИИПО» МЧС Российской федерации (2004г.).
Из разработанного жаростойкого бетона произведена футеровка участка дымовой трубы №3 высотой 100 метров цеха обжига цемента ОАО «Осколцемент» г. Старый Оскол (2002г.).
К настоящему времени выпущена опытная партия блоков из жаростойкого шлакопемзобетона на основе высокоглиноземистого цемента в Центральной строительной лаборатории Дагестанского базового экспертного центра Министерства строительства Республики Дагестан. Блоками была выполнена футеровка газопламенной печи литейно-кузнечного цеха ОАО «Машиностроительный завод им. М. Гаджиева», г. Махачкала и выполнена часть футеровки зоны обжига тоннельной печи ООО «Кирпичный» г. Каспийска.
Опытная футеровка эксплуатируется в течение трех лет без видимых дефектов.
На защиту выносятся:
- экспериментальное подтверждение возможности получения жа
ростойкого бетона с физико-механическими, теплофизическими и физико-
химическими свойствами, которые соответствуют требованиям, предъяв
ляемым к жаростойким бетонам по температуре применения, теплопро
водности, прочности, тепловому расширению и стойкости с теплоносите
лем;
- результаты разработки новых видов жаростойких бетонов на вы
сокоглиноземистом цементе с заполнителями из шлаковой пемзы, керам
зита и шамота, экспериментальное исследование закономерностей изме-
нения их физико-механических, физико-химических и теплофизических свойств;
- результаты исследования на воздействие расплава свинца и радиа-ционно-термического излучения;
- результаты расчета термонапряженного состояния и теплотехни
ческого расчета шахты реактора;
результаты исследования сушки и первого разогрева тепловой изоляции шахты реактора;
технологическая последовательность возведения шахты реактора из монолитного бетона и сборных блоков;
технология устройства футеровки лайнера ядерного реактора из монолитного бетона и сборных блоков;
результаты опытно-экспериментальной проверки жаростойких бетонов из керамзита, шлаковой пемзы и шамота применительно к их использованию для работы при высоких температурах;
- рекомендации по изготовлению и применению жаростойких бетонов в шахте реактора;
Апробация и публикация работы. Основные положения и результаты работы доложены на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Дагестанского государственного технического университета Министерства образования и науки РФ (г. Махачкала, 1999-2004гг.), на III Международной научно-практической конференции «Проблемы строительства, инженерного обеспечения и экологии городов» (г. Пенза, 2001г.), на секции технологии бетона НТС ГУП «НИИЖБ» Госстроя РФ (Москва, 2003г.), научно-техническом заседании конструкторского отдела ОАО «Конструкторское бюро специального машиностроения» (г. Санкт-Петербург, 2003-2004гг.), на научно-техническом совещании ОАО «Осколцемент»(г. Старый Оскол, 2004г.), научно-технической секции Научно-исследовательского института противопожарной обороны МЧС Российской Федерации (Москва, 2004г.), на Всероссийском совещании «Сейсмобезопасность территории России» (г.Махачкала, 2004г.), на 4-м российско-японском семинаре «Перспективные технологии и оборудование для материаловедения, микро- и наноэлектроники» (г. Астрахань, 2004г.), на 4-й Международной научной конференции «Бетон и железобетон в третьем тысячелетии» (г. Ростов-на-Дону, 2006г.).
Публикации. По материалам выполненных исследований опубликовано 43 печатных работы, общим объемом 19 печатных листов, в том числе без соавторов 10 работ. Новизна решений подтверждена пятью патентами РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, восьми глав, заключения, списка использованной литературы и приложения: содержит 385 страниц основного текста, включая 167 рисунков и 61 таблицу, список литературы из 196 наименований.
Научный консультант — доктор технических наук, профессор В.В. Жуков (НИИЖБ).
