ЯДЕРНЫЙ РЕАКТОР Российский патент 1994 года по МПК G21C5/00 

Изобретение относится к ядерной технике и может быть использовано в качестве источника энергии в энергетической установке.

За аналог принят стойкий барьер для проникновения водорода [1] . Известен стойкий к диффузии водорода компонент для реактора на быстрых нейтронах с жидкометаллическим теплоносителем, окруженный этим расплавленным щелочным металлом и водородом, содержит металлическую стенку из аустенитного, ферритного или обогащенного никелем сплава. Кроме того, этот компонент содержит стойкое к проникновению водорода интертметалличское алюминидное покрытие из Fе₂Аl, FeАl, Fе₃Аl₂, Ni₃Аl, NiАl, образованное путем диффузии алюминия в поверхность указанной металлической стенки. Алюминидное покрытие поверхности стенки препятствует утечке водорода из замедлителя при работе реактора.

Недостатком аналога является его недостаточная эффективность по удержанию водорода в замедлителе при температурах более 600^оС. Другим недостатком способа удержания водорода в замедлителе реактора путем создания покрытия, препятствующего утечке, является его пассивность. Т. е. на работающем реакторе невозможно устранить утечку водорода через дефект в покрытии, который может образоваться при сборке и эксплуатации реактора.

За прототип принят реактор ядерной энергетической установки "Топаз". Замедлитель реактора представляет собой диски из гидрида циркония, окруженные оболочкой. Недостатком прототипа являются значительные потери водорода из замедлителя. Уменьшение запаса реактивности реактора, обусловленное потерей водорода из замедлителя, за двенадцать месяцев эксплуатации составило 1,25% К_эфф. За это же время уменьшение запаса реактивности, обусловленное выгоранием топлива, отравлением, шлакованием и другими эффектами, составило 0,11% Кэфф. Таким образом, основным лимитирующим параметром по запасу реактивности и, следовательно ресурсу работы реактора является потеря водорода его замедлителем.

Цель изобретения - создание ядерного реактора с уменьшенной утечкой водорода из замедлителя.

В результате осуществления изобретения может быть достигнуто уменьшение утечки водорода из замедлителя, энергии на его возврат и увеличение ресурса работы реактора.

Изобретение характеризуется следующими общими с прототипом признаками: содержит активную зону с заключенным в оболочку замедлителем нейтронов в виде элементов из гидрида металла.

Изобретение характеризуется следующими отличительными от прототипа признаками: снабжено насосом для перекачки водорода, всасывающий патрубок которого соединен с полостью между оболочкой замедлителя и дополнительными оболочками, установленными с зазором по одной вокруг каждого элемента из гидрида металла, а напорные патрубки через регулирующие устройства соединены с внутренними полостями дополнительных оболочек.

Существенные признаки, выражающие в своей совокупности сущность изобретения, являются достаточными для достижения технического результата, обеспечиваемого изобретением.

Уменьшение утечки водорода из замедлителя в предлагаемом реакторе обеспечивается тем, что насосом для перекачки водорода поддерживается низкое давление водорода в полости между оболочкой замедлителя и дополнительными оболочками, установленными с зазором по одной вокруг каждого элемента из гидрида металла. Чем меньше будет в ней давление водорода, тем меньше будет его утечка через оболочку замедлителя за пределы реактора согласно уравнению следующего вида:
I= П·F(-)/d, П= D·S, где I - поток водорода через оболочку; F - площадь оболочки; Р₁ и Р₂ - величины давления водорода до и после оболочки; d - толщина оболочки; П - константа проницания материала оболочки; D - константа диффузии; S - константа растворимости закона Сиверста.

Уменьшение энергии на возврат водорода в замедлитель достигается тем, что поток возвращаемого водорода распределяется между полостями, заключенными внутри дополнительных оболочек, регулирующими устройствами в зависимости от его выхода через дополнительные оболочки в полость между оболочками. Чем больше через какую-либо дополнительную оболочку будет проникать водород в полость между оболочками, тем больший поток водорода будет направляться насосом обратно внутрь нее через соответствующее регулирующее устройство. Параметрами, задающими распределение потока водорода, возвращаемого в полости, заключенные внутрь дополнительных оболочек, могут служить величины давления диссоциации гидрида в них. Зависимость давления диссоциации гидрида от температуры описывается уравнением следующего вида:
log₁₀Р= -А/Т+В , где Р - давление диссоциации гидрида, мм рт. ст. ;
Т - температура, К;
А и В - константы, зависящие от вида и состава гидрида. Чем выше температура, тем больше давление диссоциации.

Для поддержания внутри дополнительных оболочек различных величин давления водорода, равных или больших величинам давления диссоциации гидрида в них, в качестве регулирующих устройств могут быть использованы регуляторы давления "после себя".

Предлагаемый реактор способен сохранять водород в замедлителе из гидрида металла во время аварийного перегрева активной зоны соответствующей настройкой на аварийный режим регулирующих устройств и производительности насоса.

Благодаря дифференцированной подаче возвращаемого водорода в активной зоне предлагаемого реактора будет сохраняться исходное распределение концентраций водорода и, следовательно, исходное распределение энерговыделения по активной зоне. За счет уменьшения потери водорода из замедлителя будет достигаться сохранение запаса реактивности и увеличение ресурса работы реактора. Потери водорода из замедлителя можно сделать сколь угодно малыми выбором соответствующего насоса для его перекачки.

На чертеже изображен предлагаемый ядерный реактор.

Ядерный реактор состоит из корпуса 1 с входным 2 и выходным 3 патрубками теплоносителя, активной зоны 4, содержащей элементы 5 замедлителя из гидрида металла, заключенные во внутренние полости 6 дополнительных оболочек 7, оболочку 8 замедлителя, полость 9 между оболочками, каналов 10 для прохода теплоносителя, снабжен насосом 11 для перекачки водорода с всасывающим патрубком 12 и напорными патрубками 13, регулирующими устройствами 14.

Ядерный реактор работает следующим образом. В составе энергетической установки ядерный реактор подключается к контуру теплоносителя установки патрубками 2 и 3 корпуса 1 и является источником энергии. Снятие тепла, вырабатываемого в активной зоне 4, осуществляется прокачкой теплоносителя по каналам 10 циркуляционным насосом установки (на чертеже не изображен, стрелками показаны вход и выход теплоносителя). После выхода на определенный стационарный уровень мощности по высоте активной зоны 4 установится соответствующее этому уровню распределение температуры. В полостях 6 с элементами 5 замедлителя по причине диссоциации гидрида металла установятся величины давления водорода, соответствующие величинам максимальной температуры в них. Дополнительные оболочки 7 будут удерживать внутри себя водород и препятствовать его перетечкам из более нагретой зоны замедлителя (верхняя зона чертеже) в зону менее нагретую (нижняя зона на чертеже). Водород, проникший через дополнительные оболочки 7 в полость 9 между оболочками, ограниченную оболочкой 8 замедлителя, откачивается насосом 11 по всасывающему патрубку 12 и нагнетается по напорным патрубкам 13 через регулирующие устройства 14 обратно внутрь дополнительных оболочек 7.

Сущность изобретения: ядерный реактор, содержащий активную зону с заключенным в оболочку замедлителем нейтронов в виде элементов из гидрида металла, снабжен насосом для перекачки водорода, всасывающий патрубок которого соединен с полостью между оболочкой замедлителя и дополнительными оболочками, установленными с зазором по одной вокруг каждого элемента из гидрида металла, а напорные патрубки через регулирующие устройства соединены с внутренними полостями дополнительных оболочек. 1 ил.

ЯДЕРНЫЙ РЕАКТОР, содержащий активную зону с заключенным в оболочку замедлителем нейтронов в виде элементов из гидрида металла, отличающийся тем, что он снабжен насосом для перекачки водорода, всасывающий патрубок которого соединен с полостью между оболочкой замедлителя и дополнительными оболочками, установленными с зазором по одной вокруг каждого элемента из гидрида металла, а напорные патрубки через регулирующие устройства соединены с внутренними полостями дополнительных оболочек.