ЯДЕРНЫЙ РЕАКТОР ЕРМОЛОВА Российский патент 1994 года по МПК G21C5/00 

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

Известен стойкий к диффузии водорода компонент для реактора на быстрых нейтронах с жидкометаллическим теплоносителем, окруженный этим расплавленным щелочным металлом и водородом, который содержит металлическую стенку из аустенитного, ферритного или обогащенного никелем сплава. Кроме того, этот компонент содержит стойкое к проникновению водорода интерметаллическое алюминидное покрытие из Fe₂Al, FeAl, Fe₃Al₂, Ni₃Al, NiAl, образованное путем диффузии алюминия в поверхность указанной металлической стенки. Алюминидное покрытие поверхности стенки препятствует утечке водорода из замедлителя при работе реактора. Однако удержание водорода в замедлителе при температурах более 600^оС недостаточно эффективно. Недостатком способа удержания водорода в замедлителе реактора путем создания покрытия, препятствующего утечке, также является его пассивность, т.е. на работающем реакторе невозможно устранить утечку водорода через дефект в покрытии, который может образоваться при сборке и эксплуатации реактора.

Известен реактор ядерной энергетической установки "Топаз" (космос 1867). 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 на двенадцать месяцев эксплуатации составило 1,25% Кэфф. 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 являются потери водорода его замедлителем.

Целью изобретения является уменьшение утечки водорода из замедлителя и энергии на его возврат.

Это достигается тем, что в ядерном реакторе, активная зона которого содержит заключенный в оболочку замедлитель нейтронов в виде изделий из гидрида металла, оболочка замедлителя окружена дополнительной оболочкой с зазором между ними и разделена перегородками по границам изделий из гидрида металла на полости, реактор снабжен насосом для перекачки водорода, всасывающий патрубок которого соединен с полостью между оболочками, а напорные патрубки через регулирующие устройства - с полостями, в которых находится замедлитель.

На чертеже изображен предлагаемый ядерный реактор.

Ядерный реактор состоит из корпуса 1 с входным 2 и выходным 3 патрубками теплоносителя, активной зоны 4, содержащей изделия 5 замедлителя из гидрида металла, отделенные друг от друга перегородками 6, заключенные в полости 7, окруженные оболочкой 8 и дополнительной оболочкой 9, полость 10 между оболочками, каналы 11 для прохода теплоносителя, насоса 12 для перекачки водорода с всасывающим патрубком 13, напорными патрубками 14 и регулирующими устройствами 15.

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 вырабатываемого в активной зоне 4 тепла осуществляется прокачкой теплоносителя по каналам 11 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 7 с изделиями 5 из гидрида металла по причине его диссоциации установятся величины давления водорода, соответствующие величинам максимальной температуры в них. Перегородки 6 будут препятствовать диффузии водорода из более нагретой зоны замедлителя (верхняя зона на чертеже) в зону менее нагретую (нижняя зона на чертеже). Водород, проникший из полости 7 через оболочку 8 в полость 10 между оболочками 8 и 9, откачивается насосом 12 по всасывающему патрубку 13 и нагнетается по напорным патрубкам 14 через регулирующие устройства 15 обратно в полости 7.

Уменьшение утечки водорода в предлагаемом реакторе обеспечивается прежде всего тем, что в полости 10 между оболочками 8 и 9 насосом 12 поддерживается низкое давление водорода. Чем меньше будет в ней давление водорода, тем меньше будет его утечка за пределы реактора через оболочку 9 согласно уравнению следующего вида:
I=П·F(-)/d, П=D·S/4, 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 Сивертса.

Уменьшение энергии на возврат водорода в замедлитель достигается тем, что поток возвращаемого водорода распределяется между полостями 7 регулирующими устройствами 15 в зависимости от его выхода из полостей 7. Чем больше из какой-либо полости 7 проникает водорода в полость 10 между оболочками 8 и 9, тем больший поток водорода будет направляться в нее обратно насосом 12 через соответствующее регулирующее устройство 15.

Параметрам, задающим распределение потока водорода, возвращаемого в полости 7, могут служить величины давления диссоциации гидрида в них.

Зависимость давления диссоциации гидрида от температуры описывается уравнением следующего вида:
log₁₀P=-A/T+B, 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 в полостях 7 различных величин давления водорода, равных или больших величин давления диссоциации гидрида в них, в качестве регулирующих устройств 15 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 15 и производительности насоса 12.

Благодаря дифференцированной подачи в полости 7 возвращаемого водорода в активной зоне предлагаемого реактора будет сохраняться исходное распределение его концентраций и, следовательно, исходное распределение энерговыделения по активной зоне.

Преимуществом предлагаемого реактора является то, что потери водорода из замедлителя можно сделать сколь угодно малыми выбором соответствующего насоса для его перекачки, что будет способствовать сохранению запаса реактивности и увеличению ресурса работы реактора.

Сущность изобретения: в реакторе обеспечивается уменьшение утечки водорода из замедлителя за счет поддержания низкого давления водорода между оболочкой замедлителя нейтронов и дополнительной оболочкой, установленной с зазором и разделенной перегородками по границам элементов из гидрида металла на полости, причем водород, проникший в зазор между оболочками, откачивается насосом, всасывающий патрубок которого соединен с полостью между оболочками, и нагнетается по напорным патрубкам через регулирующие устройства в полости, содержащие замедлитель. 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 дополнительной оболочкой, установленной с зазором, а напорные патрубки через регулирующие устройства соединены с полостями, в которых находится замедлитель, образованными перегородками, разделяющими дополнительную оболочку по границам элементов из гидрида металла.