КОРПУС ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА Российский патент 1995 года по МПК G21C13/02 

Изобретение относится к ядерной технике, а более конкретно к конструктивным элементам резервуаров высокого давления.

Известны конструкции корпусов различных ядерных реакторов, которые объединяются одной общей конструктивной особенностью - все они как минимум имеют в своем составе силовую и коррозионностойкую (защитную) оболочки и решают общие задачи: обеспечивают возможность сборки активной зоны (АЗ) и необходимые прочность и герметичность. Так, например, корпус реактора [1] выполнен из предварительно напряженного бетона. Изнутри корпус плакирован стальным листом. Осевые нагрузки создаются продольными предварительно напряженными тросами, напряжение на боковых стенках создается навитым снаружи тросом.

Известен корпус ядерного реактора [2], который состоит из двух сосудов, вставленных один в другой с определенным зазором. Этот зазор вокруг внутреннего сосуда заполняется до заданного уровня теплоизоляционным материалом в твердой фазе.

Известен ядерный реактор [3], который содержит радиальное предохранительное устройство против разрушения резервуаров, состоящее из защитных корпусов, распределенных по защищаемой от разрушения поверхности в окружном направлении и осепараллельно вокруг бака. Кольцевые затяжные органы в виде стальных проволок, кабелей или лент проходят концентрично к продольной оси бака и стягивают защитные корпуса. Радиальные прижимные усилия защитных корпусов получаются вследствие окружного натяжения кольцевых затяжных органов.

Известен ядерный реактор [4], в котором стенка предохранительного резервуара состоит из стального наружного несущего слоя, воспринимающего внутреннее давление бетонного слоя, защищающего от расщепления, и расположенного внутри несущего слоя, а также из изоляционного слоя, образующего воздушный зазор, находящийся между несущим слоем и слоем, защищающим от расщепления.

Все известные аналоги имеют общие недостатки - конструктивную сложность, громоздкость и невозможность вывода излучения реактора через боковую поверхность корпуса реактора.

Некоторых перечисленных недостатков лишены современные раствоpные импульсные ядерные реакторы (РИЯР). Известно, что в качестве топлива в РИЯР применяют соли уранилнитрата или уранилсульфата, растворенные в легкой воде. Такие растворы обладают высокой химической активностью, в связи с чем корпуса таких реакторов изготавливаются из специальных нержавеющих сплавов, например стали 1Х18Н10Т. Известно, что внутри корпуса РИЯР возникают импульсные нагрузки во время генерации импульсов делений за счет инерциального давления в топливном растворе и удара раствора при разлете о крышку корпуса. В связи с тем, что нержавеющая сталь имеет сравнительно невысокие прочностные характеристики (σ_т ≈ 20 кг/мм²), боковые стенки корпуса выполняют толщиной 30-50 мм. В этом случае снижаются радиационные характеристики реактора, уменьшается величина флюенса нейтронов и особенно дозы гамма-квантов за счет поглощения на стали.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к описываемому является корпус ядерного реактора, содержащий тонкостенную металлическую оболочку и навитую на нее многослойную обмотку из предварительно напряженной нити [5].

Однако в известном решении невозможно увеличить дозы gamma<N> -излучения при испытаниях образцов на радиационную стойкость у боковой поверхности корпуса реактора при обеспечении необходимой прочности.

Задачей изобретения является расширение эксплуатационных возможностей ядерного реактора. В результате обеспечивается получение нового технического результата, заключающегося в увеличении дозы gamma<N> -излучения на образцы у боковой поверхности корпуса.

Указанный результат достигается тем, что в корпусе ядерного реактора, содержащем тонкостенную металлическую силовую оболочку и навитую на нее многослойную обмотку из предварительно напряженной нити, обмотка выполнена из полимерного материала и навита на металлическую оболочку с шагом, равным диаметру нити, при этом толщины оболочки и обмотки определены из выражений
≅ []
2 = μ₁+ 1 +
при S₁ = ; [σ₁] = [σ_т]; x = ; y = где Р_а - внутреннее расчетное давление внутри корпуса реактора;
μ₁ - коэффициент Пуассона металла;
Е₁ - модуль Юнга металла;
Е₂ - модуль Юнга волокна (полимерной обмотки);
σ_т - предел текучести;
σ₁ - допустимое напряжение в металле;
а - внутренний радиус силовой оболочки;
b - наружный радиус силовой оболочки;
с - наружный радиус обмотки;
n - коэффициент запаса прочности.

На фиг. 1 представлен корпус ядерного реактора, продольный разрез; на фиг. 2 - корпус ядерного реактора, поперечный разрез.

Корпус 1 содержит (фиг. 1) силовую тонкостенную оболочку 2, выполняющую также функции защитной коррозионностойкой оболочки, многослойную обмотку 3, активную зону 4, устройство регулирования реактивности в реакторе, содержащее регулирующий стержень 5, и механизм 6 регулирования реактивности. Регулирующий стержень содержит поглощающий нейтроны материал. Механизм регулирования реактивности обеспечивает вывод реактора в стартовое состояние перед производством импульса делений.

АЗ находится в корпусе реактора. С помощью устройства 6 регулирования реактивности реактор выводится в стартовое состояние. Генерация импульсов делений осуществляется путем быстрого извлечения стержня 5 из АЗ со скоростью ≈10 м/с. В процессе развития импульса делений в АЗ возникает инерциальное давление, воздействующее изнутри на стенки корпуса реактора. Время воздействия составляет 1 мс. Определение оптимальной толщины металлической стенки корпуса реактора и толщины намотки производится в следующих условиях: когда верхнее и нижнее основания достаточно надежны, в АЗ выделяется энергия 1 МДж/л; вся энергия переходит только в механическую Р=1000 атм.

Рассмотрим сечение корпуса реактора, фиг. 2. Внутренний радиус а известен из условия задачи. Внешний радиус корпуса b и внешний радиус обмотки с неизвестны и должны быть найдены так, чтобы при максимальном давлении Р_а внутри цилиндра не возникли пластические деформации ни в корпусе, ни в обмотке. Увеличивая размеры b и с, нужно снизить напряжения внутри корпуса и обмотки так, чтобы эти напряжения не выходили из упругой области. Толщина металлической стенки должна быть при этом наименьшей из возможных.

Пусть Е₁, μ₁ - модуль Юнга и коэффициент Пуассона металлического корпуса, Е₂ - модуль упругости волокна, [σ₁] - допустимые напряжения в металле, [σ₂] - допустимые напряжения волокна. Так как обмотка не имеет связующего, ее коэффициент Пуассона μ₁ равен нулю. Механические свойства металла и волокна рассматриваются при 100^оС.

При импульсном возрастании давления внутри цилиндра до величины Р_ана стыке корпуса и обмотки возникает напряжение Р_b. Величина Р_b зависит от соотношения радиусов а, b, с, поэтому заранее неизвестна. Рассмотрим решение задачи Ламе для металлического корпуса и оболочки из волокна. Корпус рассматриваем как закрытый цилиндр с внутренним давлением Р_а и внешним давлением на боковой поверхности Р_b. Оболочка представляет собой открытый цилиндр с внутренним давлением Р_b. Внешнее давление Р_с равно нулю. На корпус и оболочку действуют σ_r - радиальное, σ_о - окружное и σ_z - осевое напряжения, r - произвольный радиус сечения.

Напряжения в корпусе
σ_o = +
σ_r = -
σ_z = a ≅ r ≅ b
Напряжения в оболочке
σ_o = +
σ_r = -
σ_z=0; b ≅ r ≅ c.

Введением обозначения
x = ; y = ; z = .

Используя обобщенный закон Гука, найдем окружные деформации ε₁ в корпусе и ε₂ в оболочке при r=b:
E₁·ε₁=σ_o-μ₁(σ_r+σ_z) =
E₂ε₂=σ_o=P
Условие совместимости деформаций на стыке корпуса и обмотки примет следующий вид:
= (1)
Наиболее опасными являются напряжения на внутренней стенке корпуса при r= a и на внутренней поверхности оболочки при r=b. Для выбора критерия прочности рассмотрим интенсивность напряжений
σ_i= и касательные напряжения в опасных точках корпуса и оболочки.

Касательные напряжения в корпусе при r=a
τ₁=σ_o-σ_r=2P_a(1-z)
τ₂=σ_z-σ_r=P_a
τ₃=σ_o-σ_z=P_a
Интенсивность напряжений в корпусе при r=a
σ_i =
Анализируя напряжения τ_1, τ₂, τ₃, σ, получим, что наибольшим из них является τ₁. Условие прочности корпуса при минимальной толщине стенки примет вид
2(1-z) = = S₁ (2)
Аналогично исследуем напряжения для оболочки при r=b:
σ_o-σ_r=2P_az σ_z-σ_r=zP_a;
σ_o-σ_z=zP_a
σ_i=zP
Условие работы оболочки в области упругих деформаций следующее:
2z = ≅ = S₂ (3)
И, наконец, учитывая суммарное действие корпуса и оболочки, запишем напряжения в наиболее опасных внутренних точках корпуса
σ_o=P_a σ_r=-P_a;
σ_z=P_a
Для условия прочности используем максимальное касательное напряжение
σ_o-σ_r=P_a ≅ [σ₁] (4)
или интенсивность напряжений
σ_i = ≅ [σ₁] (5)
Для проведения дальнейших расчетов исключим параметр z в формуле (1), используя выражение (2). В результате получим соотношение между неизвестными х и у
2 = μ₁+ 1 + (6)
Исключив z в критерии прочности (3), получим
+ ≅ - 1
Результаты расчетов показывают, что в заданном диапазоне изменения х и у при S₂>S₁ критерий (4) сильнее, чем критерий (3). Анализ показывает также, что условие (5) является более общим, чем условие (4). Таким образом, решение задачи об оптимальной толщине корпуса и обмотки должно осуществляться по формулам (5) и (6).

Сущность изобретения: корпус реактора содержит металлическую силовую тонкостенную оболочку с функциями защитной (антикоррозионной) оболочки и многослойную обмотку, расположенную на наружной поверхности силовой оболочки, выполненную из полимерного материала. Обмотка представляет собой предварительно напряженную нить, навитую на оболочку с шагом, равным диаметру нити. Толщина оболочки и нити выбраны из соотношений, взаимосвязывающих давление внутри корпуса с характеристиками материалов оболочки и обмотки. 2 ил.

КОРПУС ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА, содержащий тонкостенную металлическую силовую оболочку и навитую на нее многослойную обмотку из предварительно напряженной нити, отличающийся тем, что обмотка выполнена из полимерного материала и навита на силовую оболочку с шагом, равным диаметру нити, при этом толщины оболочки и обмотки определены из уравнений



где P_а - внутреннее расчетное давление внутри корпуса реактора;
μ₁ - коэффициент Пуассона металла;
E₁ - модуль Юнга металла;
E₂ - модуль Юнга материала обмотки;
σ_т - предел текучести;
σ₁ - допустимое напряжение в металле;
a - внутренний радиус силовой оболочки;
b - наружный радиус силовой оболочки;
c - наружный радиус обмотки ;
n - коэффициент запаса прочности.