ЯДЕРНЫЙ РЕАКТОР ТРАНСПОРТНОЙ УСТАНОВКИ Российский патент 1996 года по МПК G21C5/02 G21D5/00 

Изобретение относится к ядерной технике, а именно к ядерным реакторам транспортных установок, например, космического назначения.

Известен ядерный реактор, содержащий в прочном корпусе активную зону, разделенную на две части, систему охлаждения и органы регулирования (см. авторское свидетельство СССР N 786619, кл. G 21C 1/28, 1979).

Недостатки данного решения возникают главным образом из-за того, что части зоны в реакторе имеют концентрическое расположение и, как следствие этого, активная зона в указанном реакторе имеет значительно большую, чем в "однозонном" реакторе боковую поверхность. Это приводит к росту утечки нейтронов и к необходимости увеличивать как размеры самой зоны, так и всего реактора в целом. К тому же при такой геометрии для регулирования центральной части зоны необходимо использовать органы СУЗ стрежневого типа, из-за которых вертикальный габарит реактора увеличивается в 2 раза. Кроме того, устанавливающиеся в концентрически расположенных частях зоны потоки и спектры нейтронов сильно зависят друг от друга. Это не позволяет создавать подзоны с различными нейтронно-физическими характеристиками, которые могли бы работать на разных режимах. Следует также отметить, что на случай заглушения одной из частей зоны (особенно периферийной) из-за сильного влияния этих частей друг на друга в незаглушенной части зоны запас реактивности должен быть избыточным.

Наиболее близким по своей технической сущности и достигаемому результату к предложенному является ядерный реактор транспортной установки, содержащий расположенную в прочном корпусе активную зону с тепловыделяющими элементами, вокруг которой установлены барабаны управления, и снабженный системами охлаждения и рабочего тела (см. Космические двигатели. М. Мир, 1988, с.338, 339, рис.4.44).

Активная зона ядерного реактора транспортного аппарата должна быть работоспособной как на энергетическом, так и на двигательном режимах. Однако выполнение этого требования не просто обеспечить, т.к. на двигательном режиме рабочие температуры на отдельных участках зоны достигают 3000 К. Поэтому, несмотря на относительно малую долю времени работы активной зоны на двигательном режиме, естественно, что конструктивные решения и подбор материалов активной зоны должны быть обусловлены именно максимальными значениями температур, хотя и очевидно, что создавать зону, которая будет работать на предельном режиме только 3-4 часа из отведенных ей 5-7 лет работы, экономически невыгодно. Кроме того, работа топливных элементов в условиях вакуума и высоких температур приводит к появлению технологических проблем, связанных с необходимостью применения специальных покрытий для предотвращения диффузионного уноса топлива и с введением в состав топлива карбидов тугоплавких металлов. Это не только дорого и технологически сложно, но и влечет за собой увеличение массы загружаемых в активную зону тепловыделяющих элементов, что, в конечном итоге, ведет к росту массогабаритных характеристик как активной зоны, так и всего реактора в целом и во многих случаях, особенно для транспортных установок, бывает совершенно неприемлемо. Необходимо также отметить, что увеличение габаритов реактора ведет к снижению эффективности работы регулирующих барабанов, а потому требует применения дополнительной системы регулирования в виде, например, поглощающих стержней, что снова приводит к увеличению капитальных затрат и массогабаритных характеристик реактора.

Также невыгодно обеспечивать двигательный и энергетический режимы с помощью нескольких ядерных реакторов. И в первую очередь это связано с чрезмерным увеличением массы и размеров транспортного аппарата.

Поэтому технический результат, для достижения которого предназначено предлагаемое изобретение, заключается в удешевлении ядерного реактора и увеличении технологичности его изготовления при одновременной минимизации массогабаритных характеристик как самого ядерного реактора, так и всего транспортного аппарата в целом, в повышении оперативности переходов с одного режима работы транспортной установки на другой режим и в обеспечении возможности одновременного создания двух режимов, в снижении воздействия высоких температур и вакуума на элементы ядерного реактора.

Указанный технический результат достигается за счет того, в ядерном реакторе транспортной установки, содержащем расположенную в прочном корпусе активную зону с тепловыделяющими элементами, вокруг которой установлены барабаны управления, и снабженный системами охлаждения и рабочего тела, подзоны установлены на продольной оси реактора друг за другом, одна из подзон выполнена подкритичной и расположена от другой подзоны на расстоянии, величина которого лежит в диапазоне, максимальное значение которого выбрано из неравенства , где D_а.з диаметр активных зон (м); π число p, равное 3,14; К_эф коэффициент размножения нейтронов в критичной подзоне; P_п вероятность возвращения нейтронов, образовавшихся в критичной подзоне и попавших в подкритичную подзону обратно, а минимальное значение выбрано из системы неравенств

где S плотность нейтронов на торце критической подзоны в энергетическом режиме (м^-3c^-1);
K_∞ коэффициент размножения подкритичной зоны;
P вероятность утечки нейтронов, образовавшихся в критичной подзоне, через зазор между подзонами;
Q_тс допустимая мощность системы теплосъема в подкритичной подзоне в энергетическом режиме (Вт);
K_эф эффективный коэффициент размножения критичной подзоны в заглушенном состоянии;
Σка

макросечение поглощения нейтронов материалом, находящимся между торцами подзон, (м^-1);
Σ_а.топ макросечение поглощения делящегося материала в подкритичной подзоне (м^-1);
ΔK_суз эффективность СУЗ подкритичной подзоны реактора;
Σ_a макросечение поглощения подкритичной подзоны (м_-1);
γ_топ ядерная концентрация делящегося материала подкритичной подзоны (м^-3),
Указанный технический результат достигается также за счет того, что тепловыделяющие элементы критичной подзоны снаряжены топливом, изготовленным на основе высокоплотных по урану сплавов, таких как, например, нитриды или карбонитриды урана, а подкритичная подзона загружена высокотемпературными тепловыделяющими элементами, и, кроме того, за счет того, что подзоны выполнены из блоков твердого замедлителя, между которыми с зазором установлены технологические каналы, заполненные сборками с тепловыделяющими элементами, при этом во входных частях технологических каналов установлены дросселирующие элементы, а на выходах из технологических каналов подкритичной подзоны с высокотемпературными тепловыделяющими элементами установлены сопла Лаваля.

Изобретение поясняется чертежом, на котором изображен продольный разрез ядерного реактора, состоящего из корпуса 1, в котором размещена активная зона, разделенная на две части подзоны 2 и 3, расположенные друг за другом с зазором на одной продольной оси. Подзоны 2 и 3 окружены боковыми 4 и 5 и торцевыми 6 и 7 отражателями. Кроме того, подзона 2 со стороны ближнего к подзоне 3 торца ограничена промежуточным отражателем 8. В ядерном реакторе имеются три системы коллекторов: верхняя 9, нижняя 10 и промежуточная 11. Над верхней системой 9 установлена термическая защита 12, а под нижней системой 10 теневая радиационная защита 13, на которой закреплены приводы 14 систем органов регулирования активных подзон 2 и 3. В подзонах 2 и 3 расположены блоки твердого замедлителя 15, с зазором между которыми установлены технологические каналы 16. В каналы 16 помещены тепловыделяющие сборки 17 с тепловыделяющими элементами 18. На входе технологических каналов 16 установлены дросселирующие устройства 19. Дополнительно технологические каналы 16 подзоны 3 на выходе снабжены соплами Лаваля 20. В боковых отражателях 4 расположены исполнительные органы систем регулирования реактивности подзон 2 и 3 (например, барабанного типа), при этом отражатели 4 пронизаны каналами 22 тракта охлаждения. Каждый барабан имеет сегмент из поглощающего нейтроны материала и выполнен с возможностью независимого вращения вокруг своей оси, т. е. снабжен собственным приводом (на чертеже не показан). В систему верхних коллекторов 9 входят раздающий коллектор 23 охлаждения сопл 20 и технологических каналов 16 подзоны 3 и раздающий коллектор 24 охлаждения верхнего отражателя 7 и блоков замедлителя 15. Система промежуточных коллекторов 11, расположенная в зазоре между подзонами 2 и 3, включает в себя собирающий коллектор 25 охлаждения отражателя 7 и блоков замедлителя подзоны 3, собирающий коллектор 26 охлаждения тепловыделяющих сборок 17 подзоны 3, раздающий коллектор 27 подачи рабочего тела в ТВС 17 подзоны 3, раздающий коллектор 28 подачи рабочего тела к тепловыделяющим сборкам 17 подзоны 2, раздающий коллектор 29 охлаждения ТВС 17 подзоны 2, соединенный байпасом 30 с собирающим коллектором 25 (собирает теплоноситель, охлаждающий блоки замедлителя 15 подзоны 2). В систему нижних коллекторов 10 входит раздающий коллектор 31 охлаждения нижнего 6 и промежуточного 8 торцевых отражателей и блоков замедлителя 15 подзоны 2, собирающий коллектор 32 охлаждения технологических каналов 16 подзоны 2, собирающий коллектор 33 охлаждения ТВС 17 подзоны 2. Собирающий коллектор 33 трубопроводом 34, на котором установлен запорный клапан 35, соединен с раздающим коллектором 27. Система нижних коллекторов 10 расположена в полости 36, образованной между подзоной 2 и радиационной защитой 13. Собирающий коллектор 26 соединен патрубками 37 с раздающим коллектором 28. За теневой защитой 13 расположен ТЭМП тепловой электромашинный преобразователь (на чертеже не указан), соединенный с трубопроводами подачи 38, 39 и отвода 40 контура циркуляции теплоносителя.

Работа предложенного реактора может быть продемонстрирована на примере его использования в космическом аппарате.

При разворачивании космического комплекса на опорной орбите ядерный реактор вначале выводится на энергетический режим работы.

Для этого теплоноситель из ТЭМП по трубе 38 подается в раздающие коллекторы 24 и 31. Из раздающего коллектора 24 теплоноситель направляют в зазоры между блоками замедлителя 15 подзоны 3. Затем теплоноситель попадает в собирающий коллектор 25, а оттуда по байпасу 30 в сборно-раздаточный коллектор 29.

Теплоноситель, поступивший в раздающий коллектор 31, направляется на охлаждение торцевого 6 и промежуточного 8 отражателей, изготовленных, например, из бериллийсодержащих материалов, обладающих высокими замедляющими свойствами, а также на охлаждение блоков замедлителя 15 подзоны 2, попадает в коллектор 29, где смешивается с ранее указанным потоком теплоносителя, выполнив, таким образом, функцию охлаждения основных конструктивных элементов обеих частей активной зоны. В коллектор 29 также поступает основной поток теплоносителя, подаваемый от ТЭМП через трубопровод 39.

Объединенный поток поступает на охлаждение конвекцией через стенки технологических каналов 16 подзоны 2 тепловыделяющих элементов 18. Для упрощения изготовления, снижения количества конструкционных материалов в подзоне 2 и уменьшения ее габаритов тепловыделяющие элементы 18 этой части активной зоны могут быть выполнены без специального покрытия (оболочки) и на основе топливных ураноемких композиций (например, на основе мононитрида урана). Из подзоны 2 теплоноситель собирается в коллекторе 32 и возвращается по трубопроводу 40 в ТЭМП.

В заглушенном состоянии органы регулирования 21 подзон 2 и 3 своими секторами, на которых нанесен слой поглотителя, направлены в сторону подзон 2 и 3 соответственно, поэтому для вывода активной зоны реактора на энергетический уровень мощности после обеспечения циркуляции теплоносителя по системе охлаждения поворачивают органы урегулирования 21 подзоны 2 так, чтобы увеличить расстояние между поглотителем и подзоной 2. В подзоне 2 начинается цепная реакция деления нейтронов, мощность которой по мере удаления поглотителя от подзоны 2 начинает расти.

Когда уровень мощности в подзоне 2 достигнет расчетного значения, его (т. е. уровень мощности) поддерживают с помощью тех же органов регулирования подзоны 2, меняя угол поворота сектора с поглотителем относительно этой подзоны, а генерируемое в подзоне 2 тепло используют в ТЭМП, работающем по термодинамическому циклу Брайтона, для производства электрической энергии.

Поскольку подзоны 2 и 3 установлены на продольной оси реактора друг над другом на расстоянии, которое не меньше величины, выбранной из системы неравенств

где S плотность нейтронов на торце критичной подзоны в энергетическом режиме (м^-3c^-1);
K_∞ коэффициент размножения подкритичной зоны;
P вероятность утечки нейтронов, образовавшихся в критичной подзоне, через зазор между подзонами;
Q_тс допустимая мощность системы теплосъема в подкритичной подзоне в энергетическом режиме (Вт);
K_эф эффективный коэффициент размножения критичной подзоны в заглушенном состоянии;
Σка

макросечение поглощения нейтронов материалом, находящимся между торцами подзон, (м^-1);
Σ_а.топ макросечение поглощения делящегося материала в подкритичной подзоне (м^-1);
ΔK_суз эффективность СУЗ подкритичной подзоны реактора;
Σ_a макросечение поглощения подкритичной подзоны (м^-1);
_топ ядерная концентрация делящегося материала подкритичной подзоны (м^-3),
cвязь по нейтронному потоку подзоны 2 и в находящейся в заглушенном состоянии подзоны 3 настолько слабая, что это позволяет эксплуатировать подзону 2 отдельно от подзоны 3.

Переход реактора с энергетического на двигательный режим осуществляется следующими этапами "шагами".

Рабочее тело (например, водород) из специальной системы подачи, например баков (на чертеже не показаны), через радиационную защиту поступает в полость 36, откуда по каналам 22 поступает сначала в пространство между боковыми отражателями 4 двух частей активной зоны, а затем в раздающий коллектор 23. Из раздающего коллектора 23 РТ направляется для отбора тела конвекцией через стенки технологических каналов 16 от тепловыделяющих элементов 18 и попадает в собирающий коллектор 26, из которого по патрубками 37 поступает в коллектор 28 и, проходя через дроссельные элементы 19, обеспечивающие равномерный расход РТ, раздается по технологическим каналам 16, охлаждая тепловыделяющие сборки 17 подзоны 2. Далее, пройдя каналы, РТ собирается в коллекторе 33. Из коллектора 33 РТ по трубопроводам 34, открывая под действием избыточного давления клапан 35, поступает в коллектор 27, после чего проходит через дроссельные элементы 19 технологических каналов 16 подзоны 3 к ее тепловыделяющим сборкам 17, заполненным, например, высокотемпературными тепловыделяющими элементами 18. Здесь рабочее тело на двигательном режиме может разогреваться до температуры около 3000 К. Из подзоны 3 рабочее тело через сопла Лаваля 20 выбрасывается наружу и создает реактивную тягу транспортной установки.

Для вывода активной зоны реактора на уровень мощности, соответствующий двигательному режиму транспортной установки, органы регулирования подзоны 3 поворачивают поглощающим слоем на некоторый угол от подзоны 3 и сообщают ей положительную реактивность, необходимую для поднятия мощности до промежуточного уровня. Из-за этого в подзоне 2 возникает избыточная реактивность, которую с помощью органов регулирования 21 подзоны 2 компенсируют, поворачивая органы регулирования поглощающим слоем в направление этой части активной зоны. При этом количество таких шагов определяется необходимой скоростью перехода на двигательный режим и требованиями ядерной безопасности.

Поскольку подзона 3 предназначена исключительно для обеспечения двигательного режима и функционирует только совместно с подзоной 2, она выполнена подкритичной и содержит топлива меньше, чем надо для создания в ней критической массы и запаса урана на выгорание. Это позволяет сократить массогабаритные характеристики подзоны 3. При этом для взаимодействия нейтронных потоков активных подзон 2 и 3 реактора и достижения активной зоной в целом состояния критичности их располагают с зазором, величина которого не превышает значения, полученного из неравенства , где D_а.з диаметр активной зоны (м); π число p, равное 3,14; К_эф - коэффициент размножения нейтронов в критичной подзоне; P_п вероятность возвращения нейтронов, образовавшихся в критичной подзоне и попавших в подкритичную подзону обратно.

Переход с двигательного на энергетический режим осуществляют аналогичными "шагами", но в "обратном" направлении: органы регулирования 21 сообщают подзоне 3 отрицательную реактивность и после снятия с нее остаточных тепловыделений отключают систему подачи рабочего тела.

Следует отметить, что данное изобретение позволяет одновременно получить две разные величины мощности, необходимые для электрофикации транспортной установки и для ее перемещения в пространстве, оперативно переходить с одного режима работы на другой режим и с одного уровня мощности на другой уровень мощности благодаря автономности системы рабочего тела и системы охлаждения и слабого влияния отравления подзоны 3 на функционирование реактора в целом.

Кроме того, поскольку подзона 3, в которой на двигательном режиме создается очень жесткий спектр нейтронов, отделена от командного отсека транспортного аппарата, помимо теневой защиты 13 подзоной 2 можно уменьшить толщину биологической защиты перед командным отсеком и, тем самым, дополнительно снизить массогабаритные характеристики всего аппарата в целом.

Заглушение реактора из любого режима осуществляют совместной установкой поглощающих слоев органов регулирования 21 напротив подзон 2 и 3.

Использование: ядерная техника, в частности ядерные реакторы транспортных установок космического назначения. Сущность изобретения: активную зону разделяют на две подзоны и устанавливают их на продольной оси реактора друг за другом, причем одну из подзон выполняют подкритичной и располагают от другой подзоны на расстоянии, величина которого лежит в диапазоне, максимальное значение которого выбрано из неравенства , где D_а.з - диаметр активных зон (м); π - число пи, равно 3,14; К_эф - коэффициент размножения нейтронов в критичной подзоне; P_п - вероятность возвращения нейтронов, образовавшихся в критичной подзоне и попавших в подкритичную подзону обратно, а минимальное значение выбрано из систем неравенств σ>ln[3,2×10^-5×S×K_∞(1-P)/Q_т.с.×(1-K_эф)]/Σкa

;, , где S - плотность нейтронов на торце критичной подзоны в энергетическом режиме (м^-3c^-1); K_∞ - коэффициент размножения подкритичной зоны; P - вероятность утечки нейтронов, образовавшихся в критичной подзоне, через зазор между подзонами; Q_тс - допустимая мощность системы теплосъема в подкритичной подзоне в энергетическом режиме (Вт); К_эф - эффективный коэффициент размножения критичной подзоны в заглушенном состоянии; Σка - макросечение поглощения нейтронов материалом, находящимся между торцами подзон, (м^-1; Σ_а.топ - макросечение поглощения делящегося материала в подкритичной подзоне (м^-1); ΔK_суз - эффективность СУЗ подкритичной подзоны реактора; Σ_a - макросечение поглощения подкритичной подзоны (м^-1); γ_топ - ядерная концентрация делящегося материала подкритичной подзоны (м^-3). Технический результат заключается в удешевлении ядерного реактора и увеличении технологичности его изготовления при одновременной минимизации массогабаритных характеристик как самого ядерного реактора, так и всего транспортного аппарата в целом, в повышении оперативности переходов с одного режима работы транспортной установки на другой режим и в обеспечении возможности одновременного создания двух режимов, в снижении воздействия высоких температур и вакуума на элементы ядерного реактора. 6 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Ядерный реактор транспортной установки, содержащий расположенную в прочном корпусе активную зону с тепловыделяющими элементами, вокруг которой установлены барабаны управления, и снабженный системами охлаждения и рабочего тела, отличающийся тем, что активная зона разделена на две ползоны, установленные на продольной оси реактора одна за другой, одна из подзон выполнена подкритичной и расположена от другой подзоны на расстоянии, величина которого лежит в диапазоне, максимальное значение которого выбрано из неравенства

где D_а.з. диаметр активных зон, м;
К_эф коэффициент размножения нейтронов в критичной подзоне;
Р_п вероятность возвращения нейтронов, образовавшихся в критичной подзоне и попавших в подкритичную подзону обратно,
а минимальное значение выбрано из системы неравенств


где S плотность нейтронов на торце критичной подзоны в энергетическом режиме, м^-3 с^-1;
K_∞ коэффициент размножения подкритичной зоны;
Р вероятность утечки нейтронов, образовавшихся в критичной подзоне, через зазор между подзонами;
Q_т.с. допустимая мощность системы теплосъема в подкритичной подзоне в энергетическом режиме, Вт;
К_эф эффективный коэффициент размножения критичной подзоны в заглушенном состоянии;
Σка

макросечение поглощения нейтронов материалом, находящимся между торцами подзон, м^-1;
Σ_а,топ макросечение поглощения делящегося материала в подкритичной подзоне, м^-1;
ΔK_суз эффективность СУЗ подкритичной подзоны реактора;
Σ_a макросечение поглощения подкритичной подзоны, м^-1;
γ_топ ядерная концентрация делящегося материала подкритичной подзоны, м^-3. 2. Реактор по п. 1, отличающийся тем, что тепловыделяющие элементы критичной подзоны снаряжены топливом, изготовленным на основе высокоплотных по урану сплавов. 3. Реактор по п. 1, отличающийся тем, что подкритичная зона снабжена высокотемпературными тепловыделяющими элементами. 4. Реактор по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что в качестве топлива в критичной подзоне используют нитриды или карбонитриды урана. 5. Реактор по пп. 1 4, отличающийся тем, что подзоны выполнены из блоков твердого замедлителя, между которыми с зазором установлены технологические каналы, заполненные сборками с тепловыделяющими элементами. 6. Реактор по пп. 1 и 5, отличающийся тем, что во входных частях технологических каналов установлены дросселирующие элементы. 7. Реактор по пп. 1, 5 и 6, отличающийся тем, что на выходах из технологических каналов подкритичной подзоны с высокотемпературными тепловыделяющими элементами установлены сопла Лаваля.