ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИСПАРИТЕЛЬНО-ПАРОПЕРЕГРЕВАТЕЛЬНЫЙ КАНАЛ ПРЯМОТОЧНОГО ВОДО-ВОДЯНОГО ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА Российский патент 1998 года по МПК G21C3/00 G21C3/30 G21C3/32 

Изобретение относится к ядерной технике, а более конкретно к технологическим испарительно-пароперегревательным каналам прямоточного водо-водяного ядерного реактора.

Известен технологический испарительно-пароперегревательный канал водо-водяного ядерного реактора, содержащий цилиндрический корпус с входом для воды и выходом для перегретого пара, кольцевые тепловыделяющие элементы, установленные в корпусе концентрично и с зазором относительно друг друга. Экономайзерно- испарительная зона канала образована пространством между корпусом канала и наружными поверхностями кольцевых тепловыделяющих элементов. Пароперегревательная зона образована зазорами между кольцевыми тепловыделяющими элементами. Тепловыделяющие элементы установлены между верхней и нижней опорными решетками. Коллектор насыщенного пара расположен над верхней решеткой, а коллектор перегретого пара расположен под нижней решеткой. Вход для воды выполнен в виде окон, расположенных в нижней части канала над нижней решеткой, а выход для перегретого пара расположен в нижней части канала под коллектором перегретого пара. В верхней части корпуса канала над коллектором насыщенного пара расположен сепаратор пара. (Ушаков Г.Н. Технологические каналы и тепловыделяющие элементы ядерных реакторов. М.: Энергоиздат, 1981, с.109, рис.2.16).

Известный канал работает следующим образом. Теплоноситель (вода) через вход поступает в экономайзерно-испарительную зону, где нагреваются до кипения и в виде пароводяной смеси поступает в сепаратор пара, где пар отделяется от воды и поступает в коллектор насыщенного пара, а отсепарированная вода из сепаратора в смеси с водой, поступающей со входа, подается в экономайзерно-испарительную зону. Из коллектора насыщенного пара пар поступает сверху вниз в пароперегревательную зону, где перегревается до рабочей температуры и выходит в коллектор перегретого пара.

Недостатком известного канала является перегрев стенки верхней части корпуса канала за счет непосредственного ее контакта с насыщенным паром. При этом стенки канала нагреваются до температуры, превышающей температуру парообразования, и теплоноситель, омывающий наружные стенки канала, может закипеть. При закипании теплоносителя на наружной стенке корпуса канала образуются паровые пузыри, которые вытесняют часть теплоносителя-замедлителя и попадают в канал, уменьшая тем самым количество теплоносителя - замедлителя в канале, что приводит к нарушению физического процесса в реакторе, а при быстроменяющейся во времени массы замедлителя в зоне делает этот процесс неустойчивым.

Кроме того, недостатком известного канала является неравномерность и нестабильность теплосъема с тепловыделяющих элементов по периметру экономайзерно-испарительной зоны при отличающемся от вертикального расположения канала в ядерном реакторе. Это объясняется тем, что в экономайзерно-испарительной зоне канала присутствует двухфазный теплоноситель, который будет в этом случае расслаиваться на пар и воду, что приведет к охлаждению тепловыделяющих элементов однофазным теплоносителем, например, только водой или только паром и, как следствие, к нарушению равномерности и стабильности теплосъема по периметру экономайзерно-испарительной зоны.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к изобретению является технологический испарительно-пароперегревательный канал водо-водяного ядерного реактора BONUS, содержащий корпус квадратного сечения с входом для воды и выходом для перегретого пара, четыре тепловыделяющих элемента, установленные в корпусе параллельно его оси и образующие экономайзерно-испарительную и пароперегревательную зоны. Тепловыделяющие элементы закреплены в нижней решетке и в верхней распределительной головке. Тепловыделяющий элемент выполнен в виде набора топливных блочков, заключенных в оболочку, и в нем выполнены семь сквозных отверстий, в которых установлены трубки для прохода пара (четыре опускных и три подъемных). Экономайзерно-испарительная зона канала ограничена корпусом канала и наружным поверхностями тепловыделяющих элементов, а пароперегревательная зона - внутренней поверхностью сквозных отверстий тепловыделяющих элементов. Экономайзерно-испарительная и пароперегревательная зоны гидравлически соединены между собой. Вход для воды расположен в нижней части корпуса канала, а выход для перегретого пара - в верхней части (Ушаков Г.Н. Технологические каналы и тепловыделяющие элементы ядерных реакторов. М.: Энергоиздат, 1981, с.110-112, рис.2.18).

Известный технологический канал работает следующим образом. Теплоноситель (вода) из корпуса ядерного реактора поступает снизу в канал через вход и поднимает вверх по экономайзерно-испарительной зоне, смывая наружную поверхность тепловыделяющих элементов и нагреваясь до состояния насыщенного пара. Насыщенный пар поступает в верхнюю распределительную головку, из которой опускается вниз по опускным трубкам пароперегревательной зоны, где дополнительно подогревается от тепловыделяющих элементов и поступает в виде насыщенного и слабоперегретого пара в подъемные трубки пароперегревательной зоны, далее поднимается вверх, нагреваясь от тепловыделяющих элементов до состояния перегретого пара. Перегретый пар поступает на выход для перегретого пара.

Недостатком известного канала является перегрев стенки верхней части корпуса канала до температуры выше температуры кипения, и теплоноситель, смывающий наружные стенки канала, может закипеть. При закипании теплоносителя на наружной стенке корпуса канала образуются паровые пузыри, которые вытесняют часть теплоносителя-замедлителя и попадают в канал, уменьшая тем самым количество теплоносителя - замедлителя в канале, что приводит к нарушению физического процесса в реакторе, а при быстро меняющейся во времени массы замедлителя в зоне делает этот процесс неустойчивым.

Кроме того, недостатком известного канала является неравномерность и нестабильность теплосъема с тепловыделяющих элементов по периметру экономайзерно-испарительной зоны при отличающемся от вертикального расположения канала в ядерном реакторе. Это объясняется тем, что в экономайзерно-испарительной зоне канала присутствует двухфазный теплоноситель, который будет в этом случае расслаиваться на пар и воду, что приведет к охлаждению тепловыделяющих элементов однофазным теплоносителем, например, только водой или только паром и, как следствие, к нарушению равномерности и стабильности теплосъема по периметру экономайзерно-испарительной зоны.

Кроме того, в случае расслоения теплоносителя на входы в одни опускные трубы может попасть пар, а в другие - пароводяная смесь, что приведет к неодинаковым условиям работы по расходам и температуре, а также к пульсирующему режиму отдельных из них и к снижению допустимой мощности и надежности канала.

Задачей настоящего изобретения является создание технологического испарительно-пароперегревательного канала, который позволяет обеспечить работу в прямоточном водо-водяном реакторе с большими запасами до кризиса теплообмена, т.е. повысить надежность.

Технический результат настоящего изобретения заключается в уменьшении скачка температуры при переходе от докризисного кипения к закризисному конвективному теплообмену и в исключении закипания воды - замедлителя, омывающей наружные стенки корпуса канала, за счет уменьшения (вплоть до "чистого") коэффициента теплопроводности теплоносителя, находящегося в кольцевых зазорах между экономайзерно-испарительной и пароперегревательной зонами канала, между корпусом канала и экономайзерно-испарительной зоной путем обеспечения стабильности однофазного, без фазовых переходов, состояния теплоносителя в кольцевых зазорах.

Стабильность состояния теплоносителя в кольцевых зазорах обеспечивается тем, что:
в кольцевом зазоре между корпусом канала и экономайзерно-испарительной зоной постоянно находится теплоноситель - вода с самым высоким давлением по тракту теплоносителя, которому соответствует наибольшая температура насыщения, при этом теплоноситель - вода граничит с одной стороны со стенками корпуса канала, которые омывает замедлитель - вода с более низкой температурой, а с другой стороны с экономайзерно-испарительной зоной, в которой давление теплоносителя, а, следовательно, температура кипения ниже, что полностью исключает возможность закипания теплоносителя в упомянутом кольцевом зазоре, т.е. сохраняется однофазность его состояния;
в кольцевом зазоре между экономайзерно-испарительной и пароперегревательной зонами постоянно находится теплоноситель с наименьшим по тракту давлением, равным давлению на выходе из канала, и с наименьшей температурой насыщения, соответствующей температуре насыщения на выходе из канала, при этом в соседней с зазором пароперегревательной зоне температура теплоносителя - пара выше насыщенной, а температура пароводяной смеси в испарительной части экономайзерно-испарительной зоны также выше, т.к. смесь находится при более высоком давлении, что обеспечивает постоянство паровой фазы теплоносителя (сухой пар) в упомянутом кольцевом зазоре.

Кроме того, стабильность состояния теплоносителя дополнительно обеспечивается тем, что в кольцевом зазоре между соседними парами обечаек экономайзерно-испарительной зоны постоянно находится теплоноситель - вода с давлением, равным давлению на входе в кольцевое пространство с тепловыделяющими элементами, с режимом испарения, и с температурой насыщения, выше или равной температуре кипения теплоносителя в самом испарительном кольцевом пространстве, что исключает возможность закипания теплоносителя в упомянутом кольцевом зазоре, т.е. сохраняется однофазность его состояния.

Кроме того, дополнительным техническим результатом изобретения является равномерный и стабильный теплосъем с тепловыделяющих элементов по периметру экономайзерно-испарительной зоны при отличающемся от вертикального расположения канала в реакторе путем ограничения зоны возможного расслоения двухфазного теплоносителя на пар и воду. Это достигается тем, что на входе в кольцевое пространство с тепловыделяющими элементами, которое ограничено парой обечаек, теплоноситель (горячая вода) разделяется на отдельные, изолированные друг от друга, потоки в виде секторов. Теплоноситель, разбитый на отдельные секторы, проходя по кольцевой испарительной зоне, нагревается от тепловыделяющих элементов с образованием пара. При этом двухфазный теплоноситель под действием гравитации расслаивается на пар и воду, но при этом расслоение теплоносителя происходит в небольшом ограниченном пространстве, что не приводит к охлаждению тепловыделяющих элементов однофазным теплоносителем, например, только водой или паром и к нарушению равномерного теплосъема по периметру испарительной зоны.

Технический результат настоящего изобретения достигается тем, что известный технологический канал водо-водяного ядерного реактора, содержащий корпус с входом для воды и выходом для перегретого пара и установленные в корпусе параллельно его оси тепловыделяющие элементы, образующие испарительную и пароперегревательную зоны, которые гидравлически последовательно соединены между собой и с входом для воды и выходом для перегретого пара, соответственно,
содержит нечетное число, по крайней мере, три обечайки, которые установлены внутри корпуса концентрично и с кольцевыми зазорами относительно друг друга и корпуса, при этом тепловыделяющие элементы пароперегревательной зоны расположены в первой центральной обечайки, а тепловыделяющие элементы экономайзерно-испарительной зоны расположены между каждой парой последующих обечаек, при этом кольцевой зазор между корпусом и ближайшей к ней обечайкой экономайзерно-испарительной зоны соединены с входом для воды, а кольцевой зазор между центральной обечайкой паро-перегревательной зоны и ближайшей к ней обечайкой экономайзерно-испарительной зоны соединены с выходом для перегретого пара.

Кроме этого, кольцевой зазор между соседними парами обечаек экономайзерно-испарительной зоны гидравлически соединены с выходом из предыдущего кольцевого пространства между парой обечаек и с входом в последующее кольцевое пространство между парой обечаек.

Кроме того, экономайзерно-испарительная зона содержит продольные перегородки, которые установлены по радиусу между парами обечаек с разделением кольцевого пространства между ними на секторы.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показан технологический канал водо-водяного ядерного реактора с экономайзерно-испарительной зоной в виде двух кольцевых зон (продольный разрез); на фиг.2 показан его поперечный разрез; на фиг.3 изображен технологический канал водо-водяного ядерного реактора с экономайзерно-испарительной зоной в виде одной кольцевой зоны (продольный разрез); на фиг.4 показан его поперечный разрез.

Технологический канал содержит корпус 1, выполненный в виде цилиндрической емкости, с входом 2 для воды и выходом 3 для перегретого пара, стержневые тепловыделяющие элементы 4, установленные в корпусе параллельно его оси и образующие экономайзерно-испарительную зону 5 и пароперегревательную зону 6, которые гидравлически соединены между собой. Экономайзерно-испарительная зона 5 гидравлически последовательно соединены с входом 2 для воды, а пароперегревательная зона 6 гидравлически последовательно соединена с выходом 3 для перегретого пара. В корпусе 1 концентрично корпусу и друг другу установлены тонкостенные обечайки 7, 8, 9, 10, 11. Тепловыделяющие элементы 4 пароперегревательной зоны 6 размещены в виде шестигранного пучка в первой центральной обечайке 7. Тепловыделяющие элементы 4 экономайзерно-испарительной зоны 5 расположены в кольцевом пространстве 12 между второй обечайкой 8 и третьей обечайкой 9 и в кольцевом пространстве 13 между четвертой обечайкой 10 и пятой обечайкой 11. Между обечайкой 7 пароперегревательной зоны 6 и обечайкой 8 экономайзерно-испарительной зоны 5 образован кольцевой зазор 14, который гидравлически соединен с выходом 3 для перегретого пара. Между обечайками 9 и 10 экономайзерно-испарительной зоны 5 образован кольцевой зазор 15, который гидравлически соединен с выходом из кольцевого пространства 13 и с входом в кольцевое пространство 12. Между обечайкой 11 экономайзерно-испарительной зоны 5 и корпусом 1 образован кольцевой зазор 16, который гидравлически соединен с входом 2 для воды. Между обечайками 8, 9 и обечайками 10, 11 экономайзерно-испарительной зоны 5 установлены продольные перегородки 17, которые разделяют кольцевые пространства 12, 13 на сектора. Со стороны выхода 3 установлена разделительная перегородка 18, которая размещена на обечайке 8 ( или является ее продолжением) и соединена с корпусом 1. Разделительная перегородка 18 отделяет выход 3 для перегретого пара от экономайзерно-испарительной зоны 5. На входе 2 для воды установлен дроссель 19.

Технологический канал работает следующим образом.

На вход 2 поступает теплоноситель - вода, который сначала проходит через дроссель 19, где происходит потеря давления теплоносителя и далее поступает на вход в кольцевое пространство 13 экономайзерно-испарительной зоны 5. Одновременно теплоноситель - вода заполняет кольцевой зазор 16. На входе в кольцевое пространство 13 экономайзерно-испарительной зоны 5 поток теплоносителя разделяется продольными перегородками 17 на отдельные потоки в виде секторов. Пройдя кольцевое пространство 13, теплоноситель нагревается до двухфазного состояния и поступает на вход в кольцевое пространство 12, где теплоноситель также разделяется на отдельные потоки в виде секторов. Проходя через кольцевое пространство 12 экономайзерно-испарительной зоны 5, теплоноситель нагревается от выделяющих элементов 4 и превращается в пар. Теплоноситель в виде пара выходит из кольцевого пространства 12 экономайзерно-испарительной зоны 5 и поступает на вход в пароперегревательную зону 6. При прохождении вдоль тепловыделяющих элементов 4 пароперегревательной зоны 6 теплоноситель в виде пара нагревается до рабочей температуры и поступает на выход 3.

Сущность изобретения: между экономайзерно-испарительной зоной и корпусом канала, а также между пароперегревательной зоной и экономайзерно-испарительной зоной выполнены кольцевые зазоры, в которых стабильно обеспечивается нахождение однофазного теплоносителя. Для этого в корпусе канала, имеющего вход для воды и выход для пара, образованы экономайзерно-испарительная и пароперегревательная зона, которые гидравлически последовательно соединены между чобой, а также с входом и выходом теплоносителя. При этом эти зоны отделены друг от друга и от корпуса канала кольцевыми зазорами, образованными нечетным количеством концентрически расположенных обечаек, по крайней мере, тремя. При этом тепловыделяющие элементы пароперегревательной зоны расположены во внутренней центральной обечайке, а тепловыделяющие элементы экономайзерно-испарительной зоны между каждой парой последующих наружных обечаек. 2 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Технологический канал водо-водяного ядерного реактора, содержащий корпус с входом для воды и выходом для перегретого пара и установленные в корпусе параллельно его оси тепловыделяющие элементы, образующие экономайзерно-испарительную и пароперегревательную зоны, которые гидравлически последовательно соединены между собой и с входом и выходом соответственно, отличающийся тем, что он содержит нечетное число обечаек, по крайней мере, три, которые установлены внутри корпуса концентрично и с кольцевыми зазорами относительно друг друга и корпуса, при этом тепловыделяющие элементы пароперегревательной зоны расположены в первой центральной обечайке, а тепловыделяющие элементы экономайзерно-испарительной зоны расположены между каждой парой последующих обечаек, при этом кольцевой зазор между корпусом и ближайшей к нему обечайкой экономайзерно-испарительной зоны соединен с входом для воды, а кольцевой зазор между центральной обечайкой пароперегревательной зоны и ближайшей к ней обечайкой экономайзерно-испарительной зоны соединен с выходом для перегретого пара. 2. Канал по п.1, отличающийся тем, что кольцевой зазор между соседними парами обечаек экономайзерно-испарительной зоны гидравлически соединен с выходом из предыдущего кольцевого пространства между парой обечаек и с входом в последующее кольцевое пространство между парой обечаек. 3. Канал по п.1 или по пп.1 и 2, отличающийся тем, что экономайзерно-испарительная зона содержит продольные перегородки, которые установлены по радиусу между парами обечаек с разделением кольцевого пространства между ними на секторы.