ЯДЕРНЫЙ РЕАКТОР Российский патент 1999 года по МПК G21C1/01 G21C5/08 H01J45/00 

Изобретение относится к ядерным реакторам и, в частности, к реакторам-преобразователям, используемым в качестве источников электроэнергии в ядерных энергетических установках космических аппаратов.

Наиболее близким техническим решением к заявленному является ядерный реактор с осесимметричной цилиндрической активной зоной, замедлитель и торцевые отражатели которого выполнены в виде дисков с отверстиями с осями, параллельными оси реактора, через которые проходят трубки каналов теплоносителя, заделанные в расположенные за торцевыми отражателями трубные доски (см., например, А.А.Куландин, С.В.Тимашев и др. Основы теории, конструкции и эксплуатации космических ЯЭУ. Ленинград, Энергоатомиздат, 1987, с.196).

Недостатком такого решения является относительно большая пористость замедлителя и торцевых отражателей вследствие необходимости термической развязки узлов реактора (трубок теплоносителя, трубных досок, замедлителя, торцевых отражателей), выполненных из различных материалов и имеющих существенно разные температуры на пусковом и номинальном режимах и режиме расхолаживания. Различные термические расширения трубных досок (вместе с которыми перемещаются центры трубок теплоносителя), замедлителя и торцевых отражателей приводят к различному по величине смещению центров трубок и центров отверстий в замедлителе и торцевых отражателях. В силу этого возможна деформация трубок дисками замедлителя и торцевыми отражателями, которая может приводить как к нарушению условий охлаждения твэлов в реакторе обычного канального типа или электрогенерирующих каналов в термоэмиссионном реакторе-преобразователе, так и к разгерметизации полости теплоносителя, что, в свою очередь, может вызвать нарушение работоспособности реактора. Таким образом, требование обеспечения достаточной термической развязки для конструкции реактора, в которой центры трубок теплоносителя и центры отверстий в замедлителе и торцевых отражателях совпадают, вызывает необходимость увеличения этих отверстий и, следовательно, пористости замедлителя и торцевых отражателей, что имеет своим следствием:
уменьшение запаса реактивности при заданных размерах и загрузке ядерного топлива и, следовательно, уменьшение возможной продолжительности кампании реактора;
увеличение размеров реактора и загрузки ядерного топлива при заданной продолжительности кампании;
ужесточение требований к системе безопасности реактора из-за возрастания положительной реактивности, вносимой в аварийной ситуации, связанной с заполнением активной зоны водой.

Задача, на выполнение которой направлено заявленное изобретение, - уменьшение пористости активной зоны реактора и его торцевых отражателей.

Технический результат - обеспечение термической развязки узлов активной зоны (трубок теплоносителя, трубных досок, дисков замедлителя и торцевых отражателей), достаточной для предотвращения деформации и разрушения каналов теплоносителя, при минимально возможной пористости дисков замедлителя и торцевых отражателей, что повышает запасы реактивности при заданных размерах и загрузке активной зоны, увеличивая, тем самым, продолжительность кампании реактора, и снижает эффекты возрастания реактивности в аварийных ситуациях, связанных с заполнением активной зоны реактора водой.

Этот результат достигается тем, что центры отверстий в дисках замедлителя и торцевых отражателях смешены относительно центров соответствующих трубок каналов теплоносителя по радиусу активной зоны на расстояния, пропорциональные расстоянию центров трубок каналов теплоносителя от центра активной зоны, а величины максимальных хорд увеличиваются в зависимости от расстояния между центром трубок и центром активной зоны по линейному закону. Отверстия в дисках замедлителя и торцевых отражателях в сечениях, перпендикулярных продольной оси реактора, выполнены в виде двух одинаковых полуокружностей, расположенных оппозитно друг другу с центрами, лежащими на одном радиусе активной зоны, и соединенных между собой касательными к этим окружностям, параллельными радиусу, на котором расположены центры полуокружностей.

На чертежах в соответствии с признаками заявленного изобретения представлена конструктивная схема реактора в виде поперечного сечения его активной зоны. На фиг.1 - осесимметричная цилиндрическая активная зона содержит замедлитель в виде диска 1 с круглыми отверстиями 2 с осями, параллельными оси реактора. В отверстиях 2 проходят трубки 3 каналов теплоносителя, заделанные в расположенные за торцевыми отражателями трубные доски. Центры 4 отверстий 2 в замедлителе и торцевых отражателях смещены относительно центров 5 соответствующих трубок каналов теплоносителя по радиусу активной зоны на расстояния ab, пропорциональные расстоянию cd центров 5 трубок 3 от центра 6 активной зоны; а величины ef максимальных хорд (для фиг. 1- диаметров) увеличиваются в зависимости от расстояния между центром 5 трубок 3 и центром 6 активной зоны по линейному закону. На фиг. 2 - отверстия 2 в блоке 1 замедлителя в сечениях, перпендикулярных продольной оси реактора, выполнены в виде двух одинаковых полуокружностей 7, расположенных оппозитно друг другу с центрами 8 и 9, лежащими на одном радиусе активной зоны, и соединенных между собой касательными 10 к этим окружностям, параллельными радиусу, на котором расположены центры полуокружностей.

Предложенное устройство работает следующим образом. В процессе работы реактора на пусковом, номинальном режимах и на режиме расхолаживания относительные смещения компонентов активной зоны происходят в соответствии с величинами коэффициентов линейного термического расширения и разностью температур между трубными досками, дисками замедлителя и торцевыми отражателями. Закон изменения смещений центров отверстий в дисках замедлителя и торцевых отражателях относительно центров соответствующих трубок по радиусу активной зоны имеет вид, ab = k1 cd, а величины максимальных хорд изменяются по закону ef = k2 cd, где k1 и k2 - коэффициенты пропорциональности, величины которых соответствуют максимальным значениям из значений этих коэффициентов, определенных для характерных режимов работы реактора, исходя из разности температур между трубными досками, дисками замедлителя и торцевыми отражателями на этих режимах. Конструкция реактора, выполненная в соответствии с заявленными признаками, обеспечивает то, что относительное смещение трубок теплоносителя, дисков замедлителя и торцевых отражателей происходит в пределах, не вызывающих их взаимного соприкосновения и возможного последующего нарушения условий теплоотвода в реакторе и деформации трубок.

Возможность получения указанного технического эффекта определяется следующими обстоятельствами:
1. Расчетные оценки показывают, что предлагаемое решение по сравнению с прототипом позволит увеличить эффективный коэффициент размножения К_эфф реактора на тепловых нейтронах за счет уменьшения пористости замедлителя и торцевых отражателей в пределах 1... 1,5% в зависимости от типа тепловыделяющего элемента или электрогенерирующего канала и размерности реактора. Кроме того, за счет приближения замедлителя к ядерному топливу ожидается дополнительное увеличение К_эфф, которое составит около + 0,2%.

2. Указанный в предыдущем пункте выигрыш по реактивности составляет значительную долю от необходимых ресурсных запасов реактивности для современных проектов долгоресурсных термоэмиссионных реакторов-преобразователей, оцениваемых в 3...4%, что существенно повышает возможность достижения ресурса работы таких реакторов в 5...7 и более лет.

3. Уменьшение пористости замедлителя и торцевых отражателей по сравнению с прототипом в соответствии с расчетными оценками может снизить положительный эффект реактивности в аварийных ситуациях с заполнением активной зоны водой на величину до 20...25%, что соответствующим образом повышает эффективность системы безопасности реактора.

Использование: в ядерных энергетических установках космических аппаратов. Ядерный реактор содержит замедлитель и торцевые отражатели, выполненные в виде дисков с отверстиями, оси которых параллельны оси реактора, через которые проходят трубки каналов теплоносителя, заделанные в расположенные за отражателями трубные доски. Центры отверстий в замедлителе и отражателях смещены относительно центров соответствующих трубок каналов теплоносителя по радиусу активной зоны на расстояния, пропорциональные расстоянию центров трубок от центра активной зоны, причем максимальные хорды отверстий направлены вдоль радиуса активной зоны, а величины максимальных хорд увеличиваются в зависимости от расстояния между центром трубок и центром активной зоны по линейному закону. В результате уменьшается пористость активной зоны за счет термической развязки узлов активной зоны, достаточной для предотвращения деформации каналов теплоносителя, что увеличивает запас реактивности реактора. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Ядерный реактор, содержащий осесимметричную цилиндрическую активную зону, замедлитель и торцевые отражатели, которые выполнены в виде дисков с отверстиями с осями, параллельными оси реактора, через которые проходят трубки каналов теплоносителя, заделанные в расположенные за торцевыми отражателями трубные доски, отличающийся тем, что центры отверстий в замедлителе и торцевых отражателях смещены относительно центров соответствующих трубок, каналов теплоносителя по радиусу активной зоны на расстояния, пропорциональные расстоянию центров трубок от центра активной зоны, максимальные хорды отверстий направлены вдоль радиуса активной зоны, а величины максимальных хорд увеличиваются в зависимости от расстояния между центром отверстия и центром активной зоны по линейному закону. 2. Ядерный реактор по п.1, отличающийся тем, что отверстия в дисках замедлителя и торцевых отражателях в сечениях, перпендикулярных продольной оси реактора, выполнены в виде двух одинаковых полуокружностей, расположенных оппозитно друг другу с центрами, лежащими на одном радиусе активной зоны, и соединенных между собой касательными к этим окружностям, параллельными радиусу, на котором расположены центры полуокружностей.