ВЕРХНЕЕ ЗАЩИТНОЕ ПЕРЕКРЫТИЕ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА С ЖИДКОМЕТАЛЛИЧЕСКИМ ТЕПЛОНОСИТЕЛЕМ Российский патент 2001 года по МПК G21C13/73 

Изобретение относится к области атомной техники, в частности к конструкции верхних защитных перекрытий ядерных реакторов с жидкометаллическим теплоносителем.

Известна конструкция верхнего защитного перекрытия ядерного реактора с жидкометаллическим теплоносителем, содержащая неподвижное внешнее кольцо, закрепленное на корпусе реактора при помощи фланца, и поворотные пробки. В опорном кольце коаксиально относительно реактора размещена поворотная пробка большого диаметра, в пробке имеется отверстие, эксцентричное по отношению к оси пробки, в котором размещена малая пробка. Пробки имеют опорные узлы и могут вращаться вокруг своих осей. На пробках размешены опоры активной зоны, механизмы управляющих органов и средства наблюдений (см. Патент РФ N 620227, МКИ G 21 C 13/02, 1974 г.)
Недостаток известного технического решения заключается в том, что оно не выполняет функцию теплоизоляционной защиты, так как данная конструкция используется в активной зоне, находящейся в водяной среде с температурой существенно ниже, чем в ядерных реакторах, активная зона которых находится в жидкометаллической среде.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к предлагаемому изобретению является верхнее защитное перекрытие (ВЗП) ядерного реактора с жидкометаллическим теплоносителем, содержащее стационарную часть, выполненную с центральным отверстием, в котором установлена с зазором поворотная пробка большого диаметра, в пробке выполнено с эксцентриситетом отверстие, в нем с зазором размещена поворотная пробка малого диаметра с отверстием для перегрузочной внутриреакторной машины (ПВМ), при этом каждая из поворотных пробок образована крышкой, днищем и двумя коаксиально расположенными внешней и внутренней обечайками, полость между которыми заполнена биологической защитой (см. И.Я.Емельянов, В.И.Михан и др. "Конструирование ядерных реакторов", Москва, Энергоиздат, 1982 г. с. 147-151.).

Внешние обечайки снабжены опорно-поворотными узлами, а биологическая защита выполнена в виде чередующихся слоев засыпки из стали и графита. Герметичность установки пробок на стационарной части верхнего защитного перекрытия обеспечивается замерзающим уплотнением из сплава олово-висмут.

Верхнее защитное перекрытие в процессе работы реактора обеспечивает тепловую и биологическую защиту центрального зала. Пробки работают в среде аргона и паров свинца. Нижняя часть пробок работает при температуре до 550^oC, приводы вращения пробок и электрооборудование привода подъема направляющих труб - при температуре до 45^oC. Температурный перепад по высоте перекрытия составляет ~500^oC.

Недостатки известной конструкции заключаются в следующем:
- большой температурный перепад по высоте верхнего защитного перекрытия ведет к намеренному увеличению толщины пробок, что увеличивает термические напряжения в конструкции и снимает надежность ее эксплуатации,
- сложность выполнения слоистой засыпки, что связано с необходимостью равномерного распределения сыпучего материала в объеме, имеющем большую поверхность (диаметр большой пробки ~6 м).

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является повышение надежности конструкции верхнего защитного перекрытия для ядерного реактора с жидкометаллическим теплоносителем, а также увеличение ресурса работы.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении настоящего изобретения, заключается в том, что организация в ВЗП системы естественной циркуляции обеспечивает непрерывную циркуляцию охлаждающего потока через ВЗП, что позволяет довести температурный перепад по высоте конструкции до ~ 75^oC, в результате чего значительно снижаются термические напряжения в металлоконструкции пробок по их толщине, повышается надежность ВЗП и увеличивается ресурс работы. Кроме того, предлагаемое техническое решение позволяет уменьшить высоту ВЗП, что, в свою очередь, ведет к сокращению внутреннего объема поворотных пробок, сокращению веса конструкции, а для заполнения пробок биологической защитой использовать сплошную засыпку, что упрощает технологию изготовления ВЗП и механизмов привода вращения пробок. Кроме того, использование в ВЗП системы естественной циркуляции позволяет улучшить условия эксплуатации ядерного реактора, не требуя при этом дополнительных энергетических затрат.

Технической результат достигается тем, что в верхнем защитном перекрытый ядерного реактора с жидкометаллическим теплоносителем, содержащим стационарную часть, изготовленную с центральным отверстием, в котором установлена с зазором поворотная пробка большого диаметра, в пробке выполнено с экцентриситетом отверстие, в нем с зазором установлена поворотная пробка малого диаметра с отверстием для перегрузочной внутриреакторной машины, при этом каждая из поворотных пробок образована крышкой, днищем и двумя коаксиально расположенными внешней и внутренней обечайками, полость между которыми заполнена материалом биологической защиты, верхнее защитное перекрытие снабжено системой естественного охлаждения, выполненной в виде большого кольцевого коллектора, расположенного под крышкой поворотной пробки большого диаметра, малого кольцевого коллектора под крышкой поворотной пробки малого диаметра, коллектора, расположенного над днищем поворотной пробки большого диаметра, коллектора над днищем поворотной пробки малого диаметра и каналов, равномерно распределенных по периметру внутри поворотных пробок и соединяющих кольцевые коллекторы с коллекторами над днищем, большой кольцевой коллектор разделен в диаметрально противоположном направлении узлами скользящего уплотнения, закрепленными на стационарной части, на две зоны - приточную и вытяжную, которые соединены с воздухозаборными и вытяжными коробами, равномерно размещенными в стационарной части вокруг поворотной пробки большого диаметра, от большого кольцевого коллектора к малому кольцевому коллектору и через поворотную пробку большого диаметра проходят радиальные каналы, при этом малый кольцевой коллектор разделен вертикальными перегородками на ячейки, к каждой из которых подведен канал поворотной пробки малого диаметра, причем шаг между перегородками в ячейке выбран меньше, чем расстояние между радиальными каналами в малом кольцевом коллекторе, при этом большой кольцевой коллектор образован нишей, выполненной во внешней обечайке поворотной пробки большого диаметра, горизонтальные стенки которой выступают из обечайки в сторону зазора, а также съемным козырьком и кольцевой пластиной, установленными на поверхности центрального отверстия стационарной части и перекрывающими сверху и снизу выступающие концы ниши, малый кольцевой коллектор образован нишей, выполненной во внешней обечайке поворотной пробки малого диаметра, горизонтальные стенки которой выступают из обечайки в сторону зазора, а также съемным козырьком и кольцевой пластиной, закрепленными на поверхности внутренней обечайки поворотной пробки большого диаметра и перекрывающими сверху и снизу зазор, кроме того, вертикальные перегородки ячеек малого кольцевого коллектора закреплены в нише поворотной пробки малого диаметра, а незафиксированные торцы перегородок снабжены уплотнениями, которые касаются внутренней обечайки поворотной пробки большого диаметра, кроме того, в поворотных пробках по краю горизонтальных стенок ниш выполнены кольцевые буртики, контактирующие со съемными козырьками и кольцевыми пластинами, кроме того, на съемном козырьке и кольцевой пластине имеются кольцевые выступы, охватывающие кольцевые буртики на стенках ниши.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 представлено поперечное сечение ВЗП, на фиг. 2 - вид сверху, сечение выполнено по кольцевым коллекторам, на фиг. 3 - фрагмент вертикального разреза большого кольцевого коллектора, на фиг. 4 - фрагмент вертикального разреза малого кольцевого коллектора, на фиг. 5 - фрагмент поперечного сечения малого кольцевого коллектора, на фиг. 6 - схема воздушных потоков системы естественного охлаждения.

Предлагаемое техническое решение выполнено следующим образом.

Верхнее защитное перекрытие ядерного реактора с жидкометаллическим теплоносителем содержит стационарную часть перекрытия 1, выполненную конической формы и закрепленную на корпусе реактора (не показан). В центральном отверстии 2 стационарной части 1 с технологическим зазором размещена поворотная пробка 3 большого диаметра. В отверстии 4 поворотной пробки 3 большого диаметра с технологическим зазором эксцентрично установлена поворотная пробка 5 малого диаметра. В поворотной пробке 5 малого диаметра имеется отверстие 6 для размещения в нем перегрузочной внутриреакторной машины (ПВМ) (не показана). Поворотная пробка 3 большого диаметра состоит из крышки 7, коаксиально расположенных внешней 8 и внутренней 9 обечаек и днища 10. Внешняя обечайка 8 снабжена опорно-поворотным узлом 11 и уплотнением 12, взаимодействующими со стационарной частью 1. Поворотная пробка 5 малого диаметра состоит из крышки 13, коаксиально расположенных внешней 14 и внутренней 15 обечаек и днища 16. Внешняя обечайка 14 снабжена опорно-поворотным узлом 17 и уплотнением 18, взаимодействующими с внутренней обечайкой 9 поворотной пробки 3 большого диаметра. Под крышкой 7 во внешней обечайке 8 поворотной пробки 3 большого диаметра размещена горизонтальная ниша 19, верхняя 20 и нижняя 21 стенки ниши 19 выступают из обечайки 8 в сторону зазора и снабжены кольцевым буртиком 22. Зазор между нишей 19 и стационарной частью 1 сверху закрыт козырьком 23, который выполнен съемным и закреплен на стационарной части 1. По краю козырька 23 снизу имеется вертикальный кольцевой выступ 24, который охватывает верхний кольцевой буртик 22 на верхней стенке 20 ниши 19. Снизу зазор закрыт кольцевой пластиной 24, закрепленной на цилиндрической поверхности отверстия 2 стационарной части 1. Со стороны ниши 19 на кольцевой пластине 25 имеется вертикальный кольцевой выступ 26, который охватывает буртик 22 на нижней стенке 21 ниши 19. Так как зазор между стационарной частью 1 и нишей 19 перекрыт, то в нише поворотной пробки 3 большого диаметра образована замкнутая полость - большой кольцевой коллектор 27. В большом кольцевом коллекторе 27 в диаметрально противоположном направлении размещены два узла скользящего уплотнения 28. Узлы скользящего уплотнения 28, жестко закрепленные на стационарной части 1, перекрывают большой кольцевой коллектор 27 и разделяют его на приточную 29 и вытяжную 30 зоны. В стационарной части 1 вокруг поворотной пробки 3 большого диаметра установлены воздухозаборные 31 и вытяжные 32 короба, соединенные соответственно с приточной 29 и вытяжной 30 зонами большого кольцевого коллектора 27. Вход воздухозаборного короба 31 находится вблизи поверхности стационарной части 1, а выход вытяжного короба 32 находится над перекрытием центрального зала. В поворотной пробке 3 большого диаметра над днищем 10 имеется коллектор 33 для протока воздуха, который соединен с большим кольцевым коллектором 27 каналами 34, проходящими в поворотной пробке 3 большого диаметра параллельно внешней обечайке 8. Под крышкой 13 во внешней обечайке 14 поворотной пробки 5 малого диаметра размещена горизонтальная ниша 35, верхняя 36 и нижняя 37 стенки которой выступают из обечайки 14 в сторону зазора и снабжены кольцевым буртиком 38. Зазор между нишей 35 и внутренней обечайкой 9 поворотной пробки 3 большого диаметра сверху закрыт козырьком 39, который выполнен съемным и закреплен на поворотной пробке 3 большого диаметра. Снизу по краю козырька 39 имеется вертикальный кольцевой выступ 40, который охватывает кольцевой буртик 38 на верхней стенке 36 ниши 35. Снизу зазор между нишей 35 и внутренней обечайкой 9 поворотной пробки 3 большого диаметра закрыт кольцевой пластиной 41, закрепленной на внутренней обечайке 9 поворотной пробки 3 большого диаметра. Со стороны ниши 35 по краю кольцевой пластины 41 имеется вертикальный кольцевой выступ 42, охватывающий кольцевой буртик 38 на верхней стенке 37 ниши 35. Так как зазор между внутренней обечайкой 9 поворотной пробки 3 большого диаметра и нишей 35 перекрыт, то в нише поворотной пробки 5 малого диаметра образована замкнутая полость - малый кольцевой коллектор 43. В поворотной пробке 3 большого диаметра имеются радиальные каналы 44, соединяющие большой 27 и малый 43 кольцевые коллектора. В поворотной пробке 5 малого диаметра над днищем 16 находится коллектор 45, который служит для протока воздуха. Малый кольцевой коллектор 43 разделен вертикальными перегородками 46 на ячейки 47. Вертикальные перегородки 46 закреплены в нише 35, при этом их свободные торцы снабжены уплотнениями 48, которые касаются поверхности внутренней обечайки 9 поворотной пробки 3 большого диаметра, при этом шаг между вертикальными перегородками 46 выбран меньше, чем расстояние между радиальными каналами 44 на внутренней обечайке 9 поворотной пробки 3 большого диаметра. Каждая ячейка 47 малого кольцевого коллектора 43 соединена с нижним коллектором 45 каналами 49, которые проходят в поворотной пробке 5 малого диаметра, параллельно внешней ее обечайке 14. Таким образом, организованные в верхней части поворотных пробок 3 и 5 большой 27 и малый 43 кольцевые коллектора, нижние коллектора 33 и 45 для протока воздуха над днищем в обеих поворотных пробках, каналы 34, 49, радиальные каналы 44, соединяющие верхние кольцевые коллектора, а также воздухозаборные 31 и вытяжные 32 короба, связанные с большим кольцевым коллектором 27, образуют систему естественного охлаждения. Внутренние объемы поворотных пробок 3 и 5 выполнены сыпучей массой, состоящей из серпантиновой галли, картечи и чугунной дроби ( γ = 3,8 т/м) ГОСТ 5.9530-72.

Предлагаемая конструкция функционирует следующим образом.

В процессе работы реактора днища 10 и 16 поворотных пробок 3 и 5 со стороны активной зоны нагреваются до температуры 550^oC. Воздушный поток, температура которого соответствует температуре воздуха в центральном зале, через воздухозаборный короб 31 попадает в большой кольцевой коллектор 27. Из приточной зоны 29 большого кольцевого коллектора 27 по каналам 34 поворотной пробки 3 большого диаметра поток опускается к ее днищу 10 и попадает в коллектор 33. От днища 10 воздушный поток нагревается и по каналам 34, соединенным с вытяжной зоной 30, через большой кольцевой коллектор 27 и вытяжной короб 32 выходит в атмосферу. Одновременно с этим процессом воздушный поток из приточной зоны 29 большого кольцевого коллектора 27 по радиальным каналам 44 поворотной пробки 3 большого диаметра попадает в ячейки 47 малого кольцевого коллектора 43, которые в данный момент расположены напротив указанных каналов 44. По каналам 49 поворотной пробки 5 малого диаметра поток опускается к ее днищу 16 и поступает в коллектор 45. От днища 16 воздушный поток нагревается и по каналам 49 поднимается к тем ячейкам 47 малого кольцевого коллектора 43, которые через радиальные каналы 44 в данный момент времени соединены с вытяжной зоной 30 большого кольцевого коллектора 27. Далее нагретый воздушный поток поступает к вытяжным коробам 32 для выхода в атмосферу.

В случае, когда вращают поворотную пробку 3 большого диаметра, при этом поворотная пробка 5 малого диаметра вращается вместе с поворотной пробкой 3 большого диаметра, кольцевые буртики 22 ниши 19 скользят соответственно по козырьку 23 и кольцевой пластине 25 стационарной части 1, не ограничивая тем самым поворот пробки 3 большого диаметра в ту или иную сторону, а неподвижные узлы скользящего уплотнения 28 скользят внутри большого кольцевого коллектора 27, при этом положение приточной 29 и вытяжной 30 зон в большом кольцевом коллекторе 27 независимо от угла поворота поворотной пробки 3 большого диаметра осталось неизменным. Вместе с поворотной пробкой 3 большого диаметра вращаются и радиальные каналы 44, причем количество радиальных каналов 44, переместившихся из области приточной зоны 29 большого кольцевого коллектора 27 в вытяжную зону 30, равно количеству каналов 44, переместившихся из вытяжной 30 зоны большого кольцевого коллектора 27 в приточную 29. Таким образом, на определенном отрезке большого кольцевого коллектора 27 в радиальных каналах 44 направление воздушного потока меняется на противоположное и соответственно этому в ячейках 47 малого кольцевого коллектора 43, взаимодействующих с радиальными каналами 44, направление воздушного потока также меняется.

В случае, когда поворотная пробка 3 большого диаметра остается неподвижной, а поворотную пробку 5 малого диаметра вращают, происходит перемещение ячеек 47 малого кольцевого коллектора 43 относительно радиальных каналов 44. В момент остановки поворотной пробки 5 малого диаметра прохождение воздушного потока через поворотную пробку 5 малого диаметра осуществляется соответственно направлению потока в каналах 44, с которыми взаимодействуют ячейки 47. Так как шаг между перегородками 46 в ячейках 47 меньше, чем расстояние между радиальными каналами 44 на внутренней обечайке 9, то в каком бы положении поворотная пробка 5 малого диаметра ни остановилась, в промежутке между соседними каналами 44 обязательно окажется вертикальная перегородка 46 с уплотнителем 48, что позволяет исключить перетекание теплоносителя из одного радиального канала 44 в другой, минуя каналы 49 поворотной пробки 5 малого диаметра.

Таким образом, за счет перепада атмосферного давления на притоке и вытяжке, а также благодаря разности температур, возникающей во время работы, в верхнем защитном перекрытии через систему естественного охлаждения постоянно идет циркуляция воздуха. При этом идет процесс поглощения теплового потока от ядерного реактора через газовую подушку к верхнему защитному перекрытию, в результате чего температурный перепад по высоте ВЗП от крышек поворотных пробок до металлических конструкций над нижними коллекторами составляет ~ 75^oC, что значительно снижает термические напряжения в металлоконструкциях поворотных пробок по их толщине, повышает надежность конструкции, увеличивает ресурс работы.

Кроме того, предлагаемое техническое решение позволяет уменьшить высоту ВЗП, что, в свою очередь, ведет к сокращению внутреннего объема поворотных пробок, сокращению веса конструкции, что позволяет упростить механизм вращения пробок, а также позволяет использовать сплошную засыпку биологической защиты, что упрощает технологию изготовления поворотных пробок.

Таким образом, уменьшение температурного перепада в поворотных пробках, снижение термических напряжении повышает надежность предлагаемой конструкции, а также увеличивает ресурс работы.

Использование: в атомной технике для повышения надежности конструкции и увеличения ресурса работы. Сущность изобретения: верхнее защитное перекрытие содержит стационарную часть с центральным отверстием, в котором установлена с зазором поворотная пробка большого диаметра, в которой выполнено с эксцентриситетом отверстие, где с зазором установлена поворотная пробка малого диаметра с отверстием для перегрузочной внутриреакторной машины, при этом каждая из поворотных пробок образована крышкой, днищем и двумя коаксиально расположенными внешней и внутренней обечайками, полость между которыми заполнена материалом биологической защиты. Верхнее защитное перекрытие снабжено системой естественного охлаждения в виде кольцевых коллекторов, расположенных под крышками пробок, коллекторов, расположенных над днищами пробок, и соединяющих их каналов, равномерно распределенных по периметру внутри пробок. 3 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Верхнее защитное перекрытие ядерного реактора с жидкометаллическим теплоносителем, содержащее стационарную часть, выполненную с центральным отверстием, в котором установлена с зазором поворотная пробка большого диаметра, в пробке выполнено с эксцентриситетом отверстие, в нем с зазором установлена поворотная пробка малого диаметра с отверстием для перегрузочной внутриреакторной машины, при этом каждая из поворотных пробок образована крышкой, днищем и двумя коаксиально расположенными внешней и внутренней обечайками, полость между которыми заполнена материалом биологической защиты, отличающееся тем, что верхнее защитное перекрытие снабжено системой естественного охлаждения, выполненной в виде большого кольцевого коллектора, расположенного под крышкой поворотной пробки большого диаметра, малого кольцевого коллектора под крышкой поворотной пробки малого диаметра, коллектора, расположенного над днищем поворотной пробки большого диаметра, коллектора над днищем поворотной пробки малого диаметра и каналов, равномерно распределенных по периметру внутри поворотных пробок и соединяющих кольцевые коллекторы с коллекторами над днищем, большой кольцевой коллектор разделен в диаметрально противоположном направлении узлами скользящего уплотнения, закрепленными на стационарной части, на две зоны: приточную и вытяжную, которые соединены с воздухозаборными и вытяжными коробами, равномерно размещенными в стационарной части вокруг поворотной пробки большого диаметра, от большого кольцевого коллектора к малому кольцевому коллектору через поворотную пробку большего диаметра проходят радиальные каналы, при этом малый кольцевой коллектор разделен вертикальными перегородками на ячейки, к каждой из которых подведен канал поворотной пробки малого диаметра, причем шаг между перегородками в ячейке выбран меньше, чем расстояние между радиальными каналами в малом кольцевом коллекторе, при этом большой кольцевой коллектор образован нишей, выполненной во внешней обечайке поворотной пробки большого диаметра, горизонтальные стенки которой выступают из обечайки в сторону зазора, а также съемным козырьком и кольцевой пластиной, установленными на поверхности центрального отверстия стационарной части и перекрывающими сверху и снизу выступающие концы ниши, малый кольцевой коллектор образован нишей, выполненной во внешней обечайке поворотной пробки малого диаметра, горизонтальные стенки которой выступают из обечайки в сторону зазора, а также съемным козырьком и кольцевой пластиной, закрепленными на поверхности внутренней обечайки поворотной пробки большого диаметра и перекрывающими сверху и снизу зазор. 2. Верхнее защитное перекрытие по п.1, отличающееся тем, что вертикальные перегородки ячеек малого кольцевого коллектора закреплены в нише поворотной пробки малого диаметра, а незафиксированные торцы перегородок снабжены уплотнениями, которые касаются внутренней обечайки поворотной пробки большого диаметра. 3. Верхнее защитное перекрытие по п.1 или 2, отличающееся тем, что в поворотных пробках по краю горизонтальных стенок ниши выполнены кольцевые буртики, контактирующие со съемными козырьками и кольцевыми пластинами. 4. Верхнее защитное перекрытие по п.3, отличающееся тем, что на съемном козырьке и кольцевой пластине имеются выступы, охватывающие кольцевые буртики на стенках ниши.