ЯДЕРНЫЙ РЕАКТОР Российский патент 2004 года по МПК G21C1/07 G21C3/07 

Изобретение относится к области атомной энергетики и может быть использовано в кипящих ядерных реакторах или в прямоточных ядерных реакторах с перегревом пара.

Известен ядерный реактор, содержащий тепловыделяющие сборки, каждая из которых имеет перфорированный чехол, внутри которого размещены засыпка из микротвэлов и продольные направляющие трубы для органов регулирования, причем засыпка микротвэлов разделена посредством перфорированных перегородок на установленные одна над другой секции, каждая из которых подключена к входному и выходному коллекторам теплоносителя (см. FR 2807563 А1, М. кл. 7 G 21 C 3/07, 12.10.01).

В таком ядерном реакторе входной коллектор каждой тепловыделяющей сборки выполнен с сужающимся проходным сечением для теплоносителя. Это обеспечивает наименьшую неравномерность раздачи теплоносителя по высоте засыпки микротвэлов и минимальные потери давления в коллекторе. Однако из-за больших поперечных размеров полости теплоносителя в раздающем коллекторе возможен всплеск нейтронного потока и соответственно большие потери нейтронов.

Кроме того, поперечные перегородки, которые разделяют засыпку на секции, хотя и повышают жесткость чехла, но при этом существенно усложняют перегрузку микротвэлов.

К настоящему изобретению наиболее близким техническим решением из известных является ядерный реактор, содержащий тепловыделяющие сборки, каждая из которых выполнена в виде свободной засыпки из микротвэлов внутри вертикального чехла с нижним, средним и верхним перфорированными участками, нижний из которых имеет вид усеченной пирамиды и его полость подключена к входному коллектору теплоносителя, причем внутри чехла продольно установлены направляющие трубы для органов регулирования, равномерно распределенные по поперечному сечению чехла (см. Пономарев-Степной Н.Н. и др. Перспективы применения микротвэлов в ВВЭР - Атомная энергия, т.86, вып.6, июнь 1999 г.).

В таком ядерном реакторе тепловыделяющие сборки не имеют поперечных перегородок внутри чехлов, жесткость последних обеспечивается внутренними пространственными элементами, что упрощает перегрузку микротвэлов.

В таком ядерном реакторе в кипящем режиме работы или в прямоточном режиме с перегревом пара тепловыделяющие сборки имеют большую неравномерность энерговыделения и большую теплогидравлическую неравномерность.

Неравномерность энерговыделения связана, во-первых, с перегрузкой топлива. Сборку с выгоревшими микротвэлами демонтируют, а на ее место устанавливают сборку со “свежими” микротвэлами или маловыгоревшую сборку из периферии активной зоны этого реактора. После перегрузки энерговыделение в только что загруженной сборке намного превышает энерговыделение в сборках, не замененных в последнюю перегрузку. Это так называемый эффект “свежей” сборки. Отсюда искривление эпюры энерговыделения по поперечному сечению активной зоны ядерного реактора.

Другая неравномерность связана с тем, что для кипящих реакторов и тем более для реакторов с перегревом пара характерен сильный спад мощности на выходе активной зоны в связи с уменьшением плотности теплоносителя-замедлителя.

Третья неравномерность энерговыделения связана с тем, что микротвэлы в засыпке находятся в различных условиях: одни расположены в центре неподвижной засыпки, другие - на периферии сборки, у ее чехла или в непосредственной близости от направляющих труб органов регулирования, по которым течет относительно холодный теплоноситель.

К неравномерности энерговыделения в тепловыделяющих сборках ядерного реактора прибавляется теплогидравлическая неравномерность. Дело в том, что для прямоточного реактора с перегревом пара характерно очень большое приращение энтальпии в активной зоне и соответственно очень высокая чувствительность к неравномерности энерговыделения и к различным гидравлическим сопротивлениям параллельных трактов для теплоносителя в засыпке микротвэлов. В результате этого максимальная температура теплоносителя и микротвэлов в “горячих струях” может существенно превышать (на сотни градусов) номинальную среднесмешанную температуру и может оказаться выше допустимой температуры. Тогда защитные оболочки микротвэлов не смогут удержать продукты деления внутри себя из-за повышенной скорости коррозии в паре высокой температуры. Чтобы этого не случилось, снижают температуру теплоносителя на выходе реактора. При этом ухудшаются его технико-экономические показатели.

Таким образом, недостатком ядерного реактора, принятого в заявке в качестве прототипа, является его низкие технико-экономические показатели.

Технической задачей изобретения является повышение технико-экономических показателей ядерного реактора.

В ядерном реакторе, содержащем тепловыделяющие сборки, каждая из которых выполнена в виде свободной засыпки из микротвэлов внутри вертикального чехла с нижним, средним и верхним перфорированными участками, нижний из которых имеет вид усеченной пирамиды и его полость подключена к входному коллектору теплоносителя, причем внутри чехла продольно установлены направляющие трубы для органов регулирования, равномерно распределенные по поперечному сечению чехла, поставленная техническая задача решается тем, что каждая тепловыделяющая сборка снабжена подводящим и отводящим шаропроводами для непрерывной перегрузки микротвэлов, а также по меньшей мере одним промежуточным коллектором для теплоносителя, причем подводящий шаропровод подключен к верхней части полости верхнего участка чехла, отводящий шаропровод выполнен с отсекающим устройством и подсоединен к нижней части полости нижнего участка чехла, а промежуточный коллектор образован нижним и средним участками чехла, последний из которых выполнен в виде опрокинутой усеченной пирамиды, и аналогичными участками чехлов смежных тепловыделяющих сборок.

Кроме того, каждая тепловыделяющая сборка может быть снабжена дополнительным промежуточным коллектором, соосно установленным внутри чехла и выполненным в виде перфорированной перегородки, которая имеет вид конуса в пределах верхнего участка чехла и опрокинутого конуса в пределах его среднего участка.

Кроме того, каждая тепловыделяющая сборка может быть снабжена вертикальными подводящими трубами, равномерно распределенными по поперечному сечению нижнего участка чехла, а полость этого участка может быть подключена к входному коллектору теплоносителя посредством расположенных в нем участков направляющих труб и (или) упомянутых подводящих труб, выполненных перфорированными.

Кроме того, в каждой тепловыделяющей сборке направляющие трубы в пределах среднего и верхнего участков чехла могут быть выполнены с тепловой изоляцией.

Кроме того, каждая тепловыделяющая сборка может быть снабжена направляющим шнеком, продольно размещенным внутри чехла.

Выполнение каждой тепловыделяющей сборки с подводящим и отводящим шаропроводами для микротвэлов позволит производить перегрузку каждой тепловыделяющей сборки при работе реактора на мощности: порция микротвэлов в необходимом количестве и с заданным обогащением подается в нужную тепловыделяющую сборку и выводится из этой сборки. При этом полностью исчезает неравномерность, связанная с эффектом “свежей” сборки, характерным для прототипа. Распределение мощности по объему активной зоны остается постоянным в течение всего срока службы реактора. Кроме того, эта порция микротвэлов, перемещаясь по полости чехла сверху вниз, проходит весь спектр температурного поля и нейтронного поля. Поэтому микротвэлы находятся в зоне максимальных температур по времени только небольшую часть кампании. При перемещению микротвэлов по чехлу вниз, особенно по направляющему шнеку, они меняются местами друг с другом, происходит эффективное перемешивание топлива, которое работает основную часть кампании в зоне умеренных температур, что снижает среднюю скорость коррозии наружного покрытия микротвэлов в несколько раз и позволяет существенно увеличить температуру пара на выходе реактора.

В предлагаемом ядерном реакторе средняя плотность теплоносителя по высоте сборки меняется ступенчато. Максимальная плотность теплоносителя - в полости нижнего участка чехла, минимальная плотность - в полости его верхнего участка. Полость нижнего участка по своему материальному составу и уровню температуры соответствует реактору с водяным теплоносителем. Здесь микротвэлы имеют максимальное выгорание урана и наилучшие характеристики для достижения наибольшей глубины выгорания (максимальное отношения концентрации водорода и урана, самую низкую температуру урана и замедлителя). В полостях среднего и верхнего участков чехла уменьшение плотности теплоносителя-замедлителя компенсируется благодаря непрерывной перегрузке более высоким содержанием урана в “свежих” микротвэлах. При наличии непрерывной перегрузки с подачей “свежих” микротвэлов сверху через подводящий шаропровод и выгрузкой выгоревших микротвэлов снизу через отводящий шаропровод обеспечивается благоприятное распределение мощности по высоте сборки.

Промежуточный коллектор образует смесительную полость с проходным сечением, увеличивающимся в пределах нижнего участка чехла и уменьшающимся в пределах его среднего участка. В таком щелевом коллекторе происходит эффективное перемешивание теплоносителя. В результате существенно уменьшается неравномерность подогрева теплоносителя, обусловленная коллекторным эффектом и другими причинами. При этом перемешивается теплоноситель, выходящий как из конкретной сборки, так и из смежных сборок, поэтому снижается теплогидравлическая неравномерность как в каждой сборке, так и теплогидравлическая неравномерность между смежными сборками. Перфорированная перегородка обеспечивает эффективное перемешивание теплоносителя между средним и верхним участками чехла.

Выполнение направляющих труб в пределах среднего и верхнего участков чехла с тепловой изоляцией уменьшит вредный теплообмен.

Все это позволит эксплуатировать ядерный реактор при более высокой температуре на выходе реактора, что повышает его технико-экономические показатели.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг.1 изображен общий вид тепловыделяющей сборки; на фиг.2 - разрез А-А фиг.1; на фиг.3 - узел I фиг.1.

Ядерный реактор содержит тепловыделяющую сборку, каждая из которых содержит свободную засыпку из микротвэлов 1 внутри вертикального чехла, который выполнен с нижним перфорированным участком 2, средним перфорированным участком 3 и верхним перфорированным участком 4. Внутри чехла продольно установлены направляющие трубы 5 для органов регулирования и вертикальные подводящие трубы 6, равномерно распределенные по поперечному сечению чехла. Трубы 5 расположены по всей высоте сборки и выполнены перфорированными в пределах нижнего участка 2 чехла. Трубы 6 также выполнены перфорированными, но установлены только в пределах нижнего участка 2 чехла и сверху заглушены. Полость нижнего участка 2 подключена к входному коллектору 7 теплоносителя посредством расположенных в нем участков направляющих труб 5 и подводящих труб 6.

Нижний участок 2 чехла имеет вид усеченной пирамиды, а средний участок 3 чехла выполнен в виде опрокинутой усеченной пирамиды.Благодаря такой форме участки 2 и 3 чехла вместе с аналогичными участками чехлов смежных тепловыделяющих сборок (см. фиг.2) образуют промежуточный коллектор 8 с проходным сечением, увеличивающимся в пределах нижнего участка 2 чехла и уменьшающимся в пределах его среднего участка 3 по ходу теплоносителя.

Кроме того, тепловыделяющая сборка снабжена дополнительным промежуточным коллектором 9, соосно установленным внутри чехла и выполненным в виде перфорированной перегородки, которая имеет вид конуса в пределах верхнего участка 4 чехла и опрокинутого конуса в пределах его среднего участка 3.

Направляющие трубы 5 в пределах среднего участка 3 и верхнего участка 4 чехла выполнены с тепловой изоляцией 10 из стальфоли (из двух стальных труб толщиной 0,1 мм с зазором 0,2 мм).

Верхние участки 4 чехлов сборок выполнены в виде усеченных пирамид, поэтому участки 4 чехлов рядом установленных сборок образуют выходной коллектор 11 с проходным сечением, увеличивающимся по ходу теплоносителя.

Каждая тепловыделяющая сборка снабжена подводящим и отводящим шаропроводами 12, 13 соответственно для микротвэлов 1. Подводящий шаропровод 12 подключен к верхней части полости верхнего участка 4 чехла, отводящий шаропровод 13 выполнен с отсекающим устройством 14 и подсоединен к нижней части полости нижнего участка 2 чехла. Внутри чехла продольно размещен направляющий шнек 15.

Микротвэл 1 выполнен в виде шара диаметром 1,8 мм с сердечником из двуокиси урана и трехслойной оболочкой из высокотемпературных керамических материалов. Сердечник имеет диаметр 1,4 мм. Внутренний слой оболочки выполняется из пористого пиролитического графита (РуС) с плотностью порядка 1 г/см³. Толщина этого слоя ~95 мкм. Средний слой выполнен из плотного пиролитического графита (РуС), имеющего плотность порядка 1,8 г/см³. Толщина этого слоя ~5 мкм. Наружный слой выполнен из карбида кремния (SiC). Толщина этого слоя ~100 мкм.

Ядерный реактор работает следующим образом.

Теплоноситель с температурой примерно 290°С и давлением 24 МПа из входного коллектора 7 поступает в трубы 5 и 6. Через перфорацию в последних теплоноситель раздается по высоте и по поперечному сечению засыпки микротвэлов 1 в пределах нижнего участка 2 чехла. Теплоноситель движется преимущественно в радиальном направлении к периферии чехла, нагревается в засыпке микротвэлов 1 до среднесмешанной температуры порядка 380°С и собирается в промежуточном коллекторе 8. Неравномерность нагрева теплоносителя в пределах полости нижнего участка 2 чехла исчезает в процессе течения теплоносителя в коллекторе 8 за счет смешения струй с разной температурой при спутном их течении. Далее теплоноситель с температурой 380°С раздается по высоте среднего участка 3 чехла и опять радиально протекает в засыпку микротвэлов 1. Небольшая часть теплоносителя проникает в полость среднего участка 3 чехла непосредственно в вертикальном направлении. В полости среднего участка 3 чехла теплоноситель протекает в радиальном направлении к центру сборки, нагревается до средне смешанной температуры порядка 450°С, “испаряется” и потом поступает в промежуточный коллектор 9. Неравномерность нагрева теплоносителя в среднем участке 3 исчезает в процессе перемешивания струй в коллекторе 9. Из коллектора 9 пар раздается по высоте верхнего участка 4 чехла. Пар в полости участка 4 чехла протекает в радиальном направлении и нагревается при этом до среднесмешанной температуры 570°С. Далее этот пар поступает в паровую турбину или в парогенератор.

Течение теплоносителя в нижнем участке 2 чехла существенно отличается от его течения в остальной части сборки из-за наличия в нем большого количества труб 5 и 6. Теплоноситель через перфорацию центральной трубы 6 поступает в центральную часть полости нижнего участка 2 чехла, нагревается до среднесмешанной температуры порядка 380°С. Подходя к области действия первого ряда труб 5 и (или) 6, он смешивается с теплоносителем также нагретым до температуры 380°С, вышедшим из этих труб. Этот процесс повторяется при подходе к области действия последующих рядов труб 5 и (или) 6. Расход теплоносителя через засыпку в нижнем участке 2 чехла увеличивается пропорционально количеству труб 5 и (или) 6. Но массовая скорость практически не меняется, так как пропорционально количеству труб 5 и (или) 6 увеличивается проходное сечение в засыпке в радиальном направлении к периферии сборки. Преимущество такого питания сборки состоит также в том, что параметры теплоносителя меняются периодически и равномерно в поперечном сечении. Большая часть неравномерности нагрева теплоносителя исключается, благодаря промежуточному перемешиванию теплоносителя в коллекторах 8 и 9. Исследования показывают, что за счет промежуточного перемешивания теплоносителя температура теплоносителя в “горячих струях” существенно снизилась до 720°С. Для сравнения температура теплоносителя в “горячих струях” при использовании сборки, описанной в прототипе, достигает 900°С.

Вредный теплообмен практически исключен, благодаря наличию тепловой изоляции 10 на трубах 5 на среднем и верхнем участках 3 и 4 соответственно чехла.

Во время работы реактора на мощности в необходимые тепловыделяющие сборки по подводящим шаропроводам 12 подают “свежие” микротвэлы 1 и выводят из них выгоревшее топливо по отводящим шаропроводам 13 при открытых отсекающих устройствах 14. Перегрузка действует по принципу действия песочных часов: засыпка микротвэлов 1 движется под действием собственного веса. В полости чехла сборки микротвэлы 1 скатываются по направляющему шнеку 15. После подачи необходимой порции топлива отсекающее устройство 14 закрывают. Устройство 14 находится в закрытом состоянии и при монтаже, а также и при демонтаже тепловыделяющих сборок.

Изобретение относится к области атомной энергетики и может быть использовано в кипящих ядерных реакторах или в прямоточных ядерных реакторах с перегревом пара. Ядерный реактор содержит тепловыделяющие сборки, каждая из которых выполнена в виде свободной засыпки из микротвэлов внутри вертикального чехла с нижним, средним и верхним перфорированными участками, нижний из которых имеет вид усеченной пирамиды и его полость подключена к входному коллектору теплоносителя. Внутри чехла продольно установлены направляющие трубы для органов регулирования, равномерно распределенные по поперечному сечению чехла. Каждая тепловыделяющая сборка снабжена подводящим и отводящим шаропроводами для микротвэлов, а также по меньшей мере одним промежуточным коллектором для теплоносителя. Подводящий шаропровод подключен к верхней части полости верхнего участка чехла. Отводящий шаропровод выполнен с отсекающим устройством и подсоединен к нижней части полости нижнего участка чехла. Промежуточный коллектор образован нижним и средним участками чехла, последний из которых выполнен в виде опрокинутой усеченной пирамиды, и аналогичными участками чехлов смежных тепловыделяющих сборок. Технический результат - возможность эксплуатации ядерного реактора при более высокой температуре на выходе реактора, что повышает его технико-экономические показатели. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Ядерный реактор, содержащий тепловыделяющие сборки, каждая из которых выполнена в виде свободной засыпки из микротвэлов внутри вертикального чехла с нижним, средним и верхним перфорированными участками, нижний из которых имеет вид усеченной пирамиды и его полость подключена к входному коллектору теплоносителя, причем внутри чехла продольно установлены направляющие трубы для органов регулирования, равномерно распределенные по поперечному сечению чехла, отличающийся тем, что каждая тепловыделяющая сборка снабжена подводящим и отводящим шаропроводами для микротвэлов, а также по меньшей мере одним промежуточным коллектором для теплоносителя, причем подводящий шаропровод подключен к верхней части полости верхнего участка чехла, отводящий шаропровод выполнен с отсекающим устройством и подсоединен к нижней части полости нижнего участка чехла, а промежуточный коллектор образован нижним и средним участками чехла, последний из которых выполнен в виде опрокинутой усеченной пирамиды, и аналогичными участками чехлов смежных тепловыделяющих сборок.2. Реактор по п.1, отличающийся тем, что каждая тепловыделяющая сборка снабжена дополнительным промежуточным коллектором, соосно установленным внутри чехла и выполненным в виде перфорированной перегородки, которая имеет вид конуса в пределах верхнего участка чехла и опрокинутого конуса в пределах его среднего участка.3. Реактор по п.2, отличающийся тем, что каждая тепловыделяющая сборка снабжена вертикальными подводящими трубами, равномерно распределенными по поперечному сечению нижнего участка чехла, а полость этого участка подключена к входному коллектору теплоносителя посредством расположенных в нем участков направляющих труб и(или) упомянутых подводящих труб, выполненных перфорированными.4. Реактор по п.3, отличающийся тем, что в каждой тепловыделяющей сборке направляющие трубы в пределах среднего и верхнего участков чехла выполнены с тепловой изоляцией.5. Реактор по п.4, отличающийся тем, что каждая тепловыделяющая сборка снабжена направляющим шнеком, продольно размещенным внутри чехла.