ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2004 года по МПК G21D1/02 G21C19/28 

Изобретение относится к области атомной энергетики и может быть использовано в ядерных реакторах с тепловыделяющими сборками на основе микротвэлов.

Известна ядерная энергетическая установка, содержащая ядерный реактор, в котором установлена активная зона с шаровыми твэлами, и устройство загрузки активной зоны твэлами, выполненное в виде подводящего шаропровода с установленной на нем шарозапорной арматурой и шарораздающих труб, соединенных с верхними участками активной зоны, при этом нижние участки активной зоны соединены с отводящим шаропроводом, на котором установлена дополнительная шарозапорная арматура (см. WO 02/01577 А1, 03.01.2002).

Недостатком известной ядерной энергетической установки является отсутствие возможности регулирования энерговыделения по поперечному сечению активной зоны, так как последняя представляет собой единую засыпку твэлов без возможности регулировать их перегрузку в отдельных объемах этой зоны.

К настоящему изобретению наиболее близким техническим решением из известных (прототипом) является ядерная энергетическая установка, содержащая ядерный реактор, в корпусе которого вертикально установлены тепловыделяющие сборки с шаровыми твэлами, а также по меньшей мере один бункер загрузки сборок твэлами, выполненный с возможностью поочередного подключения его нижней части к верхним частям сборок, и по меньшей мере один бункер разгрузки выгоревшего топлива, размещенный внутри корпуса и соединенный с нижними частями сборок, которые снабжены шарозапорными устройствами (см. Севидваш Ф. Статус концепции модульного легководного ядерного реактора малой мощности с псевдоожиженным слоем. - Атомная техника за рубежом. №9, 1999, с.13-19).

В прототипе ядерный реактор составлен из модулей (тепловыделяющих сборок). Каждый модуль имеет возможность перегрузки топлива и ее регулирования за счет его шарозапорного устройства, поэтому имеется принципиальная возможность регулировать энерговыделение в реакторе.

Однако для перегрузки топлива в модуле необходимо снизить в нем нагрузку до нуля, расхолодить модуль и снять крышку корпуса модуля, а после перегрузки топлива установить крышку на корпусе модуля, корпус по меньшей мере один раз спрессовать водой высокого давления и при необнаружении дефектов после опрессовки поднять нагрузку модуля до необходимой. При обнаружении протечек при опрессовке корпуса необходимо давление в корпусе снизить до нуля, воду из корпуса слить, дефект (причину протечек) устранить, корпус опять заполнить водой и в корпусе опять поднять давление до опрессовочного. Следствием этого является низкий коэффициент использования мощности ядерной энергетической установки. Периодическая перегрузка реактора, например, один раз в год снижает срок службы его корпуса и увеличивает дозовые нагрузки на персонал, обслуживающий такую ядерную энергетическую установку. Такая перегрузка реактора существенно ухудшает характеристики его топливного цикла и требует эффективной (дорогой) системы компенсации реактивности.

Таким образом, недостатком ядерной энергетической установки, принятой за прототип, являются повышенные капитальные и эксплуатационные затраты.

Технической задачей изобретения является снижение капитальных и эксплуатационных затрат ядерной энергетической установки.

В ядерной энергетической установке, содержащей ядерный реактор, в корпусе которого установлены тепловыделяющие сборки с шаровыми твэлами, а также по меньшей мере один бункер загрузки сборок твэлами, выполненный с возможностью поочередного подключения его нижней части к верхним частям сборок, и по меньшей мере один бункер разгрузки выгоревшего топлива, размещенный внутри корпуса и соединенный с нижними частями сборок, которые снабжены шарозапорными устройствами, поставленная техническая задача решается тем, что по меньшей мере один бункер загрузки размещен за пределами корпуса реактора в дополнительном корпусе и выполнен с возможностью поочередного подключения его нижней части к верхним частям сборок посредством шаропроводных труб, а по меньшей мере один бункер разгрузки расположен под шарозапорными устройствами сборок и выполнен в нижней части с дополнительным шарозапорным устройством и шароотводящим патрубком, причем выходной участок последнего расположен за пределами корпуса реактора.

Кроме того, крышка корпуса реактора может быть выполнена по меньшей мере с одним патрубком, на котором посредством фланцевого разъема установлен упомянутый дополнительный корпус, при этом по меньшей мере один бункер загрузки может быть выполнен с фиксатором его положения и может быть подвешен в соответствующем дополнительном корпусе с возможностью осевого вращения для поочередного совмещения его нижней части с входными концами шаропроводных труб.

Кроме того, по меньшей мере один бункер загрузки может быть снабжен подводящим шаропроводом с дополнительной шарозапорной арматурой, причем между этой арматурой в подводящий шаропровод может быть подключена вертикальная загрузочная емкость, которая соединена с трубопроводами подвода и отвода теплоносителя, при этом на этих трубопроводах, а также на подводящем шаропроводе до и после загрузочной емкости по ходу твэлов установлены соответствующие запорные задвижки для теплоносителя.

Кроме того, установка может быть снабжена вертикальной разгрузочной емкостью, подключенной верхним и нижним участками соответственно к упомянутому шароотводящему патрубку по меньшей мере одного бункера разгрузки и отводящему шаропроводу, на котором установлена дополнительная шарозапорная арматура, причем разгрузочная емкость может быть выполнена с дополнительными трубопроводами подвода и отвода теплоносителя и на этих трубопроводах, а также на шароотводящем патрубке по меньшей мере одного бункера разгрузки и на отводящем шаропроводе могут быть установлены соответствующие запорные задвижки для теплоносителя.

Кроме того, хвостовик каждой тепловыделяющей сборки может быть выполнен со сквозными вертикальными отверстиями, сообщенными с нижней частью этой сборки, а шарозапорное устройство последней может представлять собой мембрану с отверстиями, поперечно закрепленную на бурте упомянутого хвостовика с возможностью соосного вращения и совмещения при этом ее отверстий с отверстиями хвостовика для выгрузки отработанного топлива по меньшей мере в один бункер разгрузки.

Кроме того, шарозапорные устройства сборок и бункеров разгрузки могут быть выполнены с фиксаторами их положения.

Размещение бункера загрузки за пределами корпуса реактора в дополнительном корпусе и выполнение этого бункера с возможностью поочередного подключения его нижней части к верхним частям сборок посредством шаропроводных труб позволяет загружать тепловыделяющие сборки свежим топливом без вскрытия крышки корпуса реактора. При этом размещение бункеров разгрузки выгоревшего топлива под шарозапорными устройствами сборок и выполнение этих бункеров в нижних частях с дополнительными шарозапорными устройствами и шароотводящими патрубками, а также расположение выходных участков последних за пределами корпуса реактора, обеспечивает выгрузку выгоревшего топлива из тепловыделяющих сборок без вскрытия крышки корпуса реактора.

Отсутствие необходимости снятия крышки корпуса реактора для перегрузки топлива существенно повышает коэффициент использования мощности предлагаемой ядерной энергетической установки, так как при этом становятся ненужными подготовительные операции для снятия крышки корпуса, сам процесс ее снятия и гидроиспытания корпуса повышенным давлением. Повышается срок службы корпуса реактора и снижаются дозовые нагрузки на обслуживающий персонал.

Перегрузка реактора осуществляется по принципу песочных часов без снижения его мощности. Вскрытие крышки корпуса реактора будет необходимым только по требованию нормативных документов. Начальное обогащение благодаря непрерывной перегрузке может быть уменьшено на 30% без снижения глубины выгорания. Соответственно уменьшается необходимый "вес" системы компенсации реактивности, а также снижаются неравномерности нейтронного потока в тепловыделяющих сборках и соответственно неравномерности выгорания ядерного топлива. Все это снижает капитальные и эксплуатационные затраты в предлагаемой ядерной энергетической установке.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен общий вид ядерной энергетической установки; на фиг.2 - фрагмент установки с бункером загрузки и входными концами шароперепускных труб; на фиг.3 - общий вид загрузочной емкости; на фиг.4 - общий вид тепловыделяющей сборки реактора; на фиг.5 - фрагмент реактора с шарозапорным устройством тепловыделяющей сборки и бункером разгрузки; на фиг.6 - общий вид временного хранилища выгоревшего топлива; на фиг.7 - общий вид разгрузочной емкости.

Ядерная энергетическая установка (см. фиг.1) содержит ядерный реактор с корпусом 1, снабженным крышкой 2. В корпусе 1 вертикально установлены тепловыделяющие сборки 3 с шаровыми твэлами 4 (см. фиг.4). За пределами корпуса 1 реактора в дополнительном корпусе 5 размещен (см. фиг.2) бункер 6 загрузки сборок 3 твэлами. Бункер 6 выполнен с возможностью поочередного подключения его нижней части к верхним частям сборок 3 посредством шаропроводных труб 7. При этом крышка 2 корпуса 1 реактора выполнена с патрубком 8, на котором посредством фланцевого разъема 9 установлен дополнительный корпус 5. Бункер 6 загрузки выполнен с фиксатором 10 его положения и подвешен в корпусе 5 с возможностью осевого вращения для поочередного совмещения его нижней части с входными концами шаропроводных труб 7. Для обеспечения вращения бункера 6 последний сочленен с приводом 11.

Бункер 6 загрузки снабжен подводящим шаропроводом 12, на котором установлена (см. фиг.3) шарозапорная арматура 13 и шарозапорная арматура 14. Между арматурой 13 и 14 в подводящий шаропровод 12 подключена вертикальная загрузочная емкость 15, которая соединена с трубопроводами 16 и 17 подвода и отвода теплоносителя. На трубопроводах 16 и 17, а также на подводящем шаропроводе 12 до и после загрузочной емкости 15 по ходу твэлов установлены запорные задвижки соответственно 18, 19, 20 и 21 для теплоносителя.

На фиг.2 и 3 условно показаны одна загрузочная емкость 15, один подводящий шаропровод 12, один дополнительный корпус 5, один бункер 6, одна группа шаропроводных труб 7. Однако это только один из вариантов выполнения заявляемой установки. Например, при применении данного технического решения в ядерном ректоре ВВЭР-1000 тепловыделяющие сборки 3 и шаропроводные трубы 7 могут быть условно разделены на шесть групп. Соответственно увеличивается и количество бункеров 6, корпусов 5, шаропроводов 12 и емкостей 15. Возможен вариант заявляемой установки, в котором используется одна емкость 15, питающая загрузочными твэлами 4 несколько бункеров 6.

Тепловыделяющие сборки 3 имеют (см. фиг.4 и 5) в нижних частях шарозапорные устройства. Для этого хвостовик 22 каждой тепловыделяющей сборки 3 выполнен со сквозными вертикальными отверстиями 23 для прохода сферических твэлов 4, сообщенными с нижней частью сборки 3, а шарозапорное устройство представляет собой мембрану 24 с отверстиями 25 для прохода сферических твэлов 4, поперечно закрепленную на бурте хвостовика 22 с возможностью соосного вращения и совмещения при этом ее отверстий 25 с отверстиями 23 хвостовика для выгрузки отработанного топлива. Шарозапорное устройство снабжено фиксатором 26 положения его мембраны 24. Мембрана 24 посредством ходового винта 27, с которым она связана резьбовым соединением 28, и штанги 29 соединена с приводом 30, расположенным за пределами корпуса 1.

Внутри корпуса 1 размещены (см. фиг.6) бункеры 31 разгрузки выгоревшего топлива, подключенные к нижним частям сборок 3 и расположенные под их шарозапорными устройствами. Каждый бункер 31 разгрузки выполнен с нижней частью, оборудованной шароотводящим патрубком 32 и дополнительным шарозапорным устройством 33. Выходные участки патрубков 32 расположены за пределами корпуса 1 реактора.

За пределами корпуса 1 реактора расположены (см. фиг.7) отгрузочный контейнер 34 и разгрузочная емкость 35. Емкость 35 подключена верхним и нижним участками соответственно к шароотводящим патрубкам 32 бункеров 31 разгрузки и отводящему шаропроводу 36. На шаропроводе 36 установлена шарозапорная арматура 37. Разгрузочная емкость 35 выполнена с трубопроводами 38 и 39 подвода и отвода теплоносителя. На трубопроводах 38 и 39, а также на шароотводящих патрубках 32 бункеров 31 разгрузки и на отводящем шаропроводе 36 установлены запорные задвижки 40, 41, 42 и 43 соответственно для теплоносителя.

Перегрузка топлива в ядерной энергетической установке производится при работе реактора на мощности следующим образом.

Сначала производится заполнение загрузочной емкости 15 необходимой порцией “свежего” топлива (см. фиг.3). При этом закрыты: шарозапорная арматура 14 на подводящем шаропроводе 12 после емкости 15, запорные задвижки 20, 21 на трубопроводах теплоносителя и запорная задвижка 21 на подводящем шаропроводе 12 после емкости 15, а шарозапорная арматура 13 и запорная задвижка 20 на подводящем шаропроводе 12 до емкости 15 находятся в открытом положении. Через открытый шаропровод 12 производится загрузка заданного количества топлива с заданным обогащением урана.

Затем загрузочная емкость 15 сначала заполняется, а затем и разогревается теплоносителем. Для этого шарозапорную арматуру 13 и запорную задвижку 20 на подводящем шаропроводе 12 до емкости 15 закрывают, шарозапорную арматуру 14 и запорную задвижку 21 на подводящем шаропроводе 12 после емкости 15 оставляют в закрытом положении, а задвижки 18, 19 на трубопроводах 16, 17 открывают.

После заполнения и разогрева загрузочной емкости 15 теплоносителем начинают операцию выравнивания давления теплоносителя в емкости 15 с давлением теплоносителя в корпусе 1 ядерного реактора. Для этого задвижки 18 и 19 на трубопроводах 16 и 17 закрывают, а запорную задвижку 21 на подводящем шаропроводе 12 после емкости 15 открывают. После выравнивания давления в емкости 15 и в корпусе 1 бункер 6 загрузки с помощью привода 11 вращают и наводят его нижнюю часть на соответствующую шаропроводную трубу 7. Затем открывают шарозапорную арматуру 14 на подводящем шаропроводе 12 после емкости 15 и порция “свежего” топлива из емкости 15 под действием собственного веса по шаропроводу 12 поступает сначала в бункер 6, а затем через нижний участок последнего - в соответствующую шаропроводную трубу 7 и, наконец, в верхнюю часть соответствующей тепловыделяющей сборки 3.

После выгрузки порции выгоревших твэлов 4 из соответствующей сборки 3 ее шарозапорное устройство закрывают. Для этого приводом 30 штангу 29 опускают вниз до тех пор, пока мембрана 24 шарозапорного устройства не перекроит отверстия 23 в хвостовике 22 и не перекроют при этом выход для сферических твэлов 4 из соответствующей сборки 3. Загрузку топлива в следующую тепловыделяющую сборку 3 производят аналогично.

Отгрузка выгоревшего топлива из нижней части тепловыделяющей сборки 3 (см. фиг.5) производится следующим образом. Приводом 30 поднимают вверх штангу 29, при этом ходовой винт 27 поворачивает мембрану 24 шарозапорного устройства. При этом отверстия 23 в хвостовике 22 и отверстия 25 в мембране 24 совмещаются и открывается выход для сферических твэлов 4 из соответствующей сборки 3. Выгоревшие твэлы 4 под действием собственного веса из нижней части сборки 3 высыпаются в бункер 31 для временного хранения.

По мере накопления выгоревшего топлива в бункерах 31 производится его выгрузка в разгрузочную емкость 35 (см. фиг.6 и 7). Для этого открывают шарозапорные устройства 33 в нижних частях бункеров 31. Выгоревшие твэлы из бункеров 31 высыпаются в разгрузочную емкость 35. При этом запорные задвижки 40 и 41 на трубопроводах 38 и 39 и запорная задвижка 43 на отводящем шаропроводе 36 находятся в закрытом состоянии, а запорные задвижки 42 на шароотводящих патрубках 32 - в открытом.

По мере накопления выгоревших твэлов 4 в разгрузочной емкости 35 производят ее расхолаживание, дренирование из нее теплоносителя и выгрузку из нее выгоревшего топлива. Для этого сначала запорные задвижки 42 на шароотводящих патрубках 32 закрывают, а запорные задвижки 40 и 41 на трубопроводах 38 и 39 открывают. Через трубопроводы 38 и 39 производится прокачка теплоносителя и расхолаживание разгрузочной емкости 35. После снижения давления в разгрузочной емкости 35 запорные задвижки 40 и 41 на трубопроводах 38 и 39 закрывают, емкость 35 дренируют, а шарозапорную арматуру 37 и запорную задвижку 43 на отводящем шаропроводе 36 открывают. При этом выгоревшее топливо под действием собственного веса через выходной шаропровод 36 высыпается в отгрузочный контейнер 34.

При необходимости крышку 2 корпуса 1 можно снять, например для перегрузки реактора традиционным способом с выемкой тепловыделяющей сборки 3 или для обследования состояния корпуса 1 и внутрикорпусных устройств. Конструкция заявляемой ядерной энергетической установки это допускает, так как все тракты движения твэлов 4 выполнены на разъемных соединениях. Шарозапорное устройство в нижней части сборки 3 предотвращают высыпание твэлов 4 при ее извлечении из корпуса 1. При необходимости могут быть извлечены и бункеры 31 временной разгрузки отработанного топлива, но для этого сначала закрываются шарозапорные устройства 33 в нижних частях бункеров 31, извлекаются тепловыделяющие сборки 3 и внутрикорпусная металлическая шахта, в которой установлены эти сборки 3.

Для исключения застревания перегружаемого топлива весь тракт для прохода сферических твэлов имеет внутренний размер, равный 6-10 диаметрам шаров топлива. Замену топлива в ядерной энергетической установке можно производить практически любыми, сколь угодно малыми порциями в любой сборке 3.

Затем шарозапорную арматуру 37 и запорную задвижку 43 на отводящем шаропроводе 36 закрывают, запорные задвижки 40 и 41 на трубопроводах 38 и 39 открывают. При этом разгрузочную емкость 35 заполняют теплоносителем, давление в ней выравнивается с давлением в корпусе 1. Затем открывают запорные задвижки 42 и разгрузочная емкость 35 снова готова для принятия выгоревших твэлов 4.

По мере заполнения контейнера 34 он заменяется на пустой, а выгоревшее топливо отправляется на переработку или в постоянное хранилище.

Изобретение относится к области атомной энергетики и может быть использовано в ядерных реакторах с тепловыделяющими сборками на основе микротвэлов. За пределами корпуса реактора размещен бункер загрузки тепловыделяющих сборок твэлами. Бункер выполнен с возможностью поочередного подключения его нижней части к верхним частям тепловыделяющих сборок посредством шаропроводных труб. При этом крышка корпуса ядерного реактора выполнена с патрубком, на котором посредством фланцевого разъема установлен дополнительный корпус. Бункер загрузки выполнен с фиксатором его положения и подвешен в корпусе с возможностью осевого вращения для поочередного совмещения его нижней части с входными концами шаропроводных труб. Для обеспечения вращения бункера последний сочленен с приводом. Бункер загрузки снабжен подводящим шаропроводом. Перегрузка реактора осуществляется по принципу песочных часов без снижения его мощности. Вскрытие крышки корпуса реактора будет необходимым только по требованию нормативных документов. Начальное обогащение благодаря непрерывной перегрузке может быть уменьшено на 30% без снижения глубины выгорания. Соответственно уменьшается необходимый “вес” системы компенсации реактивности, а также снижаются неравномерности нейтронного потока в тепловыделяющих сборках и соответственно неравномерности выгорания ядерного топлива. Все это снижает капитальные и эксплуатационные затраты в предлагаемой ядерной энергетической установке. 5 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Ядерная энергетическая установка, содержащая ядерный реактор, в корпусе которого установлены тепловыделяющие сборки с твэлами, а также, по меньшей мере, один бункер загрузки сборок твэлами, выполненный с возможностью поочередного подключения его нижней части к верхним частям сборок, и, по меньшей мере, один бункер разгрузки выгоревшего топлива, размещенный внутри корпуса и соединенный с нижними частями сборок, которые снабжены шарозапорными устройствами, отличающаяся тем, что, по меньшей мере, один бункер загрузки размещен за пределами корпуса реактора в дополнительном корпусе и выполнен с возможностью поочередного подключения его нижней части к верхним частям сборок посредством шаропроводных труб, а, по меньшей мере, один бункер разгрузки расположен под шарозапорными устройствами сборок и выполнен в нижней части с дополнительным шарозапорным устройством и шароотводящим патрубком, причем выходной участок последнего расположен за пределами корпуса реактора.2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что крышка корпуса реактора выполнена, по меньшей мере, с одним патрубком, на котором посредством фланцевого разъема установлен упомянутый дополнительный корпус, при этом, по меньшей мере, один бункер загрузки выполнен с фиксатором его положения и подвешен в соответствующем дополнительном корпусе с возможностью осевого вращения для поочередного совмещения его нижней части с входными концами шаропроводных труб.3. Установка по п.2, отличающаяся тем, что, по меньшей мере, один бункер загрузки снабжен подводящим шаропроводом с дополнительной шарозапорной арматурой, причем между этой арматурой в подводящий шаропровод подключена вертикальная загрузочная емкость, которая соединена с трубопроводами подвода и отвода теплоносителя, при этом на этих трубопроводах, а также на подводящем шаропроводе до и после загрузочной емкости по ходу твэлов установлены соответствующие запорные задвижки для теплоносителя.4. Установка по п.3, отличающаяся тем, что она снабжена вертикальной разгрузочной емкостью, подключенной верхним и нижним участками соответственно к упомянутому шароотводящему патрубку, по меньшей мере, одного бункера разгрузки и отводящему шаропроводу, на котором установлена дополнительная шарозапорная арматура, причем разгрузочная емкость выполнена с дополнительными трубопроводами подвода и отвода теплоносителя и на этих трубопроводах, а также на шароотводящем патрубке, по меньшей мере, одного бункера разгрузки и на отводящем шаропроводе установлены соответствующие запорные задвижки для теплоносителя.5. Установка по п.4, отличающаяся тем, что хвостовик каждой тепловыделяющей сборки выполнен со сквозными вертикальными отверстиями, сообщенными с нижней частью этой сборки, а шарозапорное устройство последней представляет собой мембрану с отверстиями, поперечно закрепленную на бурте упомянутого хвостовика с возможностью соосного вращения и совмещения при этом ее отверстий с отверстиями хвостовика для выгрузки отработанного топлива, по меньшей мере, в один бункер разгрузки.6. Установка по п.5, отличающаяся тем, что шарозапорные устройства сборок и бункеров разгрузки выполнены с фиксаторами их положения.