РЕАКТОР НА БЫСТРЫХ НЕЙТРОНАХ И БЛОК ОТРАЖАТЕЛЯ НЕЙТРОНОВ РЕАКТОРА НА БЫСТРЫХ НЕЙТРОНАХ Российский патент 2015 года по МПК G21C1/02 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области ядерной энергетики, а именно к реакторам на быстрых нейтронах с тяжелым жидкометаллическим теплоносителем, содержащим выемные блоки отражателя нейтронов.

Уровень техники

Из уровня техники известны реакторы на быстрых нейтронах с тяжелым жидкометаллическим теплоносителем, содержащие блоки отражателей [см.: http://www.atomic-energy.ru/technology/36000], [патент RU 2408094, дата публикации 27.12.2012].

К блокам отражателя в реакторах на быстрых нейтронах, охлаждаемых тяжелым жидкометаллическим теплоносителем, предъявляются следующие требования: защита от нейтронного и гамма-излучений не выемных не перегружаемых обечаек реакторной установки, расположенных снаружи отражателя; минимизация расхода теплоносителя, проходящего через блоки отражателя, так как объемное энерговыделение в металлоконструкциях отражателя меньше, чем в тепловыделяющих элементах на 2-3 порядка и более, и расход теплоносителя, который идет на охлаждение блоков отражателя, захолаживает при смешении теплоноситель, выходящий из твэльной части активной зоны; минимизация содержания конструкционных материалов в поперечном сечении блоков отражателя с целью уменьшения паразитного захвата нейтронов.

В настоящее время на атомных электростанциях (АЭС) с действующими реакторами на быстрых нейтронах, охлаждаемых натриевым теплоносителем, в блоках отражателя используется конструкция, где блоки состоят из трех частей: головки, средней части и хвостовика. Такие блоки отражателя крепятся хвостовиками к коллектору реактора, через который подается теплоноситель на охлаждение блоков. Дросселирование натриевого теплоносителя внутри блоков осуществляется шайбами, которые устанавливаются во внутреннюю полость блоков, а дросселирование теплоносителя, омывающего натрий, протекающего в межблочном пространстве, осуществляют снаружи хвостовика с помощью соединения типа «елочка», а также в верхней части чехла с помощью шайб. Все эти вышеуказанные дроссельные конструкции в натриевом теплоносителе достаточно компактны в силу того, что в натрии возможно локальное повышение скорости до 8÷10 м/сек, и можно проточные части дросселей выполнять с малой площадью проходного сечения для теплоносителя.

Осуществление изобретения

Задача, на решение которой направлено группа изобретений, состоит в создании конструкции блока отражателя реактора на быстрых нейтронах, обеспечивающей улучшенные теплогидравлические характеристики реакторной установки, охлаждаемой тяжелым жидкометаллическим теплоносителем с обеспечением предельных для тяжелого жидкометаллического теплоносителя значений по скорости смывания конструкции.

Технический результат, достигаемый при реализации заявляемой группы изобретений, состоит в повышении безопасности работы реактора на быстрых нейтронах за счет снижения температуры на оболочках тепловыделяющих элементов, которое достигается путем выравнивания температуры теплоносителя по радиусу активной зоны, повышении КПД реактора на быстрых нейтронах за счет повышения средне-смешанной температуры теплоносителя на выходе из активной зоны, т.е. температуры теплоносителя, прошедшего твэльную часть активной зоны, и температуры теплоносителя, прошедшего через блок отражателя, что достигается за счет повышения температуры теплоносителя, прошедшего через блок отражателя.

Заявляемый технический результат достигается за счет того, что реактор на быстрых нейтронах содержит активную зону, состоящую из тепловыделяющих элементов, охлаждаемых тяжелым жидкометаллическим теплоносителем, блоки отражателя нейтронов, расположенные вокруг активной зоны, включающие корпус, в боковых стенках которого выше верхней границы активной зоны выполнено по меньшей мере одно входное отверстие для отведения части потока теплоносителя из межблочного пространства внутрь корпуса, по меньшей мере одну вертикальную трубку, установленную в корпусе, по которой отведенный поток теплоносителя, проходя через верхнюю и нижнюю границу активной зоны, поступает в его нижнюю часть, также на внешней стороне корпуса выше входного отверстия установлено дроссельное устройство для создания гидравлического сопротивления потоку теплоносителя в межблочном пространстве.

Также заявляемый технический результат достигается за счет того, что блок отражателя нейтронов реактора на быстрых нейронах включает корпус, в боковых стенках которого выполнено по меньшей мере одно входное отверстие для отведения части потока теплоносителя из межблочного пространства внутрь корпуса, по меньшей мере одну вертикальную трубку, установленную в корпусе и направляющую отведенный поток теплоносителя в его нижнюю часть, также на внешней стороне корпуса выше входного отверстия установлено дроссельное устройство для создания гидравлического сопротивления потоку теплоносителя в межблочном пространстве.

Теплоноситель, прошедший между блоками отражателя, а затем через отверстия, выполненные в стенках корпуса, и вертикальные трубки, трижды проходит между нижней границей активной зоны (вход в активную зону) и верхней границей активной зоны (выход из активной зоны) и соответственно в три раза больше нагревается за счет поглощения излучений в самом теплоносителе, а также за счет последовательного по всему пути движения теплоносителя его прогрева в процессе охлаждения им металлоконструкций блоков отражателя, в которых происходит энерговыделение, связанное с поглощением ионизирующих излучений. Таким образом, вместо использования дросселей с высокой локальной скоростью теплоносителя применяется перенаправление потока теплоносителя по более длинному пути его движения, где достижение более высокого гидравлического сопротивления происходит за счет как поворотов потока теплоносителя внутри корпуса блока отражателя, так и за счет потерь на трение на более длинном пути потока, при этом гидравлическое сопротивление блоков отражателя увеличивается, а блоки отражателя и твэлы работают параллельно в гидравлической схеме первого контура реакторной установки, т.е. на них срабатывает общий гидравлический перепад на активной зоне, следовательно, больший расход теплоносителя будет направляться в твэльную часть активной зоны. Тем самым обеспечивается выравнивание температурного подогрева теплоносителя по радиусу активной зоны.

Выравнивание температурного подогрева теплоносителя, проходящего через активную зону и блоки отражателя, за счет увеличения потока теплоносителя, идущего в твэльную часть активной зоны, обеспечивает сужение максимальной температуры на оболочках тепловыделяющих элементов (температуры в горячем пятне), являющейся одним из главных ограничивающих факторов при определении критериев работоспособности оболочек тепловыделяющих элементов в реакторе на быстрых нейтронах, охлаждаемых тяжелым жидкометаллическим теплоносителем.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения вертикальные трубки соединены с корпусом выше верхней границы активной зоны.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения корпус блока отражателя нейтронов выполнен из конструкционной стали ферритно-мартенситного класса.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения блок отражателя нейтронов дополнительно включает хвостовик.

Сведения, раскрывающие сущность изобретения

Фиг.1 - схема расположения элементов активной зоны реактора при треугольном размещении тепловыделяющих элементов.

Фиг.2 - блок отражателя (продольный разрез).

Реактор на быстрых нейтронах, схема расположения элементов которого показана на фиг.1, содержит активную зону 1, состоящую из тепловыделяющих сборок со стержневыми тепловыделяющими элементами (твэлы) 2, между которыми находится тяжелый жидкометаллический теплоноситель (ТЖМТ), преимущественно свинец или эвтектический сплав свинца и висмута. Активная зона 1 имеет нижнюю границу H₁ (вход в активную зону) и верхнюю границу H₂ (выход из активной зоны). Вокруг активной зоны 1 размещены блоки 3 отражателя нейтронов, которые предназначены для снижения утечки нейтронов и возвращения их в активную зону 1.

Блок отражателя нейтронов, показанный на фиг.2, включает стальной корпус (чехол) 4, в боковых сторонах которого выполнены одно или несколько входных отверстий 5, предназначенных для отвода части потока 6 теплоносителя из межблочного пространства внутрь корпуса в сборный коллектор 5¹, одну или несколько вертикальных трубок 7, предназначенных для направления отведенного потока 6 теплоносителя в нижнюю часть корпуса 4 и соединенных с ним через коллектор 5¹ при помощи сварных швов. Вертикальные трубки 7 могут быть установлены параллельно продольной оси блока отражателя или могут быть закручены относительно его продольной оси. На внешней стороне корпуса 4 в верхней его части на участке от входных отверстий 5 до выхода из блока отражателя установлено дроссельное устройство 8, конструкция которого должна обеспечивать увеличенный отбор теплоносителя из межблочного пространства внутрь корпуса 4 за счет создания существенного, по отношению к отведенному потоку, гидравлического сопротивления на вертикальном участке в межблочном пространстве, при этом скорость теплоносителя в дроссельном устройстве 8 не должна превышать 2÷2,5 м/с с целью снижения эрозионно-коррозионных повреждений омываемых стенок корпуса 4. В предпочтительном варианте реализации изобретения дроссельное устройство 8 включает накладной стальной лист, приваренный одной стороной к стенке корпуса 4 и имеющий отгиб трапецеидальной или волнистой формы от поверхности стенки корпуса для улучшения протока теплоносителя под этим листом. В накладном листе предварительно выполнены прорези для регулировки расхода теплоносителя, идущего под накладной лист за счет подбора ширины и длины прорезей. Наружная сторона накладного листа одного блока отражателя должна соприкасаться или быть с небольшим зазором с наружной стороной листа накладного соседнего блока отражателя. Для увеличения эффективности работы дроссельного устройства 8 необходимо разместить накладные листы на каждой стенке корпуса 4 блока отражателя выше верхней границы H₂ активной зоны, чтобы перекрыть все щелевые зазоры между блоками отражателя. Стенка корпуса 4 блока отражателя под накладным листом дроссельного устройства 8 может иметь утончение для увеличения расхода теплоносителя, поступающего под накладной лист. Блок отражателя также включает хвостовик 9, предназначенный для крепления к основанию реактора. Корпус 4 блока отражателя, в предпочтительном варианте реализации изобретения, может быть выполнен из конструкционной стали ферритно-мартенситного класса, поскольку стали именно данного типа обладают свойствами коррозионной стойкости в среде тяжелого жидкометаллического теплоносителя, а также сохраняют хорошие пластические свойства при облучении высокими потоками нейтронов. Вертикальные трубки 7 предпочтительно закреплять в корпусе 4 выше верхней границы H₂ активной зоны 1, а не между нижней границей H₁ и верхней границей H₂ активной зоны 1 с целью уменьшения радиационного охрупчивания сварных швов в месте соединения трубок 7, так как между границами H₁ и H₂ активной зоны 1 проходят более высокие потоки нейтронов, а также вследствие того, что путь движения теплоносителя увеличивается при смещении отверстий вверх вдоль корпуса блока отражателя. Корпус 4 блока отражателя в поперечном сечении может иметь треугольную, квадратную, шестигранную или иную произвольную форму в зависимости от формы размещения используемых тепловыделяющих элементов 2.

Устройство работает следующим образом.

Активную зону 1 реактора на быстрых нейтронах загружают тепловыделяющими сборками со стержневыми тепловыделяющими элементами (твэлами) 2. Вокруг активной зоны 1 устанавливают блоки отражателя 3 нейтронов, таким образом, что входные отверстия 5, выполненные в боковых стенках корпуса 4, располагаются выше верхней границы H₂ активной зоны 1. Таким образом, часть потока 6 теплоносителя, проходящего верхнюю границу H₂ активной зоны 1, из межблочного пространства через отверстия 5 и сборный коллектор 5¹ поступает внутрь корпуса 4 блока отражателя, т.е. поворачивается на 90° от прямоточного межблочного потока теплоносителя снизу-вверх. Затем, повернув еще на 90°, отведенный поток 6 через вертикальные трубки 7, проходя верхнюю границу H₂ активной зоны 1 и нижнюю границу H₁ активной зоны 1, опускается в нижнюю часть корпуса 4, после чего поток 6 теплоносителя поворачивает на 180° и поднимается вверх корпуса 4, еще раз проходя через нижнюю границу H₂ активной зоны 1 и верхнюю границу H₂ активной зоны 1 вплоть до выхода из корпуса 4 блока отражателя.

Таким образом, предлагаемая гидравлическая схема движения отведенного потока 6 теплоносителя внутри корпуса 4 блока отражателя обеспечивает повышение подогрева теплоносителя, проходящего через блок отражателя, и выравнивание температурного подогрева теплоносителя по радиусу активной зоны 1 в зоне смешения, где смешиваются потоки теплоносителя, прошедшего твэлы и прошедшего через блок отражателя, за счет того, что часть потока теплоносителя, прошедшего между отражателями, трижды проходит между верхней границей H₂ и нижней границей H₁ активной зоны 1 и, соответственно, в три раза больше подогревается за счет поглощения излучений в теплоносителе и за счет последовательного нагрева при снятии энерговыделения с металлоконструкции блоков 3 отражателя. При выравнивании профиля температуры по радиусу активной зоны 1 повышается также средне-смешанная температура теплоносителя выше верхней границы H₂ активной зоны 1. Под средне-смешанной температурой принимается смешение температуры теплоносителя, прошедшего твэльную часть активной зоны 1 и через блок 3 отражателя. Такое выравнивание происходит за счет повышения температуры теплоносителя, прошедшего через блок 3 отражателя. При повышении средне-смешанной температуры теплоносителя на верхней границе H₂ из активной зоны 1 повышается КПД реакторной установки, т.е. при той же тепловой мощности, выделяемой в активной зоне 1, можно повысить мощность, выделяемую через теплоноситель второго контура в турбине (на чертежах не показано). Повышается энтальпия воды при том же расходе второго контура. Также за счет повышения средне-смешанной температуры на выходе из активной зоны 1 возможно сокращение поверхности теплообмена в парогенераторах при сохранении той же снимаемой мощности вторым контуром (на чертежах не показано).

Изобретение относится к области ядерной энергетики, а именно к конструкциям выемных блоков отражателей нейтронов для реакторов на быстрых нейтронах с тяжелым жидкометаллическим теплоносителем. Реактор на быстрых нейтронах содержит активную зону, состоящую из тепловыделяющих элементов, охлаждаемых тяжелым жидкометаллическим теплоносителем, блоки отражателя нейтронов, расположенных вокруг активной зоны. Блоки включают стальной корпус, в боковых стенках которого выше верхней границы активной зоны выполнено по меньшей мере одно входное отверстие для отведения части потока теплоносителя из межблочного пространства внутрь корпуса, по меньшей мере одну вертикальную трубку, установленную в корпусе, по которой отведенный поток теплоносителя, проходя через верхнюю и нижнюю границу активной зоны, поступает в его нижнюю часть. На внешней стороне корпуса выше входного отверстия установлено дроссельное устройство для создания гидравлического сопротивления потоку теплоносителя в межблочном пространстве. Технический результат - повышение безопасности работы реактора на быстрых нейтронах, повышение КПД реактора на быстрых нейтронах, снижение теплообменной поверхности в парогенераторе. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Реактор на быстрых нейтронах, содержащий активную зону, состоящую из тепловыделяющих элементов, охлаждаемых тяжелым жидкометаллическим теплоносителем, блоки отражателя нейтронов, расположенные вокруг активной зоны, причем каждый из блоков отражателей содержит корпус, отличающийся тем, что в боковых стенках корпуса выше верхней границы активной зоны выполнено по меньшей мере одно входное отверстие для отведения части потока теплоносителя из межблочного пространства внутрь корпуса, по меньшей мере одну вертикальную трубку, установленную в корпусе, по которой отведенный поток теплоносителя, проходя через верхнюю и нижнюю границу активной зоны, поступает в его нижнюю часть, также на внешней стороне корпуса выше входного отверстия установлено дроссельное устройство для создания гидравлического сопротивления потоку теплоносителя в межблочном пространстве.

2. Реактор по п.1, отличающийся тем, что по меньшей мере одна вертикальная трубка соединена с корпусом выше верхней границы активной зоны.

3. Блок отражателя нейтронов реактора на быстрых нейронах, включающий корпус, в боковых стенках которого выполнено по меньшей мере одно входное отверстие для отведения части потока теплоносителя из межблочного пространства внутрь корпуса, по меньшей мере одну вертикальную трубку, установленную в корпусе и направляющую отведенный поток теплоносителя в его нижнюю часть, также на внешней стороне корпуса выше входного отверстия установлено дроссельное устройство для создания гидравлического сопротивления потоку теплоносителя в межблочном пространстве.

4. Блок отражателя по п.3, отличающийся тем, что вертикальные трубки соединены с корпусом выше верхней границы активной зоны.

5. Блок отражателя по п.3, отличающийся тем, что корпус блока отражателя нейтронов выполнен из конструкционной стали ферритно-мартенситного класса.

6. Блок отражателя по п.3, отличающийся тем, что блок отражателя нейтронов дополнительно включает хвостовик.