ЯДЕРНЫЙ РЕАКТОР С ЗАСЫПКОЙ ИЗ ШАРОВЫХ ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ Российский патент 2016 года по МПК G21C1/07 G21C15/28 

Область техники, к которой относится изобретение

Данное изобретение относится к сфере инженерных исследований, разработки и проектирования ядерных реакторов и представляет собой реактор с засыпкой из шаровых тепловыделяющих элементов.

Уровень техники

Шаровые топливные элементы используются в высокотемпературных газоохлаждаемых реакторах и получили повсеместное признание благодаря удобству загрузки, перегрузки в них топлива, хорошей вместимости радиоактивного вещества. Комплексные свойства реакторов на расплавленных солях могут также быть сравнительно хорошими, однако сильная едкость расплавленных в условиях высоких температур солей является сложной инженерной проблемой.

Сущность изобретения

В описываемом в данном изобретении реакторе с засыпкой из шаровых тепловыделяющих элементов шаровые топливные элементы состоят из твердых шарообразных элементов, заполненных ядерным топливом и твердым теплоносителем, посредством механической транспортировочной системы обеспечивается циклическое движение твердых шаровых элементов между реактором и парогенератором, за счет чего тепло передается от реактора к парогенератору.

Обычно считается, что в качестве теплоносителя реактора может использоваться только жидкая или газообразная среда. В описываемом в данном изобретении реакторе с засыпкой из шаровых тепловыделяющих элементов в качестве теплоносителя используются твердые шарообразные тела, которые обладают хорошей динамической способностью. Циркуляция большого количества твердых шарообразных гранул демонстрирует характеристики, схожие с характеристиками циркулирующей жидкости, и чем меньше диаметр твердых шарообразных тел, тем больше характеристики их циркуляции схожи с характеристиками циркуляции жидкости. Поднимаясь в активной зоне реактора на необходимую высоту при помощи подъемного подающего устройства, твердые шарообразные тела под действием собственного веса перемещаются сверху вниз, таким образом происходит непрерывная циркуляция твердых шарообразных тел по вертикали. Реактор с засыпкой из шаровых тепловыделяющих элементов за счет циркуляции таких шаровых топливных элементов осуществляет передачу тепловой энергии, при этом отток тепла происходит из зоны с высокой температурой в зону с более низкой температурой. Ядерное топливо упаковано в твердое шарообразное тело, являющееся хорошей оболочкой и препятствующее рассеиванию радиоактивного вещества и, таким образом, способствующее повышению безопасности. Возможно, такой вид передачи тепловой энергии имеет практическое значение не только для использования в реакторе, но и для использования в промышленной сфере.

Характеристики группового циркулирующего потока твердых шарообразных гранул в значительной степени зависят от размера шарообразных гранул, участвующих в потоке, - чем меньше размер гранул, тем ближе характеристики и свойства потока к характеристикам и свойствам циркуляции жидкости. Циркуляция твердых шарообразных гранул происходит за счет их вращения. На самом деле под действием гравитации вращаются только те шары, которые контактируют со стенками активной зоны, остальные же шары не вращаются во время движения. Чем меньше размер гранул, тем меньше коэффициент пустот в массиве гранул и тем выше показатель теплопроводности. При нагревании гранул до относительно высокой температуры также необходимо учитывать скорость передачи тепла от них посредством теплового излучения, которая может быть выше скорости передачи тепла посредством контактной теплопроводности. Скорость теплопередачи от твердых шарообразных гранул, возможно, несколько меньше скорости теплопередачи от воды, так как для твердых тел не приемлем турбулентный теплообмен. Преимущество твердого теплоносителя заключается в том, что при диффузии ядерного топлива внутри твердого шарообразного тела источник тепла распределяется равномерно по всей активной зоне реактора, компенсируя тем самым недостаточную теплопроводность. Поскольку невозможен локальный перегрев реактора, объемная плотность мощности реактора, в котором в качестве теплоносителя используются твердые шарообразные гранулы, будет несколько ниже. Соответственно, при одинаковых мощностях общий объем такого реактора будет несколько больше реактора, охлаждаемого водой под давлением (PWR).

При проектировании шарообразного тела с ядерным топливом можно предусмотреть необходимые меры безопасности и возможность контроля количества содержащегося внутри него топлива и контроля скорости передачи производимого тепла в определенном диапазоне, так чтобы тепловая энергия посредством теплового излучения передавалась вовне и возможно было избежание перегрева тела в условиях отсутствия иного типа теплоносителя. В активной зоне реактора также присутствует некоторое количество шарообразных теплоносителей меньшего диаметра, не содержащих ядерное топливо, которые выносят тепловую энергию из реактора. Шаровые тепловыделяющие элементы с ядерным топливом путем теплопередачи и теплового излучения передают тепловую энергию указанным шарообразным теплоносителям, которые, принимая во внимание сравнительно большой теплотехнический запас реактора, при возникновении чрезвычайной ситуации смогут обеспечить перенос тепла за пределы активной зоны реактора, а также создадут прекрасную оболочку для ядерного топлива, что существенно повышает уровень безопасности реактора. С внешней стороны емкости реактора можно разместить большое количество твердого материала, а также обеспечить хороший контакт этого материала с внешней поверхностью стенок реактора для рассеивания отбросного тепла реактора путем теплопередачи и теплового излучения во избежание плавления реактора.

Главный контур описываемого в данном изобретении реактора с засыпкой из шаровых тепловыделяющих элементов состоит из рабочей емкости реактора, парогенератора и подъемного подающего устройства. Высота расположенного в нижней части отверстия для вывода шаровых тепловыделяющих элементов должна находиться ниже или на одном уровне с верхним входным отверстием парогенератора. Реактор оборудован двумя подъемными подающими устройствами, одно из которых осуществляет подъем твердых шаровых тел от нижнего выводного отверстия реактора до верхнего входного отверстия парогенератора, второе - подъем твердых шарообразных элементов от нижнего выводного отверстия парогенератора до верхнего входного отверстия реактора. После поглощения вырабатываемого в результате ядерной реакции тепла в активной зоне реактора под действием гравитации опускаются вниз до нижнего выводного отверстия реактора. Подъемные подающие устройства поднимают твердые шарообразные элементы до верхнего входного отверстия парогенератора, внутри которого указанные шарообразные элементы также опускаются вниз под действием силы гравитации. При этом аккумулированное в указанных шарообразных элементах тепло передается в содержащуюся в парогенераторе охлажденную воду, после чего подъемные подающие устройства вновь поднимают шарообразные элементы до верхнего входного отверстия реактора. Таким образом, непрерывная циркуляция твердых шарообразных элементов обеспечивает передачу тепловой энергии из реактора в парогенератор. Принцип передачи тепловой энергии путем засыпки из шаровых тепловыделяющих элементов можно использовать для проектирования как реакторов на тепловых нейтронах, так и реакторов на быстрых нейтронах.

Подъемные подающие устройства действуют по принципу эскалатора. Для предотвращения качения шаровых тепловыделяющих элементов и уменьшения риска их повреждения одновременно используются два подъемных устройства. Таким образом, в процессе циркуляции тепловыделяющие элементы подвергаются риску удара только при их перемещении вниз под действием силы гравитации. Для механической системы транспортировки следует использовать большое сечение элементов и низкую скорость их перемещения, что позволяет уменьшить трение шаровых тепловыделяющих элементов, улучшить их взаимодействие и повысить общие характеристики потока. Из-за относительно высокой температуры шаров необходимо использовать элеваторы с максимальными термостойкими характеристиками. Подъемные подающие устройства должны иметь хорошую герметичность. Несмотря на то что реактор работает при давлении, близком к атмосферному, тем не менее необходимо обеспечить полную газонепроницаемость и защиту от попадания кислорода. Обязательная герметичность среды главного контура также является защитным экраном от радиационного излучения. Возможно использование и одного подъемного подающего устройства, однако в долгосрочной перспективе вращение тепловыделяющих элементов может привести к их значительному износу вследствие трения и к сокращению срока службы тепловыделяющих элементов. При проектировании подъемного подающего устройства должна учитываться необходимость транспортировки твердых шарообразных гранул относительно малого диаметра, возможно использование транспортерной ленты из металлической ткани или металлического корда. Для предотвращения утечки шарообразных гранул по бокам ленточного транспортера должны быть установлены специальные предохранительные щитки, которые должны двигаться вместе с транспортерной лентой. Также может быть использована конвейерная лента с углублением по центру и двумя бортами по бокам для предотвращения утечки шарообразных гранул по бокам ленточного транспортера. Кроме этого, необходимо предотвратить попадание твердых шарообразных гранул в зазоры между подвижными и неподвижными деталями, так как это может создать угрозу безопасной работы транспортировочной системы. Для минимизации силы удара при столкновении тепловыделяющих элементов во время их перемещения вниз в активной зоне реактора под действием гравитации система передачи должна быть спроектирована под определенным углом наклона, чтобы шаровые элементы плавно скатывались вниз. Нижняя часть транспортировочной системы также может быть спроектирована под определенным наклоном, чтобы не позволять шарообразным тепловыделяющим элементам изменять направление движения потока. Данную задачу можно решить путем использования специально спроектированных рельсовых направляющих. Верхнее входное отверстие реактора необходимо оборудовать направляющими желобами, которые обеспечат упорядоченное и медленное движение шарообразных тепловыделяющих элементов в потоке. Транспортировочная система такого типа все же имеет определенные требования к диаметру перемещаемых твердых гранул. Для транспортировки твердых тел слишком малого размера, образующих порошкообразную массу, подобная система передачи, возможно, будет неприменима из-за невозможности полного предотвращения утечек гранул столь мелкой фракции. Транспортерная лента должна быть изготовлена из мягкого материала для предотвращения повреждения внешней оболочки тепловыделяющих элементов. Таким требованиям удовлетворяет, например, металлическая ткань. Механическая транспортировочная система должна принудительно охлаждаться во избежание перегрева и снижения механической прочности. Два комплекта подъемного подающего устройства призваны обеспечить синхронность движения потока, для этого необходима полная согласованность их работы.

Диаметр регулирующих стержней в реакторах с засыпкой из шаровых тепловыделяющих элементов должен быть больше диаметра регулирующих стержней, используемых в реакторах, охлаждаемых водой под давлением (PWR), потому что процесс перемещения вниз шарообразных тепловыделяющих элементов в активной зоне реактора является механическим, который, в свою очередь, предъявляет определенные требования к прочности участвующих в этом процессе подвижных компонентов. Показатели прочности регулирующих стержней малого диаметра, очевидно, не смогут удовлетворить требованиям механического процесса, поэтому необходимо использование столбчатых регулирующих стержней большого диаметра. Для большего соответствия характеристике потока шарообразных тепловыделяющих элементов сечение регулирующих стержней должно быть спроектировано в форме кольцевой беговой дорожки, при этом сами регулирующие стержни должны располагаться вытянутыми сторонами параллельно направлению потока шарообразных тепловыделяющих элементов для уменьшения силы сопротивления. При наличии твердого замедлителя регулирующие стержни можно поместить в замедляющее вещество для создания более высокой механической прочности, в этом случае особых требований к прочности регулирующих стержней не предъявляется. При установке управляющего стержня внутрь полой обсадной трубки, выполненной из термостойкого материала, сравнительно толстые стенки трубки будут иметь высокую механическую стойкость. Определенные особенности механического процесса движения предъявляют очень высокие требования к механической прочности внутренних элементов конструкции реакторов с засыпкой из шаровых тепловыделяющих элементов. Большое количество расположенных внутри активной зоны реактора регулирующих стержней может значительно увеличить силу сопротивления потока шарообразных тепловыделяющих элементов, при этом необходимо учитывать, что характеристики потока твердых шарообразных гранул хуже характеристики потока жидкости. В реакторах с несколькими циклами разнонаправленность потоков шарообразных тепловыделяющих элементов может компенсировать недостаточную текучесть потока. По аналогии с реакторами, охлаждаемыми водой под давлением (PWR), регулирующие стержни прочно соединяются между собой, образуя регулирующую группу СУЗ (системы управления и защиты), перемещением которой по вертикальной оси осуществляется контроль реактивности реактора.

Шаровой тепловыделяющий элемент состоит из расположенного внутри ядерного топлива и теплоносителя во внешнем слое. Для реакторов с засыпкой из шаровых тепловыделяющих элементов нет необходимости в постоянном использовании жидких теплоносителей, однако возможно применение как твердого, так и жидкого теплоносителя. В реакторах с небольшой плотностью энерговыделения разрешается использование твердых теплоносителей, которые производят из термостойкого материала во избежание их расплавления. Способность противостоять внешним нагрузкам таких теплоносителей сравнительно высока, что минимизирует возможность их повреждения. Даже незначительное повреждение элементов не будет способствовать рассеиванию продуктов радиоактивного распада, также исключена утечка теплоносителя шарообразных гранул - все это значительно повышает безопасность системы. Для реакторов малой мощности использование твердых теплоносителей значительно повышает их показатели безопасности. Использование в качестве теплоносителя твердых материалов снижает нейтронное сечение, а также повышает коэффициент теплопроводности, удельную теплоемкость, термостойкость, твердость. Подобные материалы даже в условиях высоких температур создают превосходную оболочку для радиоактивного вещества. Часто используемыми термостойкими материалами являются окись магния, окись алюминия, карбид кремния, некоторые композитные материалы, такие как металлокерамика и вольфрамовая медь, также удовлетворяют необходимым требованиям. Карбид кремния обладает большой удельной теплоемкостью, показатель которой при температуре 247°С равен 1266,93 кДж/(кг·К), а также обладает высоким коэффициентом теплопроводности, хорошей термостойкостью и твердостью. По своим комплексным характеристикам карбид кремния является приемлемым материалом для использования в качестве твердого теплоносителя. При использовании порошкообразного ядерного топлива с размером гранул 1-2 мм и его покрытием оболочкой из твердого термостойкого теплоносителя изготавливается шаровой тепловыделяющий элемент размером около 10 мм.

В случае если допускается спекание твердого вещества или использование жидкого ядерного топлива, наружный слой из твердого термостойкого материала создает плакированный слой. Созданная таким образом между наружным и внутренним слоями опорная конструкция создает дополнительную стойкость и препятствует внешнему воздействию на ядерные топливные элементы. Фазовые превращения теплоносителя значительно повышают показатели теплопередачи. Использование материалов с низкой температурой плавления в качестве материалов для теплоносителя, таких как алюминий, медь, магний, а также сплавов на их основе, способствует значительному снижению текучести теплоносителя. Алюминий обладает низким нейтронным сечением, стабильностью химических свойств, высоким коэффициентом теплопроводности, большой удельной теплоемкостью и другими преимуществами, позволяющими использовать его в работе с ядерным топливом. Алюминий также может составлять сплав с ядерным топливом. При плавлении алюминия ядерное топливо находится в жидком алюминии, образуя расплав, который обладает превосходными теплопроводными свойствами, что значительно повышает безопасность системы. У алюминия не только низкая точка плавления, но и высокая точка кипения, поэтому использование алюминия в качестве материала для оболочки ядерного топлива позволит в случае возникновения серьезной аварии и расплавления активной зоны реактора эффективно препятствовать рассеиванию радиоактивного вещества. Низкая точка плавления и высокая теплота плавления позволяют использовать алюминий в качестве материала для металлического теплоносителя. Расплавленный в реакторе алюминий затвердевает при попадании в парогенератор, осуществляя фазовый переход теплопередачи, что является важной составляющей процесса работы реакторов на быстрых нейтронах, однако вследствие отсутствия у алюминия в расплавленном состоянии механической стойкости шарообразные твердые тела нуждаются еще в одном плакированном слое из термостойкого материала. Таким материалом может быть карбид кремния. Для повышения ударной прочности шаров необходимо создание внутри него опорной структуры для эффективного повышения его твердости. Повреждение шара может привести к вытеканию реактивной жидкости, поэтому эффективное механическое проектное решение обязательно должно предусматривать высокую прочность и твердость шара. Для обеспечения необходимой теплопередачи необходимо использование сравнительно большого объема теплоносителей. В соответствии с фактическим назначением реактора необходимо определить его емкость, а также рассчитать необходимый объем ядерного топлива и теплоносителей. Между твердыми шарообразными телами существуют зазоры, которые необходимо заполнить шарообразными теплоносителями малого размера. Они вместе с шаровыми тепловыделяющими элементами участвуют в цикле потока между реактором и парогенератором при участии подъемного передающего устройства.

При решении проблемы улучшения текучести потока гранул шаровых тепловыделяющих элементов необходимо учитывать, что чем меньше размер гранул, тем лучше характеристики потока. Гранулы меньшего размера обладают меньшим весом, что, в свою очередь, уменьшает силу столкновения и ударов при движении гранул вниз в активной зоне реактора. Твердый материал обладает определенным допустимым пределом напряжения. Масса из более мелких гранул также легче изменяет свою форму и форму потока. Поэтому размер гранул следует делать по возможности меньше, что обуславливает уменьшение закладываемого внутрь гранулы объема ядерного топлива. Добавление в массу шаровых тепловыделяющих элементов гранул теплоносителей меньшего размера без содержания внутри ядерного топлива позволяет минимизировать коэффициент пористости внутри активной зоны реактора, что приведет к приросту теплопроводности. Во время циркуляции потока при контакте со стенками активной зоны фактически вращаются только гранулы меньшего размера, шаровые тепловыделяющие элементы с содержанием ядерного топлива практически не вращаются, а только передвигаются вслед за более мелкими гранулами. Диаметр шаровых тепловыделяющих элементов примерно в 10 мм представляется подходящим, для более точного определения размера гранул необходимо проведение комплексной оценки объекта и необходимых экспериментов с движением потока.

В реакторах на тепловых нейтронах с засыпкой из шаровых тепловыделяющих элементов в качестве замедлителя можно использовать графит или воду. Замедлители из графита обладают высоким уровнем безопасности, сравнительно большим объемом. Графит в виде стержней помещают внутрь активной зоны реактора. При использовании воды в качестве замедлителя объем активной зоны реактора будет существенно меньшим. Еще более предпочтительно использование тяжелой воды. Вода в активной зоне реактора может использоваться лишь в качестве замедлителя и не может выводить тепло из реактора. Между водяными трубками и шаровыми тепловыделяющими элементами существуют изолирующие тепло полости, заполненные газом. Вследствие этого тепловая энергия плохо передается воде, которая находится в активной зоне реактора не в газообразном состоянии и не обладает высоким давлением. Содержащееся в воде тепло выводится наружу с помощью циркуляционного контура.

При штатной эксплуатации реактора с засыпкой из шаровых тепловыделяющих элементов утечка радиоактивных продуктов распада минимальна. Продукты распада, как правило, затвердевают внутри твердого теплоносителя, рассеиваясь в очень малой степени даже в случае повреждения оболочки тепловыделяющего элемента.

Парогенератор, использованный в описываемом в данном изобретении реакторе с засыпкой из шаровых тепловыделяющих элементов, отличается от парогенераторов, используемых на реакторах, охлаждаемых водой под давлением (PWR), и по своим характеристикам и конструкции аналогичен паровому котлу. Существует большое количество различных методов передачи содержащейся в шаровых тепловыделяющих элементах тепловой энергии воде. При перемещении шаровых тепловыделяющих элементов вверх на подъемном передающем устройстве, если позволит размер сечения, внутри подъемного передающего устройства можно установить водяные трубки, проложив их в направлении движения потока шаров. В этом случае систему необходимо оснастить системой воздушных каналов, по которым газ будет подниматься с нижнего конца подъемного передающего устройства к верхнему, а выделяемое шаровыми тепловыделяющими элементами тепло путем теплового излучения, теплопередачи и конвекции газа будет передаваться воде. При некотором увеличении диаметра шаровых тепловыделяющих элементов на транспортерной ленте допускается появление зазоров между шарами, при этом газ можно пропускать сквозь массив шаров. При хорошей теплопередаче от шаровых тепловыделяющих элементов поток газа может поступать от нижней стороны транспортерной ленты к верхней, затем при обдуве потоком газа расположенной в верхней части транспортерной водяной трубки будет происходить передача тепловой энергии от газа воде. Таким образом, посредством непрерывной циркуляции газа и теплового излучения можно обеспечить передачу тепловой энергии воде. Если в массиве шаров достаточно зазоров для прохождения газа, то данный метод теплопередачи можно применять и внутри активной зоны реактора. Внутри парогенератора вдоль направления движения шаровых тепловыделяющих элементов расположено множество проточных каналов. Проточные каналы, по своей конструкции тонкие и длинные, выполнены из материала, обладающего высокой твердостью, износостойкостью, большим коэффициентом теплопроводности. Пространство между каналами заполнено водой. Когда шаровые тепловыделяющие элементы перемещаются внутрь парогенератора, выделяемое шаровыми тепловыделяющими элементами тепло путем теплового излучения и теплопередачи передается воде. Длина проточного канала парогенератора обеспечивает ему большую площадь теплопередачи. Объем парогенератора можно спроектировать достаточно большим с целью увеличения продолжительности времени нахождения шаровых тепловыделяющих элементов внутри парогенератора и, соответственно, продолжительности передачи тепловой энергии воде. При наличии больших зазоров между шарами также можно оборудовать газовый циркуляционный контур для вспомогательной теплопередачи, тогда газ после поглощения тепла от шаровых тепловыделяющих элементов поступает в водяную трубку с задней стороны и сообщает тепло воде. Для более эффективной теплопередачи теплоносителя можно поместить алюминий внутрь герметичной гранулы теплоносителя, после чего такая гранула получит хорошие теплопроводные свойства. При наличии жидкости в горячей части парогенератора добавление жидкого металла в гранулы теплоносителя может значительно усилить теплопередачу между шарообразными гранулами и холодной рабочей средой. При добавлении воды в горячую часть парогенератора она станет теплопередающей средой между шаровыми тепловыделяющими элементами и холодной рабочей частью парогенератора. Однако добавление воды в сам реактор в большинстве случаев считается нецелесообразным. Во избежание возникновения подобной ситуации в нижней части парогенератора необходимо установить резервуар и водяную помпу. Водяная помпа будет закачивать воду в верхнюю часть парогенератора, затем вода под действием гравитации будет стекать вниз, при этом вступая в контакт с ядерным топливом, охлаждая шаровые тепловыделяющие элементы, после чего будет попадать в резервуар. Таким образом, вода, выполняя роль теплопроводящей среды, может передавать тепло воде в холодной части парогенератора. Установка парогенератора, подобного используемому в реакторах, охлаждаемых водой под давлением (PWR), позволяет охлаждать шаровые тепловыделяющие элементы с помощью водяного циркуляционного контура. Тепловая энергия от шаровых тепловыделяющих элементов передается воде через процесс теплообмена, происходящий в парогенераторе, при этом возможна также передача тепла во второй водяной циркуляционной контур. Уровень радиации внутри парогенератора сравнительно низкий. Для защиты от радиационного излучения, исходящего от ядерного топлива тепловыделяющих элементов, внутри парогенератора необходимо разместить большой объем сильно поглощающего нейтроны вещества, такого как бор или кадмий. Парогенератор представляет собой паровой котел, осуществляющий передачу полученного в результате ядерной реакции тепла во внешнюю среду. При распаде находящегося внутри ядерного топлива создается сильное излучение, поэтому среда внутри парогенератора также считается радиоактивной, однако уровень ее радиационного излучения значительно ниже по сравнению с высокими потоками нейтронов внутри реактора. Температура шаровых тепловыделяющих элементов относительно высока и даже уровень нагрева воды во втором водяном циркуляционном контуре удовлетворяет сверхкритичным требованиям, поэтому реакторы данного типа обладают эффективным тепловым КПД. При использовании термостойких материалов для дополнительного повышения температуры выходящих из реактора шаровых тепловыделяющих элементов возможно использование высокоэффективного приводного двигателя (паровой турбины) цикла Брайтона. При установке второго контура теплообмена и экранирования радиационного излучения такую установку можно использовать также для теплоснабжения, термохимического производства водорода, сжижения и газификации угля и решения других задач.

Использование в реакторе с засыпкой из шаровых тепловыделяющих элементов в качестве теплоносителя материалов с низким нейтронным сечением для снижения уровня вредного поглощения нейтронов значительно повышает его стоимость, особенно это относится к быстродействующим реакторам, проекты которых тяготеют к резкому повышению их стоимости. В качестве топлива возможно использование отработанного топлива реакторов, охлаждаемых водой под давлением (PWR), таким образом перерабатывая высокоактивные радиоактивные отходы. Некоторые твердые материалы имеют очень низкое нейтронное сечение и практически не поглощают нейтроны. Подобные твердые материалы как теплоносители позволят использовать ядерное топливо низкой концентрации до его критических пределов, а также максимально использовать его ресурс в реакторах с засыпкой из шаровых тепловыделяющих элементов.

Тип ядерного топлива, его концентрация, количество, тип теплоносителя, количество теплоносителя, диаметр шаровых тепловыделяющих элементов, их конструкция - все эти параметры определяются в зависимости от сферы использования реактора с засыпкой из шаровых тепловыделяющих элементов.

В случае выхода из строя механической транспортировочной системы и невозможности выхода шаров из активной зоны реактора не происходит охлаждения шаровых тепловыделяющих элементов и может произойти расплавление активной зоны. Внутри реактора имеется большое количество теплоносителей. При расплавлении активной зоны реактора теплоносители и ядерное топливо расплавляются и формируют расплав, при этом теплоноситель создаст оболочку для ядерного топлива, препятствующую его рассеиванию во внешнюю среду. Поэтому даже такая серьезная авария, как расплавление активной зоны реактора, будет сопровождаться лишь незначительной утечкой радиоактивного вещества. Аналогично реакторам других типов, в реакторе с засыпкой из шаровых тепловыделяющих элементов может быть предпринято множество активных и пассивных мер по предотвращению расплавления активной зоны реактора.

Реакторы с засыпкой из шаровых тепловыделяющих элементов имеют одну отличительную защитную способность, а именно возможность при малой мощности после остановки реактора переместить шаровые тепловыделяющие элементы, в которых сохранен большой потенциальный объем тепловой энергии, из активной зоны реактора в парогенератор, где тепловая энергия тепловыделяющих элементов постепенно перейдет в воду, имеющуюся внутри парогенератора в большом количестве. Даже при утечке воды в парогенераторе площадь распространения массива шаровых тепловыделяющих элементов обеспечивает большую площадь теплопередачи. Хотя плотность энерговыделения одного шарового тепловыделяющего элемента невелика, диффузия ядерного топлива со сравнительно большим объемом твердого теплоносителя позволяет осуществлять передачу тепла вовне за счет собственной теплопроводности и теплового излучения. Также возможно перемещение твердых шарообразных гранул в водную часть парогенератора за счет силы гравитации. Создание герметичной оболочки для парогенератора может обеспечить надежный твердый экран для защиты от радиационного излучения.

Существует множество способов вывода из реактора отбросного тепла. Возможно использование газовой системы теплопередачи, аналогичной применяемой в реакторах с газовым охлаждением, для вывода отработанного тепла из активной зоны реактора при возникновении аварийной ситуации. Данные газовые системы также могут служить для сорбционной очистки газообразных радиационных продуктов распада. В реакторе можно предусмотреть резервные каналы для нагнетания воды, которые могут быть использованы для вывода отбросного тепла при отказе штатной транспортировочной системы в случае аварийной остановки реактора. При штатной работе реактора каналы для нагнетания воды должны оставаться свободными, залив в них воды не разрешается. Резервные каналы для нагнетания воды также можно использовать по принципу, реализованному в реакторах, охлаждаемых водой под давлением (PWR), для вывода отбросного тепла. Вдоль внешней стенки реактора в виде спирали располагается трубопровод из нержавеющей стали. При отказе системы охлаждения активной зоны реактора по трубопроводу можно пускать воду для охлаждения реактора.

Описываемый в данном изобретении реактор с засыпкой из шаровых тепловыделяющих элементов может быть спроектирован как реактор малой мощности, тогда даже при отказе системы вывода отбросного тепла из активной зоны реактора вывод тепла может быть осуществлен с применением пассивных мер защиты. При малой мощности реактора его удельная плотность энерговыделения также будет низкой и системных возможностей тепловой диффузии всегда будет достаточно для вывода отбросного тепла из активной зоны реактора. Данный факт значительно увеличивает безопасность использования реакторов такого типа. Благодаря высокому уровню внутренней самозащищенности реакторы данного типа могут пользоваться высоким спросом и широкого применяться.

Пояснения к прилагаемым чертежам

Фиг. 1 - Схематическое изображение систем реактора с засыпкой из шаровых тепловыделяющих элементов:

1. Рабочая емкость реактора;

2. Парогенератор;

3. Электродвигатель;

4. Подъемное передающее устройство;

5. Регулирующий стержень.

Фиг. 2 - Шаровой тепловыделяющий элемент с оболочкой из твердого теплоносителя:

6. Ядерное топливо;

7. Теплоноситель;

8. Опорная структура;

9. Внешний плакировочный слой.

Варианты практического применения

В данном изобретении представлен ядерный реактор с засыпкой их шарообразных тепловыделяющих элементов, содержащих внутри себя ядерное топливо и твердый теплоноситель. Твердые шарообразные тепловыделяющие элементы в реакторе посредством механической транспортировочной системы перемещаются из активной зоны реактора в парогенератор, осуществляя передачу тепловой энергии парогенератору. Реакторы подобного типа обладают широкой сферой применения, их эксплуатационные характеристики могут корректироваться в зависимости от конкретных проектных задач. Особо широкой сферой применения обладают реакторы малой мощности с высоким уровнем внутренней самозащищенности. Несомненным преимуществом реактора данного типа является то, что в нем не только имеется внешняя плакировочная оболочка, его внутренняя часть содержит в себе теплоноситель.

Изобретение относится к исследовательским реакторам на сферическом топливе. Реактор может быть использован для производства электроэнергии, производства водорода, отопления, сжижения угля и газификации. Реактор имеет засыпку из шаровых тепловыделяющих элементов. Ядерное топливо вместе с теплоносителем помещено внутрь твердых шарообразных элементов, твердый теплоноситель служит оболочкой для продуктов радиационного распада и выполняет функцию охлаждения ядерного топлива. С помощью механической системы передачи сферические элементы перемещаются из нижней части парогенератора в верхнюю часть реакционного сосуда. Осуществляется циркуляция сферических элементов между реактором и парогенератором. Технический результат - реактор имеет неотъемлемую безопасность, высокие температурные параметры на выходе. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Реактор с засыпкой из шаровых тепловыделяющих элементов, главной особенностью которого является помещение ядерного топлива вместе с теплоносителем внутрь твердых шарообразных элементов, при этом твердый теплоноситель не только служит оболочкой для продуктов радиационного распада, но и выполняет функцию охлаждения ядерного топлива.

2. Реактор по п. 1, отличающийся тем, что система главного контура реактора состоит из рабочей емкости реактора, парогенератора и двух подъемных передающих устройств для транспортировки шарообразных гранул, при этом одно подъемное передающее устройство предназначено для подъема шарообразных гранул от нижнего выходного отверстия парогенератора до верхнего входного отверстия рабочей емкости реактора, а второе - от нижнего выходного отверстия рабочей емкости реактора до верхнего входного отверстия парогенератора, образуя циркуляционный поток шарообразных гранул между реактором и парогенератором и осуществляя передачу образующейся в результате ядерной реакции тепловой энергии в парогенератор.

3. Реактор по п. 1, отличающийся тем, что шаровые тепловыделяющие элементы состоят из ядерного топлива, содержащегося внутри элементов, внешнего слоя из теплоносителя, наружной твердой термостойкой плакировочной оболочки и опоры между содержащимся внутри ядерным топливом и внешней плакировочной оболочкой.

4. Реактор по п.1, отличающийся тем, что подъемные передающие устройства оснащены водяными трубками, используемыми для поглощения тепловой энергии шаровых тепловыделяющих элементов, а также оснащены системой воздушных каналов для циркуляции газа, обеспечивающей теплопередачу от тепловыделяющих элементов водяным трубкам.

5. Реактор по п. 1, отличающийся тем, что внутри парогенератора расположено множество проточных каналов, предназначенных для циркуляции потока шаровых тепловыделяющих элементов, передающих тепловую энергию от шаровых тепловыделяющих элементов воде.