РЕАКТОР-КОНВЕРТЕР КАНАЛЬНОГО ТИПА С РАСПЛАВЛЕННЫМ ТОПЛИВОМ Российский патент 2017 года по МПК G21C1/04 B82B1/00 

Область техники

Изобретение относится к ядерной энергетике, а именно к разработке реактора-конвертера с расплавленным уран-плутониевым топливом, работающим со средним коэффициентом воспроизводства, достаточным для самообеспечения топливом.

Уровень техники

Из уровня техники известен натрий-графитовый реактор SGR (штат Небраска, США) (см. П.А. Петров, Ядерные энергетические установки, Госэнергоиздат, Москва, 1958, стр. 209).

Реактор канального типа состоит из корпуса низкого давления с активной зоной внутри, состоящей из вертикальных колонн бокового отражателя и замедлителя. В центральных отверстиях колонн замедлителя технологические каналы (ТК) для протока теплоносителя, в них же тепловыделяющие сборки (ТВС) с тепловыделяющими элементами (ТВЭЛ). Топливом является металлический уран, легированный молибденом, с обогащением до 3% и коэффициентом воспроизводства около 0,7. Графитовый замедлитель - шестигранные блоки в циркониевых оболочках толщиной 0,9 мм для защиты графита от натриевой пропитки. ТВЭЛы находятся в оболочках из нержавеющей стали толщиной 0,25 мм. Хороший тепловой контакт между сердечником из урана и оболочкой получается за счет заполнения зазоров между ними жидким натрием или натрий-калием. Верхняя часть оболочки заполнена гелием. Корпус реактора и опоры выполнены из нержавеющей стали. Теплоноситель (натрий) подается снизу корпуса реактора по трубам ТК и зазорам шириной 11,25 мм между графитовыми блоками.

Указанный реактор обладает следующими недостатками:

1. Нержавеющая сталь - оболочка ТВЭЛ не взаимодействует с урановым стержнем только до 650°С.

2. Защитное циркониевое покрытие на графитовых блоках - паразитный поглотитель нейтронов.

3. Твердый уран в процессе работы накапливает продукты деления, поглощающие нейтроны и отравляющие реактор, что при расплавлении топлива приводит к резкому повышению давления, выходу газообразных продуктов и скачку реактивности.

4. Уран, обладая различными фазовыми превращениями с отличной плотностью упаковки, при изменении температуры склонен к короблению и образованию эвтектических реакций с продуктами деления, которые в нем накапливаются.

5. Герметичность оболочки ТВЭЛа не позволяет удалять летучие и газообразные продукты деления, что повышает давление внутри оболочки и при расплавлении топлива ведет к ее разрушению и выбросу продуктов деления в теплоноситель.

6. Легкоплавкий натрий (температура кипения 883°С) в случае взаимодействия с расплавленным уран-плутониевым топливом будет реагировать с кислородом и азотом, растворенными в топливе, с выделением (за счет экзотермии) значительного количества тепла. При этом натрий, активируясь, «загрязняет» оборудование и трубопроводы реактора, повышая уровень радиоактивности.

7. Материалы активной зоны реактора имеют высокие сечения поглощения нейтронов, что не позволяет достичь коэффициента воспроизводства, достаточного для самообеспечения реактора ядерным топливом.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению - прототипом является реактор-конвертер (см. патент Российской Федерации №56048 на полезную модель, опубл. 27.08.2006).

Реактор-конвертер канального типа состоит из корпуса низкого давления с размещенной в корпусе активной зоной, состоящей из вертикальных колонн бокового отражателя и замедлителя, с установленными в центральные отверстия колонн замедлителя технологическими каналами (ТК) для протока теплоносителя и размещенными в них тепловыделяющими сборками (ТВС) с тепловыделяющими элементами (ТВЭЛ), при этом корпус низкого давления реактора выполнен из конструкционной стали, защищенной изнутри композитным материалом на основе нитрида бора, и заполнен жидкометаллическим теплоносителем, в который погружена активная зона, внутренний объем ТВЭЛ ТВС, размещенных в технологических каналах замедлителя, заполнен металлическим уран-плутониевым топливом, верхние концы ТВЭЛ объединены в накопителе продуктов деления ТВС, концы ТВЭЛ выполнены сообщающимися с полостью ТВС, последняя выполнена сообщающейся с открытой полостью над топливом, находясь с ней под общим давлением, при этом в реакторе используют жидкометаллическое уран-плутониевое топливо, а корпус низкого давления заполнен жидкометаллическим теплоносителем литием-7.

Указанный реактор-конвертер обладает следующими недостатками:

1. Невысокие прочностные характеристики оболочки ТВЭЛа (тигля) из гексагонального нитрида бора, армированного нитевидными кристаллами P-SiC, особенно ударной прочностью и жаропрочностью.

2. Высокое сродство лития-теплоносителя к кислороду и азоту с большой экзотермией взаимодействия, что может привести к нерегулируемому повышению температуры в ТВС.

3. Накопитель продуктов деления как легколетучих, так и с низкой упругостью пара, не зафиксирован конструктивно и по составу материала.

4. Не предложен механизм эвакуации накопленных продуктов деления из реактора-конвертера.

5. Стальной корпус низкого давления, накапливающий дефекты в результате работы реактора, обладает повышенной восприимчивостью к аэрозольным утечкам по стокам дислокаций, микротрещинам и т.д. теплоносителя ⁷Li.

Раскрытие изобретения

Задачей изобретения является создание реактора-конвертера с жидкометаллическим уран-плутониевым топливом, работающего со средним коэффициентом воспроизводства, достаточным для самообеспечения топливом, свободного от вышеперечисленных недостатков прототипа.

Технический результат от использования изобретения заключается в том, что в предложенной конструкции реактора используется жидкий теплоноситель на основе полисилазана. Поэтому:

- в конструкции реакторной установки отсутствует оборудование, необходимое, как в прототипе, для разогрева теплоносителя,

- замена лития, у которого высокое сродство к кислороду и азоту с большой экзотермией взаимодействия, на полисилазан упрощает технологию обращения с теплоносителем,

- замена лития на полисилазан улучшает нейтронно-физические характеристики топливного цикла, увеличивается коэффициент воспроизводства. Это обусловлено тем, что более легкий в атомарном смысле литий заменяется на вдвое более тяжелый полисилазан, что ведет к ужесточению спектра нейтронов.

Технический результат заявленного изобретения достигается тем, что реактор-конвертер канального типа с расплавленным топливом состоит из корпуса низкого давления с размещенной активной зоной, состоящей из вертикальных колонн бокового отражателя и внутрикорпусных устройств (ВКУ) с установленными в центральные отверстия колонн ВКУ технологическими каналами (ТК) для протока теплоносителя и размещенными в них тепловыделяющими сборками (ТВС) с тепловыделяющими элементами (ТВЭЛ), корпус низкого давления заполнен теплоносителем, в который погружена активная зона, внутренний объем ТВЭЛ ТВС, размещенных в технологических каналах, заполнен жидкометаллическим уран-плутониевым топливом, верхние концы ТВЭЛ объединены в накопителе продуктов деления ТВС, концы ТВЭЛ выполнены сообщающимися с полостью ТВС, последняя выполнена сообщающейся с открытой полостью над топливом, находясь с ней под общим давлением, при этом корпус низкого давления выполнен из высокопрочного титанового сплава, например марки ВТ3-1, ВТ6, ВТ6С, ВТ14 или ВТ22, защищенного изнутри нанопористым композитом, а теплоноситель выполнен на основе полисилазана.

В предпочтительном варианте, нанопористый композит выполнен на основе нитрида бора, реактор подпитывается низкообогащенной смесью сырьевых и делящихся изотопов урана и плутония с содержанием делящихся изотопов, не превышающим его значений в отработавшем ядерном топливе (ОЯТ) легководных реакторов, а также отвальным ураном. Оболочки ТВЭЛ, ТВС, ТК и ВКУ выполнены из композитного материала на основе нитрида бора с изотопным составом ¹¹B¹⁵N, упрочненного наноразмерными нитевидными кристаллами β-SiC, нанодисперсными частицами кубического ¹¹B¹⁵N и насыщены гелием при следующем соотношении компонентов:

¹¹B¹⁵N - 93-79 об. %

¹¹B¹⁵N - 1-3 об. % - кубический

β-SiC - 5-15 об. %

⁴Не - 1-3 об. %.

Теплоноситель на основе полисилазана имеет следующий стехиометрический состав: Si₃¹⁵N₃C₁₂D₂₂.

Накопитель продуктов деления ТВС содержит нанопористый сорбционный материал, а также материал-поглотитель продуктов деления.

Нанопористый сорбционный материал выполнен на основе SiAlON при дисперсности микропор в интервале 5-15 Å.

Краткое описание чертежей.

Признаки и сущность заявленного изобретения поясняются в последующем детальном описании, иллюстрируемом чертежами, где показано следующее.

На фигуре представлено схематическое устройство заявленного реактора-конвертера канального типа с расплавленным топливом, где обозначено следующее:

1 - биологическая защита;

2 - пробка технологического канала (ТК);

3 - газовая подушка;

4 - теплоноситель - полисилазан;

5 - шахта реактора;

6 - страховочный корпус;

7 - корпус низкого давления реактора;

8 - активная зона;

9 - опорная конструкция активной зоны;

10 - тепловыделяющая сборка (ТВС) с тепловыделяющими элементами (ТВЭЛ);

11 - технологический канал;

12 - боковой отражатель;

13 - внутрикорпусные устройства (ВКУ);

14 - накопитель продуктов деления (ПД) тепловыделяющей сборки (ТВС);

15 - канал системы управления и защиты (СУЗ) реактора;

ЛПД - летучие продукты деления.

Осуществление изобретения

Реактор-конвертер канального типа (см. фигуру) состоит из корпуса низкого давления 7 из высокопрочного титанового сплава, не активируемого в процессе работы реактора, активной зоны 8, размещенной внутри корпуса 7 низкого давления, состоящего из вертикальных колонн бокового отражателя 12 и ВКУ 13 с установленными в центральные отверстия ВКУ технологическими каналами (ТК) 11 для протока теплоносителя 4 и размещенными в них тепловыделяющими сборками (ТВС) с тепловыделяющими элементами (ТВЭЛ) 10. Корпус низкого давления 7 заполнен теплоносителем, в который погружена активная зона. Внутренний объем ТВЭЛ 10, размещенных в технологических каналах, заполнен жидкометаллическим уран-плутониевым топливом, верхние концы ТВЭЛ объединены в накопителе продуктов деления ТВС 14, концы ТВЭЛ 10 выполнены сообщающимися с полостью ТВС, последняя выполнена сообщающейся с открытой полостью над топливом, находясь с ней под общим давлением.

Корпус низкого давления 7 выполнен из высокопрочного титанового сплава, например марки ВТ3-1, ВТ6, ВТ6С, ВТ14 или ВТ22, защищен изнутри нанопористым композитом на основе нитрида бора. Верхние концы ТВЭЛ ТВС 10 объединены в накопителе 14 продуктов деления ПД ТВС.

Оболочки ТВЭЛ, ТВС, ТК и ВКУ выполнены из композитного материала на основе нитрида бора с изотопным составом ¹¹B¹⁵N, упрочненного наноразмерными нитевидными кристаллами P-SiC, нанодисперсными частицами кубического ¹¹B¹⁵N, и насыщены гелием, при следующем соотношении компонентов:

¹¹B¹⁵N - 93-79 об. %

¹¹B¹⁵N - 1-3 об. % - кубический

β-SiC - 5-15 об. %

⁴Не - 1-3 об. %.

Накопитель 14 продуктов деления ТВС содержит нанопористый сорбционный материал для экстракции с зеркала расплава уран-плутониевого топлива продуктов с высокой упругостью пара и газообразных продуктов, а также материал-поглотитель продуктов деления с низкой упругостью пара за счет низкой энергии образования с ними твердых растворов замещения, внедрения и т.д., при этом их сродство к материалу-поглотителю намного выше, чем к расплаву топлива. В качестве нанопористого сорбционного материалам можно использовать материал на основе SiАlON при дисперсности микропор в интервале 5-15 Å.

В качестве материала поглотителя продуктов деления с низкой упругостью пара можно использовать материалы на основе сиалона.

В технологических каналах 11 размещены ТВС с ТВЭЛ 10, причем ТВЭЛ - это тигель с глухим нижним дном и открытым верхним концом, внутри которого находится жидкометаллическое уран-плутониевое топливо в виде расплава при температуре 700-1150°С. Снаружи ТВЭЛ охлаждается теплоносителем на основе полисилазана стехиометрического состава Si₃¹⁵N₃C₁₂D₂₂. В предложенной конструкции реактора используется низкообогащенная смесь сырьевых и делящихся изотопов урана и плутония с содержанием делящихся изотопов не более, чем в отработавшем ядерном топливе (ОЯТ) легководных реакторов, а также отвальный уран, поэтому реактор не требует производств внешнего топливного цикла.

Таким образом, заявленное изобретение решает следующие основные проблемы ядерной энергетики:

- ядерная безопасность: отсутствие высокого давления теплоносителя первого контура, низкая стартовая избыточная реактивность, однородность топлива во всем объеме, высокая тепловая инерция активной зоны, минимум отходов топлива;

- радиационная безопасность: отсутствие наведенной активности теплоносителя - полисилазана, низкая активность топлива, непрерывная эвакуация продуктов деления из активной зоны;

- практически полное использование делящихся и сырьевых компонентов топлива, включая минорные актиниды, которые утилизируются в самом реакторе, что кардинально сокращает объемы ОЯТ;

- низкое стартовое обогащение: отсутствие перезагрузки реактора, замкнутый топливный цикл без внешних производств решают проблему нераспространения ядерного оружия.

Изобретение относится к ядерной энергетике, а именно к разработке реактора-конвертера с расплавленным уран-плутониевым топливом, работающим со средним коэффициентом воспроизводства, достаточным для самообеспечения топливом. Реактор-конвертер подпитывается низкообогащенной смесью сырьевых и делящихся изотопов урана и плутония с содержанием делящихся изотопов не более, чем в отработавшем ядерном топливе (ОЯТ) легководных реакторов, а также отвальным ураном, поэтому реактор не требует производств внешнего топливного цикла. Использование в качестве теплоносителя полисилазана позволяет улучшить нейтронно-физические характеристики топливного цикла, увеличить коэффициент воспроизводства. Реактор-конвертер канального типа с расплавленным топливом состоит из корпуса низкого давления с размещенной активной зоной, состоящей из вертикальных колонн бокового отражателя и внутрикорпусных устройств (ВКУ) с установленными в центральные отверстия колонн ВКУ технологическими каналами (ТК) для протока теплоносителя и размещенными в них тепловыделяющими сборками (ТВС) с тепловыделяющими элементами (ТВЭЛ), корпус низкого давления заполнен теплоносителем, в который погружена активная зона, внутренний объем ТВЭЛ ТВС, размещенных в технологических каналах, заполнен жидкометаллическим уран-плутониевым топливом, верхние концы ТВЭЛ объединены в накопителе продуктов деления ТВС, концы ТВЭЛ выполнены сообщающимися с полостью ТВС, последняя выполнена сообщающейся с открытой полостью над топливом, находясь с ней под общим давлением, при этом корпус низкого давления выполнен из высокопрочного титанового сплава, например марки ВТ3-1, ВТ6, ВТ6С, ВТ14 или ВТ22, защищенного изнутри нанопористым композитом на основе нитрида бора, а теплоноситель выполнен на основе полисилазана следующего стехиометрического состава: Si₃¹⁵N₃C₁₂D₂₂. Накопитель продуктов деления ТВС содержит нанопористый сорбционный материал для удаления газообразных продуктов деления и продуктов деления с высокой упругостью пара, например, на основе SiАlON при дисперсности микропор в интервале 5-15 Å, и материал-поглотитель продуктов деления с низкой упругостью пара. 7 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Реактор-конвертер канального типа с расплавленным топливом, состоящий из корпуса низкого давления с размещенной в нем активной зоной, состоящей из вертикальных колонн бокового отражателя и внутрикорпусных устройств (ВКУ) с установленными в центральные отверстия колонн ВКУ технологическими каналами (ТК) для протока теплоносителя и размещенными в них тепловыделяющими сборками (ТВС) с тепловыделяющими элементами (ТВЭЛ), корпус низкого давления заполнен теплоносителем, в который погружена активная зона, внутренний объем ТВЭЛ ТВС, размещенных в технологических каналах, заполнен жидкометаллическим уран-плутониевым топливом, верхние концы ТВЭЛ объединены в накопителе продуктов деления ТВС, концы ТВЭЛ выполнены сообщающимися с полостью ТВС, последняя выполнена сообщающейся с открытой полостью над топливом, находясь с ней под общим давлением, отличающийся тем, что корпус низкого давления выполнен из высокопрочного титанового сплава, защищенного изнутри нанопористым композитом, а теплоноситель выполнен на основе полисилазана.

2. Реактор-конвертер по п. 1, отличающийся тем, что корпус низкого давления выполнен из высокопрочного титанового сплава марки ВТ3-1, или ВТ6, или ВТ6С, или ВТ14, или ВТ22.

3. Реактор-конвертер по п. 1, отличающийся тем, что нанопористый композит выполнен на основе нитрида бора.

4. Реактор-конвертер по п. 1, отличающийся тем, что в качестве топлива используют низкообогащенную смесь сырьевых и делящихся изотопов урана и плутония с содержанием делящихся изотопов, не превышающим его значений в отработавшем ядерном топливе (ОЯТ) легководных реакторов, и отвальный уран.

5. Реактор-конвертер по п. 1, отличающийся тем, что оболочки ТВЭЛ, ТВС, ТК и ВКУ выполнены из композитного материала на основе нитрида бора с изотопным составом ¹¹B¹⁵N, упрочненного наноразмерными нитевидными кристаллами β-SiC, нанодисперсными частицами кубического ¹¹B¹⁵N, и насыщены гелием, при следующем соотношении компонентов:

¹¹B¹⁵N - 93-79 об.%

¹¹B¹⁵N - 1-3 об.% - кубический

β-SiC - 5-15 об.%

⁴He - 1-3 об.%.

6. Реактор-конвертер по п. 1, отличающийся тем, что теплоноситель на основе полисилазана имеет следующий стехиометрический состав:

Si₃¹⁵N₃C₁₂D_22.

7. Реактор-конвертер по п. 1, отличающийся тем, что накопитель продуктов деления ТВС содержит нанопористый сорбционный материал для удаления газообразных продуктов деления и продуктов деления.

8. Реактор-конвертер по п. 7, отличающийся тем, что нанопористый сорбционный материал выполнен на основе SiАlON при дисперсности микропор в интервале 5-15 Å.