АТОМНЫЙ РЕАКТОР Российский патент 2021 года по МПК G21D1/00 B63B35/44 

Изобретение относится к области атомной энергетики и электроэнергетики, касается энергетических ядерных реакторов, и может найти применение в стационарных и транспортных атомных тепло-электроэнергетических установок, АЭС, АТЭС. Наиболее эффективно изобретение может быть использовано для создания малогабаритных энергоемких транспортных атомных энергоустановок (АЭУ), в особенности подверженных значительным внешним динамическим воздействиям и изменениям пространственного положения. Например, в ядерных реактивных двигателях (ЯРД) и энергодвигательных установках (ЯЭДУ) для космических (аэрокосмических) летательных и плавательных аппаратов.

Прототипом настоящего изобретения является атомный реактор по патенту RU 2510652 /1/.

Атомный реактор - прототип /1/ содержит охлаждаемый несущий радиационно-защитный корпус, заключенную в термопрочный корпус тепловыделяющую активную зону и. органы регулирования мощности. А также радиально секционированную теплообменную камеру - «термокамеру» с прочным охлаждаемым корпусом высокого давления, пристыкованную к реактору радиационно-защитным днищем.

Атомный реактор с термокамерой может быть любого типа (на тепловых, быстрых или промежуточных нейтронах) с любой по составу активной зоной (твердой, жидкообразной, газообразной). В частности, на тепловых нейтронах с твердой активной зоной, содержащей ядерное топливо в виде засыпки из частиц (гранул, капсул, порошка) урана или его кислородного, азотного, углеродного соединений. Реактор - прототип имеет стержневые органы регулирования мощности, выполненные в виде поглощающих нейтроны трубчатых стержней. Поглощающие трубчатые стержни установлены на соединенных с управляющими приводами (гидроприводами или винтовыми электромоторами) подвижных кольцевых решетках и заключены в колбообразные термопрочные, например циркониевые оболочки с возможностью охлаждения за счет прокачки через них теплоносителя. Использование стержневых органов регулирования обусловлено тем, что в атомном реакторе с радиально секционированной термокамерой диаметр активной зоны может значительно (в 1,5 2 раза) превышать ее высоту. Поэтому применение боковых, например, барабанного типа органов регулирования с поглощающими накладками, расположенных снаружи за боковым отражателем, как, например, в 121, является не эффективным.

Радиально секционированная термокамера состоит из внешней кольцевой секции с входным коллектором для рабочего теплоносителя реактора, как минимум, одной средней кольцевой секции и выходной центральной секции с выходным коллектором. Секции термокамеры содержат герметично пропущенные через днище корпуса активной зоны и радиационно-защитное днище термокамеры сборки теплопередающих элементов - твердотельных тепловодов. Нагреваемые концевые участки тепловодов в сборках находятся непосредственно в активной зоне реактора. А их противоположные охлаждаемые рабочим теплоносителем реактора концевые участки расположены в секциях термокамеры и образуют в сборках межкорпусные нагревательные каналы для прокачиваемого через них рабочего теплоносителя реактора. Для образования межкорпусных нагревательных каналов эти участки тепловодов выполнены с продольными определенного размера, формы и количества, в частности, тремя, теплообменными ребрами. Секции отделены друг от друга межсекционными стенками и гидравлически сообщены между собой щелевыми кольцевыми полостями для последовательного прохода теплоносителя через нагревательные каналы поочередно всех секций. С входом его через входной коллектор в нагревательные каналы внешней секции и выходом из нагревательных каналов центральной секции в полость ее выходного коллектора.

Теплоотвод из активной зоны реактора с одновременным нагревом его теплоносителя осуществляется за счет теплопроводности твердотельных тепловодов и конвективной теплоотдачи в образованных сборками нагревательных каналах.

Термокамера может иметь в поперечном сечении любую форму (в частности, круглую или гексагональную) и ничем не ограниченную прочность корпуса, в котором можно создавать сколь угодно высокое (500-1000 и более атмосфер) давление рабочего теплоносителя реактора. Что позволяет, не снижая этим надежности работы активной зоны реактора, значительно повысить его энергонапряженность и эффективность. При этом в качестве рабочего теплоносителя реактора может использоваться практически любое жидкое или газообразное вещество. Поскольку теплоноситель реактора не проходит через его активную зону и защищен от излучения радиационно-защитным днищем термокамеры, то исключается возможность его загрязнения частицами ядерного горючего и радиационного облучения. Этим исключается радиоактивное загрязнение им окружающего пространства и работающих непосредственно на нем турбоагрегатов (турбонасосных агрегатов, турбокомпрессоров, турбоэлектрогенераторов). Кроме того, отсутствие в активной зоне реактора теплоносителя и, соответственно, внутреннего давления исключает его взрывоопасность даже в условиях расплавления активной зоны. К тому же реактор с термокамерой и твердотельными тепловодами отличается простотой запуска, и сохраняет высокую надежность и устойчивость работы в условиях внешних динамических и гидродинамических воздействий и изменения его пространственного положения.

Вместе с тем, атомный реактор - прототип /1/ имеет тот существенный недостаток, что из-за не высокой интенсивности теплопередачи из активной зоны, осуществляемой только за счет теплопроводности твердотельных тепловодов, мощность теплоотвода не высока. При этом, несмотря на возможность нагрева расположенных в активной зоне реактора концевых участков тугоплавких тепловодов до высокой температуры (например, графитовых тепловодов выше 3000°К), температура нагрева теплоносителя реактора в каналах сборок тепловодов остается не достаточно высокой. Это объясняется, прежде всего, относительно низкими значениями коэффициентов теплопроводности существующих материалов твердотельных тепловодов. Точнее их температуропроводности, поскольку речь идет о нестационарном режиме теплопередачи.

Радиально секционированная конструкция термокамеры, в которой теплоноситель последовательно проходит нагревательные каналы сборок тепловодов поочередно всех секций, за счет повышения температурного уровня теплообмена от секции к секции, дает возможность многократно повысить температуру его нагрева. Но, и при этом для энергетического реактора мощность теплоотвода из активной зоны и температура нагрева рабочего теплоносителя остаются недостаточными, что снижает эффективность его работы (КПД) и сужает область применения.

Из оценочных термодинамических расчетов температура нагрева теплоносителя реактора с пятисекционной термокамерой, в зависимости от его теплофизических свойств, теплопроводности тепловодов, гидродинамических условий теплообмена, может составить в среднем (0,5-0,7) от температуры нагрева в активной зоне концевых участков сборок тепловодов. В перспективе при использовании такого материала, как графен (теплопроводность которого предполагается равной 5кВт/м/град), можно рассчитывать на многократное (до десятков мегаватт) увеличение сборками графеновых тепловодов передаваемой тепловой мощности и более высокую температуру нагрева рабочего теплоносителя реактора.

Техническая задача настоящего изобретения заключается в повышении за счет совершенствования конструкции и интенсификации теплопередачи, эффективности работы энергетического атомного (ядерного) реактора с радиально секционированной теплообменной камерой - термокамерой, и увеличении мощности теплоотвода из активной зоны и температуры нагрева его рабочего теплоносителя. И, тем самым, улучшения его энерготехнического и технико-экономического качества.

Решение технической задачи основано на использовании, наряду со сборками твердотельных тепловодов, как в /1/, или полностью, сборок малогабаритных тепловых труб, не имеющих, как такового, адиабатического участка - «термокапсул». И возможностью теплопередачи, и за счет теплопроводности, и путем переноса внутренней теплоты фазового превращения плавящегося и испаряющегося в них теплоносителя с высокой теплотой парообразования.

Известен энергетический атомный реактор с радиально секционированной активной зоной, использующий для отвода тепловой мощности из активной зоны и передачи тепла внешнему потребителю тепловые трубы с жидкометаллическим теплоносителем (проект Лос-Аламосской лаборатории, США) /2/. Аналог /2/ не имеет, как таковой, теплообменной камеры - термокамеры. Радиальная «секционированность» его активной зоны заключается в том, что находящиеся в ней испарительные участки тепловых труб для компактности конструкции сгруппированы в плотные радиальные слои (сборки). При этом адиабатические и конденсаторные участки тепловых труб выведены из конструкции реактора наружу, где передача тепла стороннему, не связанному непосредственно с реактором теплоносителю, производится в образованном вторичном теплообменном контуре.

Такие конструкция и организация процесса теплопередачи значительно увеличивают габариты и вес реакторной системы, снижают энергонапряженность (отношение передаваемой мощности к весу) и эффективность (КПД) реактора.

При этом в реакторе /2/ используются радиальные сборки тепловых труб только с одним теплоносителем, и не предусмотрено одновременное использование сборок тепловых труб с различными по температуре испарения (парообразования) теплоносителями. Но, в высоко энергетическом атомном (ядерном) реакторе радиальные секторы активной зоны, в общем случае, имеют разную температуру. А тепловые трубы эффективно и надежно могут работать только в определенном для их теплоносителя диапазоне температур. Поэтому для обеспечения надежной и устойчивой работы всех радиальных слоев тепловых труб с одинаковым теплоносителем возникает необходимость радиального выравнивания температуры активной зоны. Но, в реакторе с боковыми барабанными органами регулирования, как в /2/, такое выравнивание температуры, возможно, и делается только за счет изменения по радиусу активной зоны мощности тепловыделения соответствующим изменением концентрации делящегося вещества. Что существенно усложняет технологию и конструкцию реактора.

Кроме того, при использовании тепловых труб, температура нагрева теплоносителя реактора не может превысить температуру конденсации теплоносителя тепловой трубы. А с учетом реальных значений коэффициентов теплопроводности и конвективной теплоотдачи в нагревательных каналах предельная температура нагрева теплоносителя реактора будет еще ниже этой температуры. Например, в сборке тепловых труб с натриевым теплоносителем (Ткип=1155°К) температура нагрева теплоносителя реактора не превышает температуру 1155°К, а с литиевым теплоносителем (Ткип=1623°К) - температуру 1623°К. Для высокоэнергетических реакторов, например транспортных устройств этого, далеко недостаточно. Например, в реакторе ядерного ракетного двигателя (ЯРД) для получения приемлемой величины удельной тяги необходимо иметь температуру нагрева рабочего теплоносителя (тела) не ниже 3000°К. (Здесь и далее теплофизические свойства веществ и материалов взяты из /3/).

Вместе с тем, в аналоге /2/ отсутствует механизм расплавления твердого (затвердевшего) жидкометаллического теплоносителя в конденсаторных участках (зонах) тепловых труб, тем более, находящихся вне реактора.

Для достижения более высокого технического результата путем устранения вышеуказанных недостатков атомного реактора - прототипа по патенту RU 2510652 /1/, и аналога /2/, в предложенном атомном реакторе радиально секционированная термокамера выполнена состоящей из радиальных секций, содержащих, наряду со сборками твердотельных тепловодов, или полностью, содержащих сборки теплопередающих элементов в виде тепловых труб, не имеющих, как таковых, адиабатических участков между испарительными и конденсаторными участками - трмокапсул.

Каждая термокапсула в сборке образована единым для испарительного и конденсаторного участков цилиндрическим корпусом - герметичной капсулой. Причем с толщиной теплопроводных стенок, достаточной для теплопередачи от нагреваемого испарительного участка необходимой для расплавления теплоносителя в конденсаторном участке тепловой мощности. Сборки термокапсул в секциях, как и сборки твердотельных тепловодов, герметично пропущены через днище активной зоны реактора и радиационно-защитное днище термокамеры, с расположением испарительных участков термокапсул в активной зоне реактора. А конденсаторных участков - в секциях термокамеры с образованием в сборках межкорпусных нагревательных каналов для прокачиваемого через них рабочего теплоносителя реактора.

Для образования межкорпусных нагревательных каналов испарительные участки термокапсул, выполнены с продольными определенного размера, формы и количества теплообменными ребрами. В секциях термокамеры сборки термокапсул, например, с трехреберными корпусами могут быть скомпонованы по гексагональной схеме, в которой ребра корпусов термокапсул каждого последующего ряда сборки входят в соответствующие межреберные зазоры корпусов термокапсул предыдущего ряда с образованием межкорпусных нагревательных каналов.

Гексагональная компоновка сборок термокапсул из трехреберных теплопередающих элементов обеспечивает максимально возможную компактность конструкции при сохранении взаимной подвижности элементов в сборке при их температурном расширении. И вместе с тем обеспечивает за счет изменения длины и толщины ребер образование нагревательных каналов с нужными параметрами и гидравлической пористостью сборок.

Секции со сборками термокапсул в термокамере при этом отделены друг от друга межсекционными стенками, и гидравлически сообщены между собой и с секциями со сборками твердотельных тепловодов (при их наличии) щелевыми кольцевыми полостями для последовательного прохода рабочего теплоносителя реактора через нагревательные каналы поочередно всех секций. С входом его через входной кольцевой коллектор в нагревательные каналы внешней секции и выходом из нагревательных каналов выходной, в частности, центральной секции в полость ее выходного коллектора.

Радиально секционированная термокамера реактора с термокапсулами дает возможность осуществлять процессы теплоотвода из активной зоны реактора и нагрева его теплоносителя теплопередачей в едином термодинамическом цикле, и в единой с ни конструкции, без адиабатического транспортирования (как в аналоге /2/) тепловой энергии в наружный теплообменный контур. Этим достигается и улучшение габаритно-весовых параметров, и компактность конструкции реактора, и повышение его энергонапряженности и эффективности работы (термодинамического КПД).

Значительное повышение передаваемой теплоносителю реактора тепловой мощности и температуры его нагрева (по сравнению со сборками твердотельных тепловодов) достигается интенсификацией теплопередачи при теплоотдаче в нагревательных каналах сборок термокапсул конденсирующимися паровыми потоками высокотемпературного, с высокой теплотой парообразования (жидкометаллического) теплоносителя.

Например, термокапсула с натриевым теплоносителем, (теплота парообразования которого r=4345кДж/кг), способна передать тепловой поток с удельной плотностью порядка 15-20 кВт/см.² С использованием сборок термокапсул с теплоносителем, имеющим более высокие температуру и теплоту парообразования, например, с литием (r=23000кДж/кг), мощность теплоотвода и температура нагрева рабочего теплоносителя возрастают. А необходимое для теплопередачи количество термокапсул при этом уменьшается.

Вместе с тем, поскольку термокапсулы, как тепловые трубы, устойчиво, эффективно и надежно могут работать только в определенном для их теплоносителя температурном диапазоне. То в условиях изменения температуры по поперечному (радиальному) сечению активной зоны реактора в радиальных секциях должны содержаться сборки термокапсул с разными по температуре парообразования и диапазонами рабочих температур теплоносителями.

Поэтому, с целью создания необходимых (оптимальных) для эффективной и надежной работы сборок термокапсул условий, и нагрева рабочего теплоносителя реактора до максимально возможной температуры. Радиальные секции, со сборками термокапсул, находящихся в разных по температурному диапазону радиальных секторах активной зоны реактора, содержат сборки термокапсул с различными по температуре кипения (парообразования) теплоносителями. Причем, в более высокотемпературных секторах активной зоны, находятся сборки термокапсул с более высококипящим теплоносителем. А секция с выходным для рабочего теплоносителя реактора коллектором содержит сборку термокапсул, испарительные участки, которых, расположены в наиболее высокотемпературном секторе активной зоны реактора.

Например, если в трехсекционной термокамере температура в секторах активной зоны которого возрастает от периферии к центру, входная для рабочего теплоносителя реактора внешняя секция содержит сборку термокапсул с калиевым теплоносителем (Тисп=1033°К) и с возможным нагревом рабочего теплоносителя реактора до 1033°К. То средняя секция содержит сборку термокапсул с натриевым теплоносителем (Тисп=1155°К) с нагревом теплоносителя реактора до 1155°К. А центральная выходная секция при этом содержит сборку с литиевым теплоносителем (Тисп=1655°К) с окончательным нагревом теплоносителя реактора до температуры 1655°К.

И, если в сборках твердотельных тепловодов последовательное от секции к секции термокамеры возрастание температуры теплоносителя реактора происходит за счет повышения температурного уровня теплообмена, то в сборках термокапсул повышение температуры нагрева теплоносителя происходит за счет последовательного его прохождения секций, содержащих сборки термокапсул с все более высококипящим теплоносителем.

Использованием сборок термокапсул с разными по температуре парообразования теплоносителями, и расположением термокапсул с более высококипящим теплоносителем в более высокотемпературных радиальных секторах активной зоны, создаются нормальные для их надежной работы термодинамические условия. Этим исключается необходимость выравнивания температуры в радиальных секторах активной зоны за счет изменения в них концентрации ядерного топлива, (как в /2/). А размещением при этом сборки термокапсул с самым высококипящим теплоносителем в выходной для рабочего теплоносителя реактора секции, например, в центральной секции, с расположением испарительных участков в наиболее горячем (центральном) секторе активной зоны, достигается нагрев рабочего теплоносителя реактора до максимально возможной температуры.

При этом с целью нагрева рабочего теплоносителя реактора выше температуры конденсации теплоносителя термокапсул, в радиально секционированной термокамере вместе с секциями со сборками термокапсул используются секции со сборками твердотельных тепловодов с температурой нагрева их теплообменных участков, превышающей температуру конденсации теплоносителя термокапсул. Для чего в радиально секционированной термокамере реактора с секциями со сборками термокапсул, по меньшей мере, одна секция, причем с выходным для рабочего теплоносителя реактора коллектором, содержит сборку твердотельных тепловодов, с нагревом расположенных в термокамере их теплообменных участков до температуры, превышающей температуру конденсации теплоносителя в сборке термокапсул смежной с ней секции.

Например, в термокамере, состоящей из трех секций,- внешней входной с входным коллектором, средней и центральной выходной секции с выходным коллектором, при температуре секторов активной зоны реактора, возрастающей от периферии к центру, внешняя и средняя секции содержат сборки термокапсул. А центральная секция содержит сборку твердотельных тепловодов, нагреваемых при этом их теплообменных участков до температуры, превышающей температуру конденсации теплоносителя в термокапсулах сборки средней секции, имеющей более высококипящий теплоноситель, чем в термокапсулах сборки внешней секции.

В другом варианте, с той же целью. В радиально секционированной термокамере, состоящей из пяти секций внешней входной, трех средних и центральной выходной секции. При температуре в секторах активной зоны реактора, возрастающей от периферии к центру. Внешняя секция и средние секции содержат сборки термокапсул. А центральная секция содержит сборку твердотельных тепловодов. нагреваемых при этом их теплообменных участков до температуры, превышающей температуру конденсации теплоносителя в сборке термокапсул смежной с ней средней секции, имеющей более высококипящий теплоноситель, чем термокапсулы сборок двух других средних секций, имеющих более высококипящий теплоноситель, чем термокапсулы сборки внешней секции

Выполнением радиально секционированной термокамеры, состоящей из секций, содержащих и сборки термоапсул, и сборки твердотельных тепловодов, причем, именно, в выходной секции теплообменной камеры, достигается возможность, за счет нагрева твердотельных тепловодов (их теплообменных участков) до температуры, превышающей температуру конденсации теплоносителя термокапсул, значительно увеличить температуру нагрева рабочий теплоносителя реактора. А соответствующим, в зависимости от изменения тепловыделения по поперечному сечению активной зоны реактора, распределением по радиальным секциям теплообменной камеры сборок термокапсул с различными по температуре кипения (парообразования) теплоносителями, обеспечивается эффективная и надежная работа теплопередающих сборок термокапсул и реактора в целом. Размещением при этом сборок твердотельных тепловодов, именно в выходной секции термокамеры достигается возможность нагрева рабочего теплоносителя (тела) реактора до значительно большей температуры, чем температура конденсации теплоносителя термокапсул.

Вместе с тем, упорядоченное от периферии к центру активной зоны реактора формирование радиальных секций со сборками термокапсул с теплоносителями, имеющими разные температуру парообразования и вступающих в работу последовательно по мере плавления их теплоносителя и запуска термокапсул, дает возможность осуществлять плавный выход реактора на номинальную мощность и обеспечивает высокую надежность. Аналогично при останове реактора.

Таким образом:

- использованием в атомном реакторе с радиально секционированной термокамерой, наряду с секциями со сборками твердотельных тепловодов, секций со сборками малогабаритных тепловых труб - термокапсул, или секций, полностью состоящих из сборок термокапсул,

- расположением сборок термокапсул с различными по температуре парообразования теплоносителями в секторах активной зоны реактора в зависимости от температуры в них,

- а также расположением твердотельных тепловодов в выходной секции термокамеры и их нагревом до температуры, превышающей температуру конденсации теплоносителя термокапсул, достигается значительное повышение мощности теплоотвода из его активной зоны и увеличение температуры нагрева рабочего теплоносителя реактора. Причем, при улучшении габаритно-весовых параметров и компактности конструкции реактора повышении надежности работы термокапсул и реактора.

Тепловые трубы, принцип их действия, преимущества и недостатки, а также их техническое использование, в том числе, в энергетических атомных (ядерных) реакторах - известно /4, 5, 2/.

Малая масса, отсутствие движущихся частей, бесшумность и надежность в работе, способность работать как в поле массовых сил, так и вне весомости, отсутствие внешних напорных систем (насосов), обеспечивающих циркуляцию, и связанных с этим затрат энергии, простота конструкции, не подверженность внешнему динамическому воздействию - характерные качества и термокапсулы, как тепловой трубы.

Вместе с тем, термокапсулы по сравнению с известными тепловыми трубами, например, используемые в атомном реакторе /2/, имеют существенные конструктивные и термодинамические отличительные особенности:

- отсутствие адиабатического участка между испарительной и конденсаторным участками (зонами), образованными единым малогабаритным теплопроводным корпусом - капсулой, в котором процессы парообразования и конденсации и нагрев рабочего теплоносителя реактора в нагревательных каналах сборок происходят одновременно в едином термодинамическом цикле;

- увеличенная толщина теплопроводного корпуса, обеспечивающая расплавление твердого (затвердевшего) теплоносителя в конденсаторном участке за счет передачи тепла теплопроводностью вдоль по стенкам от нагреваемого испарительного участка;

- оребренность корпуса конденсаторного участка для образования сборкой термокапсул межкорпусных нагревательных каналов для рабочего теплоносителя реактора с определенными гидравлическими параметрами и пористостью сборок.

С учетом этого предлагается следующий вариант конструкции термокапсулы.

Термокапсула образована единым для испарительного и конденсаторного участков, не имеющим адиабатического участка, цилиндрическим корпусом - герметичной капсулой. Причем с толщиной теплопроводных стенок, достаточной для теплопередачи от нагреваемого испарительного участка необходимой для расплавления теплоносителя в конденсаторном участке тепловой мощности. При этом корпус термокапсулы на конденсаторном участке снабжен снаружи продольными полыми ребрами, в частности, в виде гофр Полости ребер (гофр), заполнены капиллярно-пористой структурой, гидравлически сообщенной с выполненным на внутренней поверхности стенок по длине корпуса капиллярно-пористым пристеночным кольцевым слоем, образующим центральный парового канал. И образующим в нижней части конденсаторного участка капиллярно-пористой подушки, служащей резервной для сбора теплоносителя зоной.

Образованием термокапсулы единым для испарительного и конденсаторного участков (зон) теплопроводным корпусом - капсулой и отсутствием адиабатического участка между ними значительно улучшаются габаритно-весовых параметры самих термокапсул, их сборок и реактора в целом. Осуществлением процессов парообразования и конденсации теплоносителя длине единого теплопередающего корпуса с одновременным нагревом теплоносителя реактора в едином термодинамическом цикле существенно снижаются гидравлические и тепловые потери, повышается термодинамическая эффективность теплопередачи.

Кроме того, отсутствием в термокапсуле адиабатического участка полностью или частично (см. более подробно в описании), в том числе:

- «звуковое ограничение», когда паровой поток на адиабатическом участке, обычно на выходе из адиабатического участка, достигает скорости звука,

- «капиллярные» (гидродинамические) ограничения - способность капиллярной структуры обеспечивать циркуляцию теплоносителя доставкой жидкой фазы через адиабатический участок в испарительный участок.

В тепловых трубах для расплавления твердого (затвердевшего) в конденсаторном участке теплоносителя и запуска используется подогрев корпуса от внешнего источника тепла.

Известна, например, действующая по принципу тепловой трубы система охлаждения, содержащая заполненные жидкометаллическим рабочим теплоносителем трубопроводы, одна часть которых размещена для подогрева стенок внутри источника тепла. А другая часть с насосами и агрегатами проложена вдоль зоны конденсации вне этого источника тепла /6/. Несмотря на сложность конструкции, положительный результат состоит в том, что за счет подогрева стенок трубы устраняется необходимость использования для расплавления ее теплоносителя электронагревателя.

Необходимая и достаточная для передачи от испарительного участка термокапсулы теплового потока, нужного для расплавления твердого (застывшего) в ее конденсаторном участке, толщина теплопроводных стенок, освобождает от необходимости применения для этого и запуска термокапсулы внешних источников тепла.

При этом корпус термокапсулы на конденсаторном участке снаружи снабжен продольными полыми ребрами, в частности, в виде гофр. Полости ребер - гофр заполнены капиллярно-пористой структурой, образующей на внутренней поверхности стенок по длине корпуса капиллярно-пористого пристеночного кольцевого слоя, а по центру - центрального парового канала. А в нижней части конденсаторного участка образующей капиллярно-пористую подушку, служащую для сбора теплоносителя и резервной зоной.

Снабжением конденсаторных участков корпуса термокапсулы наружными продольными ребрами заданной геометрии создается возможность образования сборками термокапсул межкорпусных нагревательных каналов с определенными гидравлическими параметрами. Этим при одновременном увеличении теплообменной поверхности обеспечиваются и минимальные гидравлические потери прокачиваемого и нагреваемого в них теплоносителя реактора и требуемая пористость сборок термокапсул, чем повышается конвективной теплоотдачи в нагревательных каналах и эффективность теплопередачи в целом.

Кроме того, выполнением ребер корпуса термокапсулы полыми, с заполнением полостей капиллярно-пористой структурой, предотвращается захват жидкой фазы теплоносителя встречным паровым потоком. Этим снижается рециркуляции теплоносителя и повышается интенсивность движения конденсата.

В результате всего этого увеличивается эффективность работы (термодинамический КПД) термокапсулы и, соответственно, конвективная теплоотдача в образованные сборками термокапсул нагревательные каналы.

При всем при этом, с целью обеспечения эффективности и надежности работы реактора путем автоматическими контроля в режиме реального времени за рабочим состоянием термокапсул, каждая термокапсула в сборке снабжена того или иного вида (типа) датчиками измерения давления и температуры теплоносителя в ее корпусе. Датчики связанны с внешними устройствами с возможностью передачи и регистрации текущих показаний. Это позволяет оперативно устанавливать вышедшую из строя термокапсулу для ее (или целиком сборки термокапсул) замены.

Таким образом, вышеописанные технические решения, основанные на использовании в атомном энергетическом реакторе с радиально секционированной термокамерой, наряду со сборками тепловодов, или полностью, сборок термокапсул, причем с различными по температуре парообразования теплоносителями, обеспечивают достижение поставленных целей по повышению мощности теплоотвода из реактора и температуры нагрева его рабочего теплоносителя. При одновременном повышении его эффективности (КПД) и надежности работы реактора. В результате улучшаются его энерготехнические, технико-экономические и эксплуатационные качества.

Изобретение поясняется на следующих чертежах.

На фиг. 1 показана конструкция описываемого атомного реактора с радиально секционированной термокамерой, содержащей в секциях сборки теплопередающих элементов - тепловодов и термокапсул.

На фиг. 2 показаны твердотельный тепловод и термокапсула.

На фиг. 3 показано поперечное сечение активной зоны реактора со сборками теплопередающих элементов.

На фиг. 4 показано поперечное сечение термокамеры со сборками теплопередающих элементов в ее секциях.

На фиг. 5 показан фрагмент конструкции теплопередающей сборки, состоящей из трехреберных термокапсул.

На фиг. 6 показана конструктивно-гидравлическая схема трехсекционной термокамеры с радиальными секциями для сборок теплопередающих элементов - твердотельных тепловодов и термокапсул.

На фиг. 7 показан поперечный разрез пятисекционной термокамеры, состоящей из радиальных секций, содержащих сборки твердотельных тепловодов и термокапсул.

На фиг. 8 показана конструкция термокапсулы.

На фиг. 9 для сравнения показаны схемы обычной тепловой трубы с адиабатическим участком и термокапсулы, не имеющей, как такового, адиабатического участка.

На фиг. 10 в качестве примера показаны расчетные графические зависимости толщины теплопроводных стенок, необходимой для расплавления теплоносителя термокапсулы, от температуры нагрева ее испарительного участка и от длины ее конденсаторного участка.

Описываемый атомный реактор 1 содержит охлаждаемый несущий корпус 2, заключенную в герметичный термопрочный корпус 3 активную зону 4 с ядерным топливом, окруженную боковым отражателем нейтронов 5 и слоем внутренней тепловой и радиационной защиты 6. Органы регулирования мощности 7 в виде связанных поглощающих нейтроны стержней 8, заключенных в колбообразные защитные патрубки 9, и установленных на связанных с управляющими приводами кольцевых решетках 10. А также радиально секционированную теплообменную камеру «термокамеру» 11 с охлаждаемым прочным корпусом 12 высокого давления, пристыкованную к реактору 1 радиационно-защитным днищем 13 (фиг. 1).

14 - защитный корпус блока с органами регулирования 7,

15 - верхний торцевой отражатель,

16 - управляющие приводы (гидроцилиндры или электровинтовые моторы) органов регулирования, установленные по периметру несущего корпуса реактора,

17 - связанные с кольцевыми решетками 10 выдвижные штоки управляющих приводов 16,

18 - рубашка с каналом охлаждения корпуса 2 реактора,

19 - входной кольцевой коллектор рабочего теплоносителя реактора,

20 - рубашка с каналом охлаждения корпуса 12 термокамеры 11,

21 - выходной коллектор рабочего теплоносителя реактора.

В атомном реакторе - прототипе /1/, содержащей в секциях термокамеры сборки теплопередающих элементов в виде твердотельных тепловодов, осуществляющих теплопередачу исключительно за счет теплопроводности, мощность теплоотвода из активной зоны реактора и температура нагрева рабочего теплоносителя недостаточно высоки.

В описываемом атомном реакторе для увеличения мощности теплоотвода из активной зоны 4 реактора и температуры нагрева его рабочего теплоносителя (тела), и повышения его эффективности (КПД), радиально секционированная термокамера 11, выполнена состоящей, наряду с секциями, содержащими сборки 22 твердотельных тепловодов 23, или полностью, из секций со сборками 24 теплопередающих элементов, выполненных в виде тепловых труб - термокапсул 25 (На чертеже сборки 22 и 24 отмечены сверху дугами). На выделенных фрагментах а) и б) фиг. 2 показаны твердотельный тепловод 23 и термокапсула 25.

Мощность теплоотвода из активной зоны реактора и температура нагрева его теплоносителя определяются температурой испарения используемого в термокапсулах (жидкометаллического) теплоносителя и величиной его внутренней теплотой парообразования, а также количеством термокапсул в сборках. Например, мощность теплоотвода из активной зоны реактора с термокамерой, содержащей сборки из 500 термокапсул с натриевым теплоносителем, способных каждая передавать удельную плотность теплового потока порядка 15-20 кВт/см², при площади поперечного сечения парового канала в термокапсуле S=2 см², может составить 15-20 МВт. А температура нагрева рабочего теплоносителя реактора при этом может достичь 1155°К. При использовании сборок термокапсул с более высококипящим теплоносителем, например, литием, имеющим большую теплоту парообразования (r=23000 кДж/кг) мощность теплоотвода возрастает, а температура нагрева теплоносителя реактора увеличивается до 1623°К. Необходимое для теплопередачи тепловой мощности количество секций со сборками термокапсул при этом уменьшается.

Термокапсулы не имеют, как таковых, адиабатических участков между испарительными 26 и конденсаторными 28 участками, а потому имеют малые габариты и могут быть целиком встроены в конструкцию реактора. Что позволяет осуществлять процессы теплоотвода из активной зоны 4 реактора и одновременно нагрева его рабочего теплоносителя в едином термодинамическом цикле, непосредственно в пределах его конструкции. Без необходимости транспортирования тепловой энергии, как, например, в аналоге 121, наружу с образованием для нагрева теплоносителя вторичного теплообменного контура.

Сборки 24 термокапсул 25, как и твердотельные тепловоды 23 в сборках 22, герметично пропущены через нижнее (огневое) днище активной зоны 4 реактора и радиационно-защитное днище 13 термокамеры 11, с расположением испарительных участков 26 термокапсул, (как и нагреваемых участков 27 тепловодов), в активной зоне реактора, (фиг. 3, сечение по А-А). И с расположением конденсаторных участков 28 термокапсул, (как и охлаждаемых участков 29 тепловодов), в секциях термокамеры 11 (фиг. 4, сечение по Б-Б).

Каждая термокапсула 25 в сборках 24 образована единым для ее испарительного 26 и конденсаторного 28 участков герметичным цилиндрическим корпусом - капсулой 30 с теплопроводными стенками (см. фиг. 2б). При этом для расплавления твердого (затвердевшего) в конденсаторном участке 28 термокапсулы теплоносителя теплопередачей вдоль по стенкам корпуса 30 от нагреваемых в активной зоне 4 испарительных участков 26 теплового потока достаточной мощности, стенки корпуса 30 выполнены с необходимой для этого толщиной (см. ниже). Этим исключается надобность использования для этого и запуска термокапсул дополнительно стороннего нагревателя.

Для нагрева рабочего теплоносителя (тела) реактора расположенные в секциях термокамеры конденсаторные участки 28 термокапсул в сборках 24, как и теплообменные участки 29 тепловодов в сборках 22, образуют межкорпусные нагревательные каналы 31 (см. фиг. 4, сечение по Б-Б и фиг. 5, фрагмент сборки 24 термокапсул). Для образования в сборке нагревательных каналов 31 корпуса 30 термокапсул 25 на конденсаторных участках 28, (как и на участках 29 тепловодов), снабжены наружными определенной формы и размера ребрами 32. На фиг 5 на виде по стрелке В показан фрагмент сборки 24 трехреберных термокапсул 25. Сборки трехреберных термокапсул могут быть скомпонованы по гексагональной схеме, в которой в каждом последующем ряде сборки термокапсулы ребрами 32 входят между соответствующими ребрами термокапсул предыдущего ряда с образованием межреберных нагревательных каналов 30. Гексагональная компоновка сборок 24 из трехреберных теплопередающих элементов (тепловодов 22 и термокапсул 25) обеспечивает максимально возможную компактность конструкции при сохранении взаимной подвижности элементов в сборке при их температурном расширении и, вместе с тем, за счет изменения длины и толщины ребер 32 позволяет выбирать необходимые параметры каналов и гидравлическую пористость сборки. Сборка 24, состоящая из трехреберных термокапсул может быть скомпонована в секции, имеющей в поперечном сечении, (как и термокамера в целом), любую, например, круглую или шестиугольную форму (на фиг. 2 эти формы условно отмечены пунктиром). Однако, возможны и другие схемы компоновок сборок термокапсул с разным числом и геометрией ребер, а также с безреберными корпусами. Оптимальные для эффективного осуществления процесса теплопередачи размеры нагревательных каналов 31 в сборках и образующих их ребер 32, а также гидравлическая пористость сборок, определяются термодинамическим расчетом или экспериментально.

Термокапсулы 25, (как и тепловоды 22), выполненными по концам конденсаторных участков 28 опорными элементами 33 (см. фиг. 2а, 6 и фиг. 6) установлены в пазах 34 общей опорной решетки 35. Для свободного прохода рабочего теплоносителя реактора из одной секции в другую (показано стрелками) опорная решетка 35 имеет сквозные каналы (окна) 36. При этом радиальные секции термокамеры 11 гидравлически сообщены между собой щелевыми полостями с возможностью последовательного прохода рабочего теплоносителя (показано стрелкам) через нагревательные каналы 31 сборок теплопередающих элементов поочередно всех секций. С входом его через входной кольцевой коллектор 19 в нагревательные каналы внешней секции 37 и выходом из нагревательных каналов центральной секции 39 в полость ее выходного коллектора 21 (фиг. З). Для этого радиальные секции отделены друг от друга межсекционными стенками 40 (фиг. 6).

Ррадиально секционированная термокамера может состоять из любого количества секций, содержащих и сборки 22 твердотельных тепловодов 23, и сборки термокапсул и с разным количеством их в секциях (см. фиг. 1). В частном случае, теплообменная камера может полностью состоять, или только из секций со сборками тепловодов, как в /1/, или только из секций, содержащих сборки термокапсул 25 (см. фиг. 5, фрагмент сборки трехреберных термокапсул).

Поскольку в энергетическом реакторе температура по поперечному (радиальному) сечению активной зоны 4 может существенно изменяться, то для создания нормальных для эффективной и надежной работы термокапсул 25 условий, в радиальных секциях термокамеры должны содержаться сборки термокапсул с различными по температуре кипения (парообразования) теплоносителями. Причем, в более высокотемпературных секторах активной зоны должны находиться испарительные участки сборок термокапсул с более высококипящим теплоносителем. При этом выходная, в частности, центральная секция 39 с выходным для рабочего теплоносителя реактора коллектором 21 содержит сборку термокапсул с самым высококипящим теплоносителем, и ее, испарительные участки расположены в самом высокотемпературном секторе активной зоны реактора.

Например, (см. фиг. 4 сечение по Б-Б), в трехсекционной теплообменной камере 11, в соответствии с радиальным возрастанием температуры в секторах активной зоны 4 от периферии к центру. Входная для рабочего теплоносителя реактора внешняя секция 37 может содержать сборку 24 термокапсул 25 с калиевым теплоносителем и с возможностью нагрева теплоносителя реактора до 1055°К. Смежная с ней средняя секция 38 содержит сборку термокапсул с натриевым теплоносителем, и нагревом теплоносителя реактора до 1155°К, А центральная выходная секция 39 с выходным коллектором 21 содержит сборку термокапсул с литиевым теплоносителем с возможным нагревом теплоносителя реактора до 1623°К. Для увеличения температуры нагрева рабочего теплоносителя реактора термокамера может состоять из большего количества секций, а выходная секция может содержать сборку термокапсул с еще более высококипящим теплоносителем. Возможно, даже с бериллиевым (Тпл=1560°К, Тисп=2400-2970°К) теплоносителем, имеющим самое высокое из известных значение внутренней теплоты парообразования (r=24700 Кдж/кг), и с нагревом теплоносителя реактора до 2400-2970°К.

При этом корпуса термокапсул в сборках по тугоплавкости и жаропрочности должны соответствовать температурам в секторах активной зоны реактора. Например, в диапазоне температур (400-1100°К) может использоваться сборка термокапсул с калиевым (Тпл=336,8°К, Тисп=1033°К) теплоносителем; в диапазоне (400-1200°К) - сборка термокапсул с натриевым (Тпл=371°К, Тисп=1155°К) теплоносителем; и в диапазоне (500-1700°К) - сборка термокапсул с литиевым (Тпл=455°К, Тисп=1623°К) теплоносителем, с применением циркониевых (Тпл=2123°К) корпусов. А в диапазоне температур (1600-3000°К) сборка термокапсул с бериллиевым теплоносителем (Тпл=1560°К, Тисп=2970°К) имеет вольфрамовые корпуса (Тпл=3660°К).

Расположением сборок термокапсул с разными по температуре парообразования теплоносителями в соответствующих их рабочим температурным диапазонам секторах активной зоны реактора, обеспечиваются необходимые для нормальной и надежной работы термокапсул условия. Размещением при этом сборки термокапсул с самым высококипящим теплоносителем в секции с выходным для теплоносителя реактора коллектором, с расположением их испарительных участков в наиболее горячем секторе активной зоны, достигается возможность нагрева рабочего теплоносителя реактора до максимально возможной температуры.

Но, поскольку и при этом температура нагрева теплоносителя реактора в сборке выходной секции термокамеры не может превысить температуру конденсации теплоносителя ее термокапсул. А с учетом реальных значений коэффициентов теплопроводности и конвективной теплоотдачи в нагревательных каналах эта температура будет еще ниже. То, для нагрева рабочего теплоносителя реактора выше температуры конденсации теплоносителя термокапсул радиально секционированная термокамера 11, наряду с секциями со сборками 24 термокапсул 25 должна содержать секции со сборками 22 твердотельных тепловодов 23. Причем с нагревом, находящихся в активной зоне 4 реактора их участков 27 до температуры, при которой температура расположенных в секциях теплообменной камере охлаждаемых теплоносителем реактора теплообменные участки 29, превышает температуру конденсации теплоносителя термокапсул. При этом для достижения максимально возможной температуры нагрева теплоносителя реактора сборка 22 твердотельных тепловодов 23 располагается в выходной секции 39 с выходным коллектором 21.

Так, в случае трехсекционной термокамеры 11 (см. фиг. 4 сечение по Б-Б), при возрастающей температуре секторов активной зоны реактора от периферии к центру. Внешняя 37 и средняя 38 секции содержат сборки термокапсул 25. А центральная секция 39 содержит сборку 22 твердотельных тепловодов 23, При этом охлаждаемые теплоносителем реактора теплообменные участки 29 тепловодов имеют температуру, превышающую температуру конденсации теплоносителя в конденсаторных участках 28 термокапсул. А термокапсулы сборки средней секции 38, имеют более высококипящий теплоноситель, чем термокапсулы сборки внешней секции 37.

В другом варианте с той же целью, при температуре секторов активной зоны реактора, возрастающей от периферии к центру в пятисекционной термокамере 11, состоящей из пяти секций -входной внешней 41 и трех средних секций 42, 43, 44, и центральной выходной секции 45 (см. фиг. 7, поперечное сечение пятисекционной термокамеры). Внешняя секция 41 и средние секции 42, 43 и 44 содержат сборки термокапсул. А центральная выходная секция 45 содержит сборку твердотельных тепловодов, охлаждаемые теплоносителем реактора теплообменные участки 29, которых, имеют температуру, превышающую температуру конденсации теплоносителя в конденсаторных участках 28 термокапсул сборки смежной с ней средней секции 42. При этом секция 42 имеет более высококипящий теплоноситель, чем термокапсулы сборок двух других средних секций 43 и 44, Которые, в свою очередь, более высококипящий теплоноситель, чем термокапсулы сборки внешней секции 41.

Выполнением реактора с радиально секционированной термокамерой со сборками малогабаритных термокапсул достигается, помимо повышения теплоотвода из активной зоны реактора, улучшение его габаритно-весовых параметров и компактности конструкции, что повышает его энергонапряженность и термодинамический КПД. Использованием при этом в радиальных секциях сборок термокапсул с различными по температуре кипения (парообразования) теплоносителями, обеспечивается более эффективная и надежная работа и сборок термокапсул, и реактора в целом. А применением, наряду с секциями со сборками термокапсул, секций со сборками твердотельных тепловодов с нагревом их теплообменных участков до температуры, превышающей температуру конденсации теплоносителя термокапсул, достигается максимально возможное увеличение температуры нагрева рабочего теплоносителя реактора.

В отличие от известных тепловых труб /4/, /5/, термокапсула 25 не имеет, как такового, адиабатического участка, и образована единым для ее испарительного 26 и конденсаторного 28 участков (зон) герметичным теплопроводным корпусом капсулой 30 (фиг. 8). В сборке термокапсул процессы парообразования и конденсации их теплоносителя и нагрев рабочего теплоносителя реактора происходят одновременно и непрерывно по всей длине корпуса в едином термодинамическом цикле.

На приведенных ниже сравнительных рисунках показаны конструктивные и в отношении термодинамического процесса отличия термокапсулы 25 от обычной тепловой трубы.

На фиг. 9а (взятого из источника /5/, стр. 10, рис. В.1) показаны схема цилиндрической тепловой трубы с испарительным, адиабатическим и конденсаторным участками (зонами), и характерное распределение в ней давления пара (Рп) и жидкости (Рж) (без воздействия массовых сил и в поле сил гравитации, направленных против течения жидкости в фитиле).

На фиг. 9б показано то же самое для термокапсулы 25, не имеющей, как такового, адиабатического участка.

Отсутствием в термокапсуле адиабатического участка устраняются связанные с ним ограничения.

Прежде всего, исключается «звуковое ограничение», когда паровой поток на адиабатическом участке, обычно на входе в конденсаторный участок 28, достигает скорости звука и запирает канал. Существенно снижаются «капиллярные» (гидродинамические) ограничения - способность капиллярной структуры обеспечивать циркуляцию теплоносителя доставкой жидкой фазы в испарительный участок 26. В том числе, благодаря снижению потери давления в паровом потоке (Рп) из-за трения в адиабатическом участке. В термокапсуле 25 расплавление твердого (затвердевшего) теплоносителя и ее самозапуск производится за счет передачи тепла теплопроводностью вдоль по стенкам ее корпуса - капсулы 30 от нагреваемого испарительного участка 26 к ее конденсаторному участку 28 (см. фиг. 8).

Для передачи теплопроводностью требуемого для расплавления теплоносителя количества тепла необходимо, чтобы теплопроводящие стенки корпуса-капсулы 30 имели достаточную для этого толщину. Необходимая и достаточная толщина стенок, зависящая, прежде всего, от теплофизических свойств корпуса и теплоносителя термокапсулы, температурного режима, количества расплавляемого теплоносителя и периода времени, требуемого для расплавления твердого (затвердевшего) теплоносителя, определяется теплофизическим расчетом или экспериментально.

Для иллюстрации на расчетных графиках фиг. 10а,б показана зависимость толщины стенки (с!ст) циркониевого корпуса 30 термокапсулы 25 с литиевым теплоносителем:

а) от отношения температуры (Т0) нагрева испарительного участка 26 к температуре плавления (Тпл) определенного количества твердого (затвердевшего) литиевого теплоносителя, содержащегося в конце конденсаторного участок 28, при различных значениях длины (L) конденсаторного участка (фиг. 10а);

б) от длины (L) конденсаторного участка 28 при различных значениях отношения температуры нагрева испарительного участка (Т0) к температуре нагрева за счет теплопроводности стенок корпуса 30 термокапсулы до температуры плавления лития (Тпл) в конце конденсаторного участка, т.е. (Т0/Тпл) (фиг. 10б).

При Т0=Тисп, (когда начинается запуск термокапсулы), для лития имеем Тисп/Тпл=3,6

Расчетной толстостенностью теплопроводного корпуса 30 корпуса 30 термокапсулы создается возможность за определенный (заданный) период нагрева испарительного участка 28 и расплавления за счет теплопередачи из активной зоны находящегося в конденсаторном участке 26 твердого (затвердевшего) теплоносителя, чем обеспечивается самозапуск термокапсулы без необходимости подогрева, от внешнего источника тепла.

Вместе с тем, при застывшем теплоносителе термокапсула 25 с толстостенным теплопроводным корпусом 30 в определенном диапазоне температур, не превышающем тугоплавкость корпуса и фитиля, может продолжать работать в режиме твердотельного тепловода, подобно тепловоду 23

Но, в связи с толстостенностью, к корпусу термокапсулы, помимо требований не должны ухудшать нейтронно-физическое качество активной зоны, и не взаимодействовать с окружающим ядерным топливом, предъявляются дополнительные требования. Так, из-за увеличения толщины стенок единого для нагреваемого испарительного 26 и одновременно охлаждаемого конденсаторного 28 участков корпуса 30 термокапсулы возрастают поперечные температурные градиенты и, соответственно, термические напряжения. Отсюда дополнительные требования по обеспечению, помимо тугоплавкости и жаропрочности, необходимой термопрочности корпуса - капсулы 30.

Для образования термокапсулами 25 в сборках 24 межкорпусных нагревательных каналов 31 с определенными гидравлическими параметрами, их корпуса-капсулы 30 на конденсаторных участках 28 снаружи снабжены продольными ребрами 32 заданной геометрии, обеспечивающими в сборках 24 при минимальных гидравлических потерях максимально высокую конвективную теплоотдачу и пористость сборок термокапсул.

Для увеличения теплообменной поверхности, а также предотвращения захвата встречным паровым потоком жидкой фазы теплоносителя и снижения рециркуляции, ребра 32 выполнены полыми, в частности, в виде гофр, полости 46 которых, заполнены капиллярно-пористой структурой 47 (см. фиг. 8). Этим повышается интенсивность движения конденсата и конвективной теплоотдачи в нагревательных каналах 31, снижается порог наступления капиллярных ограничений, соответственно, повышается эффективность работы (термодинамический КПД) термокапсулы. При этом на внутренней поверхности стенок вдоль по длине корпуса 30 образован капиллярно-пористый пристеночный слой 48, гидравлически сообщенный с капиллярно-пористой структурой 47 полостей 46 ребер 32, которая образует в центральной части корпуса паровой канал 49, а в нижней части конденсаторного участка -капиллярно пористую подушку 50, служащую для сбора теплоносителя и резервной зоной.

Для повышения безопасности работы реактора за счет постоянного, в режиме реального времени контроля рабочего состояния термокапсул 25 в сборках 24, каждая термокапсула снабжена датчиком измерения давления 51 теплоносителя в ее корпусе 30 и датчиком 52 его (или корпуса 30) температуры. (На фиг. 8 показаны условно). Датчики давления 51 и температуры 52 соединены передающими связями 53 (условно), выведенными через опорный элемент 33, с контролирующими внешними автоматическими (электронными) устройствами (на чертеже не показаны), с возможностью регистрации их показаний. Это позволяет оперативно определять вышедшую из строя термокапсулу для ее (или сборки термокапсул) замены с помощью использования разного вида (типа) крепежных узлов.

Вышеописанные технологические и конструктивные решения по увеличению мощности теплоотвода из активной зоны атомного (ядерного) реактора и температуры нагрева его рабочего теплоносителя (тела), и повышению, тем самым, его энерготехнического и технико-экономического качества могут быть вполне реализованы с помощью известных в атомной энергетике и ракетно-космической технике средств.

Источники информации

/1/ Патент RU 2510652, - МПК G21D 1/00.

/2/ Космические двигатели: состояние и перспективы. Под ред. Л. Кейвни, перевод с англ. Изд. «Мир», 1988 г.

/3/ В.С. Чиркин. Теплофизические свойства материалов ядерной техника. Справочник. Атомиздат, Москва, 1968.

/4/ М.Н. Ивановский и др. Физические основы тепловых труб. М., Атомиздат, 1978.

/5/ П.Д. Дан, Д.А. Рей. Тепловые трубы. Перевод с английского Ю.А. Зейгарника. М., Энергия, 1979.

/6/ Патент RU 2213312, F28D 15/00.

Изобретение относится к атомному реактору. В заявленном реакторе теплообмен обеспечивается за счет использования радиально секционированной термокамеры реактора, которая наряду с секциями, содержащими сборки твердотельных теплопередающих элементов, включает секции, содержащие сборки термокапсул - тепловых труб, не имеющих, как таковых, адиабатических участков между испарительными и конденсаторными участками. Каждая термокапсула в сборке образована единым для испарительного и конденсаторного участков цилиндрическим корпусом - герметичной капсулой с толщиной теплопроводных стенок, достаточной для теплопередачи от нагреваемого испарительного участка, необходимой для расплавления твердого теплоносителя в конденсаторном участке тепловой мощности. Сборки термокапсул в секциях, как и сборки твердотельных тепловодов, герметично пропущены через днище активной зоны реактора и радиационно-защитное днище термокамеры. Секции со сборками термокапсул отделены друг от друга межсекционными стенками и гидравлически сообщены между собой и с секциями со сборками твердотельных тепловодов щелевыми полостями с возможностью последовательного прохода рабочего теплоносителя через нагревательные каналы поочередно всех секций, с входом его через входной кольцевой коллектор в нагревательные каналы внешней секции и выходом из нагревательных каналов центральной секции в полость ее выходного коллектора. Техническим результатом является увеличение мощности теплоотвода из активной зоны и температуры нагрева рабочего теплоносителя. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Атомный реактор, включающий охлаждаемый несущий радиационно-защитный корпус, заключенную в термопрочный корпус тепловыделяющую активную зону, органы регулирования мощности и пристыкованную радиационно-защитным днищем радиально секционированную термокамеру с прочным охлаждаемым корпусом высокого давления, состоящую из кольцевых внешней с входным коллектором и средних секций и центральной секции с выходным коллектором для рабочего теплоносителя реактора, содержащих сборки теплопередающих элементов в виде твердотельных тепловодов, отличающийся тем, что радиально секционированная термокамера реактора, наряду с секциями, содержащими сборки твердотельных теплопередающих элементов - тепловодов, или полностью, состоит из секций, содержащих сборки трмокапсул - тепловых труб, не имеющих, как таковых, адиабатических участков между испарительными и конденсаторными участками, каждая термокапсула в сборке образована единым для испарительного и конденсаторного участков цилиндрическим корпусом - герметичной капсулой с толщиной теплопроводных стенок, достаточной для теплопередачи от нагреваемого испарительного участка необходимой для расплавления твердого теплоносителя в конденсаторном участке тепловой мощности, сборки термокапсул в секциях, как и сборки твердотельных тепловодов, герметично пропущены через днище активной зоны реактора и радиационно-защитное днище термокамеры, с расположением испарительных участков термокапсул в активной зоне реактора, а конденсаторных участков - в секциях термокамеры с образованием в сборках межкорпусных нагревательных каналов для прокачиваемого через них рабочего теплоносителя реактора, секции со сборками термокапсул отделены друг от друга межсекционными стенками и гидравлически сообщены между собой и с секциями со сборками твердотельных тепловодов щелевыми полостями с возможностью последовательного прохода рабочего теплоносителя реактора через нагревательные каналы поочередно всех секций, с входом его через входной кольцевой коллектор в нагревательные каналы внешней секции и выходом из нагревательных каналов центральной секции в полость ее выходного коллектора.

2. Атомный реактор по п. 1, отличающийся тем, что в радиально секционированной термокамере реактора с секциями со сборками термокапсул, испарительные участки которых расположены в разных по температурному диапазону радиальных секторах активной зоны реактора, секции содержат сборки термокапсул с различными по температуре кипения (парообразования) теплоносителями, причем в более высокотемпературных секторах активной зоны находятся сборки термокапсул с более высококипящим теплоносителем, а секция с выходным для рабочего теплоносителя реактора коллектором содержит сборку термокапсул, испарительные участки которых расположены в наиболее высокотемпературном секторе активной зоны реактора.

3. Атомный реактор по п. 1, отличающийся тем, что в радиально секционированной термокамере с секциями со сборками термокапсул, по меньшей мере, одна секция, причем с выходным для рабочего теплоносителя реактора коллектором, содержит сборку твердотельных тепловодов, с нагревом при этом расположенных в термокамере теплообменных участков до температуры, превышающей температуру конденсации теплоносителя термокапсул в сборке термокапсул смежной с ней секции.

4. Атомный реактор по п. 1, отличающийся тем, что в радиально секционированной термокамере, состоящей из трех секций - кольцевых внешней с входным коллектором и средней секций, и центральной секции с выходным коллектором, при температурном диапазоне в секторах активной зоны реактора, возрастающем от периферии к центру, внешняя и средняя секции содержат сборки термокапсул, а центральная секция содержит сборку твердотельных тепловодов, причем с нагревом их теплообменных участков до температуры, превышающей температуру конденсации теплоносителя в термокапсулах сборки средней секции, имеющих более высококипящий теплоноситель, чем в термокапсулах сборки внешней секции.

5. Атомный реактор по п. 1, отличающийся тем, что в радиально секционированной термокамере, состоящей из пяти секций - кольцевых внешней с входным коллектором и трех средних секций, и центральной секции с выходным коллектором, при температурном диапазоне в секторах активной зоны реактора, возрастающем от периферии к центру, внешняя секция и средние секции содержат сборки термокапсул, а центральная секция содержит сборку твердотельных тепловодов, причем с нагревом их теплообменных участков до температуры, превышающей температуру конденсации теплоносителя в термокапсулах сборки смежной с ней средней секции, имеющей более высококипящий теплоноситель, чем термокапсулы сборок двух других средних секций, имеющих более высококипящий теплоноситель, чем термокапсулы сборки внешней секции.

6. Атомный реактор по п. 1, отличающийся тем, что в радиально секционированной термокамере сборки твердотельных тепловодов и термокапсул с трехреберными корпусами скомпонованы в секциях по гексагональной схеме, в которой ребра корпусов термокапсул каждого последующего ряда сборки входят в соответствующие межреберные зазоры корпусов термокапсул предыдущего ряда с образованием межкорпусных нагревательных каналов.

7. Термокапсула для атомного реактора по любому из пп. 1-6, включающая корпус с испарительным и конденсаторным участками, частично заполненный теплоносителем, капиллярно-пористую структуру и паровой канал, отличающаяся тем, что образована единым для испарительного и конденсаторного участков, не имеющим между ними, как такового, адиабатического транспортного участка, цилиндрическим корпусом - герметичной капсулой с толщиной теплопроводных стенок, достаточной для теплопередачи от нагреваемого испарительного участка необходимой для расплавления твердого теплоносителя в конденсаторном участке тепловой мощности, при этом корпус на конденсаторном участке снабжен снаружи продольными полыми ребрами, в частности, в виде гофр, полости которых заполнены капиллярно-пористой структурой, гидравлически сообщенной с выполненным на внутренней поверхности стенок по длине корпуса капиллярно-пористым пристеночным кольцевым слоем, образующим центральный паровой канал, а в нижней части конденсаторного участка - капиллярно-пористую подушку, служащую резервной зоной.

8. Термокапсула по п. 7, отличающаяся тем, что снабжена датчиками давления и температуры теплоносителя, связанными с внешними устройствами с возможностью автоматической передачи и регистрации текущих показаний.