ЯДЕРНЫЙ РЕАКТОР ИНТЕГРАЛЬНОГО ТИПА С ЖИДКОМЕТАЛЛИЧЕСКИМ ТЕПЛОНОСИТЕЛЕМ Российский патент 2023 года по МПК G21C1/32 

Область техники

Изобретение относится к ядерной энергетике, в частности, к ядерным реакторам с тяжелым жидкометаллическим теплоносителям (ТЖМТ). Более конкретно, настоящее изобретение относится к устройству корпусов ядерных реакторов с тяжелым жидкометаллическим теплоносителем интегрального типа.

Уровень техники

Ядерный реактор интегрального типа, характеризуется, прежде всего, тем, что в нем отсутствуют трубопроводы с теплоносителем первого контура. В корпусе реактора размещено, помимо активной зоны, все основное оборудование, обеспечивающее отвод тепла от активной зоны к теплоносителю второго контура. Кроме этого, реактор интегрального типа включает органы воздействия на реактивность, необходимые для управления мощностью, оборудование систем, контролирующих температуру теплоносителя, расход, давление в различных точках контура. Все указанное оборудование по существу находится в корпусе реактора или присоединено к нему. Цепная реакция деления, поддерживаемая в активной зоне, и сопутствующий перенос нейтронов и излучений, как в активной зоне, так и в отражателе и в окружающих их элементах конструкции сопровождается выделением тепла. Отвод тепла от элементов активной зоны и от элементов конструкции, расположенных в корпусе ядерного реактора, требует такой организации циркуляции и распределения расходов теплоносителя, чтобы температуры конструктивных элементов не превышали допустимых значений. Для этого в конструкции реактора предусматривают трубы, каналы, дросселирующие устройства, обеспечивающие необходимое для охлаждения распределение расходов теплоносителя.

К важным устройствам, размещаемым в корпусе реактора, относятся также элементы окружающие активную зону и выполняющие функцию отражателя нейтронов, радиационная защита, обеспечивающая поглощение нейтронов и излучений и снижающая их негативное воздействие на другие элементы реактора, для которых необходимо обеспечить целостность конструкции и работоспособность в условиях комплексного воздействия всех повреждающих факторов.

Все внутрикорпусные устройства и металлоконструкции должны быть надежно зафиксированы. В то же время оборудование ядерного реактора с ТЖМТ работает в условиях высоких градиентов температур, достигающих несколько сотен градусов. Разница температурных перемещений, связанных с разным удлинением или изменением размеров элементов конструкции, находящихся при разных температурах, может быть значительной. При отсутствии специальных конструктивных решений, обеспечивающих свободу перемещений разных элементов при нагреве и охлаждении, возможно возникновение существенных напряжений, ограничивающих ресурс или приводящих к разрушению конструкции.

Разработка конструкции, исключающей или снижающей механическое воздействие элементов друг на друга при высоких градиентах температур, является одной из важных задач. Важной задачей также является исключение неконтролируемых или непредусмотренных перетечек теплоносителя через зазоры, которые необходимы для обеспечения свободы термических расширений элементов конструкции друг относительно друга. Решение последней задачи усложняется также тем, что оборудование реактора крупногабаритное и для сборки даже в холодном состоянии должно иметь необходимые зазоры, компенсирующие погрешности изготовления.

Важной особенностью реакторов с ТЖМТ является то, что практически все конструкционные материалы и материалы радиационной защиты имеют плотность ниже, чем плотность теплоносителя. В связи с этим при креплении элементов конструкции и связанных с ними внутрикорпусных устройств и оборудованием к днищу корпуса или его боковым стенкам возникают растягивающие напряжения за счет воздействия на указанные элементы сил плавучести. Растягивающие напряжения в конструкции и сварных швах наиболее опасны с точки зрения развития коррозии под напряжением.

Создание конструкции корпуса реактора и соединение внутрикорпусных устройств с корпусом, при котором разъемные и неразъемные соединения элементов конструкции испытывали бы преимущественно сжимающие напряжения, также является важной технической задачей.

Известен ядерный реактор с жидкометаллическим охлаждением (US10699816, МПК G21C 1/03, G21C 1/32, G21C 5/02, G21C 15/06, опубл. 30.06.2020), включающий корпус реактора, горячий коллектор над активной зоной и холодный коллектор, окружающий горячий коллектор и отделенный посредством разделяющей конструкции, причем в холодном коллекторе циркулирует первичная текучая среда, в частности ТЖМТ. Реактор содержит, по меньшей мере, один теплообменник, в частности парогенератор, для отвода тепла от ТЖМТ посредством вторичной текучей среды, в частности воды. Разделяющая конструкция содержит нижний элемент, расположенный вокруг активной зоны, и верхний элемент, расположенный над активной зоной. Верхний элемент имеет уменьшенную радиальную протяженность по сравнению с нижним элементом и соединен с нижним элементом посредством соединительного элемента. Соединительный элемент имеет отверстия, от которых отходят вертикальные каналы для соединения с одним или более теплообменниками, расположенными между верхним участком разделяющей конструкции и корпусом реактора, для подачи в теплообменники горячего ТЖМТ, выходящего из активной зоны. Соединительный элемент и верхний элемент разделяющей конструкции образуют радиальный ограничитель активной зоны, в частности неактивной верхней части тепловыделяющих узлов.

В качестве разделяющей конструкции известного реактора предусмотрена обечайка сложной формы, которая консольно крепится к крышке реактора. При этом нижняя часть обечайки не зафиксирована, что является существенным недостатком. Такое конструктивное решение при значительных габаритах и массе установленной в нее активной зоны приводит к повышенным нагрузкам в области консольного крепления, особенно опасным при сейсмических нагрузках.

Известен ядерный реактор с жидкометаллическим теплоносителем (RU2756231, МПК G21C1/00, опубл. 28.09.2021), включающий корпус реактора с нижней камерой, активной зоной, горячей камерой, верхней камерой и теплообменниками. Горячая камера размещена над активной зоной и содержит корпус горячей камеры по существу цилиндрической формы с патрубками отвода горячего теплоносителя, поступающего из активной зоны в теплообменники, и пробку, а упомянутые патрубки омываются снаружи холодным теплоносителем с выхода теплообменников. Корпус горячей камеры содержит внутреннюю обечайку горячей камеры и по меньшей мере одну дополнительную обечайку горячей камеры, установленную с зазором снаружи и концентрично внутренней обечайке горячей камеры и формирующую по меньшей мере один канал горячей камеры. Каждый патрубок содержит внутреннюю обечайку патрубка и по меньшей мере одну дополнительную обечайку патрубка, установленную с зазором снаружи и концентрично внутренней обечайке патрубка и формирующую по меньшей мере один канал патрубка, и по меньшей мере один канал горячей камеры и по меньшей мере один канал патрубка сообщаются с выходом теплообменников для направления потока холодного теплоносителя в указанные каналы.

Изобретение обеспечивает снижение тепловой нагрузки на элементы горячей камеры, прежде всего корпуса горячей камеры и патрубков отвода горячего теплоносителя, в том числе сглаживание и снижение градиента температур, возникающих в указанных элементах, и как следствие повышение срока их службы. Однако достигается этот результат усложнением конструкции и технологии изготовления патрубков и горячей камеры.

Известен ядерный реактор с жидкометаллическим теплоносителем (JP2022097583, МПК G21D1/02, G21C1/02, G21C13/00, G21C15/02, опубл. 30.06.2022), включающий закрытый крышкой корпус, в которой размещена активная зона, горячий коллектор над активной зоной и холодный коллектор, окружающий горячий коллектор, отделенный разделительной структурой и в котором циркулирует первичная текучая среда для охлаждения активной зоны. Реактор снабжен теплообменником, имеющим вход первичной жидкости в нижней части и окружное выходное окно вблизи свободной поверхности первичной жидкости в холодном коллекторе. Выходное окно расположено в промежуточном положении по отношению к трубному пучку, частично приподнятое по отношению к свободной поверхности в холодном коллекторе и заполненное первичной жидкостью посредством вспомогательного устройства для создания разрежения в покрывающем газе теплообменника по отношению к покрывающему газу в сосуде. Поднятие теплообменника и расположение выпускного окна вблизи свободной поверхности первичного теплоносителя помогают минимизировать перемещение первичной жидкости в случае случайного выпуска вторичной жидкости внутри теплообменника.

Известный ядерный реактор имеет невысокую надежность из-за отсутствия конструктивных решений, обеспечивающих свободу перемещения разных элементов реактора при нагреве и охлаждении, приводящее к существенным напряжениям этих элементов реактора, ограничивающих ресурс или приводящих к разрушению конструкции.

Известен ядерный реактор с жидкометаллическим теплоносителем (US20180061513, МПК G21C1/03, G21C15/14, G21C1/32, G21C5/02, опубл. 30.06.2020), совпадающий с настоящим техническим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. Ядерный реактор-прототип включает корпус реактора, покрытый крышкой и вмещающий внутри себя шахту активной зоны, горячий коллектор над активной зоной и нижнюю камеру, отделенную посредством разделяющей конструкции, причем в нижней камере циркулирует первичная текучая среда для охлаждения указанной активной зоны. Реактор также содержит, по меньшей мере, один теплообменник, прикрепленный к крышке, в частности парогенератор, для удаления тепла от первичной текучей среды посредством вторичной текучей среды. Разделяющая конструкция содержит нижний элемент, расположенный вокруг активной зоны, и верхний элемент, расположенный над активной зоной. Верхний элемент имеет уменьшенную радиальную протяженность по сравнению с нижним элементом и соединен с нижним элементом посредством соединительного элемента, выполненного, например, в виде пластины. Соединительный элемент имеет отверстия, от которых отходят вертикальные каналы для соединения с одним или более теплообменниками, расположенными между верхним участком разделяющей конструкции и корпусом реактора, для подачи в теплообменники горячей первичной текучей среды, выходящей из активной зоны. Соединительный элемент и верхний элемент разделяющей конструкции образуют радиальный ограничитель активной зоны, в частности неактивной верхней части тепловыделяющих узлов.

Известный ядерный реактор-прототип имеет недостаточную надежность из-за отсутствия свободы перемещений разных элементов его конструкции при нагреве и охлаждении, из-за возникновения растягивающих напряжений в элементах конструкции, имеющих плотность, меньшую плотности жидкометаллического теплоносителя, за счет воздействия на них сил плавучести, а также из-за наличия в корпусе реактора полостей теплоносителя с крайне низкими скоростями, приводящих к формированию областей с плохим перемешиванием теплоносителя и возникновением коррозионных повреждений из-за ухудшения контроля за качеством теплоносителя.

Раскрытие сущности изобретения

Задачей настоящего изобретения являлась разработка ядерного реактора, в частности ядерного реактора с жидкометаллическим теплоносителем, который бы имел повышенную безопасность и надежность при эксплуатации за счет обеспечения свободы продольного и радиального перемещения разных элементов его конструкции при сборке, нагреве и охлаждении друг относительно друга, повышения коррозионной стойкости и необходимых антифрикционных характеристик контактирующих материалов; выравнивания скоростей теплоносителя на входе в нижнюю камеру и в дальнейшем в активную зону; обеспечения надежности фиксации тепловыделяющих сборок (ТВС) от несанкционированного всплытия за счет контролируемого ограниченного усилия поджатия, не препятствующего температурным расширениям.

Техническим результатом настоящего изобретения, достигаемым при решении поставленной задачи, в частности, является:

- обеспечение свободы продольного и радиального перемещения разных элементов при нагреве и охлаждении друг относительно друга, отсутствие которой может быть причиной возникновения неконтролируемых или непредусмотренных перетечек теплоносителя, снижающих надежность охлаждения оборудования реактора, и существенных напряжений, ограничивающих ресурс или приводящих к разрушению конструкции;

- повышение коррозионной стойкости и необходимых антифрикционных характеристик материалов;

- выравнивание скоростей теплоносителя на входе в нижнюю камеру и в дальнейшем в активную зону, что важно для обеспечения надежного охлаждения ее элементов и безопасности;

- обеспечение надежности фиксации ТВС от несанкционированного всплытия, не препятствующей температурным расширениям, что обеспечивается ограничением усилия пожатия;

- повышение безопасности и надежности эксплуатации реактора.

Поставленная задача решается тем, что ядерный реактор с жидкометаллическим теплоносителем, включает корпус реактора, закрытый крышкой, имеющий нижнюю камеру, образованную разделяющей конструкцией, присоединенной к крышке реактора, активную зону, по меньшей мере, один циркуляционный насос первого контура с обечайкой циркуляционного насоса, присоединенной к крышке, по меньшей мере, один теплообменник, установленный в обечайке, присоединенной к крышке, для отвода тепла от жидкометаллического теплоносителя к теплоносителю второго контура и пробку. Новым в ядерном реакторе является то, что разделяющая конструкция выполнена в виде прикрепленного к корпусу реактора кольцевого элемента, в направляющую обечайку которого вставлена обечайка активной зоны, соединенная с крышкой реактора, внутрикорпусные устройства (ВКУ), включающие каналы для организации необходимой циркуляции теплоносителя, соединены между собой и прикреплены к периферийной части крышки реактора, нижний торец обечайки теплообменника расположен над кольцевым элементом, а нижний торец обечайки циркуляционного насоса проходит через отверстие в кольцевом элементе в нижнюю камеру.

В нижней части обечайки активной зоны может быть установлена опорная плита, в которой закреплены ТВС с каналами системы управления и защиты (СУЗ) и блоки отражателя.

В пробке реактора наконечники каналов СУЗ могут быть выполнены конусными, с внутренними поверхностями, контактирующими с головками ТВС.

В пробке ниже ее верхней части может быть выполнена перегородка, к которой канал СУЗ присоединен посредством упругого сильфонного соединения, ограничивающего усилие, передаваемое на головку ТВС.

Ниже кольцевого элемента может быть установлен дополнительный кольцевой элемент меньшего диаметра, в котором выполнено по меньшей мере одно отверстие, с образованием между ними кольцевого коллектора, вход которого соединен с выходом из циркуляционного насоса, а выход соединен с нижней камерой.

Ниже дополнительного кольцевого элемента к днищу корпуса реактора могут быть прикреплены ребра для направления потока теплоносителя от периферии к центру нижней камеры. Для выравнивания распределения расходов по азимуту предпочтительно предусмотреть в ребрах отверстия, обеспечивающие азимутальные перетечки.

В обечайке циркуляционного насоса может быть выполнена кольцевая проточка, в которой установлено, по меньшей мере, одно поршневое уплотнительное кольцо, подвижное в радиальном направлении и перекрывающее зазор между обечайкой циркуляционного насоса и кольцевым элементом при радиальных перемещениях обечайки циркуляционного насоса.

В обечайке активной зоны может быть выполнена кольцевая проточка, в которой установлено, по меньшей мере, одно поршневое уплотнительное кольцо, подвижное в радиальном направлении и перекрывающее зазор между обечайкой активной зоны и кольцевым элементом при радиальных перемещениях обечайки.

Поршневое уплотнительное кольцо может быть изготовлено из высокопрочного серого чугуна с пластинчатым графитом с содержанием кремния не менее 1% или из коррозионностойкой нержавеющей стали.

Размещение наиболее ответственного оборудования в обечайках, жестко присоединенных к крышке реактора с помощью разъемных или неразъемных соединений, позволяет проводить его ревизию, ремонт или замену в процессе эксплуатации реактора. В указанных обечайках предусматриваются необходимые отверстия для организации циркуляции теплоносителя. Указанные обечайки могут свободно перемещаться в продольном направлении при нагреве или охлаждении, а в местах сопряжений с другими элементами конструкции имеют специальные скользящие уплотнения, не препятствующие таким перемещениям.

Так, например, выемными элементами конструкции реактора могут быть циркуляционные насосы, парогенераторы или теплообменники между первым и вторым контурами, опорные конструкции активной зоны, активная зона и выемная часть радиального отражателя, пробка над активной зоной.

Основная часть внутрикорпусного оборудования, включая трубопроводы и направляющие каналы для теплоносителя, объединяется в единую конструкцию и соединяется с крышкой реактора. При этом все усилия от выталкивающих сил теплоносителя, имеющего большую плотность, чем конструкционные материалы, направлены снизу-вверх и передаются в конечном итоге на крышку реактора. С учетом того, что на крышке реактора размещена и закреплена значительная часть оборудования, а именно, циркуляционные насосы с приводом, приводы органов регулирования, подводящие и отводящие камеры и трубопроводы парогенератора или теплообменников, внешняя радиационная защита и другие элементы, то усилия от действия сил Архимеда в значительной степени оказываются скомпенсированы весом от указанного оборудования, что благоприятно сказывается на работоспособности крышки. При этом внутрикорпусные элементы, не относящиеся к элементам активной зоны, крепят преимущественно к периферийной части крышки реактора, что способствует уменьшению изгибающих моментов и улучшает работоспособность крышки.

К днищу реактора крепят только минимально необходимые направляющие поток теплоносителя элементы, в которых предусмотрены сопряжения с обечайками для размещения активной зоны и насосов. Узлы сопряжения снабжены уплотнениями и обеспечивают свободное продольное перемещение упомянутых обечаек, а также необходимые и ограниченные радиальные перемещения с сохранением герметичности или существенным ограничением протечек.

Величина допустимых радиальных перемещений в уплотнениях определяется необходимостью компенсировать допуски на размеры при изготовлении и температурные расширения. При этом возможность больших перемещений в радиальном направлении в настоящем реакторе исключена, так как большие перемещения создают опасность при значительных внешних воздействиях на реактор, например, при землетрясениях. Конструкция уплотнений может быть выбрана из известных в технике решений, однако, наиболее предпочтительным является вариант с использованием поршневых колец. При этом предпочтительным материалом является материал класса серых чугунов с пластинчатым графитом. Наличие в составе чугунов этого класса кремния порядка (1-3) мас.% и включений пластинчатого графита обеспечивают соответственно повышенную коррозионную стойкость и необходимые антифрикционные характеристики материала уплотнений. При небольших перепадах давления, уплотнения могут быть лабиринтными. Допустимость применения лабиринтных уплотнений определяется гидравлическим расчетом по известным методикам и допустимостью величины вычисленных протечек, которые должны быть определены в конкретной реализации проекта индивидуально.

Краткое описание чертежей

Настоящее изобретение поясняется чертежами, где:

на фиг. 1 показан в аксонометрии с частичным разрезом настоящий ядерный реактор с ТЖМТ;

на фиг. 2 приведен в разрезе узел сопряжения наконечника канала СУЗ с головкой ТВС;

на фиг. 3 показан в разрезе узел крепления канала СУЗ к промежуточной опорной плите пробки;

на фиг. 4 приведен в разрезе узел уплотнения с самоустанавливающимся седлом;

на фиг. 5 показан в увеличенном масштабе узел Г, приведенный на фиг. 4.

на фиг. 6 представлены варианты реализации узла уплотнений в подвижных соединениях выемных и невыемных элементов корпуса, например, узла Д на фиг. 1: Вариант А – с уплотнительными кольцами прямоугольного сечения; Вариант Б – с уплотнительными кольцами из проволоки; Вариант В – с лабиринтным уплотнением.

На фигурах позициями отмечены следующие элементы:

1 - крышка реактора в сборе;

2 - обечайка циркуляционных насосов;

3 - обечайка концевая;

4 - узел уплотнения обечайки циркуляционных насосов;

5 - узел уплотнения шахты активной зоны;

6 - косынка;

7 - канал для теплоносителя;

8 - элементы ВКУ;

9 - корпус реактора;

10 - днище;

11 - кольцевой элемент;

12 - обечайка шахты активной зоны;

13 - узел уплотнения шахты активной зоны;

14 - соединительная обечайка;

15 - дополнительный кольцевой элемент;

16 - нижняя камера;

17 - направляющие косынки;

18 - обечайка корпуса;

19 - бурт опорный;

20 - обечайка для размещения модуля парогенератора или теплообменника между первым и вторым контуром;

21 - циркуляционные насосы (ЦНА) первого контура;

22 - опорная плита шахты активной зоны;

23 - тепловыделяющая сборка (ТВС);

24 - отражатель;

25 - пробка реактора;

26 - фланец;

27 - привод СУЗ;

28 - канал СУЗ в пробке;

29 - наконечник канала СУЗ;

30 - головка ТВС;

31 - промежуточная опорная плита пробки;

32 - сильфонный узел канала СУЗ в пробке;

33 - седло самоустанавливающееся узла уплотнений;

34 - сборочный разъем;

35 - нижняя часть седла;

36 - кольцо посадочное;

37 - штифт;

38 - кольцо уплотнительное;

39 - кольцо прижимное;

40 - отверстия для перетока теплоносителя;

41 - кольцо поршневое уплотнительное;

42 - кольцо уплотнительное из проволоки;

43 - привод ЦНА;

44 - кольцо уплотнительное прямоугольного сечения.

Подробное описание вариантов осуществления изобретения

Ядерный реактор с тяжелым жидкометаллическим теплоносителем в сборе схематично показан на фиг. 1.

Крышка 1 корпуса 9 реактора в сборе включает обечайки 2 циркуляционных насосов 21 и обечайку 12 шахты активной зоны с концевой обечайкой 3, на которых предусмотрены узлы 4 и 5 уплотнений обечаек 2 и 3. В крышке 1 реактора предусматриваются также крепежные элементы для присоединения, например, косынок 6 ВКУ 8. При этом косынки 6 присоединены преимущественно к периферийной части крышки 1 реактора. Элементы ВКУ 8 расположены между крышкой реактора 1 и кольцевым элементом 11 собраны в единую конструкцию, которая может включать тепловую или радиационную защиту (условно не показаны), каналы для протока теплоносителя, например, каналы 7, соединяющие коллектор над активной зоной с обечайками для размещения теплообменников 20 или другие известные в технике элементы. Единый блок крышки 1 с элементами ВКУ 8, собранными в единый блок, присоединен к корпусу реактора 9. Днище 10 образовано из элементов, которые предназначены для организации подачи теплоносителя от циркуляционных насосов 21 первого контура с приводами 43 в активную зону, и сопрягается с остальными элементами конструкции по скользящим разъемным соединениям и в основном нагружено только весом теплоносителя и перепадом давления между разными участками контура. К днищу 10 герметично присоединен кольцевой элемент 11. В кольцевой элемент 11 по внутреннему кольцу установлена соединительная обечайка 14, в которую входит концевая обечайка 3 , в которой предусмотрен узел уплотнения 13 и соединение с обечайкой шахты активной зоны 12. В кольцевом элементе 11 предусмотрены отверстия и узел уплотнения 4 для совмещения с обечайкой 2 циркуляционных насосов 21. К кольцевому элементу 11 с помощью соединительной обечайки 14 присоединен дополнительный кольцевой элемент 15, в результате чего образуется торовая камера между элементами 11 и 15 в которую подается расход от циркуляционных насосов 21, который перераспределяется и выходит в нижнюю камеру 16, через периферийную часть указанной торовой камеры. Выход теплоносителя из торовой камеры может быть, как через кольцевой зазор, как это показано на фиг. 1, так, например, и через систему отверстий (на чертеже не показаны), что улучшит равномерность распределения расхода теплоносителя по азимуту. Для выравнивания поля скоростей к кольцевому элементу 15 могут быть присоединены направляющие косынки 17. Таким образом, достигается дополнительный технический результат выравнивания скоростей на входе в нижнюю камеру 16 и в дальнейшем в активную зону, что важно для обеспечения надежного охлаждения ее элементов и безопасности. В косынках 17 для улучшения выравнивания скоростей могут быть предусмотрены отверстия 40. Единый блок крышки 1 с единым блоком ВКУ соединен с обечайкой 18 корпуса 9, которая, в свою очередь, соединена с днищем 10, образуя корпус реактора в сборе. При этом корпус реактора в сборе опирается на опорные конструкции шахты реактора буртом 19, предусмотренным на крышке 1 реактора. В корпусе реактора в сборе установлены обечайки 20 для размещения модулей парогенератора или теплообменники между первым и вторым контуром, циркуляционные насосы 21, которые крепятся на крышке 1 реактора. Теплообменные поверхности указанных теплообменников и узлы крепления их к крышке реактора условно не показаны и могут иметь различные известные реализации. Весовая нагрузка и выталкивающее усилие от их погруженной в теплоноситель части для указанных элементов передается на крышку 1 реактора и разнонаправлена. К концевой обечайке 3 прикреплена опорная конструкция (перфорированная плита) 22 активной зоны, в ней, в свою очередь, зафиксированы ТВС 23 и элементы отражателя 24. В конечном итоге на указанные элементы 23 и 24 действуют разнонаправленные усилия. Действие сил тяжести вниз и сил плавучести вверх в значительной степени компенсируют друг друга, а итоговое усилие передается на обечайки 3, 12 и крышку 1 реактора. Разделительная конструкция, собранная из обечаек 3 и 12 может быть, как изготовлена в виде единого элемента, так и разделена по высоте на дополнительные сборочные единицы с сохранением герметичности соединений. Такое решение позволяет решить дополнительную техническую задачу, связанную с подбором разных материалов по высоте разделительной конструкции, например, из-за существенного отличия условий работы материалов. В крышке 1 реактора установлена пробка 25 реактора с фланцем 26, на которую, в свою очередь, установлены приводы 27 органов СУЗ. Результирующее усилие формируется аналогично предыдущему случаю и передается на крышку 1 реактора.

Таким образом, настоящее изобретение принципиально исключает передачу усилий от элементов активной зоны, ВКУ или оборудования на днище 10 корпуса 9 реактора, соответственно отсутствуют соединения важного оборудования с днищем 10 реактора, исключена авария, связанная с разрывом такого соединения и неконтролируемым всплытием любого оборудования или элемента реактора. Вся весовая нагрузка от активной зоны, ВКУ 8, пробки 25 и других элементов реактора скомпенсирована действием сил Архимеда и передается на крышку 1 снизу-вверх. В свою очередь, дополнительная нагрузка от размещенных на крышке 1 и пробке 25 реактора ЦНА 21 с приводом 43 и приводов 27 СУЗ, соответственно, направлена на компенсацию преимущественного действия выталкивающих сил. Надежная фиксация ТВС 23 от несанкционированного всплытия при схеме, в которой ТВС 23 фиксируются нижним хвостовиком в опорной конструкции 22 активной зоны, важна с точки зрения безопасности и обеспечивается в рассматриваемой схеме путем поджатия ТВС 23 каналами 28 СУЗ в пробке 25. При этом усилие поджатия должно быть ограничено и не препятствовать температурным расширениям.

Каналы 28 СУЗ в пробке 25 в нижней части имеют наконечники 29 с конусной поверхностью, по которой сопрягаются с головками 30 ТВС 23 (фиг. 2). Крепление наконечников 29 каналов 28 СУЗ к промежуточной опорной плите 31 пробки 25 осуществляется через сильфонный узел 32 так, что каналы 28 СУЗ могут перемещаться вертикально в пределах подвижности сильфонов, присоединяемых к промежуточной опорной плите 31 (фиг. 3).

Протечки теплоносителя в узлах уплотнений должны быть ограничены для организации надежного охлаждения активной зоны и ВКУ 8. При этом они должны обеспечивать свободу термических расширений и удобство сборки, что с учетом больших размеров реакторной установки является одной из важных задач. В случае наибольших нагрузок узла уплотнений, связанных с большим перепадом давлений между напорной камерой ЦНА 21 и остальной частью контура предпочтительна конструкция узла уплотнений с самоустанавливающимся седлом 33, как показано на фиг. 4 - фиг. 5. Седло 33 имеет сборочный разъем 34 с нижней частью 35 седла 33, что обеспечивает сборку и совместную работу седла 33 с посадочным кольцом 36, которые сопрягаются по сферической поверхности с радиусом R. Центр указанной сферической поверхности располагается на оси посадочного кольца 36. Для ограничения перемещений кольцо 36 зафиксировано четырьмя штифтами 37 по взаимно перпендикулярным осям. Весь узел в сборе зафиксирован в кольцевом элементе 11 от осевых перемещений и протечек с помощью уплотнительного кольца 38, и прижимного кольца 39, которое, в свою очередь, приварено к кольцевому элементу 11. Зазоры δ (фиг. 5) обеспечивают дополнительную возможность перемещений в горизонтальном направлении без нарушения герметизации узла. Величина необходимых зазоров связана с технологическими допусками, точностью изготовления и сборки крупногабаритных и длинномерных элементов реактора и определяются известными инженерными расчетами размерных цепей. Выемная обечайка 2 шахты насоса герметизирована по внутренней поверхности посадочного кольца 36 с помощью уплотнительных поршневых колец 41, предпочтительно изготавливаемых из серого чугуна с пластинчатым графитом.

Для подвижных соединений большого диаметра, например, соединения концевой обечайки 3 шахты активной зоны и соответствующего неподвижного узла уплотнения предпочтительным является упрощенный вариант, представленный на фиг. 6 (Вариант А). При этом в качестве уплотняющих элементов, предпочтительно, могут применяться поршневые кольца 44, аналогичные 41, кольца из проволоки 42 (фиг. 6, Вариант Б) или использоваться лабиринтные уплотнения 43, например, как на фиг. 6, Вариант В.

В конечном итоге металлоконструкции крышки реактора работают преимущественно в условиях сжимающих напряжений, днище корпуса реактора разгружено от соединения с опорными конструкциями активной зоны, внутрикорпусные устройства реактора и выемные элементы реактора разгружены от температурных расширений и могут свободно и независимо друг от друга перемещаться в продольном направлении с сохранением герметичности в сопрягаемых областях, что благоприятно сказывается на работоспособности конструкции и безопасности.

Изобретение относится к ядерному реактору интегрального типа с жидкометаллическим теплоносителем. Реактор включает корпус (9) реактора, закрытый крышкой (1), имеющий нижнюю камеру (16), образованную разделяющей конструкцией, присоединенной к крышке (1) реактора, активную зону, по меньшей мере один циркуляционный насос (21) первого контура с обечайкой (2) циркуляционного насоса, присоединенной к крышке (1), по меньшей мере один теплообменник, установленный в обечайке (20), присоединенной к крышке (1), и пробку (25). Разделяющая конструкция выполнена в виде прикрепленного к корпусу (9) реактора кольцевого элемента (11), в направляющую обечайку которого вставлена концевая обечайка (3), соединенная с крышкой (1) реактора. Внутрикорпусные устройства (8) соединены между собой и прикреплены к периферийной части крышки (1) реактора, нижний торец обечайки (20) теплообменника расположен над кольцевым элементом (11), а нижний торец обечайки (2) циркуляционного насоса (21) проходит через отверстие в кольцевом элементе (11) в нижнюю камеру (16). Техническим результатом является повышение безопасности и надежности эксплуатации реактора. 9 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Ядерный реактор интегрального типа с жидкометаллическим теплоносителем, включающий корпус реактора, закрытый крышкой, имеющий нижнюю камеру, образованную разделяющей конструкцией, присоединенной к крышке реактора, активную зону, по меньшей мере, один циркуляционный насос первого контура с обечайкой циркуляционного насоса, присоединенной к крышке, по меньшей мере, один теплообменник, установленный в обечайке, присоединенной к крышке, для отвода тепла от жидкометаллического теплоносителя к теплоносителю второго контура, и пробку, отличающийся тем, что разделяющая конструкция выполнена в виде прикрепленного к корпусу реактора кольцевого элемента, в направляющую обечайку которого вставлена обечайка активной зоны, соединенная с крышкой реактора, внутрикорпусные устройства, включающие каналы для организации необходимой циркуляции теплоносителя, соединены между собой и прикреплены к периферийной части крышки реактора, нижний торец обечайки теплообменника расположен над кольцевым элементом, а нижний торец обечайки циркуляционного насоса проходит через отверстие в кольцевом элементе в нижнюю камеру.

2. Ядерный реактор по п. 1, отличающийся тем, что разделительная конструкция выполнена из разнородных материалов с разъемными соединениями по высоте.

3. Ядерный реактор по п. 1, отличающийся тем, что в концевом элементе разделяющей конструкции установлена опорная плита, в которой закреплены тепловыделяющие сборки (ТВС) с каналами системы управления и защиты (СУЗ) и блоки отражателя.

4. Ядерный реактор по п. 1, отличающийся тем, что в пробке реактора наконечники каналов СУЗ выполнены конусными с внутренними поверхностями, контактирующими с головками ТВС.

5. Ядерный реактор по п. 1, отличающийся тем, что в пробке ниже ее верхней части выполнена перегородка, к которой канал СУЗ присоединен посредством сильфонного соединения, ограничивающего усилие, передаваемое на головку ТВС.

6. Ядерный реактор по п. 1, отличающийся тем, что ниже кольцевого элемента установлен дополнительный элемент меньшего диаметра, в котором выполнено, по меньшей мере, одно отверстие, с образованием между кольцевым и дополнительным элементами кольцевого коллектора, вход которого соединен с выходом циркуляционного насоса, а выход соединен с нижней камерой.

7. Ядерный реактор по п. 5, отличающийся тем, что ниже дополнительной кольцевой пластины к днищу корпуса реактора прикреплены ребра для направления потока теплоносителя от периферии к центру нижней камеры.

8. Ядерный реактор по п. 1, отличающийся тем, что в обечайке циркуляционного насоса выполнена кольцевая проточка, в которой установлено, по меньшей мере, одно поршневое уплотнительное кольцо, подвижное в радиальном направлении и перекрывающее зазор между обечайкой циркуляционного насоса и кольцевым элементом при радиальных перемещениях обечайки циркуляционного насоса.

9. Ядерный реактор по п. 1, отличающийся тем, что в обечайке активной зоны выполнена кольцевая проточка, в которой установлено, по меньшей мере, одно поршневое уплотнительное кольцо, подвижное в радиальном направлении и перекрывающее зазор между обечайкой насоса и кольцевым элементом при радиальных перемещениях обечайки.

10. Ядерный реактор по пп. 8 и 9, отличающийся тем, что поршневое уплотнительное кольцо изготовлено из высокопрочного серого чугуна с пластинчатым графитом с содержанием кремния не менее (1-3) мас.% или из коррозионностойкой нержавеющей стали.