ЯДЕРНЫЙ РЕАКТОР ПРЕДЕЛЬНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ Советский патент 1995 года по МПК G21C1/22 

Изобретение относится к области ядерной энергетики и может быть использовано для останова и расхолаживания реактора без использования внешних источников энергии, хладагента и вмешательства извне, только за счет использования внутренне присущих свойств безопасности реактора и пассивных защитных систем. Данное изобретение будет работать даже при опрокидывании корпуса реактора.

Целью изобретения является повышение безопасности ядерного реактора.

На чертеже дана схема предлагаемого реактора.

Ядерный реактор предельной безопасности с естественной циркуляцией теплоносителя содержит активную зону 1, набранную из шаровых тепловыделяющих элементов 2, окруженную отражателем 3. Отражатель состоит из оболочек 4, выполненных из вещества с открытой структурой пор, непроницаемых для теплоносителя. Материал оболочки не взаимодействует с теплоносителем и теплопоглощающим материалом. Если теплоносителем является шлак BeF₂, то в качестве материалов могут быть использованы нержавеющая сталь, ниобий или тантал, имеющие хорошую стойкость в данном теплоносителе. Оболочки 4 заполнены веществом 5, которое одновременно является отражателем и поглотителем тепла, например, гидридом лития LiH, или фторидом бериллия BeF₂. Проведенные расчеты показывают, что для расхолаживания реактора мощностью 300 МВт, в котором осуществляется полная перегрузка активной зоны через 2 месяца необходимо примерно 50 т гидрида лития для расхолаживания в течение года. Затем уровень остаточного тепловыделения спадает до величины, которая может быть отведена теплопроводностью. Над активной зоной расположен верхний коллектор 6 и подъемный канал 7. В верхней части корпуса расположен переливной участок 8, компенсационный бак 9 и теплообменник 10. Вдоль корпуса реактора 11, в который заключено все оборудование первого контура, проходит опускной канал 12. Под активной зоной расположены нижняя емкость 13 и нижний коллектор 14.

Активная зона 1, отражатель 3, верхний 6 и нижний 14 коллекторы, подъемный 7 и опускной 12 каналы, переливной участок 8, компенсационный бак 9 и теплообменник 10 заполнены теплоносителем, например, LiF-BeF₂. Вокруг корпуса реактора расположена защитная оболочка 15. Между корпусом реактора 11 и защитной оболочкой 15 расположена полость 16, соединенная каналами 17 и 18 с атмосферой. Канал 18 соединен с атмосферой через трубу необходимой высоты, в которую выбрасывается нагретый воздух, обеспечивая контур естественной циркуляции. Объем полости 16 меньше объема компенсационного бака 9. В верхней части корпуса реактора расположен трубопровод 19 с клапаном 20, соединяющим объем, заключенный под корпусом реактора с атмосферой или с конденсатором, через систему очистки (на схеме не показана).

Предлагаемое техническое решение работает следующим образом.

При нормальных условиях работы теплоноситель нагревается в активной зоне 1, поднимается вверх по подъемному каналу 7. Затем, проходя полость 8 поступает в теплообменник 10, где охлаждается и поступает в опускной канал 12, одной из стенок которого является корпус 11. Из канала 12 теплоноситель поступает в нижнюю емкость 13, разворачивается и вновь поступает в активную зону 1. Часть теплоносителя поднимается вверх в отражателе между шаровыми полостями. Известно, что расход через параллельные полости обратно пропорционален их гидравлическим сопротивлениям, в отражателе выделяется меньше тепла, чем в активное зоне, и при движении по параллельным полостям в них реализуются одинаковые потери давления, Δ Р₁ и Δ Р₂
ΔP₁= ΔP₂= ζ где ζ коэффициент сопротивления;
l длина полости (активной зоны или отражателя);
d_г гидравлический диаметр;
w скорость теплоносителя;
g плотность теплоносителя.

Поскольку скорость в основном определяется гидравлическим диаметром, то можно сделать вывод, что для обеспечения одинаковой температуры теплоносителя на выходе из активной зоны и отражателя должно выполняться условие:
где N выделяемая мощность: символы: а, з активная зона; отр. отражатель.

Зная мощности и характерные длины, легко рассчитать отношения диаметров шаров отражателя d_отр и активной зоны d_твэла. Для большого класса реакторов предлагаемой конструкции оно находится в пределах:
5-10
Известно также, что тепловыделение в отражателе распределено и спадает с удалением от активной зоны. Поэтому для обеспечения равномерного нагрева отражателя расход теплоносителя в радиальном направлении должен быть перераспределен. Этого можно добиться путем уменьшения диаметра шаров с теплопоглощающим материалом от внутренней до внешней границы отражателя в соответствии с законом изменения тепловыделения. Для того, чтобы уменьшить количество шаров с различными диаметрами, отражатель по радиусу может быть разбит на зоны, с заполнением каждой зоны шарами с одним диаметром. Для обеспечения охлаждения корпуса реактора воздух подается вниз под корпус реактора по трубопроводу 17, поднимается вверх по полости 16, охлаждая корпус 11, и через трубопровод 18 поступает в трубу необходимой высоты (на схеме не показана), откуда выбрасывается в атмосферу. Движение воздуха осуществляется за счет естественной конвекции.

При нетяжелых аварийных ситуациях, характерных для данного типа реактора, связанных, например, с прекращением теплоотвода от теплообменника 10 реактор останавливают тем или иным способом, а аварийное расхолаживание осуществляется по той же схеме, что и при нормальных условиях работы. Теплоотвод при этом осуществляется от корпуса реактора.

При аварийных ситуациях, связанных с одновременным выходом из строя охлаждения в теплообменнике и охлаждения корпуса, выбросом всех стержней регулирования и потери герметичности силового корпуса происходит следующее. Теплоноситель из компенсационного бака 9 заполняет полость 16 и трубопровод 17. Объем теплоносителя в баке больше, чем объем полости 16 и трубопровода 17, загнутого вверх, поэтому контур циркуляции теплоносителя сохраняется.

Поскольку запас надкритичности невысок, активная зона останавливается после нагрева на 50-100^оС за счет отрицательного температурного коэффициента реактивности, даже при отказе аварийной системы останова. Нагрев теплоносителя будет продолжаться за счет процесса остаточного тепловыделения. Циркуляция теплоносителя также продолжается в связи с тем, что в подъемном канале 7 он всегда горячей, чем опускном 12. При прогреве теплопоглощающего вещества в отражателе до температуры, когда давление насыщенных газов (паров) будет выше температуры разложения (испарения), теплопоглощающее вещество начнет разлагаться (испаряться). Поскольку теплоотвод в теплообменнике и с корпуса отсутствуют, то теплоноситель будет не охлаждать, а нагревать отражатель, причем быстрей в том месте, где лучше теплоотвод, а именно рядом с активной зоной. Поэтому именно там быстрее начнется разложение теплопоглощающего вещества с выходом газа (пара) в подъемный канал 7 контура. Это приведет к еще большему перераспределению расхода теплоносителя и увеличению его в месте разложения. При этом плотность отражателя и, следовательно, его отражающие свойства будут ухудшаться именно в том месте, где он наиболее эффективен рядом с активной зоной, что приведет к еще большему снижению эффективного коэффициента размножения нейтронов, а следовательно, к увеличению безопасности реактора.

При весьма маловероятных аварийных ситуациях, связанных с выливанием теплоносителя, например, при землетрясении с расколом защитной оболочки 15 и потерей герметичности корпуса 11 теплоноситель выльется. Шаровые тепловыделяющие элементы 2 и шары отражателя 4 с теплопоглощающим веществом 5, которые могут быть выполнены с плотностью меньшей, ем плотность теплоносителя, опустятся вниз в нижнюю емкость 13, где находятся элементы конструкции с поглотителем нейтронов, останавливающим реакцию деления (на схеме не показаны). Объем полости 13 выбран большим, чем объем активной зоны 1 и отражателя 3. Тепловыделяющие элементы перемешиваются с шарами 4, содержащими теплопоглощающее вещество 5 и передают последним тепло теплопроводностью. Кроме того, они охлаждаются газом (паром) теплопоглощающего вещества, выделяющимся при разложении (испарении).

Аналогичная схема расхолаживания будет и в случае падения реактора набок с выливанием теплоносителя. Отличие будет заключаться в том, что тепловыделяющие элементы 2 и шары отражателя 4 не перемещаются и тепло будет отводиться теплопроводностью и выделяющимся газом (паром). Если теплоноситель при этом не выльется, то тепло будет отводиться и его естественной конвекцией, что приведет к снижению температуры тепловыделяющих элементов.

Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет повысить ядерную и радиационную безопасность путем останова реактора и отвода тепла остаточного тепловыделения даже в случае аварийных ситуаций, связанных с одновременным нарушением герметичности силового корпуса, выбросом стержней регулирования и выходом из строя внешней системы теплоотвода. Ядерная безопасность при этом повышается со временем за счет ухудшения отражающих свойств отражателя. Система отвода остаточного тепловыделения, работает автономно, и только за счет внутренне присущих свойств обеспечения безопасности. Предлагаемое техническое решение работает и в случае некоторых аварийных ситуаций, связанных с разрушением защитной оболочки и потерей герметичности силового корпуса.

Использование: преимущественно в высокотемпературных ядерных реакторах с жидким теплоносителем. Сущность: ядерный реактор содержит активную зону, отражатель, набранный из оболочек, выполненных из материала с открытой структурой пор, проницаемых только для газообразных веществ. Оболочки заполнены теплопоглощающим веществом с температурой фазового перехода в газообразное состояние ниже предельно допустимой температуры, обеспечивающей длительную прочность элементов конструкции реактора, и выше температуры теплоносителя на выходе из активной зоны при нормальном режиме. Вход и выход теплоносителя в отражателе выполнены соответственно ниже и выше активной зоны и присоединены к подъемному участку циркуляционного контура теплоносителя. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. ЯДЕРНЫЙ РЕАКТОР ПРЕДЕЛЬНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ, содержащий активную зону, окруженную отражателем, и контур циркуляции жидкого теплоносителя с подъемным участком, включающим в себя активную зону, и опускным участком, отличающийся тем, что, с целью повышения безопасности реактора, отражатель изготовлен из теплопоглощающего вещества, размещенного в оболочках, выполненных из материала с открытой структурой пор, проницаемых только для газообразных веществ, а температура фазового перехода теплопоглощающего вещества в газообразное состояние ниже предельно допустимой температуры, обеспечивающей длительную прочность элементов конструкции реактора, и выше температуры теплоносителя на выходе из активной зоны при нормальном режиме, причем вход и выход дополнительного контура циркуляции теплоносителя через отражатель присоединены к подъемному участку соответственно ниже и выше активной зоны. 2. Реактор по п.1, отличающийся тем, что структура отражателя набрана по крайней мере из двух областей, причем размер оболочек в периферийной области отражателя меньше, чем в области, примыкающей к активной зоне реактора.