ЛЕГКОВОДНЫЙ РЕАКТОР СО СВЕРХКРИТИЧЕСКИМИ ПАРАМЕТРАМИ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ
LIGHT-WATER REACTOR WITH SUPERCRITICAL HEAT CARRIER PARAMETERS

Область техники
Изобретение относится к атомной энергетике, а именно к легководным реакторам со сверхкритическими параметрами теплоносителя.
Предшествующий уровень техники
Известен легководный реактор с кипящим теплоносителем (BWR) [1], который содержит корпус давления с патрубками для подвода питательной воды и воды из системы рециркуляции, активную зону, выгородку между активной зоной и корпусом реактора, опускной участок между выгородкой и корпусом реактора, в котором размещены струйные насосы. В сопло струйного насоса подводится вода из системы рециркуляции. В камеру смешения струйного насоса подается вода из кольцевого пространства между выгородкой активной зоны и корпусом реактора. С выхода струйного насоса теплоноситель подается в напорную камеру. Система рециркуляции состоит из петель, в каждой из которых имеется насос, трубопроводы и арматура [1]. За счет струйных насосов достигнут коэффициент рециркуляции Кр=6,8, который равен отношению массового расхода теплоносителя через активную зону к массовому расходу питательной воды. Недостатком струйного насоса BWR является низкий коэффициент рециркуляции при перемешивании различных фаз, т.е. при существенно разной плотности рабочей (подается в сопло) и инжектируемой (подается в камеру смешения) сред. Кроме того, необходимы автономные системы рециркуляции, что усложняет эксплуатацию установок.
Известен легководный реактор со сверхкритическими параметрами теплоносителя [2], который содержит корпус давления, активную зону, напорную и сливную камеры, нижнюю опорную плиту со стояками (опорными стаканами) для установки тепловыделяющих сборок с твэлами, выгородку между активной зоной и корпусом реактора, опускной участок между выгородкой и корпусом реактора, в котором размещены струйные насосы. В сопло струйного насоса подводится питательная вода. С выхода струйного насоса теплоноситель подается в напорную камеру. Подогретая смесь поступает на вход активной зоны [2]. Недостатками известного реактора является низкий коэффициент рециркуляции в сравнении с BWR, который обусловлен существенным различием плотности теплоносителя перемешивающихся потоков в камере смешения. В случае легководного реактора со сверхкритическими параметрами теплоносителя отношение плотностей питательной воды и теплоносителя на выходе из ТВС составляет оценочно 10, что и приводит к существенному снижению коэффициента рециркуляции в сравнении с BWR.
Не исключена возможность локальных перегревов оболочек теплонапряженных твэлов, так как увеличивается общий расход теплоносителя в активной зоне, а не локальный расход теплоносителя в наиболее теплонапряженных ТВС.
Наиболее близким аналогом является [2], что и принимаем за прототип.
Раскрытие изобретения
Задачей изобретения является:
- интенсификация теплообмена в активной зоне в теплонапряженных ТВС за счет рециркуляции теплоносителя (увеличения его расхода на входе в активную часть теплонапряженных ТВС при неизменном расходе на входе в реактор и выходе из реактора);
- локальное ужесточение спектра нейтронов в части активной зоны с теплонапряженными ТВС путем снижения плотности теплоносителя в зазоре между ТВС и, как следствие, снижение мощности теплонапряженных ТВС;
- повышение нейтронно-физической и гидродинамической устойчивости активной зоны реактора путем установления элемента с гидравлическим сопротивлением на входе в ТВС;
- в двухходовой схеме движения теплоносителя в реакторе, когда теплоноситель поступает в опускной участок с ТВС, далее в нижнюю напорную камеру и в подъемный участок с ТВС, имеющими максимальную температуру оболочек, увеличение коэффициента рециркуляции только в теплонапряженных ТВС при увеличении их мощности и температуры теплоносителя на входе в ТВС;
- организация локального контура (контуров) естественной циркуляции теплоносителя в теплонапряженных ТВС активной зоне в аварийных режимах с прекращением принудительной циркуляции теплоносителя.
Техническим результатом изобретения является создание легководного реактора со сверхкритическими параметрами теплоносителя.
Достижение задачи изобретения и технического результата обеспечивается тем, что на входе активной зоны, перед активной частью теплонапряженных ТВС или всех ТВС, а именно - перед участком с твэлами устанавливается струйный насос. Рабочая среда в струйном насосе - теплоноситель (питательная вода), движущийся путем принудительной циркуляции из напорной камеры в сопло, и который из сопла поступает в камеру смешения с пониженным давлением за счет эффекта Бернулли. В камеру смешения за счет разности давления подается пар сверхкритических параметров с выхода ТВС, который перемещается по зазору между ТВС и поступает в камеру смешения по каналам в виде отверстий.
В камере смешения происходит перемешивание питательной воды и пара сверхкритических параметров. После камеры смешения смесь с температурой выше, чем температура питательной воды, поступает в расширяющееся сопло и на вход в активную часть ТВС. Путем применения уплотнений исключаются перетечки питательной воды в камеру смешения минуя сопло. В активной зоне с двухзаходной схемой движения теплоносителя в периферийной части активной зоны размещаются ТВС с опускным движением теплоносителя и в центральной части с подъемным движением теплоносителя размещаются ТВС с максимальной температурой оболочек твэлов. Питательная вода из напорной камеры проходит через струйный насос, который устанавливается на входе ТВС с подъемным движением теплоносителя с температурой на входе центральных ТВС, близкой к псевдокритической температуре. Интенсификация теплообмена в ТВС достигается увеличением расхода теплоносителя в ТВС путем смешивания рабочей среды и пара. Ужесточение спектра достигается поступлением в зазор между ТВС пара с выхода из ТВС. Повышение устойчивости режимов обеспечивается введением гидравлического сопротивления в виде струйного насоса на входе в активную зону.
В активной зоне с двухзаходной схемой движения теплоносителя при увеличении мощности ТВС с одновременным повышением температуры теплоносителя на входе в струйный насос повышается коэффициент рециркуляции. Таким образом, интенсифицируется теплообмен в активной зоне, ужесточается спектр нейтронов в ТВС, что приводит к локальному снижению мощности ТВС. Соответственно повышается устойчивость и надежность эксплуатационных режимов.
В аварийных режимах с разрывом трубопроводов улучшаются условия теплосъема. При разрыве выходного трубопровода увеличивается расход через теплонапряженные ТВС и расход рабочей среды через сопла. Как следствие, увеличивается расход инжектируемой среды. При разрыве входного трубопровода наличие струйных насосов снижает скорость потери теплоносителя из-за различного гидравлического сопротивления струйного насоса в прямом и обратном направлении движения рабочей среды. В режиме со снижением расхода теплоносителя в реакторе при герметичном первом контуре и при остаточном тепловыделении образуется внутренний локальный контур естественной циркуляции, когда теплоноситель с выхода ТВС по межкассетному зазору может поступать на вход ТВС.
Краткое описание чертежей
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых представлены:
Фиг.1 - Струйный насос в стакане.
Фиг.2 - Струйный насос в хвостовике ТВС.
Фиг.3 - Схема двухзаходного движения теплоносителя в реакторе.
1 - сборка тепловыделяющая (чехол); 2 - посадочное место ТВС; 3 - уплотнение; 4 - опорная плита; 5 - расширитель; 6 - опорный стакан; 7 - камера смешения; 8 - канал (каналы) для инжектирования теплоносителя; 9 - сопло; 10 - подвод «холодного» теплоносителя (питательной воды) из напорной камеры; 11 - хвостовик ТВС; 12 - канал для инжектирования теплоносителя из объема между ТВС в камеру смешения; 13 - выходной патрубок; 14 - входной патрубок с питательной водой; 15 - ТВС в подъемном участке (движение теплоносителя вверх); 16 - ТВС в опускном участке (движение теплоносителя вниз); 17 - выгородка; 18 - корпус; 19 - шахта; 20 - место размещения струйных насосов; 21 - напорная камера.
Теплоноситель из входного патрубка (14) поступает на охлаждение корпуса (18) и шахты (19), выгородки (17) и ТВС в опускном участке (16). В нижней напорной камере (21) теплоноситель перемешивается и поступает в струйные насосы (20) и ТВС центральной части - подъемный участок(15). Далее на выходе из ТВС часть теплоносителя проходит между ТВС в камеру смешения струйных насосов, а часть в выходной патрубок (13). ТВС в подъемном участке удерживаются от всплытия, например, как ТВС БН-реакторов (уплотнением хвостовика ТВС в опорном стакане).
При повышении мощности реактора увеличивается температура теплоносителя в напорной камере (21), не достигая при этом псевдокритической температуры, существенно снижается плотность теплоносителя, поступающего в сопло струйного насоса и увеличивается расход пара, поступающего в камеру смешения, и соответственно расход теплоносителя в ТВС.
В аварийном режиме с разрывом входного главного циркуляционного контура через струйный насос теплоноситель движется в обратном направлении, при этом из-за большего гидравлического сопротивления при противотоке снижается расход теплоносителя и уменьшаются потери теплоносителя в разрыв трубопровода. В режиме с потерей расхода теплоносителя организуется контур локальной естественной циркуляции в активной зоне с подводом теплоносителя в камеру смешения каждого из струйных насосов.
Осуществление изобретения
Легководный реактор со сверхкритическими параметрами теплоносителя, который содержит корпус давления (18), патрубки для подвода «холодного» и «горячего» теплоносителя (13 и 14), активную зону, напорную (21) и сливную камеры, нижнюю опорную плиту (4) с опорными стаканами (6) для установки тепловыделяющих сборок. Сборка тепловыделяющая ядерного реактора содержит чехол (1), пучок тепловыделяющих элементов, которые выполнены с оболочками из конструкционных материалов, например, из нержавеющей аустенитной стали, и топливными сердечниками из делящихся материалов, головку, хвостовик (11). В опорном стакане (6) или в хвостовике ТВС (11) устанавливается струйный насос, имеющий сопло (9), в которое поступает теплоноситель из напорной камеры, камеру смешения (7), в которой перемешиваются потоки теплоносителя: «холодного» из напорной камеры и инжектируемого «горячего» с выхода из ТВС через пространство между чехлами ТВС (1). Уплотнением (3) исключается подсос теплоносителя из напорной камеры минуя сопло (9) струйного насоса. В активной зоне с двухзаходной схемой движения теплоносителя струйные насосы размещаются на входе теплонапряженных ТВС в подъемном участке (с максимальной температурой оболочек твэлов) или всех ТВС. В однозаходной схеме струйными насосами оснащаются только теплонапряженные ТВС или все ТВС с гидропрофилированием расхода теплоносителя по ТВС.
Промышленная применимость
Наиболее целесообразно предложенное решение использовать для эксплуатации на водо-водяных ядерных энергетических реакторах с водой сверхкритического давления. Наибольший положительный эффект достигается при использовании двухзаходной схемы движения теплоносителя, в которой размещение струйных насосов на входе в ТВС в подъемном участке позволяет снизить температуру оболочек теплонапряженных твэлов - основного теплотехнического параметра, ограничивающего тепловую мощность реактора. При увеличении мощности как активной зоны в целом, так и локально в центральной части с подъемным движением теплоносителя увеличивается коэффициент рециркуляции и вследствие увеличения расхода пара в межкассетном зазоре ужесточается спектр нейтронов в подъемном участке. В связи со снижением растворимости примесей при увеличении температуры примеси выделяются в напорной камере и/или в камере смешения струйного насоса.
Литература
1. Справочник по ядерной энерготехнологии. - М: ЭАИ, 1989, стр.209-213.
2. Лапин А.В., Махин В.М. Анализ схем циркуляции теплоносителя в активной зоне легководных энергетических реакторов и предложения по активной зоне реактора ВВЭР-СКД, научно-технический сборник «Вопросы атомной науки и техники», серия: Обеспечение безопасности АЭС, вып.26, 2010, - Подольск, стр.72.