ЯДЕРНЫЙ РЕАКТОР С АВТОНОМНОЙ АКТИВНОЙ ЗОНОЙ
NUCLEAR REACTOR WITH AUTONOMOUS CORE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к ядерному реактору, в частности, ядерному реактору, который сформирован множеством тепловыделяющих элементов и отличается новой концепцией опорной системы.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В настоящее время ядерные реакторы содержат активную зону, расположенную в нижней части главного корпуса реактора, погруженную в первичную текучую среду и сформированную тепловыделяющими элементами, поддерживаемыми опорной решеткой.
Реакторы, в которых используются известные решения, обладают различными недостатками.
Опорная решетка активной зоны обычно прикреплена к нижней части корпуса реактора, ее проблематично осмотреть, а заменить трудно или невозможно; таким образом, необходимо ограничить повреждения, вызываемые потоком нейтронов. С этой целью каждый тепловыделяющий элемент проходит по длине под активной частью, чтобы уменьшить повреждения опорной решетки.
В частности, в случае использования тяжелых жидких металлов в качестве первичного охладителя возникает существенный эффект всплывания, требующий сложного прикрепления тепловыделяющих элементов к их опорной решетке и/или балансировки с использованием материалов высокой плотности, например вольфрама.
В патентной заявке MI2008A000766 данную проблему пытаются решить применением опорной конструкции не на нижнем конце, а на верхнем конце тепловыделяющего элемента, что приводит к конструкции с балками, проходящими через отверстия, выполненные в содержащей реактор оболочке, на которую они опираются, и в которой каждая балка опорной конструкции поддерживает ряд тепловыделяющих элементов, проходя через них в прорезь, расположенную под головкой элемента.
Это решение имеет то ограничение, что оно может использоваться только для размещения тепловыделяющих элементов в форме квадрата, и имеет различные недостатки, обусловленные тем, что отверстия проходят через первичный ограничительный барьер, а также необходимостью в двух группах скользящих балок, обеспечивающих отсоединение подлежащего замене тепловыделяющего элемента, при этом указанные группы балок громоздки и потенциально мешают другим конструкциям, расположенным в верхней части реактора.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Одной из технических проблем настоящего изобретения является создание ядерного реактора, устраняющего перечисленные недостатки известных из уровня техники решений, и имеющего дополнительные преимущества в отношении конструкции и безопасности.
Таким образом, настоящее изобретение относится к ядерному реактору, раскрытому в п. 1 прилагаемой формулы изобретения, а его дополнительные признаки и варианты осуществления раскрыты в зависимых пунктах формулы изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Настоящее изобретение описано с помощью нижеследующего неограничивающего варианта осуществления со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
- фиг. 1 представляет собой схематический общий вид в продольном сечении ядерного реактора согласно изобретению;
- фиг. 2 представляет собой увеличенный схематический вид в продольном сечении опорной системы тепловыделяющих элементов с фиг. 1;
- фиг. 3 представляет собой схематический вид сверху опорной системы тепловыделяющих элементов с фиг. 2;
- фиг. 4 представляет собой вид сверху опорной системы тепловыделяющих элементов с фиг. 2, на котором показан тепловыделяющий элемент, отцепленный для его замены;
- фиг. 5 представляет собой схематический общий вид в продольном сечении варианта осуществления ядерного реактора с опорной системой для тепловыделяющих элементов согласно изобретению;
- фиг. 6 представляет собой вид сверху опорной системы тепловыделяющих элементов с фиг. 5;
- фиг. 7 представляет собой увеличенный вид, не в масштабе и в продольном сечении, фрагментов тепловыделяющего элемента, иллюстрирующий, в частности, устройства радиального расширения и активную часть активной зоны с фиг. 1; и
- фиг. 8а и 8b иллюстрируют схематический вид в поперечном сечении по линии I-I тепловыделяющих элементов с фиг. 1, со смежными или, соответственно, отдельными активными частями тепловыделяющих элементов.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На фиг. 1, иллюстрирующей, в частности, ядерный реактор 1, охлаждаемый жидким металлом или расплавом солей, ядерный реактор 1 содержит корпус 2, имеющий по существу форму чаши или ванны, и закрывающую конструкцию 3, размещенную над корпусом 2; корпус 2 содержит активную зону 4 и гидравлическую разделительную конструкцию 5, разделяющую горячий коллектор 6 и холодный коллектор 7, в которых циркулирует первичная охлаждающая жидкость F активной зоны 4. Первичная жидкость F имеет свободную поверхность, которая при нормальной работе реактора 1 находится на различных уровнях H1 и Н2 в коллекторах 6 и 7. В корпусе 2 размещены циркуляционные насосы 8 для первичной жидкости F, теплообменники 9, через которые проходит первичный теплоноситель F, и которые передают энергию, которая генерируется в активной зоне 4, вторичному теплоносителю, а также другие известные компоненты, которые не изображены.
Гидравлическая разделительная конструкция 5 предпочтительно имеет форму амфоры согласно решению, известному из патентной заявки GE2015A0000330, и находится на расстоянии от закрывающей конструкции 3 корпуса 2.
На фиг. 2 и фиг. 3 крепежная конструкция 11 для тепловыделяющих элементов 12 вставлена внутрь верхней части 10 гидравлической разделительной конструкции 5.
Тепловыделяющие элементы 12 проходят вдоль соответствующих продольных и параллельных осей (А) и имеют соответствующие активные части 13 и соответствующие вспомогательные части 14, содержащие ножку 15 и головку 16 в нижней и, соответственно, верхней части, а также передаточный вал 17 между активной частью 13 и головкой 16.
Вал 17 обладает определенной механической гибкостью и вставлен своим верхним участком 18 в полый цилиндрический объем внутри головки 16 тепловыделяющего элемента 4. Данный верхний участок 18 механически соединен с головкой 16 с помощью сферического соединительного элемента 19, расположенного на его верхнем конце и не описанного подробно, поскольку он известен из уровня техники.
Ножки 15 тепловыделяющих элементов 12 находятся в контакте друг с другом и вместе формируют пучок, удерживаемый в радиальном направлении внутренним краем 20 отверстия 21 на нижней части гидравлической разделительной конструкции 5.
В головке 16 тепловыделяющего элемента 12 размещены опорные устройства 22, в частности, два вертикальных опорных устройства 23 вблизи двух противоположных углов шестигранного сечения головки 16, а также два горизонтальных опорных устройства 24 вблизи двух других противоположных углов головки 16.
Вертикальные опорные устройства 23 сформированы по существу цилиндрической основной частью 25, нижний конец которой соединен посредством штифта 26 с вертикально запирающим полым цилиндрическим элементом 27. Основная часть 25 опорного элемента заканчивается сверху шестигранной головкой 28 и содержит задвижку 29.
Вертикальные опорные устройства 23 могут вращаться примерно на 90° вокруг своей оси В, и перемещаться в закрытое положение 30, в котором их выступающая часть в горизонтальной плоскости полностью находится внутри выступающей части 31 головки 16 тепловыделяющего элемента 12, или в открытое положение 32, которое проиллюстрировано другими вертикальными опорными устройствами 23 с фиг. 2, и в котором задвижка 29 выступает из выступающей части 31 головки 16 тепловыделяющего элемента 12, к которому она принадлежит, причем ее кончик 33 находится над смежным тепловыделяющим элементом 12 или, что касается периферийных устройств периферийных тепловыделяющих элементов 12 активной зоны, сцепляется с прорезью 34, выполненной в крепежной конструкции 11 тепловыделяющих элементов 12. Вертикальные опорные устройства 23, принадлежащие тепловыделяющему элементу 12 в открытом положении 32, предотвращают движение вниз тепловыделяющего элемента 12, который, когда указанные задвижки 29 открыты, опирается на смежные тепловыделяющие элементы 12. Вертикальные опорные устройства 23, выступающие из смежных тепловыделяющих элементов 12 над данным тепловыделяющим элементом 12, предотвращают движение вверх данного тепловыделяющего элемента 12.
Когда все опорные устройства 23 находятся в открытом положении, активная зона 4 представляет собой единый блок, в котором ни один из тепловыделяющих элементов 12 не может двигаться вверх или вниз относительно других. Кроме того, вертикальные опорные устройства 23, находящиеся на периферии активной зоны и в открытом положении, и сцепленные с прорезями 34 в крепежной конструкции 11 тепловыделяющих элементов 12, предотвращают вертикальное перемещение всей активной зоны 4.
Горизонтальные опорные устройства 24 также имеют по существу цилиндрическую форму, отличаются наличием по меньшей мере двух кулачков 35 и могут поворачиваться более чем на 90° вокруг своей оси С из закрытого положения 36, в котором их выступающая часть в горизонтальной плоскости полностью находится внутри выступающей части 31 головки 16 тепловыделяющего элемента 12, в открытое положение 37, которое проиллюстрировано другими горизонтальными опорными устройствами 24 с фиг.3, и в котором кулачок 35 выступает из указанной выступающей части 31, причем крайний кончик 38 проходит в зазор 39 между головками 16 тепловыделяющих элементов 12 до вхождения в контакт с двумя головками 16, в частности, в контакт с одной из их граней 40 или, что касается периферийных тепловыделяющих элементов 12, в контакт с крепежной конструкцией 11 тепловыделяющих элементов 12.
Вертикальные опорные устройства 23 выполняют описанную выше функцию удерживания тепловыделяющих элементов в вертикальном направлении, а горизонтальные опорные устройства 24 выполняют в целом функцию удерживания головок 16 тепловыделяющих элементов в радиальном направлении, когда между ними имеется зазор 39.
Когда все опорные устройства 22 находятся в открытом положении, активная зона представляет собой единый блок, прикрепленный вертикально и радиально к крепежной конструкции 11.
Со ссылкой на фиг. 4, извлечение стандартного внутреннего тепловыделяющего элемента 41 активной зоны может быть осуществлено: (i) после закрывания двух вертикальных опорных устройств 42а и 42b, принадлежащих смежным тепловыделяющим элементам, (ii) после закрывания двух горизонтальных опорных устройств 43а и 43b, принадлежащим рассматриваемому тепловыделяющему элементу 41, и (iii) после закрывания четырех опорных устройств 44а, 44b, 44с и 44d, принадлежащих четырем смежным элементам.
Извлечение стандартного внешнего тепловыделяющего элемента 45 активной зоны может быть осуществлено: (i) после закрывания вертикального опорного устройства 46, принадлежащего смежному элементу, (ii) после закрывания его собственного вертикального опорного устройства 47, сцепленного с прорезью 34, выполненной в опорной конструкции 11 тепловыделяющих элементов 12, (iii) после закрывания двух горизонтальных опорных устройств 48а и 48b, принадлежащих рассматриваемому тепловыделяющему элементу 45, и (iv) после закрывания двух горизонтальных опорных устройств 49а и 49b, принадлежащих двух смежным элементам.
Пределы вращения для закрывания и открывания горизонтальных опорных устройств 24 могут быть определены формой прорезей 34, вмещающих задвижки на головке 16 элементов 12.
Открывание и закрывание опорных устройств 22 может быть осуществлено путем воздействия на шестигранную головку 28 с помощью зажимов машины для транспортировки топлива или с помощью специально предусмотренного устройства или удаленного манипулятора, здесь не изображенных, поскольку они известны из уровня техники.
По аналогичной процедуре извлечения и введения также можно выполнить поворот тепловыделяющего элемента на 180°. Это предусмотрено для поддерживания тепловыделяющего элемента, но может быть удобным и для других компонентов, вставленных в активную зону, например, контролирующих стержней.
В вариантах осуществления с фиг. 5 и 6, где фиг.5 главным образом иллюстрирует реактор водного охлаждения, на которых элементы с аналогичными функциями обозначены теми же номерами позиций, что и элементы на фиг. 1-4, менее строгие требования позволяют упростить опорную систему тепловыделяющих элементов 12; в частности, тепловыделяющие элементы 12 могут иметь квадратное сечение и менее строгий контроль зазоров, при этом нет особых требований к определенной гибкости тепловыделяющих элементов 12 для восстановления после деформации или относительного расширения.
Опора для тепловыделяющих элементов 12 может быть реализована с использованием всего лишь двух вертикальных опорных устройств 23 для каждого тепловыделяющего элемента 12, которые предпочтительно размещены вблизи центральной линии двух противоположных сторон 53 головки 16; опорная конструкция 11 также может выполнять функцию гидравлического разделения между горячим коллектором 6 и холодным коллектором 7.
Замену стандартного тепловыделяющего элемента 41 внутри активной зоны выполняют после закрывания двух вертикальных опорных устройств 54а и, соответственно, 54b, принадлежащих смежным элементам 12. Замену стандартного тепловыделяющего элемента 55, расположенного на периферии активной зоны, выполняют: (i) после закрывания вертикального опорного устройства 56, принадлежащего смежному тепловыделяющему элементу 12, и (ii) после закрывания его собственного вертикального опорного устройства 57, сцепленного с прорезью 34, выполненной в опорной конструкции 11 тепловыделяющих элементов 12.
Со ссылкой на фиг. 1, 7, 8а и 8b, для вала 17 тепловыделяющих элементов 12 применяются расширители 57, характеризующиеся повышенной способностью к радиальному расширению с температурой, и вариант осуществления которых показан на фиг. 7.
Каждый вал 17 снабжен шестью расширителями 57, каждый из которых проходит перпендикулярно соответствующей грани 58 тепловыделяющего элемента 12. Каждый расширитель 57, который для повышения конструктивных показателей симметричен относительно плоскости а центральной линии, перпендикулярной валу 17, образован множеством имеющих Z-образное сечение элементов 59 с низким тепловым расширением, чередующихся с элементами 60 с высоким тепловым расширением, имеющими форму параллелепипедов.
U-образный закрывающий элемент 61 также выполнен из материала с высоким коэффициентом теплового расширения, причем два болта 63 удерживают в осевом направлении элементы, образующие расширитель 57, и предотвращают отсоединение.
Вал 17 снабжен радиальным удлинением 64, с которым сцепляется радиальный кончик 65 наиболее углубленного элемента 59, с которым на внутреннем радиальном конце сцепляется элемент 60, с которым на наружном радиальном конце в свою очередь сцепляется второй элемент 59 и т.д.
При повышении температуры элементы 60 расширяются больше, чем структурно смежный элемент 59, расположенный ближе к плоскости симметрии, что повышает дифференциальное радиальное смещение радиальных кончиков элементов 60, накапливающееся для каждой пары элементов 59 и 60, приводя к радиальному смещению 8.
Болты 63 точно сцепляются с закрывающим элементом 61, в то время как для обеспечения радиального расширения расширителя 57 они сцепляются с другими элементами 59 и 60 и с радиальным удлинением 64 с постепенным увеличением люфта при приближении к плоскости симметрии а.
Упругий элемент 66, вставленный в прорезь радиального удлинения 64 и воздействующий на болт 63, обеспечивает радиальное повторное сжатие расширителя 57 при снижении температуры. Расширители установлены так, чтобы их выступающая часть оставалась внутри горизонтальной выступающей части пространства, занятой головкой 16 тепловыделяющих элементов 12, когда они холодные, и чтобы она выступала из указанной выступающей части только при высокой температуре, когда они выполняют свою функцию.
Головки 16 тепловыделяющих элементов 12 практически изотермичны опорной конструкции 11, поскольку они погружены в тот же защитный газ 50 реактора выше уровня H1 первичного охладителя F и, следовательно, всегда жестко удерживаются в положении. Ножки 15 тепловыделяющих элементов имеют температуру холодного коллектора 7 и ту же температуру, что и температура внутреннего края 20 отверстия 21 гидравлической разделительной конструкции 5, и могут, следовательно, быть установлены с малыми допусками. Тепловыделяющий элемент удерживается в осевом и радиальном направлении сверху и может свободно термически расширяться вниз. С повышением энергии тепловыделяющий элемент расширяется в радиальном направлении больше у решетки 51, чем у ножки 15. Это относительное расширение накапливается от центра к внешней части активной зоны и обеспечивается с помощью: (i) поворота ножки 15 вокруг ее радиального ограничения, образованного точкой контакта 67 с ножками смежных элементов и/или с внутренним ободком 20 отверстия 21, (ii) поворота вала 17 тепловыделяющего элемента 12 относительно головки 16 с помощью сферического соединительного элемента 19, и (iii) прогиба вала 17. Данное относительное расширение может быть усилено до заданной величины 5 для активации расширителей 57.
Действию расширителей 57 противодействуют упругие элементы, возвращающие активную зону в компактную конфигурацию, когда при охлаждении действие расширителей 57 заканчивается. В проиллюстрированном примере упругий элемент сформирован валом 17 тепловыделяющего элемента 12; в случае жесткого тепловыделяющего элемента радиальный упругий элемент может быть сформирован опорной конструкцией 11 или не изображенными упругими возвращающими элементами, расположенными между головками 16 тепловыделяющих элементов 12.
Вал 17 является полым, имеет по существу трубчатую форму и гидравлически соединен с трубчатой конструкцией 68, проходящей по центру по всей активной части 13 тепловыделяющих элементов 12.
Трубчатая конструкция 68 характеризуется множеством небольших отверстий 70, расположенных по длине, в соответствии с активной частью 13 тепловыделяющего элемента. Трубчатая конструкция 68 удобно закрывается в нижней части посредством резьбового соединения с заглушкой 71, которая вместе с уступом 72, выполненным на трубчатой конструкции 68, формирует запирающую систему нижней решетки 73 тепловыделяющего элемента 12. При использовании гидравлически уплотненного соединения между зажимами машины для замены топлива, известных из уровня техники, и головки 16 тепловыделяющего элемента 12 можно обеспечить введение охлаждающего газа через отверстия 70 трубчатой конструкции 68 внутрь активной части 13 между топливными стержнями 52 во время операции замены топлива.
Следующие преимущества настоящего изобретения вытекают из приведенного выше описания.
Исключается опорная решетка активной зоны, или, если она сохраняется для радиального позиционирования тепловыделяющих элементов, она теряет свою значимость для обеспечения безопасности.
Опорные устройства 22 являются составной частью тепловыделяющего элемента 12 и заменяются при каждой замене топлива вместе с тепловыделяющим элементом 12, которому они принадлежат.
В случае тепловыделяющих элементов 12, значительно выступающих за пределы активной части 13, опорные устройства 22 не подвергаются значительному повреждению нейтронами и не подвергаются значительному термическому повреждению, поскольку они расположены в зоне газа.
Горизонтальные опорные устройства 24 обеспечивают установку тепловыделяющих элементов 12 без люфта, что особенно важно в быстрых реакторах, и обеспечивают горизонтальное отсоединение головок 16 во время замены топлива с освобождением зазоров 39 так, что можно легко извлечь тепловыделяющие элементы 12 даже в случае деформации активной части 13 и/или увеличения размеров в результате облучения электронами.
Отсутствие балок или решеток, нависающих над активной зоной 4, облегчает замену топлива и размещение контрольных кабелей для активной зоны 4.
При установке верхней решетки 51 топливных стержней 52 и головки 16 без люфта на уровне ножки 15 устраняются риски вибрации в тепловыделяющих элементах 12 и связанные с ней эффекты колебаний реактивности в активной зоне, которые имеют место в быстрых реакторах.
Когда устройства 22 принимают участие в замене тепловыделяющих элементов, они управляются легкодоступными механизмами.
Сейсмическое воздействие на головку 16 тепловыделяющего элемента распространяется на опорную конструкцию 11, а от нее - на закрывающую конструкцию 3, не оказывая никакого воздействия на остальную часть тепловыделяющего элемента.
Возможность расширения активной области активной зоны обеспечивает отрицательную реактивность во время термических скачков.
Введение расширителей 57, которые при превышении температурой на выходе активной зоны заданного контрольного значения усиливают радиальное растяжение активной зоны, и связанное с этим обратное воздействие на отрицательную реактивность обеспечивают безопасность конструкции активной зоны.
Система введения охлаждающего газа по всему осевому профилю активной части 13 тепловыделяющего элемента охлаждает активную часть 13 даже в гипотетической ситуации, когда тепловыделяющий элемент заблокирован в положении лишь частичного извлечения из первичной охлаждающей жидкости во время операции замены; в этом случае активная часть 13, выступившая из охлаждающей жидкости F, охлаждается газом, выходящим из выступивших отверстий 70 и покидающим тепловыделяющий элемент через отверстия в верхней решетке 51.
Введение охлаждающего газа внутрь активной части 13 способствует охлаждению внутренних топливных стержней, которые, в отличие от внешних, не могут эффективно охлаждаться по причине излучения, направленного наружу из активной части 13.
Реактор согласно настоящему изобретению может иметь различные модификации и варианты осуществления, не выходящие за рамки объема правовой охраны, определенного в прилагаемой формуле изобретения; в частности, в зависимости от конструкции, количество, форма, положение и функционирование устройств 22 могут быть изменены, устройства могут сцепляться сверху, или на гранях, или в прорезях головок 16 смежных тепловыделяющих элементов 12.