СБОРКА БЛОКА ОТРАЖАТЕЛЯ НЕЙТРОНОВ, БОКОВОЙ ОТРАЖАТЕЛЬ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА И ЯДЕРНЫЙ РЕАКТОР
NEUTRON REFLECTOR BLOCK, NUCLEAR REACTOR SIDE REFLECTOR AND NUCLEAR REACTOR

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к ядерным реакторам. В частности, настоящее изобретение относится к боковым отражателям для высокотемпературных газоохлаждаемых ядерных реакторов. В настоящем изобретении раскрыты блок отражателя нейтронов и сборка блоков отражателя нейтронов. Кроме того, настоящее изобретение относится к боковому отражателю, содержащему сборку блоков отражателя нейтронов, а также к ядерному реактору, содержащему боковой отражатель.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В высокотемпературных газоохлаждаемых ядерных реакторах, относящихся к типу реакторов с шаровыми тепловыделяющими элементами (ТВЭЛ), структурами активной зоны являются элементы конструкции, предусмотренные вокруг активной зоны реактора и поддерживающие геометрию слоя шаровых ТВЭЛов, который образует активную зону. Структуры активной зоны обычно содержат два основных компонента, а именно керамику конструкции активной зоны и узел корзины активной зоны. Керамика конструкции активной зоны обычно содержит верхний отражатель, боковой отражатель и нижний отражатель. Эти отражатели обычно выполнены из подходящего отражающего нейтроны материала, обычно графита, и в виде блоков, уложенных в виде стопок в вертикальной конфигурации, образуя колонны. Эти колонны поддерживают в вертикальном направлении узлом корзины активной зоны, а в боковом направлении посредством ограничителей поперечного перемещения. Отражатели действуют, главным образом, для отражения нейтронов обратно в активную зону с тем, чтобы повысить активность деления в активной зоне. Если в качестве отражательного материала используют графит, отражатели действуют и как замедлители нейтронов. Настоящее изобретение относится конкретно к боковому отражателю керамики конструкции активной зоны и, в частности, к блокам отражателя нейтронов, из которых он состоит.
Графитовые блоки, используемые в качестве блоков отражателя нейтронов в высокотемпературных газоохлаждаемых ядерных реакторах, особенно в их боковых отражателях, подвержены воздействию крайне высоких температур и уровня потока быстрых нейтронов. Подверженность воздействию этих экстремальных условий заставляет графит вначале сжиматься, а затем разбухать, что приводит к возникновению в графитовых блоках отражателя неравномерных внутренних напряжений. Кроме того, в этих экстремальных условиях присущие материалу графита свойства также предрасположены к изменению. Эти дополнительные изменения присущих материалу графита свойств приводят к необычно сложному распределению внутренних напряжений графитовых блоков и непредсказуемому поведению этих блоков. В некоторых случаях внутренние напряжения, возникающие в графитовых блоках, могут превысить прочность графита и вызвать растрескивание блоков. Эти внутренние напряжения могут иногда вызвать даже нарушение конструктивной целостности блока. Таким образом, крайне важно ограничить внутренние напряжения, возникающие в блоках отражателя.
Известно, что один возможный подход к ограничению возникновения внутренних напряжений в блоках отражателя нейтронов заключается в ограничении или минимизации размера блоков, чтобы тем самым ограничить величину внутренних напряжений, создаваемых внутри этих блоков. В этом случае боковой отражатель для обычной конструкции активной зоны обычно должен содержать два или более слоев графита отражателя, причем внутренний слой должен содержать меньшие блоки, чем наружный слой. Однако, как показывает опыт заявителя, уменьшение размера блоков, подвергающихся воздействию, т.е. блоков, входящих в состав внутреннего слоя, создает другие трудности и недостатки. Один из них заключается в том, что из-за использования дополнительного слоя отражателя может увеличиться поток утечки газа через боковой отражатель, отрицательно сказываясь на тепловом КПД реактора. Еще один недостаток заключается в том, что поток тепла между слоями блоков уменьшается и приводит к снижению способности активной зоны к пассивному охлаждению. Кроме того, путь теплового потока, создаваемый боковым отражателем, прерывается из-за двухслойной конфигурации и требует обеспечения охлаждения для внутренней стороны блоков отражателя, где температуры являются максимальными, и влияние разностей температур между массой блока и каналом охлаждения является наиболее серьезным. Эти разности температур опять-таки приводят к возникновению напряжения в блоках отражателя, и, следовательно, максимально достижимая/рабочая разность температур ограничена прочностью материала. Это, в свою очередь, ограничивает максимальную разность температур между температурами охлаждающего газа на впуске и выпуске, что оказывает непосредственное влияние на эффективность всей станции.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей настоящего изобретения является создание блока отражателя, обладающего высокими свойствами в части переносимости напряжений и меньшими свойствами создания напряжений, сохранение пути теплового потока блока бокового отражателя, а также снижение напряжения, которое испытывает блок отражателя нейтронов.
Первым объектом настоящего изобретения является блок отражателя нейтронов, содержащий:
первую часть, содержащую первую торцевую поверхность и расположенные противоположно к ней промежуточные уступы, отстоящие от первой торцевой поверхности, причем первая торцевая поверхность и промежуточные уступы ограничены отстоящими друг от друга боковыми поверхностями и отстоящими друг от друга верхней и нижней поверхностями; и
вторую часть, которая выступает из первой части между промежуточными уступами и содержит отстоящие друг от друга боковые поверхности и отстоящие друг от друга верхнюю и нижнюю поверхности, причем боковые поверхности второй части отстоят друг от друга на меньшее расстояние по сравнению с боковыми поверхностями первой части, и, кроме того, вторая часть содержит вторую торцевую поверхность, расположенную противоположно первой торцевой поверхности.
Очевидно, что вторая часть, таким образом, имеет суженный в боковом направлении профиль по сравнению с первой частью.
Первая и вторая части блока отражателя могут сужаться по ширине, т.е. по межповерхностному расстоянию между его боковыми поверхностями, в направлении от первой торцевой поверхности ко второй торцевой поверхности. Ясно, что если части блока отражателя сужаются по ширине таким образом, расположение нескольких блоков отражателя одинаковой формы рядом друг с другом так, чтобы они примыкали друг к другу, обычно с соответствующими боковыми поверхностями первой и второй частей соответствующих соседних блоков отражателя, прилегающими друг к другу, и боковыми поверхностями первых частей, примыкающими друг к другу, может дать в результате образование геометрической компоновки замкнутой формы из достаточного числа блоков отражателя нейтронов. Число блоков отражателя, требуемое для образования такой компоновки замкнутой формы, естественно, обычно зависит от угла, под которым сужаются первая и вторая части блока отражателя.
По меньшей мере одна из первой и второй частей может содержать канал, проходящий через нее от ее верхней поверхности к ее нижней поверхности. Обычно этот канал или каналы могут быть предусмотрены для размещения при эксплуатации регулирующего стержня и/или пропускания по нему или ним охлаждающей жидкости. Обычно первая часть содержит канал для потока охлаждающей жидкости, а вторая часть содержит канал для регулирующего стержня, соответственно проходящий через нее.
Согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения боковые поверхности второй части могут быть плоскими. В альтернативном варианте осуществления настоящего изобретения боковые поверхности второй части могут быть криволинейными, если на блок отражателя нейтронов смотреть сверху. В этом случае боковые поверхности второй части обычно могут характеризоваться выпуклой кривизной и могут проходить глубже вовнутрь во вторую часть к промежуточным уступам, чем ко второй торцевой поверхности. Таким образом, если вторая часть содержит канал для регулирующего стержня, проходящий через нее, боковые поверхности второй части, если криволинейные, будут обычно искривлены вовнутрь частично вокруг канала для регулирующего стержня в направлении к промежуточным уступам. В некоторых случаях это может привести к тому, что промежуточные уступы будут проходить глубже во вторую часть, чем в случае плоских боковых поверхностей второй части.
Блок отражателя нейтронов предпочтительно может быть симметричным относительно плоскости, пересекающей его по продольной оси его функционально верхней или нижней поверхности. Кроме того, первая и вторая части могут характеризоваться равной толщиной, т.е. равные межповерхностные расстояния между его функционально верхней и функционально нижней поверхностями. Таким образом, функционально верхняя и функционально нижняя поверхности первой части и второй части обычно будут на одном уровне друг с другом, тем самым образуя однородные функционально верхнюю и нижнюю поверхности блока отражателя.
Блок отражателя нейтронов может быть выполнен из любого подходящего материала, отражающего нейтроны. Предпочтительно, блок отражателя нейтронов выполнен из графита.
В каждой из боковых поверхностей второй части рядом с одним из промежуточных уступов может быть выполнена выемка. Очевидно, что эти выполненные выемки обычно приведут к тому, что уступы будут глубже проходить во вторую часть, чем в случае отсутствия выемок. Выемки обычно проходят по ширине второй части, открываясь на ее верхней и нижней поверхностях.
При использовании несколько блоков отражателя нейтронов могут быть собраны рядом друг с другом для образования сборки блоков отражателя, обычно с примыканием соседних боковых поверхностей первых частей соседних блоков отражателя. Фиксирование блоков отражателя относительно друг друга в этой сборке может быть достигнуто посредством замковых блоков, причем замковые блоки выполнены такими, чтобы коплементарно располагаться в пространствах, образующихся между соседними боковыми поверхностями вторых частей соседних блоков отражателя нейтронов. В соответствующих случаях, т.е. если блоки отражателя содержат выемки, описанные выше, замковые блоки обычно могут содержать выступы, выполненные комплементарно таким образом, чтобы точно входить в эти выемки.
Вторым объектом настоящего изобретения является сборка блоков отражателя нейтронов, содержащая:
пару блоков отражателя нейтронов в соответствии с первым объектом настоящего изобретения, которые содержат выемки, выполненные в боковых поверхностях их вторых частей, как уже описывалось выше, причем блоки отражателя примыкают друг к другу бок о бок так, что соседние боковые поверхности первых частей блоков отражателя примыкают друг к другу с пространством, образующимся между соседними боковыми поверхностями вторых частей блоков отражателя нейтронов; и
замковый блок, находящийся в пространстве между соседними боковыми поверхностями вторых частей блоков отражателя нейтронов и запирающий блоки отражателя нейтронов вместе.
Замковый блок может содержать дополняющие выступы, зацепляющиеся с выемками в боковых поверхностях вторых частей блоков отражателя нейтронов. В частности, замковый блок может содержать распорную часть и крепежную часть, причем крепежная часть содержит дополняющие выступы. Распорная часть может характеризоваться формой, соответствующей форме пространства между боковыми поверхностями вторых частей блоков отражателя нейтронов, и может, таким образом, функционально заполнять это пространство. Таким образом, если боковые поверхности вторых частей являются плоскими, соответствующие боковые поверхности распорной части замкового блока также могут быть плоскими, и в этом случае профиль разделения между распорной частью и второй частью обычно будет прямым. Аналогичным образом, если боковые поверхности вторых частей являются криволинейными, боковые поверхности распорной части могут иметь дополняющую кривизну в их профиле на виде сверху, и в этом случае профиль разделения между распорной частью и второй частью будет криволинейным.
Обычно при использовании сборка может содержать несколько примыкающих расположенных бок о бок блоков отражателя нейтронов и соответствующих замковых блоков, причем блоки отражателя нейтронов расположены так, что сборка характеризуется геометрическим контуром замкнутой формы с примыканием боковой поверхности первой части первого блока отражателя нейтронов сборки и боковой поверхности первой части последнего блока отражателя нейтронов сборки друг к другу и замковыми блоками, соединяющими друг с другом соседние блоки отражателя нейтронов. Предполагается, что сборка будет обычно характеризоваться равноугольным многоугольным или кольцевым равноугольным контуром. Ясно, что в зависимости от ее конфигурации сборка может обычно содержать число крепежных вставок, равное числу блоков отражателя, используемых в сборке. Согласно одному предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения сборка характеризуется практически кольцевым профилем, не обязательно круглым в контуре, так что при использовании сборка может быть расположена вокруг активной зоны реактора обычно как часть кольцевого бокового отражателя для ядерного реактора.
Очевидно, что блоки отражателя и крепежные вставки сборки соответственно не обязательно должны быть идентичными. Предполагается, что вторые части некоторых блоков отражателя в сборке могут выступать дальше от промежуточной поверхности, т.е. функционально вовнутрь, чем другие блоки отражателя в сборке и, кроме того, что отдельные блоки отражателя могут содержать вторые торцевые поверхности другого размера. В этом случае сборка отражателя обычно может иметь так называемую шахматную конфигурацию, в которой некоторые блоки отражателя выступают дальше вовнутрь, чем другие. Это может касаться и распорных частей замковых блоков. Следовательно, функционально внутренняя поверхность сборки может быть неоднородной. Предполагается, однако, что первые части блоков отражателя, используемых в реакторе, по размеру и форме будут практически идентичными для того, чтобы образовать однородную функционально наружную поверхность сборки блоков отражателя. Может отличаться и диаметр каналов для регулирующих стержней, обычно предусматриваемых во вторых частях блоков.
Настоящее изобретение относится также к боковому отражателю для ядерного реактора, причем боковой отражатель содержит по меньшей мере одну сборку блоков отражателя нейтронов в соответствии со вторым объектом изобретения.
Настоящее изобретение относится также к ядерному реактору, содержащему боковой отражатель, содержащий по меньшей мере одну сборку блоков отражателя нейтронов в соответствии со вторым объектом настоящего изобретения. Ядерный реактор может представлять собой высокотемпературный газоохлаждаемый ядерный реактор, относящий обычно к типу реакторов с шаровыми ТВЭЛами.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Далее настоящее изобретение описано исключительно в иллюстративных целях со ссылками на прилагаемые чертежи. На чертежах представлено:
На Фиг.1 представлен вид в перспективе блока отражателя нейтронов согласно настоящему изобретению;
На Фиг.2 представлен вид в перспективе замкового блока для использования в сборке блоков отражателя нейтронов, содержащем несколько блоков отражателя нейтронов, показанных на Фиг.1;
На Фиг.3 представлен вид в перспективе блока отражателя, показанного на Фиг.1, и замкового блока, показанного на Фиг.2, в комплементарно зацепленной конфигурации; и
На Фиг.4 представлен вид в перспективе сборки блока отражателя согласно настоящему изобретению.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На чертежах, в частности на Фиг.1, позицией 10 в целом обозначен блок отражателя в соответствии с настоящим изобретением. Блок 10 выполнен из графита.
Блок 10 содержит первую часть 12, содержащую первую торцевую поверхность 14 и расположенные с противоположной стороны промежуточные уступы 16А, 16В, находящиеся на расстоянии от первой торцевой поверхности 14.
Блок 10 дополнительно содержит вторую часть 18, ограничивающую вторую торцевую поверхность 20, расположенную противоположно первой торцевой поверхности 14. Вторая часть 18 выступает из первой части 12 из зоны между промежуточными уступами 16А, 16В.
Первая торцевая поверхность 14 и промежуточные уступы 16А, 16В ограничены отстоящими друг от друга боковыми поверхностями 22А, 22В первой части и отстоящими друг от друга верхней и нижней поверхностями 24А, 24В первой части. Аналогичным образом, вторая торцевая поверхность 20 и промежуточные уступы 16А, 16В ограничены боковыми поверхностями 26А, 26В второй части и функционально верхней и нижней поверхностями 28А, 28В второй части. Очевидно, что верхние поверхности 24А, 28А и нижние поверхности 24В, 28В, соответственно, находятся на одном уровне друг с другом, тем самым образуя непрерывные верхнюю и нижнюю поверхности блока 10 отражателя нейтронов.
Боковые поверхности 26А, 26В второй части отстоят друг от друга на меньшее расстояние по сравнению с боковыми поверхностями 22А, 22В первой части, за счет чего вторая часть 18 имеет более узкий боковой профиль, чем первая часть 12.
Каждый из промежуточных уступов 16А, 16В содержит выемку 29А, 29В, выполненную рядом с ним на границе раздела 27 между первой и второй частями 12, 18. Выемки 29А, 29В выступают во вторую часть 18 и проходят через ее верхнюю и нижнюю поверхности 28А, 28В.
Блок 10 отражателя нейтронов и, в частности, его первая и вторая части 12, 18, соответственно, сужается по ширине от первой торцевой поверхности 14 ко второй торцевой поверхности 20.
Первая часть 12 содержит канал 25 для охлаждающей жидкости, проходящий насквозь от ее верхней поверхности 24А до ее нижней поверхности 24В. Вторая часть 18 содержит канал 23 регулирующего стержня, проходящий от ее верхней поверхности 28А насквозь до ее нижней поверхности 28В. Канал 23 может в некоторых случаях также выполнять функцию канала для резервной системы остановки реактора.
Очевидно, что блок 10 отражателя нейтронов симметричен относительно плоскости, пересекающей блок 10 по продольной оси А-А его верхней поверхности.
На Фиг.2 позицией 30 в целом обозначена крепежная вставка или замковый блок для фиксации по меньшей мере двух блоков 10 отражателя, показанных на Фиг.1, относительно друг друга.
Крепежная вставка 30 содержит распорную часть 32 и крепежную часть 34, причем крепежная часть 34 содержит две выступающие вбок фланцевых части 34А, 34В.
Фланцевые части 34А, 34В имеют форму, дополняющую форму выемок 29А, 29В, выполненных в блоке 10 отражателя, показанного на Фиг.1, и, следовательно, могут комплементарно входить в соответствующие выемки, как более наглядно показано на Фиг.3 и 4.
Распорная часть 32 вставки 30 по форме и размерам соответствует пространству, образуемому между соседними боковыми поверхностями 26А/26В вторых частей 18 соседних блоков 10 отражателя. Таким образом, как более наглядно показано на Фиг.4, одна боковая поверхность 36А распорной части конкретной крепежной вставки 30А и боковая поверхность 26А одного блока 10А отражателя нейтронов при использовании примыкают друг к другу, а другая боковая поверхность 36В распорной части 32 вставки 30А примыкает к боковой поверхности 26В другого блока 10В отражателя нейтронов, расположенного рядом с блоком 10А отражателя нейтронов. Таким образом, фланцевые части 34А, 34В при использовании входят в выемки 29А, 29В соответствующих расположенных рядом блоков 10А, 10В отражателя нейтронов, соответственно, тем самым скрепляя блоки 10А, 10В отражателя нейтронов вместе.
Вставка 30 дополнительно содержит функционально внутреннюю торцевую поверхность 38.
На Фиг.3 представлен блок 10, показанный на Фиг.1, и вставка 30, показанная на Фиг.2, в соединенном или собранном состоянии с одной боковой поверхностью 36В вставки 30, примыкающей к одной боковой поверхности 26В блока 10 отражателя нейтронов. Одна фланцевая часть 34В вставки 30 входит в одну выемку 29В блока 10 отражателя нейтронов. Очевидно, что профиль разделения 31 между боковой поверхностью 36В вставки 30 и боковой поверхностью 26В блока 10 является прямым, поскольку примыкающие боковые поверхности 26В, 36В обе являются плоскими. В соответствии с настоящим изобретением, если бы боковые поверхности 26А, 26В были криволинейными, то боковые поверхности 36А, 36В также были бы криволинейными с кривизной, соответствующей кривизне боковых поверхностей 26А, 26В, соответственно, причем профиль разделения 31 также бы был криволинейным.
На Фиг.4 позицией 40 в целом показана сборка блоков бокового отражателя в соответствии с настоящим изобретением. Сборка 40 блоков бокового отражателя предназначена для включения в боковой отражатель высокотемпературного газоохлаждаемого ядерного реактора и обычно используется в собранной стопкой конфигурации с другими подобными сборками блоков бокового отражателя, образующими боковой отражатель.
Сборка 40 содержит несколько блоков 10 отражателя, показанного на Фиг.1, зафиксированных относительно друг друга посредством нескольких замковых блоков или крепежных вставок 30, показанных на Фиг.2. Следует отметить, что в сборку включены равные количества блоков 10 и вставок 30.
Как уже отмечалось, предполагается, что блоки 10 отражателя нейтронов, в частности их вторые части 18, могут отличаться по размеру и форме в отличие от представленного варианта осуществления, в котором все блоки 10 и вставки 30, соответственно, идентичны.
Блоки 10 расположены рядом друг с другом, причем соответствующие боковые поверхности 24А, 24В первых частей 12 соседних блоков 10 отражателя соединены между собой или примыкают друг к другу на одной линии.
Крепежные вставки 30 предусмотрены в пространствах, образованных между вторыми частями 18 соседних блоков 10 отражателя нейтронов, причем фланцевые части 34А, 34В каждой крепежной вставки 30 входят в соответствующие выемки 29А, 29В соседних блоков 10 отражателя.
Очевидно, что сборка 40 представляет собой геометрическую компоновку замкнутой формы, в частности равноугольный многоугольник, стороны которого образованы, на внутренней поверхности 52 сборки, вторыми торцевыми поверхностями 20 вторых частей 18 блоков 10 и функционально внутренними торцевыми поверхностями вставок 30 и, на наружной поверхности 54 сборки, первыми торцевыми поверхностями 14 блоков 10 отражателя нейтронов.
Очевидно, что при выполнении блока отражателя содержащим первую и вторую части, как описано выше, и при сужении второй части относительно первой части, как также описано выше, боковой блок отражателя содержит меньшую функционально внутреннюю часть или часть падения нейтронов и большую функционально наружную часть, соединенные между собой. Таким образом, количество графита в части падения нейтронов, где нейтронный поток является наибольшим, уменьшено. Особым преимуществом настоящего изобретения, как описано, является то, что за счет такой конфигурации внутренние напряжения в части падения нейтронов снижены за счет меньшего размера части падения без прерывания пути теплового потока, проходящего по первой и второй частям. Таким образом, блок отражателя нейтронов в соответствии с настоящим изобретением и, соответственно, предлагаемая сборка блока отражателя нейтронов обладают свойствами создания меньших внутренних напряжений и большими свойствами теплопередачи по сравнению с двухслойными конфигурациями бокового отражателя, описанными выше. Таким образом, свойства создания внутренних напряжений блока отражателя уменьшены без ухудшения способности теплопередачи, присущей блоку отражателя нейтронов.
Кроме того, особым преимуществом настоящего изобретения, как описано, является то, что блок отражателя нейтронов и замковый блок или крепежная вставка согласно настоящему изобретению могут быть выполнены такими, чтобы сбалансировать их свойства создания внутренних напряжений или минимизировать эти свойства.
Свойства создания меньших внутренних напряжений и обеспечиваемые в результате этого меньшие напряжения в блоке отражателя и сборке блоков отражателя согласно настоящему изобретению приводят к повышению надежности при эксплуатации ядерного реактора, в котором они используются.
Ожидается, что блок отражателя в соответствии с настоящим изобретением будет обладать большим сроком службы по сравнению с существующими блоками отражателя.
Кроме того, особым преимуществом настоящего изобретения является то, что если боковые поверхности второй части блока отражателя являются криволинейными, а соответствующие боковые поверхности соответствующей крепежной вставки или замкового блока являются комплементарно криволинейными, помещение указанных поверхностей вплотную друг к другу создаст криволинейный профиль разделения между второй частью блока отражателя и распорной частью замкового блока, что уменьшит поток нейтронов в разделении по сравнению с потоком, который может иметь место, если профиль разделения является прямой линией. Кроме того, ожидается, что криволинейный профиль разделения уменьшит поток утечки газа между двумя соседними блоками.
Удлинение вторых поверхностей чередующихся блоков для создания шахматной конфигурации, вероятно, также приведет к разрушению упаковки шаровых ТВЭЛов, тем самым уменьшая плотность упаковки топлива. Меньшая плотность упаковки, возможно, уменьшит максимальное контактное усилие, прикладываемое к топливу и испытываемое им, а также возможно уменьшит сопротивление потоку слоя шаровых ТВЭЛов.