ЯДЕРНЫЙ КИПЯЩИЙ РЕАКТОР

Устройство относится к атомной технике, ядерным кипящим реакторам с естественной циркуляцией теплоносителя и решает задачу повышения мощности реактора путем увеличения движущего напора для осуществления естественной циркуляции теплоносителя и создания стабильного гидродинамического режима в активной зоне реактора.
Известен ядерный кипящий реактор, (Экспериментальное исследование гидродинамики тягового участка кипящего реактора ВК-50: Препринт /Федулин В.Н, Шмелев В.Е., и др. - НИИАР-3 (518). Димитровград, 1982, 13 с) содержащий корпус, активную зону, над ней общий тяговый участок для всех тепловыделяющих сборок (ТВС) и опускной участок циркуляционного контура, куда теплоноситель поступает через переливные окна, оборудованные в шахте. Корпус ядерного реактора снабжен крышкой.
В этом реакторе циркуляция теплоносителя через активную зону осуществляется за счет движущего напора, создаваемого разностью плотностей среды в опускном и подъемном участках. Подъемный участок состоит из активной зоны и тягового участка, в которых теплоноситель в виде пароводяной смеси с объемным паросодержанием (φ) равным 0.3÷0.8 поступает в паровое пространство. В паровом пространстве происходит сепарация пара от влаги и отделенная вода с частью захваченного пара поступает в опускной участок и далее на вход активной зоны, тем самым замыкается контур естественной циркуляции теплоносителя через активную зону.
Основным недостатком представленного устройства ядерного реактора является несовершенство гидродинамического режима тягового участка в виде общей трубы сечением, эквивалентным сечению активной зоны и захват пара в опускной участок, снижающий полезный движущий напор контура естественной циркуляции и соответственно мощность реактора.
Известен ядерный реактор, (АС №1003675 G21C 1/08) содержащий корпус, внутри которого размещена активная зона и опускной участок, причем над каждой кассетой активной зоны установлен индивидуальный тяговый участок, выполненный в виде цилиндрической трубы, причем высота труб от периферии к центру активной зоны уменьшается.
Высота труб от периферии к центру активной зоны уменьшается по линейному закону:
,
где: Н - высота индивидуальной тяговой трубы (ИТТ), м;
ТУ
Н - высота тягового участка, м;
0
ТУ
Н - (0.25÷0.35) Н, м;
R - радиус активной зоны, м;
r - расстояние от центра до рассматриваемой группы ТВС, м.
Недостатком данного устройства является то, что представленная упрощенная линейная зависимость высоты труб не учитывает влияние неравномерности распределения энерговыделения по радиусу активной зоны, которое к тому же меняется при переходе с одной топливной загрузки на другую, а также на протяжении кампании. Кроме того, отсутствуют какие-либо экспериментальные данные, которые бы позволили оценить пространственную гидродинамику системы, гидродинамическое сопротивление и эффективность такого пакета индивидуальных тяговых труб.
Известен ядерный кипящий реактор, (АС №1127445 G21C 1/08) содержащий корпус с размещенной в нем шахтой с активной зоной, в которой расположены тепловыделяющие сборки, индивидуальные тяговые трубы, установленные над каждой тепловыделяющей сборкой и высота которых составляет не менее 50% и не превышает 75% высоты тягового участка, тяговый участок, расположенный над активной зоной внутри шахты, и опускной участок, размещенный между корпусом и шахтой,
Оптимальная высота индивидуальных тяговых труб составляет 64-66% высоты тягового участка.
Недостатками данного реактора является то, что наличие индивидуальных тяговых труб над наиболее теплонапряженными ТВС может привести к снижению скорости в этих ТВС и ухудшению гидравлической стабильности работы ТВС в центральной части активной зоны, что может привести в конечном итоге к обратному эффекту - снижению мощности.
ту
Во вторых, исходя из аналогии с тяговой трубой большой высоты, утверждается, что произойдет перемещение зоны с малым паросодержанием в район переливных окон. Из исследований общего тягового участка с отношением Н/Д=1.3 известно, что вихревые обратные потоки, образующие зону пониженного паросодержания, находятся на высоте 0.45÷0.55 Н. Очевидно, что указанное соотношение изменится в области тягового участка, расположенной над индивидуальными тяговыми трубами и имеющую относительную высоту Н/Д=0.25÷0.40. Под влиянием нивелирующей составляющей сил, определяющей движение потока к переливным окнам, смешение потоков начнется сразу по выходу из индивидуальных тяговых труб и ожидаемого снижения паросодержания у переливных окон не произойдет, т к общий тяговый участок над всей активной зоной в такой конструкции сохраняется с соотношением Н/Д<1.6, что далеко от оптимального соотношения.
Техническая задача, решаемая настоящей полезной модели, заключается в создании более стабильного гидродинамического режима при работе ядерного реактора с естественной циркуляцией теплоносителя,
Поставленная задача достигается в ядерном кипящем реакторе с естественной циркуляцией теплоносителя, содержащим корпус, внутри которого размещена активная зона, опускной участок и тяговый участок, индивидуальные тяговые трубы, установленные над предпоследним рядом ТВС, с проходным сечением, равным проходному сечению ТВС активной зоны и высоту, на ¼ больше высоты паровых окон;
Индивидуальные тяговые трубы устанавливают плотно между собой и имеют «косой» срез под углом 45° в сторону паровых окон.
Установленные над предпоследним рядом ТВС индивидуальные тяговые трубы разделяют общий тяговый участок на три части в соответствии с распределением энерговыделения ТВС по радиусу активной зоны. Разделение исключает миграцию пароводяной смеси из периферии тягового участка к его центру.
Центральная часть тягового участка с равномерным паросодержанием на выходе рабочих ТВС φ=0.5÷0.6, не имея условий для миграции пара по сечению тягового участка и, соответственно, колебаний давления, способствует созданию условий оптимального движущего напора.
Индивидуальные тяговые трубы над предпоследним рядом ТВС активной зоны создают свой независимый канал движения пароводяной смеси, который способствует повышению скорости теплоносителя через ТВС. Гидравлическое сопротивление ИТТ невелико и поэтому не может быть препятствием для ТВС этого ряда, нагруженного в полтора раза меньше, чем центральные. Наоборот, повышение паросодержания с примерно φ=0.2 до φ=0.3 в ИТТ, расположенных над этим рядом, увеличивает движущий напор в соответствующих ТВС.
Третья относительно самостоятельная часть тягового участка - кольцевое пространство между ИТТ и стенкой общего тягового участка - свободно от внешних воздействий, ранее возникавших в тяговом участке над последним рядом и снижавших паросодержание над ТВС.
Предложенная конструкция обеспечивает соответствие энерговыделения и скорости циркуляции теплоносителя в ТВС во всех трех частях активной зоны, что приводит к увеличению расхода теплоносителя в контуре естественной циркуляции ядерного реактора.
Пароводяной поток с центральной части тягового участка с φ=0.6÷0.7 направляется к паровым окнам несколько выше двух других потоков и по пути за счет гравитационной сепарации отдает влагу низлежащим потокам.
С предпоследнего ряда выходит пароводяной поток также с меньшим (φ=0.3) паросодержанием при наличии косого среза на ИТТ. Этот поток направляется непосредственно в опускной участок.
Поступающая в опускной участок с расположенного в непосредственной близости от переливных окон последнего ряда ТВС пароводяная смесь имеет уменьшенное (с примерно φ=0.4 до φ=0.15÷0.20) паросодержание и, соответственно, меньший захват пара.
Таким образом, предложенное устройство тягового участка выполняет также роль дополнительного сепарационного устройства, которое не смешивает и не уравнивает паросодержание пароводяной смеси на выходе тягового участка. В результате содержание пара в потоке теплоносителя у переливных окон уменьшается с 0.4 до 0.25. Тем самым уменьшается захват и зависание пара в опускном участке и создаются условия для увеличения движущего напора за счет опускного движения более плотной среды, роста скорости естественной циркуляции теплоносителя и устойчивости реактора на частоте основного резонанса. Повышение скорости циркуляции с уменьшением паросодержания в активной зоне позволяют увеличить мощность ядерного реактора без ограничения ее по резонансной нестабильности, возникающей за счет нестабильности гидродинамического режима тягового и опускного участков контура естественной циркуляции.
На прилагаемом рисунке приведена схема предложенного ядерного реактора, где 1 - корпус реактора, 2 - активная зона, 3 - выгородка тягового участка, 4 - опускной участок, 5 - окна переливные, 6 - шахта, 7 - крышка корпуса, 8 - индивидуальные тяговые трубы.
Оценка гидродинамической стабильности выполнена для ядерной энергетической установки малой мощности на основе корпусного кипящего реактора с общим тяговым участком, с всережимной естественной циркуляцией теплоносителя для рабочего давления 5.2 МПа, кратности естественной циркуляции 10, недогрева теплоносителя на входе активной зоны до состояния насыщения 5°С, коэффициента захвата пара в опускной участок 20%, тепловая мощность реактора 200 МВт.
эфф
Расчеты показывают, что при уменьшении, например, доли захваченного пара с 20 до 19% отбор мощности из реактора увеличивается на 0.8%, недогрев теплоносителя до состояния насыщения на входе в активную зону возрастает на 0.5°С, объем пара в активной зоне снижается примерно с 57.0 до 56.5%, что приводит к увеличению реактивности системы на 0.2 β. Указанное увеличение недогрева теплоносителя на входе активной зоны эквивалентно увеличению давления на 0,04 МПа, что приводит к повышению границы устойчивости на 1%. Примерно такие же соотношения дает увеличение на 1% скорости естественной циркуляции теплоносителя через активную зону. Таким образом, предлагаемое решение улучшает все основные показатели установки.