БЛОК БОКОВОГО ОТРАЖАТЕЛЯ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА НА БЫСТРЫХ НЕЙТРОНАХ С ТЯЖЕЛЫМ ЖИДКОМЕТАЛЛИЧЕСКИМ ТЕПЛОНОСИТЕЛЕМ
UNIT OF SIDE REFLECTOR OF HEAVY LIQUID METAL COOLANT FAST-NEUTRON NUCLEAR REACTOR

Изобретение относится к области атомной техники и может использоваться в ядерных реакторах на быстрых нейтронах с тяжелым жидкометаллическим теплоносителем.
Наиболее близким аналогом изобретения является блок бокового отражателя ядерного реактора на быстрых нейтронах с тяжелым жидкометаллическим теплоносителем по проекту БРЕСТ-ОД-300, изготовленный из стали марки 16Х12МВСФБР-Ш, снабженный внутренней проточной полостью, выход из которой расположен в верхнем торце блока [Годовой отчет НИКИЭТ-2013: Сб. статей. М.: ОАО « НИКИЭТ», 2013, стр. 21, 28-29]. Столб свинцового теплоносителя, находящийся во внутренней полости, выполняет функцию отражателя нейтронов вместе со стальными элементами конструкции блока, а отвод выделяющегося в блоке тепла происходит за счет циркуляции теплоносителя через полость.
Известное техническое решение имеет ряд недостатков. В диапазоне рабочих температур, соответствующем нормальной эксплуатации блоков, проявляются эффекты ускоренного радиационного распухания элементов конструкции блоков, требующие их частой замены, что, в свою очередь, сказывается на технико-экономических показателях работы реактора. Кроме того, при нижнем подводе теплоносителя в блоки и значительной разнице давлений между входом и выходом во внутренней полости существенны гидравлические потери.
Задачей изобретения является улучшение технико-экономических показателей работы блока бокового отражателя.
Технический результат изобретения состоит в том, что, с одной стороны, температура элементов конструкции оказывается в области меньшего радиационного повреждения, что увеличивает их сроки эксплуатации, и, с другой стороны, снижаются гидравлические потери в блоке.
Снижение гидравлических потерь достигается вследствие того, что циркуляция в проточной полости блока отражателя реализуется при меньших скоростях теплоносителя.
Результат изобретения, связанный с оптимизацией рабочей температуры элементов конструкции блоков, обусловлен предварительным нагревом теплоносителя перед входом в блок отражателя. Как было экспериментально установлено, при энергетическом спектре нейтронов и диапазоне рабочих температур, характерных для рассматриваемого типа реакторов, справедлива обратная зависимость радиационного распухания материала отражателя (стали марки 16Х12МВСФБР-Ш) от температуры. Повышенная температура теплоносителя в блоке отражателя по сравнению с известным решением смещает рабочие температуры конструкции в зону их меньшего радиационного распухания, то есть является фактором, увеличивающим ресурс эксплуатации блока в активной зоне до его замены.
Технический результат изобретения достигается за счет того, что в блоке бокового отражателя ядерного реактора на быстрых нейтронах с тяжелым жидкометаллическим теплоносителем, изготовленном из стали марки 16Х12МВСФБР-Ш и снабженном внутренней проточной полостью, выход из которой расположен в верхнем торце блока, полость занимает от 0.85 до 0.9 поперечного сечения блока и выполнена двухходовой с высотой опускного участка, составляющей от 0.45 до 0,65 высоты подъемного участка.
Согласно изобретению проходное сечение опускного участка может составлять от 0.02 до 0.1 проходного сечения подъемного участка, а опускной участок размещаться внутри подъемного участка. Кроме того, опускной участок может быть выполнен в виде витых трубок.
В подъемном участке могут быть установлены длинномерные тонкостенные отражательные элементы.
Сущность изобретения поясняется с помощью фигуры, на которой в схематичном виде показан фрагмент продольного сечения активной зоны с блоками бокового отражателя.
Активная зона 1 ядерного реактора на быстрых нейтронах с тяжелым жидкометаллическим теплоносителем включает тепловыделяющие сборки 2 и окружающие их блоки бокового отражателя 3. В тепловыделяющих сборках 2 размещены стержневые цилиндрические твэлы 4. Входы 5 теплоносителя в сборки 2 расположены снизу, а выходы 6 - сверху активной зоны. Сборки 2 и блоки 3 установлены в активной зоне с вертикальными технологическими зазорами 7.
Блок бокового отражателя 3 представляет собой сборную конструкцию в виде длинномерной призмы, изготовленной из стали марки 16Х12МВСФБР-Ш. Блок 3 может иметь такое же поперечное сечение, что и тепловыделяющая сборка 2, в частности, шестиугольной формы.
В блоках 3 по всей высоте выполнены внутренние проточные полости 8, которые занимают от 0.85 до 0.9 поперечного сечения блоков. Выходы 9 теплоносителя из полостей 8 расположены в верхних торцах блоков 3, как и выходы 6 у тепловыделяющих сборок, а боковые входы теплоносителя 10 в полости 8 разнесены по высоте с входами 5 теплоносителя в тепловыделяющие сборки 2, поскольку проточная полость 8 у блоков 3 выполнена двухходовой. Высота ее опускного участка 11 составляет от 0.45 до 0.65 высоты подъемного участка 12. Опускной участок 11 внутренней полости 8 может быть выполнен с проходным сечением, составляющим от 0.02 до 0.1 проходного сечения подъемного участка 12, и размещен внутри подъемного участка. Конструктивно он может быть выполнен в виде витых трубок.
Кроме того, в подъемном участке 12 могут быть установлены длинномерные тонкостенные отражательные элементы 13.
Заявленное устройство работает следующим образом. Тяжелый жидкометаллический теплоноситель - свинец или расплав свинца с висмутом - поступает снизу активной зоны 1 в тепловыделяющие сборки 2, за исключением незначительной его части, которая распределяется между сборками 2 и между блоками бокового отражателя 3 по технологическим зазорам 7. Выше по высоте активной зоны часть движущегося снизу вверх теплоносителя из зазоров 7 через боковые входы 10 поступает в двухходовые проточные полости 8 блоков.
Циркуляция в полости 8 обеспечивает охлаждение конструкции блоков, а столб находящегося в полости теплоносителя выполняет функцию дополнительного отражателя нейтронов. Для достижения оптимальных нейтронно-физических характеристик полость 8 занимает от 0.85 до 0.90 площади поперечного сечения блока 3.
В реакторах с тяжелым жидкометаллическим теплоносителем специфическое значение имеет поддержание в допустимом интервале интенсивности кислородного обмена на границе стальных поверхностей с жидким свинцом. В связи с этим в заявленном устройстве высота опускного участка 11 проточной полости 8 составляет от 0.45 до 0,65 высоты ее подъемного участка 12, позволяя поддерживать скорость теплоносителя в приемлемом интервале значений, а именно недостаточной для интенсификации коррозии, но в то же время достаточной для предотвращения шлаковых отложений.
В предложенном устройстве вследствие разнесения по высоте входов 10 и 5 достигается более экономичный режим циркуляции теплоносителя, поскольку уменьшается перепад давления между входом 10 и выходом 9 в полости 8 и снижается расход теплоносителя в ней.
В то же время, чем выше по высоте активной зоны находится вход 10, тем более нагретый теплоноситель будет поступать в блок отражателя 3. Как следует из имеющихся экспериментальных данных, для рассматриваемого материала блока - стали марки 16Х12МВСФБР-Ш - и при температурах свыше 440°C, соответствующих штатному режиму работы блока, действует обратная зависимость скорости радиационного распухания от температуры. Поэтому, чем более нагретым оказывается поступающий на вход 10 теплоноситель, тем меньшему радиационному распуханию и деформации будет подвержен блок отражателя 3 в процессе эксплуатации. В заявленном устройств, в сравнении с решением с нижним подводом теплоносителя в блоки отражателя температура элементов их конструкции оказывается в области меньшего радиационного повреждения.
Таким образом, заявленное изобретение позволяет одновременно увеличить сроки эксплуатации блоков и снизить гидравлические потери.
При выполнении опускного участка 11 компактным с проходным сечением, составляющим от 0.02 до 0.1 проходного сечения подъемного участка, и соответственно его размещением внутри подъемного участка 12 улучшается устойчивость циркуляции теплоносителя в полости 8, наружный кожух и другие несущие элементы конструкции блока оказываются более нагретыми и меньше подверженными радиационному распуханию. Конструктивная реализация опускного участка 11 в виде витых трубок позволяет снизить температурную неравномерность по сечению блока.
При размещении в подъемном участке 12 длинномерных тонкостенных отражательных элементов 13 также можно выполнить гидравлическое профилирование потока по сечению блока и снизить температурную неравномерность. При этом условие по объемной доле конструкционного материала (10-15% стали и 90-85% теплоносителя) может быть удовлетворено при меньшей толщине стенок наружного кожуха блока.