ЖИДКОСОЛЕВОЙ ЯДЕРНЫЙ РЕАКТОР С АКТИВНОЙ ЗОНОЙ ПОЛОСТНОГО ТИПА
LIQUID-SALT NUCLEAR REACTOR WITH CAVITY TYPE CORE

Область техники
Изобретение относится к конструкции жидкосолевых ядерных реакторов (ЖСР) и предназначено для обеспечения равномерного подогрева топливной соли и обеспечения ее безвозвратного течения при движении через активную зону полостного типа.
Уровень техники
ЖСР - это ядерный реактор физико-химической концепции с циркулирующим топливом. В активной зоне такого реактора не будет традиционных для твердотопливных реакторов топливных сборок и внутрикорпусных устройств. За счет этого поток расплава соли, являющейся теплоносителем первого контура, с растворенными в ней топливными добавками (далее - топливная соль) крайне затруднительно профилировать, особенно в активной зоне полостного типа. В то же время, если поток топливной соли не профилировать совсем, то в хаотичном движении соли в активной зоне будут образовываться возвратные вихревые токи и зоны многократной рециркуляции или застоя. Появление таких эффектов крайне опасно, поскольку будет приводить к локальным перегревам топливной соли и/или металлоконструкций первого контура (отражателей, корпуса реактора и/или трубопроводов), в том числе выше максимально допустимых температур, что в свою очередь, может приводить к авариям.
Ранее проблема профилирования потока топливной соли в активной зоне полостного типа решалась либо за счет выравнивания подачи топливной соли в полость активной зоны [Игнатьев В.В., Фейнберг О.С., Смирнов В.П., Ванюкова Г.В., Лопаткин А.В. Анализ характеристик топливного контура жидкосолевого ядерного реактора с активной зоной полостного типа. Атомная энергия, 2019, т. 126, вып. 3, с. 137-143], либо за счет профилирования формы активной зоны [A. Laureau, D. Heuer, Е. Merle-Lucotte, P.R. Rubiolo, M. Allibert, M. Aufiero. Transient coupled calculations of the Molten Salt Fast Reactor using the Transient Fission Matrix approach. - Nuclear Engineering and Design, 316 (2017) 112-124].
4
233
В реакторе Molten Salt Fast Reactor (MSFR) тепловой мощностью 3000 МВт [A. Laureau, D. Heuer, E. Merle-Lucotte, P.R. Rubiolo, M. Allibert, M. Aufiero. Transient coupled calculations of the Molten Salt Fast Reactor using the Transient Fission Matrix approach. - Nuclear Engineering and Design, 316 (2017) 112-124] используется топливная соль молярного состава 0,775LiF-0,20ThF-0,025U, которая прогревается от 925 К до 1 025 К. Течение топливной соли профилируется за счет профилирования формы активной зоны. Она имеет форму гиперболоида вращения с входом через 16 отверстий в нижней части и выходом через 16 отверстий в верхней части активной зоны. Дополнительным профилирующим фактором выполнение верхнего и нижнего торцевых отражателей в форме конусов. Течение является намного более устойчивым, но только для рассматриваемого молярного состава.
Недостатком такой схемы является то, что даже при незначительном отклонении от рассматриваемых теплофизических свойств возникают, как возвратные токи, так и застойные зоны, в которых происходит перегрев топливной соли выше допустимых температур.
2
пл
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому изобретению (прототипом) является конструкция жидкосолевого реактора сжигателя трансурановых элементов и минорных актинидов (ЖСР-С) тепловой мощностью 2 400 МВт [Игнатьев В.В., Фейнберг О.С., Смирнов В.П., Ванюкова Г.В., Лопаткин А.В. Анализ характеристик топливного контура жидкосолевого ядерного реактора с активной зоной полостного типа. Атомная энергия, 2019, т. 126, вып. 3, с. 137-143]. Топливная соль молярного состава 0,15LiF-0,58NaF-0,27BeF с растворенными топливными добавками (Т=479°), проходя через реактор, нагревается от температуры 600°до 700°. В данном реакторе вход топливной соли в корпус реактора производится через отверстие в нижней части корпуса. Далее топливная соль обтекает вокруг нижней плиты отражателя и входит в цилиндрическую активную зону высотой 3,6 м и диаметром 3,4 м и вертикальные цилиндрические каналы охлаждения отражателя. В объеме цилиндрической активной зоны на высоте 0,5 м от нижнего края активной зоны расположена перфорированная профилирующая плита, которая призвана избавить активную зону от вихревых токов. Выход топливной соли из активной зоны осуществляется через центральное отверстие в верхней части корпуса диаметром 1 м. Переход от диаметра активной зоны к диаметру выходного отверстия осуществляется за счет конической формы верхнего торцевого отражателя. Угол раскрытия конуса составляет 120°. После выхода из активной соль топливная соль с помощью раздаточного коллектора распределяется по 4-м петлям циркуляции.
Недостатком в данной конструкции является то, что топливная соль имеет стабилизированное течение без застоев и возвратных токов только в стационарном режиме и только при рассматриваемом молярном составе. В случае рассмотрения нестационарного/переходного процесса и/или в случае замены молярного состава топливной соли течение перестает быть устойчивым и стабилизированным: при переходе с одной мощности на другую в полости активной зоны возникает крупный торообразный вихрь, в объеме которого образуется зона многократной рециркуляции топливной соли. Этот торообразный вихрь занимает почти весь объем активной зоны. Из-за нахождения его сердцевины в зоне наибольшего нейтронного потока перегрев топливной соли наступает почти мгновенно, а после стабилизации потока перегретая соль выходит из зоны перегрева и перегревает металлоконструкции.
Технической проблемой, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является совершенствование составных частей жидкосолевого ядерного реактора, отвечающих за движение топливной соли в нем.
Предлагаемое устройство позволит обеспечить течение потока теплоносителя через активную зону без возвратных токов и застойных зон, позволяя реализовать равномерный подогрев теплоносителя по тракту движения.
Раскрытие сущности изобретения
Техническим результатом заявленного изобретения является обеспечение равномерного протекания подогретого по всему тракту движения потока теплоносителя с растворенным в нем топливом через цилиндрическую активную зону жидкосолевого ядерного реактора полостного типа за счет создания осевого вихря (циклона), равномерно поднимающего соль снизу вверх в полости активной зоны.
Для достижения технического результата предложен жидкосолевой ядерный реактор с активной зоной полостного типа состоящий из корпуса реактора с крышкой, вложенных в него обечаек защиты корпуса, вложенных в них отражателей, совместно образующие цилиндрическую активную зону полостного типа и тракт движения топливной соли, состоящий из входа, напорного коллектора, каналов охлаждения отражателей и выхода, при этом, тракт течения топливной соли, включает опускной участок, состоящий из двух рядов каналов в боковых отражателях и боковых обечайках защиты корпуса от входа в реактор до напорного коллектора, и подъемный участок, состоящий из каналов охлаждения нижнего торцевого отражателя и полости активной зоны, при этом, топливная соль, попадая из напорного коллектора и каналов охлаждения нижнего торцевого отражателя через направляющие ребра и наклонные форсунки, образует циклон, занимающий весь объем активной зоны и поднимается снизу вверх к отверстиям выхода из активной зоны.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 показан осевой разрез жидкосолевого ядерного реактора, на фиг. 2 показан разрез реактора плоскостью А-А, на фиг. 3 показан разрез реактора плоскостью Г-Г, на фиг. 4 показан разрез реактора плоскостью В-В, где:
I - входные окна;
II - внутренний ряд каналов охлаждения бокового отражателя;
III - внешний ряд каналов охлаждения бокового отражателя;
IV - направляющие ребра;
V - каналы охлаждения нижнего торцевого отражателя;
V - каналы слива топливной соли;
VI - сливной патрубок
VII - форсунки подачи топливной соли;
VIII - полость активной зоны;
IX - выходные отверстия;
1 - напорный коллектор;
2 - корпус реактора;
3 - крышка корпуса реактора;
4 - боковая верхняя обечайка защиты корпуса;
5 - боковая нижняя обечайка защиты корпуса;
6 - боковая центральная обечайка защиты корпуса;
7 - торцевая верхняя обечайка защиты корпуса;
8 - торцевая нижняя обечайка защиты корпуса;
9 - отражатель боковой;
10 - отражатель верхний;
11 - отражатель нижний.
На фиг. 5, 8, 9 показаны линии тока топливной соли.
На фиг. 6, 7 показаны температуры топливной соли.
Осуществление изобретения
В корпусе реактора 2, изготовленного из высоконикелевого сплава ХН80МТЮ и имеющего форму полого цилиндра с выступами (толщина - 55 мм, внутренний диаметр - 4 400 мм, габаритный диаметр - 5 150 мм, высота -5 200 мм), снизу вверх расположены: нижняя торцевая обечайка защиты корпуса 8 (имеет форму диска, толщина 300 мм, диаметр 4 400 мм), нижняя боковая обечайка защиты корпуса 5 (имеет форму полого цилиндра, внутренний диаметр - 3 800 мм, внешний диаметр - 4 400 мм, высота - 1000 мм.), двух боковых центральных обечаек защиты корпуса 6 (имеет форму полого цилиндра, внутренний диаметр - 3 800 мм, внешний диаметр - 4 400 мм, высота - 1000 мм), боковой верхней обечайки защиты корпуса 4 (имеет форму полого цилиндра, внутренний диаметр - 3 800 мм, внешний диаметр - 4 400 мм, высота - 900 мм) и торцевой верхней обечайки защиты корпуса 7 (имеет форму диска, толщина - 435 мм, внешний диаметр - 4 400 мм). Все эти обечайки 4-8 выполняются из аустенитной стали 12Х18Н10Т с 5-мм слоем плакировки сплавом ХН80МТЮ. При размещении всех этих обечаек в корпусе реактора 2 используются посадки с натягом. Взаимное расположение боковых обечаек 4-6 контролируется за счет использования каналов охлаждения отражателя III в качестве направляющих. Размещение верхней торцевой обечайки выбирается таким образом, чтобы центры отверстий выходов топливной соли IX располагались напротив центров входных окон I.
Внутри обечаек защиты корпуса 4-8 снизу вверх расположены: нижний отражатель 11 (имеет форму диска, толщина - 289 мм, внешний диаметр - 2 800 мм), напорный коллектор 1 (имеет форму полого цилиндра с направляющими ребрами IV, внутренний диаметр - 2 800 мм, внешний диаметр - 3000 мм, высота - 700 мм), три боковых отражателя 9 (имеет форму полого цилиндра, внутренний диаметр - 3 400 мм, внешний диаметр - 3 800 мм, высота - 1000 мм) и верхний отражатель 10 (имеет форму диска, толщина - 335 мм, внешний диаметр - 3 800 мм). Все эти отражатели 9-11 выполняются из сплава ХН80МТЮ. При размещении отражателей внутри обечаек защиты корпуса 4-8 используются посадки с натягом. Взаимное расположение боковых отражателей 9 контролируется за счет использования каналов охлаждения отражателя II в качестве направляющих. Размещение верхнего торцевого отражателя выбирается таким образом, чтобы центры отверстий выходов топливной соли IX располагались соответственно аналогичным элементам верхней торцевой обечайки защиты корпуса 7.
Крышка реактора 3 закрывает корпус реактора сверху. Она размещается так, чтобы отверстия выходов топливной соли IX совпадали с патрубками, для них предназначенными. Крышка крепится к корпусу через никелевое уплотнение на 64 болта М 30х80.
Схема движения топливной соли организована следующим образом. Вход топливной соли осуществляется через 8 входных окон I в боковой поверхности корпуса 2. Далее топливная соль опускается в напорный коллектор 1 по 2-м рядам вертикальных каналов II и III (фиг. 1, 2). Первый ряд II состоит из 64 прямоугольных каналов размерами 30x60 мм, они проходят вертикально сквозь боковые отражатели 9 на глубине 30 мм от внутренней поверхности этих отражателей. Второй ряд каналов III пропилен в боковых обечайках защиты корпуса 4-6, примыкает к внешней поверхности боковых отражателей 9 и состоит из 32 каналов. Эти каналы имеют прямоугольную форму размером 100x200 мм с закругленными углами на дальней поверхности каналов, радиус закругления - 50 мм. Высота боковых отражателей составляет 1 м. Высота боковых центральных обечаек защиты корпуса 6 и боковой нижней обечайки защиты корпуса 5 составляет 1 м, а боковой верхней обечайки защиты корпуса - 700 мм, и еще на 200 мм поднимаются опорные ребра, на которые опирается торцевая верхняя обечайка 7. Боковые отражатели выполнены из высоконикелевого сплава ХН80МТЮ, а обечайки защиты корпуса - из стали 12Х18Н10Т, плакированную 5-ти мм слоем сплава ХН80МТЮ или НП-2.
В напорном коллекторе 1 для создания осевого вихря (циклона) размещены направляющие ребра IV толщиной 50 мм в количестве 64 шт. Каждое ребро занимает всю ширину напорного коллектора 1 и расположено под углом 40° к радиусу. Вид напорного коллектора 1 более наглядно представлен на фиг. 2.
Из напорного коллектора 1 топливная соль попадает как напрямую в полость активной зоны VIII, так и в каналы охлаждения нижнего отражателя 11. Нижний отражатель 11 имеет коническую форму, а его 16 каналов охлаждения V имеют прямоугольную форму, расположены на глубине 50 мм под поверхностью конуса и имеют размеры 150x50 мм. Выход топливной соли из этих каналов в объем активной зоны проводится через центральное отверстие диаметром 200 мм и 4 дополнительных ряда форсунок VII. В каждом ряду расположено по 16 отверстий, диаметры отверстий и диаметры размещения каждого ряда следующие: 20 и 150 мм, 25 и 250 мм, 45 и 400 мм, 60 и 500 мм, соответственно. Оси этих отверстий расположены под углом 45° к горизонтальной плоскости и под 40° к радиусу. Это необходимо, чтобы топливная соль, проходящая через эти отверстия, поддерживала основной вихрь, создаваемый ребрами по периферии.
В каналах охлаждения нижнего отражателя V также предусмотрены дополнительные отверстия V' для слива топливной соли через сливной патрубок VI в нижней части корпуса 2. Эти каналы V' имеют диаметр 50 мм, угол между осью наклонного участка и горизонтальной плоскостью - 7,5°. Более подробный разрез нижнего отражателя 11 представлен на фиг. 3.
Верхний отражатель 10 со стороны активной зоны спрофилирован таким образом, чтобы поднимающаяся топливная соль равномерно распределялась по 8-ми выходам. Выходные отверстия IX в верхнем отражателе 10 имеют форму квадрата со стороной 350 мм. Далее в верхней торцевой обечайке защиты корпуса организован переход от квадратных отверстий к круглым, диаметром 330 мм. Разрез В-В, на котором подробно показан вид верхнего отражателя 10 показан на фиг. 4.
В обоснование осуществления изобретения по описанной выше конструкции была построена трехмерная модель для проведения CFD-расчета.
Трехмерный CFD1-расчет модели производился с помощью программного комплекса ANSYS Fluent [ANSYS Fluent v. 14 User's Guide. ANSYS Inc., 2012]. Для моделирования в ANSYS Fluent используется модель турбулентности Transition SST, граничные условия Velocity-inlet и Pressure-outlet, наложенные на входы и выходы соответственно.
Линии тока топливной соли (фиг. 5) в активной зоне показывают два соосных сонаправленных вихря, которые поднимаются строго снизу вверх без возвратных течений и застойных зон. Нужно отметить, что такой режим течения наблюдается только при определенном угле направляющих потока топливной соли по отношению к внутренней поверхности бокового отражателя ϕ=40°. В этом случае максимальные температуры топливной соли (фиг. 6) и отражателя (фиг. 7) не превышают соответственно 1140 К и 1050 К. Отклонение угла ϕ до ±5° от выбранного значения приводит к появлению возвратных течений и нарушению требуемого режима течения, а также увеличению локальных температур топливной соли и отражателя.
Устойчивость создаваемого вихря в переходных режимах подтверждается также двумя дополнительными расчетами, проведенными для 50% (1200 МВт) и 10% (240 МВт) номинальной мощности. Результаты этих расчетов в виде линий тока топливной соли представлены на фиг. 8 и 9 соответственно.
Как следует из табл. 1 расчетные отклонения расходов и температур на выходе активной зоны от средних значений при номинальной мощности через каждый из 8 реакторных контуров не превышают соответственно 2% и 5%.
Проведенные расчеты с достаточной точностью показывают работоспособность разработанной конструкции.
Таким образом, предложенная конструкция составных частей жидкосолевого ядерного реактора обеспечивает безвозвратное протекание топливной соли через полость активной зоны, ее равномерный подогрев по высоте активной зоны и не допускает перегрева топливной соли и отражателей выше допустимых температур.