ЯДЕРНЫЙ РЕАКТОР НА БЫСТРЫХ НЕЙТРОНАХ С ТЯЖЕЛЫМ ЖИДКОМЕТАЛЛИЧЕСКИМ ТЕПЛОНОСИТЕЛЕМ
FAST NEUTRON NUCLEAR REACTOR WITH HEAVY LIQUID METAL COOLANT

Изобретение относится к области атомной техники и может использоваться в ядерных реакторах на быстрых нейтронах с тяжелым жидкометаллическим теплоносителем - свинцом или расплавом свинца и висмута.
Наиболее близким аналогом изобретения является ядерный реактор на быстрых нейтронах с тяжелым жидкометаллическим теплоносителем по проекту БРЕСТ-ОД-300. Ядерный реактор содержит тепловыделяющие сборки, охлаждаемые подъемным течением теплоносителя, и блоки бокового отражателя, снабженные внутренними проточными полостями, выходы теплоносителя из которых расположены на том же уровне, что и выходы теплоносителя из сборок [см. Годовой отчет НИКИЭТ-2013: Сб. статей. М.: ОАО «НИКИЭТ», 2013, стр. 21, 28-29]. Столб свинцового теплоносителя, находящийся во внутренней полости блока, 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. Нижний подвод теплоносителя в блоки отражателя, выполненный на одном уровне с входом в тепловыделяющие сборки, ухудшает условия охлаждения твэлов, поскольку через них проходит меньше теплоносителя (из-за байпасного отбора во внутренние полости блоков отражателя). В аварийных ситуациях с частичным перекрытием проходного сечения теплосъем со сборок еще более ухудшится, так как возрастет доля теплоносителя, проходящего внутри блоков. Другой недостаток известного решения связан с тем, что для ограничения доли теплоносителя, распределяющегося внутрь блоков, требуется установка на входе в них дросселей, что приводит к дополнительным гидравлическим потерям и механическим нагрузкам.
Задачей изобретения является улучшение технико-экономических показателей эксплуатации ядерного реактора, снижение термических нагрузок на тепловыделяющие сборки.
Получаемый технический результат состоит в увеличении расхода теплоносителя через тепловыделяющие сборки при одновременном снижении гидравлических потерь.
Увеличение расхода через тепловыделяющие сборки достигается вследствие того, что при входе в реактор теплоноситель не поступает в блоки отражателя, а направляется в полном объеме на охлаждение сборок (за исключением незначительной его доли в технологических зазорах между блоками отражателя). А в блоки отражателя поступает теплоноситель, уже предварительно обеспечивший теплосъем со сборок. Кроме того, в аварийных ситуациях с локальным перекрытием проходного сечения расход теплоносителя останется локализованным в зоне сборок из-за невозможности оттока во внутренние полости блоков отражателя.
Снижение гидравлических потерь в заявленном устройстве достигается за счет расположения входа теплоносителя в полости блоков, при котором не требуется его дросселирования. При этом снижаются механические нагрузки на узлы крепления блоков вследствие уменьшения воздействия со стороны жидкометаллического теплоносителя.
Технический результат изобретения достигается за счет того, что в ядерном реакторе на быстрых нейтронах с тяжелым жидкометаллическим теплоносителем, содержащим тепловыделяющие сборки, охлаждаемые подъемным течением теплоносителя, и блоки бокового отражателя, снабженные внутренними проточными полостями, выходы теплоносителя из которых расположены на том же уровне, что и выходы теплоносителя из сборок, входы теплоносителя в полости расположены выше уровня топлива в сборках, а сборки выполнены бесчехловыми или с перфорированными чехлами.
Сущность изобретения поясняется фигурой, на которой в схематичном виде изображен фрагмент продольного сечения ядерного реактора.
Ядерный реактор 1 на быстрых нейтронах с тяжелым жидкометаллическим теплоносителем включает тепловыделяющие сборки 2, окруженные рядами блоков бокового отражателя 3. В тепловыделяющих сборках 2, выполненных бесчехловыми или с перфорированными чехлами, размещены стержневые твэлы, образующие топливный столб 4. Входы 5 теплоносителя в сборки 2 расположены снизу активной зоны реактора, а выходы 6 - над ней.
Между блоками 3, а также между сборками 2 и блоками предусмотрены технологические зазоры 7.
Блок бокового отражателя 3 представляет собой сборную конструкцию в виде длинномерной призмы, которая может иметь такое же поперечное сечение, как и сборка 2. В блоке 3 выполнена внутренняя проточная полость 8.
Входы 9 теплоносителя во внутренние полости 8 блоков располагаются выше уровня топливного столба 4 тепловыделяющих сборок 2. Выходы 10 теплоносителя из полостей 8 располагаются на том же уровне, что и выходы 6 у тепловыделяющих сборок.
При работе реактора тяжелый жидкометаллический теплоноситель - свинец или расплав свинца с висмутом - поступает снизу в ядерный реактор 1. При этом весь его объем направляется через входы 5 на охлаждение тепловыделяющих сборок 2, за исключением незначительной части, распределяющейся по технологическим зазорам 7. Поскольку сборки 2 выполнены бесчехловыми или с перфорированными чехлами, некоторая часть теплоносителя затем отклоняется и направляется из сборок 2 на боковые входы 9 блоков 3. Вследствие того, что входы 9 расположены выше уровня топливного столба 4, в блоки 3 отражателя поступает уже нагретый теплоноситель, предварительно обеспечивший охлаждение сборок. Находясь во внутренних полостях 8, теплоноситель выполняет функцию бокового отражателя нейтронов вместе со стальными элементами конструкции блоков 3. Проходя внутренние полости 8 и охладив, в свою очередь, блоки 3, теплоноситель затем через выходы 10 направляется за пределы активной зоны реактора.
В результате того, что входы 9 разнесены по высоте с входами 5 и выполнены выше уровня топливного столба 4, на охлаждение сборок по всей их высоте направляется максимально возможный расход теплоносителя, а локальные возмущения потока при его развороте и входе в блоки отражателя оказываются вне области топливного столба и не ухудшают условия теплообмена. Одновременно с этим проявляется еще одно преимущество данного технического решения. Поскольку разница давлений между входами 9 и выходами 10 оказывается существенно меньшей, чем при нижнем подводе теплоносителя в блоки, становится возможным ограничить расход теплоносителя через внутренние полости 8 без применения дросселей.
Таким образом, рассмотренная конструкция ядерного реактора, с одной стороны, обеспечивает лучшее охлаждение тепловыделяющих сборок и, с другой стороны, позволяет снизить входные гидравлические потери и уменьшить механические нагрузки на блоки отражателя со стороны теплоносителя.