ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩАЯ СБОРКА ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА НА БЫСТРЫХ НЕЙТРОНАХ С ЖИДКОМЕТАЛЛИЧЕСКИМ ТЕПЛОНОСИТЕЛЕМ

Область техники
Полезная модель относится к области атомной энергии и может быть использована в реакторах на быстрых нейтронах с жидкометаллическим теплоносителем.
Уровень техники
Известна тепловыделяющая сборка (ТВС) ядерного реактора на быстрых нейтронах с жидкометаллическим теплоносителем (Борис Васильев, «Освоение МОКС топлива в БН-800» РОСЭНЕРГОАТОМ, №11, 2014), которая включает стержневые тепловыделяющие элементы (твэлы) со стальными оболочками и шестигранный стальной чехол. Известная тепловыделяющая сборка принята за прототип, как наиболее близкая по своей технической сущности.
Недостатком тепловыделяющей сборки является большая неравномерность нагрева теплоносителя в периферийных рядах активной зоны и, особенно, в тепловыделяющей сборке боковой зоны воспроизводства, а также большая толщина стенок шестигранного чехла. Плоские стенки шестигранного стального чехла работают под действием повышенного на 7 бар давления теплоносителя. Поэтому чехол имеет толстые стенки, что существенно ухудшает нейтронно-физические и теплогидравлические характеристики активной зоны реактора на быстрых нейтронах. В активной зоне происходит изменение свойств и формы материалов под воздействием потока быстрых нейтронов с учетом имеющейся разности температур. Например, деформация стального чехла в тепловыделяющей сборке БН-800 приводит к тому, что усилия при извлечении тепловыделяющей сборки достигают 4 тонн.
Технической проблемой, решаемой полезной моделью является уменьшение толщины стенок чехла.
Раскрытие сущности полезной модели
Техническим результатом полезной модели является улучшение теплогидравлических и нейтронно-физических характеристик активной зоны реактора.
Для достижения технического результата предложена тепловыделяющая сборка ядерного реактора на быстрых нейтронах с жидкометаллическим теплоносителем, содержащая стержневые тепловыделяющие элементы, установленные в шестигранном чехле, при этом, в чехле размещен шнек с отверстиями для твэлов.
Кроме того, шнек выполнен из листа стали, скрученного в спираль внешняя часть которого имеет форму шестигранника, соответствующего внутренней поверхности чехла из стали и жестко соединен с ним.
Жесткое соединение шнека со стенками чехла радикально увеличивает устойчивость тепловыделяющей сборки в вертикальном и горизонтальном направлениях, что позволяет существенно уменьшить толщину стенок чехла.
Толщина стенок чехла, листа шнека и шаг шнека выбираются из условия прочности и устойчивости металлоконструкции тепловыделяющей сборки.
За счет создания горизонтальной составляющей траектории движения теплоносителя улучшается его перемешивание и уменьшается неравномерность нагрева теплоносителя. Шнек выполняет функции дистанционирующего устройства тепловыделяющих элементов.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 приведена конструктивная схема тепловыделяющей сборки ядерного реактора на быстрых нейтронах с жидкометаллическим теплоносителем, на фиг. 2 показано трехмерное изображение продольного сечения шнека тепловыделяющей сборки, на фиг. 3 показано крепление шнека с чехлом, на фиг. 4 показано крепление стержневых твэлов в шнеке где:
1 - чехол;
2 - стержневые твэлы;
3 - шнек;
4 - отверстия в шнеке;
5 - втулки;
6 - отбортовки;
7 - технологические отверстия.
Осуществление полезной модели
Тепловыделяющая сборка ядерного реактора на быстрых нейтронах с жидкометаллическим теплоносителем, схема которой показана на фиг. 1 включает чехол 1 в виде шестигранной трубы с технологическими отверстиями 7, стержневые твэлы 2 со втулками 5, шнек 3 с отверстиями 4.
Шнек 3, играет роль дистанционирующих решеток для стержневых твэлов 2. В шнеке 3 для размещения стержневых твэлов выполнены отверстия 4, в которые установлены втулки 5 для исключения истирания оболочек твэлов при неизбежных вибрациях и пульсациях теплоносителя. Шнек 3 выполнен из листа стали, скрученного в спираль, внешняя часть которой имеет форму шестигранника, соответствующего внутренней поверхности чехла 1. Соединение шнека 3 и чехла 1 можно осуществлять, например, через отбортовки 6 сваркой, используя технологические отверстия 7 или точечной сваркой.
Трехмерное изображение продольного сечения стержневых твэлов 2 и шнека 3, показано на фиг. 2 (втулки 5 на фиг. 2 не показаны).
Тепловыделяющая сборка работает следующим образом. При движении теплоносителя снизу вверх шнек 3 заставляет его вращаться в горизонтальной плоскости тепловыделяющей сборки. Вращение теплоносителя существенно уменьшает неравномерность его нагрева за счет перемешивания.
Жесткое соединение шнека 3 с чехлом 1 (фиг. 3) радикально повышает устойчивость плоских стенок чехла 1 под действием перепада давления теплоносителя, что, в свою очередь позволяет существенно уменьшить толщину стенок чехла 1, увеличить шаг между твэлами 2 и существенно уменьшить гидравлическое сопротивление тепловыделяющей сборки. Кроме того, это приводит к уменьшению количества стали в активной зоне и улучшает нейтронно-физические характеристики.
В шнеке 3 для размещения стержневых твэлов 2 выполнены отверстия 4, в которые установлены втулки 5, (фиг. 4), которые позволяют исключить истирание оболочек твэлов при неизбежных вибрациях и пульсациях теплоносителя.
Для изготовления тепловыделяющей сборки возможно применить электроискровой метод образования отверстий 4. Шнек 3 можно собирать из частей, соединяемых посредством сварки в соответствующих высокоточных приспособлениях.
Пример конкретного расчета для реактора БН-800.
Необходимая толщина шестигранного чехла и листа шнека, необходимая для обеспечения устойчивости составляет 0,5-0,8 мм. Шаг спирали шнека составляет 1/5-1/10 высоты топливного столба твэла.
Предложенное техническое решение позволяет существенно улучшить характеристики реакторов на быстрых нейтронах.
При максимальной допустимой температуре стальных оболочек 710°С обеспечивается средне смешанная температура натрия на выходе из активной зоны реактора на быстрых нейтронах всего 550°С.
Столь большая разница обусловлена протечками холодного и недогретого теплоносителя мимо активной зоны. Наибольший вклад в этот эффект вносят тепловыделяющие сборки периферийного ряда активной зоны и тепловыделяющие сборки боковой зоны воспроизводства. Это обусловлено большой неравномерностью тепловыделения по поперечному сечению этих тепловыделяющих сборок.
Применение шнека 3 в тепловыделяющей сборке для ядерного реактора БН-800 приводит к увеличению средне смешанной температуры на 14°С. Это обусловлено тем, что за счет шнека 3 уменьшается неравномерность нагрева теплоносителя в поперечном сечении. Применение шнека 3 в тепловыделяющей сборке боковой зоны воспроизводства приводит дополнительно к увеличению средне смешанной температуры на 16°С. Итого температура теплоносителя на выходе активной зоны может быть увеличена до 580°С. Это позволит существенно повысить параметры пара и КПД.
За счет повышения устойчивости чехла 1 тепловыделяющей сборки становится возможным осуществить существенное уменьшение толщины чехла 1 и обеспечить соответствующее улучшение гидравлических и нейтронно-физических характеристик активной зоны. Оценки показывают, что толщина чехла 1 может быть уменьшена с 2 мм до 0,8 мм без потери прочности и устойчивости. При этом потери давления уменьшаются за счет увеличения проходного сечения тепловыделяющей сборки с 7 до 3 бар. Доля стали в активной зоне уменьшается с 20 до 15%.