ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА

Решение относится к ядерной технике и может быть использовано в реакторных установках с тяжелыми жидкометаллическими теплоносителями - свинцовым или его сплавами.
Известна ядерная энергетическая установка, содержащая ядерный реактор с жидкометаллическим свинцовым теплоносителем или его сплавами, с размещенными под свободным уровнем теплоносителя активной зоной, парогенераторами, средствами циркуляции, например, главными циркуляционными насосами, и систему защитного газа, в которой выше активной зоны размещен кольцевой канал, внутренний диаметр которого больше наружного диаметра активной зоны. В кольцевом канале или в его участках установлены секции парогенератора, входной участок которых сообщен с объемом теплоносителя над активной зоной, а выходной участок - с выходной камерой насоса, например осевого, размещенного в этом же канале, а напорная камера насоса сообщена через опускной канал с активной зоной реактора. (Патент на изобретение РФ №2313143, G21C 9/00, G21C 15/00 от 20.12.2007 бюл. №35).
Недостатком данного технического решения является отсутствие участка (устройства) отвода главного циркуляционного насоса осевого типа, обеспечивающего оптимальный гидродинамический отвод с поворотом потока от главного циркуляционного насоса осевого типа.
Известна ядерная энергетическая установка, содержащая ядерный реактор с жидкометаллическим свинцовым теплоносителем или его сплавами, с размещенными под свободным уровнем теплоносителя активной зоной, парогенераторами, главными циркуляционными насосами и системой защитного газа, включающей фильтр очистки газа, газовый компрессор и устройство ввода газовой смеси в тракте теплоносителя, на выходе устройства установлена одна или несколько труб с сопловыми насадками, подключенных к линии напора газового компрессора, линия всаса которого соединена с газовой полостью ядерного реактора и с газовыми баллонами с восстановительной смесью (патент на изобретение РФ №2192052 G21C 9/016, 19/31 от 22.10.2002). В схеме ядерной энергетической установки применен главный циркуляционный насос осевого типа с направлением потока «снизу-вверх», напорная камера насоса сообщена каналом с опускным кольцевым каналом и входом в активную зону ЯЭУ.
Недостатками данного технического решения является отсутствие устройства отвода главного циркуляционного насоса осевого типа, обеспечивающего оптимальный гидродинамический отвод с поворотом потока от главного циркуляционного насоса осевого типа.
Задачи, решаемые изобретением - совершенствование конструкции ядерной энергетической установки, повышение ее экономичности за счет увеличения КПД главного циркуляционного насоса осевого типа, уменьшения гидродинамических потерь в основном циркуляционном тракте реакторного блока во всех мощностных режимах работы установки.
Технический результат - обеспечение оптимального, с минимальным гидравлическим сопротивлением поворота потока, поднимающегося и выходящего из напорной камеры главного циркуляционного насоса осевого типа в канал, соединяющий его с опускным кольцевым участком и входной камерой ядерного реактора и, одновременно, повышение общего КПД главного циркуляционного насоса осевого типа реакторного контура.
Технический результат достигается тем, что в ядерной энергетической установке, содержащей ядерный реактор с жидкометаллическим свинцовым теплоносителем или его сплавами, с размещенными под свободным уровнем теплоносителя активной зоной, парогенераторами, системой защитного газа, главными циркуляционными насосами осевого типа напорная камера которых сообщена каналом с опускным кольцевым участком и входом в активную зону ядерной энергетической установки, установлена радиальная пластина, перемещающаяся по высоте в напорной камере насоса вдоль оси вала насоса.
Предлагаемое решение позволяет обеспечить оптимальную гидродинамику потока жидкого металла в районе выхода из напорной камеры насоса в горизонтальный канал и далее в активную зону реактора.
На чертеже представлена схема ядерной энергетической установки, реализующей предлагаемое техническое решение. В реакторном блоке ядерного реактора 1 со свинцовым или свинец - висмутовым теплоносителем под свободным уровнем 2, изменяющимся при изменении мощности ядерного реактора 1 и отличающимся по высоте в различных участках на величину гидравлического сопротивления оборудования, размещены активная зона 3, парогенераторы 4, главные циркуляционные насосы 5 осевого типа. Над свободным уровнем 2 находится газовый объем системы защитного газа 6.
В напорной камере 7 главного циркуляционного насоса 5 осевого типа с направлением потока теплоносителя «снизу-вверх» выполнено перемещающееся по высоте устройство отвода главного циркуляционного насоса осевого типа, в виде радиальной пластины 8, вогнутой со стороны движения потока теплоносителя.
Положение по высоте пластины 8 синхронно связано с уровнем мощности ядерного реактора 1 и соответствующему этому уровню мощности расходу главного циркуляционного насоса 5 осевого типа.
Пластина 8 может иметь механизм перемещения 9 его положения по высоте. Возможен вариант конструкции, при котором механизм перемещения 9 пластины 8 главного циркуляционного насоса осевого типа по высоте отсутствует, а сумма сил веса, Архимеда и динамического напора потока жидкого металла свободно (без привода) обеспечивает соответствие положения пластины 8 насоса по высоте и уровень мощности ядерного реактора 1.
Выходной участок устройства отвода главного циркуляционного насоса осевого типа сопряжен с входным участком горизонтального канала 10 подвода теплоносителя к опускному кольцевому каналу 11 ядерного реактора.
Работа ядерной энергетической установки осуществляется следующим образом.
В стояночном режиме - исходном перед выводом установки на энергетические уровни мощности положение по высоте свободных уровней 2 теплоносителя во всех элементах реакторного бака - активной зоне 3, парогенераторе 4, главном циркуляционном насосе 5 осевого типа - одинаково. Расход теплоносителя, отводящего тепло остаточных тепловыделений от активной зоны 3, осуществляется либо за счет естественной циркуляции по контуру, либо за счет работ главных циркуляционных насосов 5 осевого типа на малых числах оборотов, практически не изменяющих взаимное расположение уровней в оборудовании реакторного контура.
В процессе вывода ядерного реактора 1 на мощностные уровни, синхронно с увеличением уровня мощности увеличивается расход жидкометаллического теплоносителя в контуре через активную зону 3 путем увеличения оборотов главных циркуляционных насосов 5 осевого типа. Особенностью ядерных энергетических установок с жидкометаллическим теплоносителем, в отличие от установок с ВВЭР, является однозначное соответствие изменяющейся мощности реактора и расхода по реакторному контуру. При работе установки номинальной мощности максимальный уровень теплоносителя - в напорной камере главного циркуляционного насоса 5 осевого типа. Уровни теплоносителя в активной зоне 3 и в парогенераторе 4 меньше по высоте на величину их гидравлического сопротивления.
При изменении мощности ядерного реактора синхронно изменяется уровень теплоносителя в напорных камерах главных циркуляционных насосов 5 осевого типа, из которых теплоноситель поступает в горизонтальные каналы 10, соединяющие напорные камеры главных циркуляционных насосов 5 осевого типа с кольцевым опускным каналом 11 подвода жидкого металла к активной зоне 3. Геометрия напорной камеры главного циркуляционного насоса 5 осевого типа и горизонтального канала 10 постоянны, а положение свободного уровня 2 в этих участках реакторного контура синхронно изменяется с изменением мощности реактора. При этом гидродинамика потока в этом участке так же изменяется и для сохранения достаточно высокого КПД главного циркуляционного насоса осевого типа, учитывающего его отвод, необходимо иметь конструкцию участка отвода главного циркуляционного насоса осевого типа, которая обеспечивала бы изменяющиеся его гидродинамические характеристики с изменением уровня теплоносителя. В рассматриваемой ядерной установке оптимальные гидродинамические характеристики устройства отвода - пластины 8 главного циркуляционного насоса 5 осевого типа обеспечивается тем, что при изменении свободного уровня 2 в напорной камере главного циркуляционного насоса осевого типа и горизонтальном канале 10 производится синхронное изменение высоты положения пластины 8. Это обеспечивается фиксированным положением пластины 8 относительно свободного уровня в напорной камере главного циркуляционного насоса 5 осевого типа.
Синхронное с мощностью реактора и уровнем жидкого металла в напорной камере главного циркуляционного насоса 5 осевого типа положение пластины 8 обеспечивается за счет работы механизма перемещения 9 по высоте или естественным путем соответствующим подбором сил веса, Архимеда и динамического напора потока жидкого металла, воздействующего на пластину 8.
Применение предполагаемого технического решения позволит:
- уменьшить гидравлическое сопротивление участков поворота потока теплоносителя и его выхода из напорных камер главных циркуляционных насосов осевого типа реакторного контура и, соответственно, уменьшить напоры этих насосов, мощность их электродвигателей и затраты электрической энергии на перекачку теплоносителя во всех мощностных режимах работы установки;
- увеличить КПД главного циркуляционного насоса осевого типа;
- обеспечить оптимальную гидродинамику потока жидкого металла в районе выхода из напорной камеры уменьшить присос, увеличить ресурс работы конструкционных материалов реакторного контура в этих районах.