МЕТАЛЛОБЕТОННЫЙ КОРПУС ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА С ЖИДКОМЕТАЛЛИЧЕСКИМ ТЕПЛОНОСИТЕЛЕМ
METAL-CONCRETE NUCLEAR REACTOR VESSEL WITH LIQUID-METAL HEAT EXCHANGER

Изобретение относится к ядерной технике и может быть использовано в энергетических установках с реактором на быстрых нейтронах с теплоносителем в виде свинца или его сплавов.
Известна реакторная установка реактора БРЕСТ-ОД-300 (Конструктивные и компоновочные решения основных узлов и оборудования реактора БРЕСТ-ОД-300. В.Н. Леонов, А.А. Пикапов, А.Г. Сила-Новицкий и др. ВАНТ, серия: Обеспечение безопасности АС, выпуск 4, Москва, ГУП НИКИЭТ, 2004 г., стр. 65-72). Установка включает железобетонную шахту с внутренней стальной облицовкой, блок корпусов реактора с верхним перекрытием, активную зону, систему исполнительных механизмов воздействия на реактивность активной зоны, блоки парогенераторов и главных циркуляционных насосов, систему массообменников и фильтров для очистки теплоносителя, систему перегрузки элементов активной зоны и другие вспомогательные системы. Блок корпусов реактора БРЕСТ-ОД-300 выполнен в виде центральной и четырех периферийных цилиндрических шахт с плоскими днищами, которые совместно с верхним перекрытием образуют границу первого контура реакторной установки, в котором циркулирует теплоноситель, обеспечивая теплоотвод от активной зоны, и формируется объем защитного газа, а также размещены внутриреакторные устройства и оборудование. Активная зона размещена в центральной шахте блока корпусов, а блоки парогенераторов размещаются в четырех периферийных шахтах, соединенных с центральной шахтой верхними и нижними патрубками. Каждый парогенератор выполнен в виде трубчатого теплообменника для нагрева воды (пара), который погружен в поток свинцового теплоносителя, движущегося в межтрубном пространстве корпуса парогенератора сверху вниз. Циркуляция свинцового теплоносителя осуществляется путем его перекачки циркуляционными насосами из шахты парогенератора на уровень напорной камеры реактора, из которой теплоноситель опускается до входной камеры активной зоны, поднимается и нагревается в активной зоне при контакте с твэлами тепловыделяющих сборок и затем поступает в общую камеру «горячего» теплоносителя. Далее теплоноситель перетекает во входные камеры и межтрубное пространство парогенераторов, охлаждается и поступает на вход циркуляционных насосов, а затем снова подается в напорную камеру реактора.
Известная установка предназначена для создания опытного реактора и проверки технических решений, которые могут быть положены в основу энергетических реакторов нового поколения на быстрых нейтронах со свинцовым теплоносителем. В таких реакторах предусматривается использование интегрально-петлевой компоновки основного оборудования, которая характеризуется большими габаритами и значительной удельной массой используемого свинцового теплоносителя на единицу вырабатываемой мощности, что приводит к увеличению размеров реактора и капитальных затрат при создании реактора.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков с заявляемым изобретением является корпус ядерного реактора со свинцовым теплоносителем, приведенный в описании реакторной установки по патенту RU 2545098 (G21D 1/00, 2014). Установка включает железобетонную (металлобетонную) шахту реактора с верхним перекрытием, размещенный в шахте реактор с активной зоной, парогенераторы, размещенные в отдельных боксах (объемах), циркуляционные насосы, циркуляционные трубопроводы и другие вспомогательные системы. В шахте образован резервуар для свинцового теплоносителя. Парогенераторы, выполненные в виде трубчатых теплообменников, сообщены с шахтой ректора циркуляционными трубопроводами подъема и слива свинцового теплоносителя и размещены выше «холодного» уровня теплоносителя. Газовая полость шахты реактора и газовые полости боксов парогенераторов разделены между собой герметичным устройством (предусмотрены герметичные проходки циркуляционных трубопроводов, доставляющих свинцовый теплоноситель от главного циркуляционного насоса до парогенераторов и от парогенераторов до опускного участка контура теплоносителя в шахте реактора). В варианте исполнения подъемный и опускной участки контура циркуляции свинцового теплоносителя в упомянутом резервуаре разделены металлической обечайкой, которая выполнена со сквозными отверстиями для обеспечения естественной циркуляции свинцового теплоносителя через активную зону реактора при отключении циркуляционных насосов.
Однако в известном устройстве не раскрыто решение задачи защиты строительной части АЭС от чрезмерного нагрева при работе ядерного реактора. Кроме того, в известном устройстве не предусмотрена возможность предварительного разогрева элементов резервуара, контактирующих с теплоносителем.
Задачей настоящего изобретения является создание металлобетонного корпуса ядерного реактора с жидкометаллическим теплоносителем, обеспечивающего возможность снижения металлоемкости и, соответственно, стоимости корпуса и обеспечивающего возможность разогрева внутренней части корпуса перед заливкой жидкометаллического (свинцового) теплоносителя, а также возможность защиты строительной части АЭС от чрезмерного нагрева при работе ядерного реактора.
Указанная задача решается тем, что предложен металлобетонный корпус ядерного реактора с жидкометаллическим теплоносителем, включающий металлобетонный стакан с днищем и герметичным перекрытием внутренней полости стакана. Стакан содержит бетонный наполнитель из первого теплоизоляционного жаростойкого армированного бетона и установлен посредством подстилающей бетонной прослойки из бетона, идентичного упомянутому, на фундаментной плите строительной части реакторного отделения внутри ограждающей конструкции, заполненной вторым теплоизоляционным жаростойким армированным бетоном, прочность и теплопроводность которого ниже, чем первого бетона, выступающей над стаканом и охватывающей последний с радиальным зазором с образованием полости, в которой с наружной стороны стакана выполнен кольцевой опорный элемент с образованием над ним объема для размещения оборудования реакторной установки. Объем под упомянутым кольцевым элементом заполнен первым теплоизоляционным жаростойким армированным бетоном. Ограждающая конструкция установлена на упомянутой фундаментной плите с радиальным зазором относительно строительной шахты реакторного отделения. Во внутренней полости стакана на днище последнего выполнена монолитная конструкция из теплопроводящего жаростойкого армированного бетона, прочность и теплопроводность которого выше, чем у первого бетона, с образованием резервуара для жидкометаллического теплоносителя. Резервуар снабжен металлической оболочкой, под которой в бетонном наполнителе установлены трубопроводы системы разогрева упомянутой конструкции резервуара. В подстилающей бетонной прослойке и в ограждающей конструкции со стороны строительной части реакторного отделения установлены трубопроводы системы охлаждения, предназначенной для защиты от чрезмерного нагрева строительной части реакторного отделения при работе ядерного реактора. Благодаря исполнению элементов конструкции корпуса из бетонов с заданными свойствами и особенностям исполнения системы охлаждения при эксплуатации ядерного реактора обеспечивается оптимальный температурный режим упомянутых элементов корпуса реактора и защита строительной части АЭС от чрезмерного нагрева (т.е. свыше допускаемой температуры, например, 60°С), что расширяет функциональные возможности корпуса и, в конечном счете, повышает надежность. Также функциональные возможности устройства расширяются благодаря возможности обеспечения предварительного разогрева элементов резервуара, контактирующих с теплоносителем.
В варианте выполнения металлобетонный корпус в качестве первого теплоизоляционного жаростойкого армированного бетона содержит теплоизоляционный жаростойкий армированный бетон с теплопроводностью , в качестве второго теплоизоляционного жаростойкого армированного бетона содержит теплоизоляционный жаростойкий армированный бетон с теплопроводностью , в качестве теплопроводящего жаростойкого армированного бетона содержит теплопроводящий жаростойкий армированный бетон с теплопроводностью .
Вместе с этим в перекрытии и стенке стакана выполнены отверстия для герметичных проходок.
Технический результат использования изобретения состоит в расширении функциональных возможностей корпуса ядерного реактора.
На фиг. 1 схематично показан металлобетонный корпус ядерного реактора с жидкометаллическим теплоносителем, общий вид, продольный разрез; на фиг. 2 - трубопроводы системы охлаждения, поперечный разрез по А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - схема расположения используемых видов бетона в металлобетонном корпусе реакторной установки (позиции на схеме соответствуют номерам видов бетона по тексту).
В варианте осуществления изобретения металлобетонный корпус используется для реакторной установки с реактором на быстрых нейтронах и свинцовым теплоносителем. Металлобетонный корпус включает металлобетонный несущий стакан 1 с днищем 2 и герметичным перекрытием 3 внутренней полости «а» стакана. Перекрытие полости «а» снабжено комплектом поворотных пробок (на чертеже не показано). В перекрытии 3 и стенке стакана выполнены соответствующие отверстия для герметичных проходок (на чертеже не показано) под основное оборудование ядерного реактора (в частности, для главного и вспомогательного циркуляционных насосов, циркуляционных трубопроводов, теплообменников расхолаживания, массообменных аппаратов, фильтров). Стакан выполнен в виде двустенной цилиндрической металлоконструкции, заполненной теплоизоляционным жаростойким армированным бетоном 4, и установлен посредством подстилающей бетонной прослойки 5 из теплоизоляционного жаростойкого армированного бетона, идентичного бетону 4, на фундаментной плите 6 строительной части реакторного отделения внутри ограждающей конструкции 7, заполненной теплоизоляционным жаростойким армированным бетоном 8, прочность и теплопроводность которого ниже, чем у бетона 4. Ограждающая конструкция 7 выступает (выдается вверх) над стаканом, перекрывая его, и охватывает стакан с радиальным зазором с образованием полости «b». В полости «b» с наружной стороны стакана выполнен кольцевой опорный элемент (площадка) 9 с образованием над ним объема для размещения оборудования реакторной установки (на чертеже не показано). При этом объем под кольцевым элементом 9 заполнен теплоизоляционным жаростойким армированным бетоном, идентичным бетону 4. В варианте выполнения в стенке стакана выполнены отверстия для герметичных проходок циркуляционных трубопроводов (на чертеже не показано). Ограждающая конструкция 7 установлена на фундаментной плите 6 с радиальным зазором относительно строительной шахты 10 реакторного отделения. Во внутренней полости «а» стакана 1 на днище 2 выполнена монолитная конструкция 11 из теплопроводящего жаростойкого армированного бетона 12, прочность и теплопроводность которого выше, чем у бетона 4, с образованием резервуара для жидкометаллического (свинцового) теплоносителя. Резервуар снабжен металлической двухслойной оболочкой 13, под которой в бетонном наполнителе установлены трубопроводы 14 системы разогрева конструкции 11 (по существу - системы предварительного разогрева, предшествующего заливке в резервуар свинцового теплоносителя). В качестве материала оболочки могут быть использованы, например, листы двухслойные из стали марок 09Г2С+10Х15Н9С3Б1-Ш по ТУ 09 9550 2-073-00212179-2011. Система разогрева включает коллекторы 15, обеспечивающие равномерное распределение трубопроводов относительно боковых поверхностей и днища оболочки 13 резервуара. В подстилающей бетонной прослойке 5 и в ограждающей конструкции 7 со стороны строительной части реакторного отделения установлены трубопроводы 16 системы охлаждения, предназначенной для защиты от чрезмерного нагрева строительной части реакторного отделения при работе ядерного реактора.
3
3
3
В качестве теплоизоляционного жаростойкого армированного бетона 4 может быть использован, например, жаростойкий армированный бетон на портландцементах для повышенных температур (с ограничениями по минералогическому составу) с повышенной прочностью и средним значением теплопроводности (здесь и ниже имеются в виду значения прочности и теплопроводности по отношению к другим бетонам, используемым в заявляемом устройстве). Класс бетона по сжатию  В15; плотность Д 1400…1500 кг/м; теплопроводность . В качестве теплоизоляционного жаростойкого армированного бетона 8 может быть использован жаростойкий теплоизоляционный армированный бетон с пониженной прочностью и минимальной теплопроводностью. Класс бетона по сжатию  В1,5; плотность Д 600…1000 кг/м; теплопроводность . Благодаря специфическим характеристикам бетона 8 обеспечивается защита от нагрева строительной части реакторного отделения. В качестве теплопроводящего жаростойкого армированного бетона 12 может быть использован жаростойкий армированный бетон плотной структуры с повышенными характеристиками прочности на растяжение и повышенной теплопроводностью. Класс бетона по сжатию  В35…40; плотность Д 2400…2500 кг/м; теплопроводность . Бетон 12 обеспечивает отвод тепла от элементов корпуса, находящихся вблизи активной зоны ядерного реактора. Кроме того, он обеспечивает возможность локализации аварийного пролива теплоносителя в случае разгерметизации оболочки 13.
Использование металлобетонного корпуса ядерного реактора осуществляется следующим образом.
При монтаже корпуса реактора в строительной шахте реакторного отделения АЭС на фундаментной плите 6 (на дне шахты) строительной части предварительно устанавливают трубопроводы 16 системы охлаждения, предназначенной для защиты от чрезмерного нагрева строительной части реакторного отделения при работе ядерного реактора. После этого устанавливают металлоконструкцию днища 2 несущего стакана 1. Под днищем 2 укладывают подстилающую бетонную прослойку 5. На металлоконструкцию днища 2 устанавливают металлобетонный несущий стакан 1. С наружной стороны стакана устанавливают металлоконструкцию кольцевой площадки (опорного элемента) 9. Затем производится монтаж металлической двухслойной оболочки 13 с трубопроводами 14 системы разогрева, монтаж металлоконструкции перекрытия 3 внутренней полости «а» стакана 1 и монтаж металлоконструкции ограждающей конструкции 7 с последующей укладкой бетонного наполнителя монолитной конструкции 11, а также - в упомянутые металлоконструкции корпуса и в зазоры между ними.
При эксплуатации ядерного реактора особенности исполнения металлобетонного корпуса обеспечивают равномерное распределение весовых нагрузок, воспринимаемых несущим стаканом от оборудования ядерного реактора, и передачу их на дно шахты - строительную часть АЭС. Благодаря равномерному распределению трубопроводов 14 системы разогрева конструкции 11 относительно боковых поверхностей и днища оболочки 13 резервуара обеспечивается предварительный разогрев оболочки 13 и элементов конструкции корпуса с высокотемпературной сушкой бетонного наполнителя. Благодаря трубопроводам 16 системы охлаждения обеспечивается охлаждение подстилающей бетонной прослойки 5 и защита от чрезмерного нагрева строительной части реакторного отделения.
Таким образом, благодаря особенности исполнения металлобетонного корпуса изобретение позволяет обеспечить оптимальный температурный режим элементов корпуса реактора и защиту строительной части АЭС от чрезмерного нагрева при работе ядерного реактора, что расширяет функциональные возможности корпуса и, в конечном счете, повышает надежность. Вместе с этим функциональные возможности устройства расширяются благодаря возможности обеспечения предварительного разогрева элементов резервуара, контактирующих с жидкометаллическим теплоносителем.