АКТИВНАЯ ЗОНА ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА
NUCLEAR REACTOR CORE

Область техники
Изобретение относится к области обеспечения безопасной эксплуатации атомных электростанций (АЭС) в различных режимах, включая аварийные, и направлено на предотвращение засорения активной зоны реактора дебрисом.
Предшествующий уровень техники
При работе АЭС в активной зоне ядерного реактора постоянно циркулирует теплоноситель (в водо-водяных реакторах - вода), забирающий тепло из активной зоны и передающий его в дальнейшем на турбину для выработки электроэнергии. В случае аварии на АЭС циркуляция теплоносителя обеспечивает отвод остаточного тепла из активной зоны, что является крайне важным для предотвращения перегрева активной зоны, который может привести к самым тяжелым последствиям. При аварии с потерей теплоносителя под воздействием динамического воздействия струи из разрыва происходит разрушение теплоизоляционных покрытий, покрытий стен, других строительных и металлических конструкций. В результате образуется дебрис, в который включается также дебрис, постоянно присутствующий в помещениях контайнмента (латентный дебрис).
Этот дебрис потоком теплоносителя, вытекающего из разрыва, доставляется в приямок (бак-приямок). Из баков-приямков теплоноситель насосами систем аварийного охлаждения активной зоны (САОЗ) подается обратно в активную зону. Поскольку теплоноситель загрязнен, перед насосами САОЗ установлены фильтры, однако часть дебриса проникает через фильтры и, следовательно, может попасть в активную зону реактора. Особенно опасен волокнистый дебрис, который может задерживаться в узких местах и блокировать расход теплоносителя, приводя к перегреву стенок тепловыделяющих элементов (твэлов) в местах такой блокировки. Наиболее вероятным местом застревания дебриса и, соответственно, блокировки расхода теплоносителя являются дистанцирующие решетки тепловыделяющих сборок.
Для решения этой проблемы предлагались различные технические решения.
Известен модульный радиальный нейтронный рефлектор (US 8615065, опубл. 28.04.2011), расположенный в активной зоне ядерного реактора и имеющий структуру, которая соответствует внутренней структуре активной зоны и контактирует с ней по всей ее длине, рефлектор неподвижно соединен с внутренней поверхностью активной зоны множеством креплений.
Наиболее близким к заявленному изобретению по достигаемому техническому результату и функциональному назначению является ядерный реактор с активной зоной (Technical evaluation report of in-vessel debris effects, WCAP-17788-NP, Enclosure December 2019, Volume 1, Revision 1), в которой вертикально установлены тепловыделяющие сборки, скрепленные дистанцирующими решетками, и вертикальными каналами, выполненными по окружности активной зоны с возможностью протекания по ним теплоносителя и соединенными с активной зоной горизонтальными каналами с возможностью его подачи в активную зону.
Недостатком этих решений является возможность накопления дебриса, принесенного потоком теплоносителя, у дистанцирующих решеток с последующей блокировкой дебрисом потока теплоносителя, что может привести к перегреву активной зоны и тяжелой аварии.
Раскрытие изобретения
Задачей заявленного изобретения является создание ядерного реактора с активной зоной повышенной безопасности за счет обеспечения ее охлаждения в аварийных режимах.
Техническим результатом заявленного изобретения является повышение безопасности эксплуатации ядерного реактора за счет обеспечения охлаждения его активной зоны в аварийных режимах.
Технический результат достигается тем, что в известном ядерном реакторе, содержащем активную зону, ограниченную верхней и нижней плитами, с установленными в ней вертикально тепловыделяющими сборками, состоящими из тепловыделяющих элементов, скрепленных дистанцирующими решетками, вертикальные каналы, выполненные по окружности активной зоны с возможностью протекания по ним теплоносителя через верхнюю и нижнюю плиту и соединенные с активной зоной горизонтальными каналами с возможностью его подачи в активную зону что каждой дистанцирующей решетке, примыкающей к вертикальным каналам, соответствует не менее одного горизонтального канала, каждый из которых установлен в непосредственной близости от дистанцирующей решетки выше или ниже нее.
Предпочтительно снабдить одну часть вертикальных каналов фильтрующими решетками в части, проходящей через верхнюю плиту, а другая часть - в части, проходящей через нижнюю плиту, при этом характерный размер ячейки живого сечения фильтрующих решеток выполнить равным таковому у дистанцирующих решеток.
Целесообразно расположить горизонтальные каналы, соединяющие активную зону с вертикальными каналами, снабженными фильтрующей решеткой в части, проходящей через верхнюю плиту, выше дистанцирующих решеток, а горизонтальные каналы, соединяющие активную зону с вертикальными каналами, снаюженными фильтрующей решеткой в части, проходящей через нижнюю плиту, - ниже дистанцирующих решеток.
Краткое описание фигур чертежей
На фиг. 1 изображена активная зона ядерного реактора согласно заявленному изобретению.
На фиг. 2 изображена работа активной зоны ядерного реактора при блокировке ряда дистанцирующих решеток дебрисом.
На фиг. 3 изображена работа активной зоны ядерного реактора при блокировке ряда дистанцирующих решеток дебрисом при обратном направлении течения теплоносителя.
На фиг. 4 изображена активная зона ядерного реактора с фильтрующими решетками во входных и выходных отверстиях вертикальных каналов.
На фиг. 5 изображена работа активной зоны ядерного реактора с фильтрующими решетками во входных и выходных отверстиях вертикальных каналов при блокировке ряда дистанцирующих решеток дебрисом.
На фиг. 6 изображена работа активной зоны ядерного реактора с фильтрующими решетками во входных и выходных отверстиях вертикальных каналов при блокировке нескольких рядов дистанцирующих решеток дебрисом.
Варианты осуществления изобретения
Ядерный реактор в предпочтительном варианте содержит активную зону 1, в которой вертикально установлены тепловыделяющие сборки 2, на разных уровнях скрепленные дистанцирующими решетками 3. Активная зона 1 ограничена верхней плитой 4 и нижней плитой 5 соответственно сверху и снизу. Обе плиты 4 и 5 приспособлены в числе прочего для установки и фиксации тепловыделяющих сборок 2, а также вертикальных каналов 7, образованных в предпочтительном варианте в корпусе выгородки 6. В верхней 4 и нижней 5 плитах выполнены соответственно верхние 9 и нижние 8 отверстия, обеспечивающие возможность подачи теплоносителя в вертикальные каналы 7 и отвода ее из них. В стенке, отделяющей вертикальные каналы 7 от активной зоны 1, в непосредственной близости от дистанцирующих решеток 3 выполнены каналы 10, обеспечивающие подачу теплоносителя из вертикальных каналов 7 в активную зону 1, либо в некоторых вариантах изобретения - наоборот: из активной зоны 1 в вертикальные каналы 7. Во входных 8 либо выходных 9 отверстиях некоторых вертикальных каналов 7 установлены фильтрующие решетки 11 с характерным размером ячейки живого сечения таким же, как у дистанцирующих решеток 3 активной зоны 1.
Работа ядерной реактора с активной зоной 1 в аварийных режимах может происходить различным образом в зависимости от варианта исполнения. В первом варианте, показанном на фиг. 1, часть горизонтальных каналов 7 выполнена в непосредственной близости от дистанцирующих решеток 3, примыкающих к вертикальному каналу 7, несколько выше их, а часть - несколько ниже. В случае полной блокировки дебрисом какой-либо из дистанцирующих решеток 3, либо даже целого ряда дистанцирующих решеток 3, как показано на фиг. 2, теплоноситель будет протекать через активную зону, охлаждая ее, до блокированной дистанцирующей решетки 3, после чего уходить по горизонтальным каналам 10 в вертикальный канал 7 в верхнюю камеру реактора, где будет смешиваться с основным потоком, выходящим из активной зоны. Это обеспечит охлаждение активной зоны и тем самым предотвратит неблагоприятное развитие аварийного режима.
Подключение активной зоны под решетками и над решетками к различным горизонтальным каналам 10 выгородки 6 позволяет упорядочить подвод и отвод теплоносителя в зависимости от места разрыва. Если разрыв происходит по стороне горячей нитки реакторной установки, то общее движение теплоносителя происходит от САОЗ в холодную нитку, через активную зону 1 и выгородку 6 снизу вверх, и в случае блокировки дебрисом работа активной зоны проходит так, как описано выше. Если же разрыв происходит по стороне холодной нитки, то направление течения через активную зону меняется, поскольку теплоноситель течет в разрыв. Общее движение теплоносителя в этом случае происходит от САОЗ в горячую нитку через активную зону 1 и выгородку 6 сверху вниз, и в случае блокировки дебрисом теплоноситель течет через активную зону 1 до места блокировки и уходит через выгородку 6 в горизонтальные каналы 10, расположенные выше дистанцирующих решеток 3, а через каналы 10, расположенные ниже дистанцирующих решеток 3, происходит восполнение теплоносителя в активной зоне (фиг. 3).
Выгородка 6 в конкретном исполнении представляет собой кольцевой цилиндр, состоящий из колец, скрепленных между собой шпильками и зафиксированных в плане друг относительно друга штифтами. Габариты такой выгородки могут составлять: высота - 4,070 м (по кольцам); диаметр наружный - 3,485 м; масса - 35,8 т. Внутренний контур выгородки 6 выполнен в соответствии с наружным контуром сечения активной зоны 1 с небольшим конструктивным зазором (4 мм) между гранями выгородки 6 и дистанцирующими решетками 3 периферийных тепловыделяющих сборок. Суммарная высота колец выгородки 6 перекрывает всю высоту активной зоны 1, что обеспечивает эффективную защиту корпуса от потока быстрых нейтронов. Кольца выгородки 6 имеют сквозные цилиндрические продольные каналы: 48 каналов диаметром 50 мм, 72 канала диаметром 70 мм, 12 каналов диаметром 40 мм и шесть каналов с трубами диаметром 130/125 мм. На торцевой поверхности верхнего кольца установлены шесть упоров устройства, обеспечивающего в случае обрыва шахты невозможность бокового смещения оборвавшейся части шахты вместе с активной зоной 1, для обеспечения возможности падения органов регулирования системы управления и защиты реактора по сигналу аварийной защиты.
В предпочтительном варианте во входные 8 либо выходные 9 отверстия некоторых вертикальных каналов 7 устанавливаются фильтрующие решетки 11 с характерным размером ячейки живого сечения таким же, как у дистанцирующих решеток 3 активной зоны 1 (фиг. 4).
В этом случае блокировка дистанцирующих решеток 3 и блокировка таких вертикальных каналов 7 будут происходить в одинаковой степени. По мере того, как дистанцирующая решетка 3 будет затесняться дебрисом и ее гидравлическое сопротивление будет расти, расход теплоносителя через нее будет снижаться. При этом аналогичным образом будет затесняться и соответственно увеличивать гидравлическое сопротивление выхода из вертикального канала 7, в выходном отверстии 9 которого установлена фильтрующая решетка 11. Таким образом, перепад давления между вертикальным каналом 7 и активной зоной 1 будет расти, и подача теплоносителя из такого вертикального канала 7 в активную зону 1 по мере увеличения блокировки дистанцирующей решетки 3, как показано на фиг. 5, будет увеличиваться. Аналогичным образом, как показано на фиг. 5, будет происходить и с расходом теплоносителя из-под блокированной дистанцирующей решетки 3 решетки в другой вертикальный канал, выходное отверстие 9 которого свободно, а во входном отверстии 8 может быть установлена фильтрующая решетка 11. Такое решение позволит обеспечить наиболее эффективное охлаждение активной зоны 1 даже при блокировке целого ряда дистанцирующих решеток 3, как показано на фиг. 5, либо при блокировке нескольких рядов дистанцирующих решеток 3, как показано на фиг. 6. При этом охлаждение будет наиболее эффективным в том случае, если горизонтальные каналы 10, соединяющие активную зону с вертикальными каналами 7 с фильтрующей решеткой 11 в части, проходящей через верхнюю плиту 4, расположены выше дистанцирующих решеток 3, а горизонтальные каналы 10, соединяющие активную зону с вертикальными каналами 7 с фильтрующей решеткой 11 в части, проходящей через нижнюю плиту 5, - ниже дистанцирующих решеток 3, как показано на фиг. 6. Также наиболее эффективным представляется охлаждение активной зоны 1 при поочередном расположении вертикальных каналов 7 с верхним и нижним расположением фильтрующих элементов 11.
Промышленная применимость
Ядерный реактор с активной зоной, снабженной горизонтальными каналами в непосредственной близости от дистанцирующих решеток, обладает повышенной безопасностью в аварийных режимах и может быть применен в атомных электростанциях различного типа с жидким теплоносителем.