Активная зона ядерного реактора
NUCLEAR REACTOR ACTIVE ZONE

Изобретение относится к области ядерной энергетики и может быть использовано в реакторах с прямым преобразованием тепловой энергии в электрическую за пределами активной зоны, в частности, с термофотоэлектрическим.
Известна активная зона с тепловыми трубами [Заявка на изобретение США «Мобильный быстрый реактор, охлаждаемый тепловыми трубами» US №2016/0027536 А1, опубликована 22.01.2016].
2
Активная зона реактора по указанной заявке содержит массивы стержневых тепловыделяющих элементов и тепловых труб, заключенных в металлический блок. Тепловыделяющие элементы содержат ядерное топливо, верхний и нижний отражатели нейтронов и газовые полости, расположенные выше и ниже отражателей. Тепловые трубы содержат герметичный корпус, заполненный испаряющимся теплоносителем, и фитиль. Тепловые трубы расположены так, чтобы передавать тепло за пределы активной зоны газообразному теплоносителю - рабочему телу газовой турбины (воздух, или СО). Максимальная температура рабочего тела (воздух) на входе в турбину около 1100 К.
Недостатком указанного технического решения является относительно низкая температура теплоносителя на выходе из активной зоны, не позволяющая использовать прямое преобразование тепловой энергии в электрическую.
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому техническому решению является активная зона быстрого реактора SAIRS [M.S. El-Genk, J-M.P. Tournier, "SAIRS" - Scalable AMTEC Integrated Reactor Space Power System// Progress in Nuclear Energy, Vol. 45, No. l, pp. 25-34, 2004].
Активная зона включает 60 модулей, состоящих из тепловой трубы и 3-х тепловыделяющих элементов. Модули расположены вплотную друг к другу и образуют треугольную упаковку. Оболочки тепловыделяющих элементов припаяны к корпусу тепловой трубы через рениевые трехгранные вкладыши, передающие тепло к тепловой трубе за счет теплопроводности. Каждый тепловыделяющий элемент имеет газовую полость с одного конца. В качестве топлива используются таблетки нитрида урана с обогащением 83,7%.
Недостатком этого технического решения является относительно низкая температура теплоносителя (1200 К) на выходе из активной зоны, что не позволяет эффективно использовать термоэлектрические, термоэмиссионные и термофотоэлектрические преобразователи энергии.
Задача изобретения состоит в исключении указанного недостатка, а именно, в повышении температуры теплоносителя на выходе из активной зоны.
Технический результат - повышение коэффициента полезного действия ядерных энергетических установок и расширение области применения активной зоны, в частности, для реакторов с термофотоэлектрическим преобразованием энергии.
Для исключения указанного недостатка в активной зоне ядерного реактора, включающей автономные модули, тепловыделяющие элементы и тепловые трубы, предлагается:
- активную зону ядерного реактора дополнительно снабдить твердым замедлителем нейтронов с отверстиями;
- модули активной зоны снабдить корпусами и расположить в отверстиях твердого замедлителя нейтронов;
- тепловые трубы и тепловыделяющие элементы расположить внутри корпусов модулей;
- тепловыделяющий элемент выполнить из ядерного топлива, расположенного в зоне испарения тепловой трубы вокруг ее корпуса в тепловом контакте с ним, и заключенного в оболочку;
- в пространстве между оболочкой тепловыделяющего элемента и корпусом модуля поместить теплоизоляцию;
- пространство между модулями и твердым замедлителем нейтронов дополнительно заполнить жидким замедлителем нейтронов.
В частных случаях исполнения активной зоны ядерного реактора предлагается:
- во-первых, в корпусе модуля создать вакуум;
- во-вторых, в другом частном случае, заполнить модуль инертным газом с низкой теплопроводностью, например, ксеноном;
- в-третьих, в качестве жидкого замедлителя нейтронов использовать воду;
- в-четвертых, в другом частном случае, в качестве жидкого замедлителя нейтронов использовать жидкость не замерзающую, по крайней мере до -40°С, например, водный раствор спирта;
- в-пятых, качестве теплоносителя тепловой трубы использовать легкоплавкие металлы с высокой температурой кипения, например, литий, кальций, свинец, серебро.
Сущность изобретения поясняется на чертежах, где на фиг. 1 представлено поперечное сечение одного из вариантов исполнения активной зоны ядерного реактора, на фиг. 2 - продольный разрез одного из вариантов исполнения модуля активной зоны ядерного реактора, на фиг.3 - поперечное сечение одного из вариантов исполнения модуля активной зоны ядерного реактора. На фигурах приняты следующие позиционные обозначения: 1 - корпус модуля; 2 - корпус тепловой трубы; 3 - оболочка тепловыделяющего элемента; 4 - твердый замедлитель нейтронов; 5 - теплоизоляция; 6 - фитиль тепловой трубы; 7 -чехол твердого замедлителя; 8 - ядерное топливо.
Сущность изобретения состоит в следующем.
Активная зона ядерного реактора, включает по меньшей мере один модуль активной зоны, твердый замедлитель 4 нейтронов и жидкий замедлитель нейтронов.
Модуль активной зоны содержит по меньшей мере одну тепловую трубу, по меньшей мере один тепловыделяющий элемент и теплоизоляцию 5.
Модуль активной зоны выполнен в виде корпуса 1 из слабо поглощающего нейтроны материала, например, циркониевого сплава. В частном случае исполнения в корпусе 1 модуля активной зоны создан вакуум. В другом частном случае он заполнен инертным газом, имеющим низкую теплопроводность, например, ксеноном.
Вакуум или инертный газ обеспечивают защиту от коррозии материалов корпуса 1 модуля активной зоны, корпуса 2 тепловой трубы и теплоизоляции 5.
Тепловая труба выполнена в виде корпуса 2, снабженного фитилем 6, и содержит теплоноситель - легкоплавкий металл с высокой температурой кипения.
В частных случаях исполнения в качестве теплоносителя тепловой трубы используют литий, кальций, свинец, серебро.
Корпус 2 и фитиль 6 тепловой трубы изготовлены из тугоплавкого материала, например, молибдена.
Тепловая труба предназначена для отвода тепла, образующегося в тепловыделяющих элементах, за пределы активной зоны ядерного реактора.
Тепловыделяющий элемент выполнен из ядерного топлива 8, расположенного в зоне испарения тепловой трубы вокруг ее корпуса 2 в тепловом контакте с ним, и заключенного в оболочку 3;
Оболочка 3 тепловыделяющего элемента выполнена из тугоплавкого материала, например, молибдена.
В качестве делящегося материала ядерного топлива 8 используются изотопы урана или плутония в виде оксидов, нитридов, карбидов с содержанием делящегося изотопа не более 20%.
Назначение тепловыделяющих элементов - получение тепла за счет ядерных реакций, протекающих в ядерном топливе 8.
Теплоизоляция 5 помещена внутри модуля активной зоны между его корпусом 1 и оболочкой 3 тепловыделяющего элемента. Теплоизоляция 5 выполнена в виде многослойного теплового экрана из фольги тугоплавких металлов, например, молибдена.
Назначение теплоизоляции 5 - предотвращение утечки тепла через корпус 1 модуля активной зоны в жидкий замедлитель нейтронов.
Твердый замедлитель 4 нейтронов выполнен из замедляющего нейтроны материала, например, бериллия, в виде цилиндра или многогранника с отверстиями. Весь замедляющий нейтроны материал заключен в чехол 7 твердого замедлителя 4. В отверстиях твердого замедлителя 4 нейтронов помещены модули активной зоны. Пространство между модулями активной зоны и твердым замедлителем 4 нейтронов заполнено жидким замедлителем нейтронов.
В частных случаях в качестве жидкого замедлителя нейтронов используют воду или жидкости не замерзающие при понижении температуры по меньшей мере до минус 40°С, например, растворы спиртов.
Твердый замедлитель 4 нейтронов и жидкий замедлитель предназначены для получения теплового спектра нейтронов. Кроме того, жидкий замедлитель нейтронов выполняет функцию теплоносителя, охлаждающего твердый замедлитель 4 нейтронов и корпус 1 модуля.
Чехол 7 твердого замедлителя предназначен для защиты твердого замедлителя 4 нейтронов от коррозионного воздействия жидкого замедлителя нейтронов.
Активная зона ядерного реактора работает следующим образом.
В ядерном топливе 8 тепловыделяющих элементов происходит реакция деления с выделением тепла. Образующееся тепло передается через корпус 2 тепловой трубы к теплоносителю, заполняющему фитиль 6 тепловой трубы. Теплоноситель испаряется из фитиля 6, пар теплоносителя заполняет внутреннее пространство корпуса 2 тепловой трубы, уносит теплоту парообразования за пределы активной зоны ядерного реактора к преобразователю энергии, конденсируется там и возвращается по фитилю 6 в зону испарения тепловой трубы. Перенос тепла испаряющимся теплоносителем происходит практически без перепада температуры между источником тепла и его потребителем, что позволяет получить относительно высокую (1500-1800 К) температуру теплоносителя не только на выходе из активной зоны ядерного реактора, но и на входе в преобразователи энергии. Это обеспечивает более высокий коэффициент полезного действия ядерной энергетической установки и расширяет область применения таких установок.
Твердый замедлитель 4 нейтронов совместно с жидким замедлителем нейтронов обеспечивают возможность ядерной реакции деления на тепловых нейтронах в низкообогащенном ядерном топливе 8. Жидкий замедлитель нейтронов дополняет функцию твердого замедлителя 4 и выполняет также функцию теплоносителя, охлаждающего твердый замедлитель 4 нейтронов.
Благодаря теплоизоляции 5 утечки тепла через корпус модуля 1 сводятся к минимуму, поэтому жидкий замедлитель нейтронов имеет низкую температуру. Это позволяет использовать в качестве жидкого замедлителя воду или водные растворы спирта при атмосферном давлении.
Конкретный вариант исполнения активной зоны ядерного реактора.
Твердый замедлитель 4 нейтронов выполнен из нескольких бериллиевых дисков диаметром 760 мм и суммарной высотой около 700 мм с 217 отверстиями диаметром 40 мм. Бериллиевые диски полностью окружены чехлом 7, изготовленным из циркониевого сплава Э110. В отверстиях твердого замедлителя 4 нейтронов размещены модули активной зоны. В качестве жидкого замедлителя нейтронов используется вода. Отверстия в твердом замедлителе 4 нейтронов с модулями расположены по концентрическим окружностям с минимальным расстоянием между центрами модулей 42 мм.
Модуль активной зоны ядерного реактора выполнен в виде цилиндрического корпуса 1 с диаметром около 35 мм и толщиной стенки 1,5 мм, изготовленного из циркониевого сплава Э110. Внутри корпуса 1 модуля расположена тепловая труба.
-1
Корпус 2 тепловой трубы с внешним диаметром около 14 мм, выполнен из молибдена. На внутренней поверхности корпуса 2 тепловой трубы смонтирован фитиль 6 тепловой трубы, изготовленный из двух слоев молибденовой сетки с размером квадратной ячейки около 40 мкм. Фитиль 6 тепловой трубы заполнен жидким литием. Зона испарения тепловой трубы вместе с ядерным топливом 8 заключена в наружную оболочку 3 тепловыделяющего элемента. Между оболочкой 3 тепловыделяющего элемента и корпусом модуля 1 помещена теплоизоляция 5, выполненная в виде многослойного теплового экрана изготовленного из четырех слоев молибденовой и пяти слоев циркониевой фольги. В корпусе 1 модуля создан вакуум с давлением остаточных газов не более 10 Па.
7
Внешняя оболочка 3 тепловыделяющего элемента с наружным диаметром 20 мм и толщиной стенки 1 мм, изготовлена из молибдена, заполнена таблетками ядерного топлива 8 из диоксида урана с обогащением 19,75%. Высота топливного столба около 500 мм. Между топливными таблетками и оболочкой 3 тепловыделяющего элемента создан кольцевой зазор (на рисунке не показан) для отвода газообразных продуктов деления в расположенную над ядерным топливом 8 полость. Общее число тепловыделяющих элементов в активной зоне равно числу модулей. При тепловой мощности активной зоны 1200 кВт средняя мощность одного тепловыделяющего элемента составляет около 5,7 кВт. Расчетная температура внешней оболочки 3 тепловыделяющего элемента составляет 1525 К. В качестве теплоносителя тепловых труб используется Li, в качестве жидкого замедлителя - вода при атмосферном давлении.
Преимущества предлагаемой активной зоны ядерного реактора по сравнению с наиболее близким техническим решением заключаются в повышении температуры теплоносителя на выходе из активной зоны с 1200 К до 1500 К и выше, что приводит к повышению коэффициента полезного действия ядерных энергетических установок. Кроме того, это позволяет расширить область применения активной зоны, в частности, для реакторов с термофотоэлектрическим преобразованием энергии.