Смесительное устройство ядерного реактора

Полезная модель относится к области атомной промышленности, конкретно к конструктивным элементам общего назначения. Смесительное устройство служит для выравнивания теплогидравлических характеристик теплоносителя, поступающим в активную зону по нескольким петлям циркуляции, а также обеспечения равномерности температурного поля на входе в активную зону реактора.
Известна моноблочная конструкция ядерной паропроизводящей установки «IP-200» (Sun, L. Numerical study on coolant flow distribution at the core inlet for an integral pressurized water reactor / L. Sun [e.a.] // Nuclear Engineering and Technology. - 2017. - Vol. 49. - P. 71-81.), в нижней части опускного кольцевого канала которой расположено перемешивающее устройство, в радиальном направлении которой устройство разделено на три канала, в осевом направлении конструкция разделена на четыре отдельных уровня. В данной конструкции теплоноситель на выходе из парогенераторов группируется в четыре независимых потока, каждый из которых занимает свой уровень в перемешивающем устройстве.
Недостатком данной конструкции является то, что основное выравнивание параметров теплоносителя идёт в пределах одного уровня перемешивающей камеры, в результате чего наблюдается неоднородность теплогидравлических характеристик теплоносителя на входе в активную зону. Также недостатком данной конструкции перемешивающего устройства является существенное увеличение гидравлического сопротивления главного циркуляционного контура ядерной паропроизводящей установки.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату к настоящей полезной модели является конструкция перемешивающего устройства для моноблочной ядерной паропроизводящей установки «SMART» (Республика Корея) (Kim, Y. I. CFD simulation for thermal mixing of a SMART flow mixing header assembly / Y.I Kim [e.a.] // Annals of Nuclear Energy. - 2015. - Vol. 85. - P. 357-370.), в нижней части опускного кольцевого канала которой расположено перемешивающее устройство, выполненное из трёх соосно расположенных цилиндрических обечаек. В данной конструкции внутренняя обечайка является сплошной, в промежуточной обечайке выполнены переливные окна, а внешняя обечайка изготавливается из перфорированного листа. Поступление теплоносителя в перемешивающее устройство осуществляется через специальные входные отверстия, расположенные на верхней плите, сразу же после вертикальных парогенераторов. Внутри устройства теплоноситель дополнительно разделяется на более мелкие потоки и проходит через 4 смесительных уровня. Для улучшения перемешивающих свойств конструкции, выход теплоносителя организован через перфорированную боковую поверхность в виде отдельных струй.
Недостатком данной конструкции является то, что большое количество малых выходных отверстий на боковой поверхности приводит к существенному увеличению гидравлического сопротивления первого контура, что требует увеличения напора главных циркуляционных насосов. Также существенное увеличение гидравлического сопротивления первого контура ухудшает условия для естественной циркуляции теплоносителя.
Задачей данной полезной модели является создание более совершенного смесительного устройства ядерного реактора, располагающегося в опускном кольцевом пространстве между выгородкой активной зоны и корпусом ядерной паропроизводящей установки, дающей возможность существенно выровнять теплогидравлические характеристики теплоносителя при невысокой величине гидравлического сопротивления.
Технический результат - более равномерное распределение поля температур и теплогидравлических характеристик потока теплоносителя на входе в активную зону, повышение теплотехнической надежности активной зоны ядерной паропроизводящей установки.
Технический результат достигается тем, что в перемешивающем устройстве, располагающемся в опускном кольцевом пространстве между выгородкой активной зоны и корпусом ядерной паропроизводящей установки, взятым за прототип, и состоящим из трёх соосно ориентированных цилиндрических обечаек, разделенных на 4 уровня по высоте, было сокращено количество цилиндрических обечаек до двух перфорированных, а также, с целью снижения гидравлического сопротивления, исключено разделение на уровни по высоте, взамен этого, для образования крупномасштабного долгоживущего вихря и уменьшения гидравлического сопротивления первого контура, поперёк зазора, в отверстиях перфорции обечаек закрепляются перемешивающие элементы, выполненные в виде плохо обтекаемых тел с квадратным поперечным сечением, способствующие созданию крупных вихрей в канале и расположенные в пяти уровнях по оси перемешивающего устройства, кроме того для увеличения интенсивности вихреобразования в камере данной конструкции каждый уровень перемешивающих элементов повернут относительно предыдущего.
Сущность технического решения полным образом поясняется чертежами, где
на фиг. 1 - общий вид перемешивающего устройства опускного канала ядерного реактора;
на фиг. 2 - продольный разрез перемешивающего устройства опускного канала ядерного реактора;
на фиг. 3 - сечение конструкции по верхнему уровню перемешивающих элементов;
на фиг. 4 - обтекание потоком перемешивающего элемента.
Смесительное устройство опускного канала ядерного реактора, общий вид которого изображен на (фиг. 1) представляет собой две соосные перфорированные цилиндрические обечайки (1), (2), которые соединяются в единую конструкцию при помощи специальных элементов (3), выполняющих функции крепления двух обечаек и перемешивания потока теплоносителя, закреплённых в специально выполненных отверстиях обечаек (4) и (5), образуя смесительный канал (6). Для увеличения жёсткости смесительного устройства сверху на торец конструкции устанавливается верхняя плита (7). Благодаря отверстиям верхней плиты (8) внутрь смесительного устройства поступает теплоноситель, двигаясь от парогенерирующих секций к активной зоне.
На (фиг. 2) представлено продольное сечение смесительного устройства по главной оси симметрии. Специальные перемешивающие элементы (3) расположены в 5 плоскостях по высоте конструкции, каждый уровень состоит из восьми, равномерно расположенных по окружности, вихреобразователей квадратного сечения.
На (фиг. 3) представлено сечение А-А, которое даёт представление о повороте плоскостей вихреобразователей (9), (10), (11) относительно друг друга. Такое решение даёт возможность уменьшить число вихреобразователей в одном уровне до восьми с выбранным углом установки в сорок пять градусов, уменьшив гидравлическое сопротивление смесителя, при этом поворот каждой последующей плоскости на пятнадцать градусов относительно предыдущей позволяет сохранить интенсивность вихреобразования на высоком уровне и увеличить количество вихреобразующих препятствий на пути теплоносителя.
Отказ от большого количества отверстий малого размера для разбития потока теплоносителя на струи, позволяет сократить гидравлическое сопротивление конструкции смесителя, а в качестве таких генераторов вихрей выступают перемешивающие элементы в количестве сорока штук. В поперечном сечении специальный перемешивающий элемент имеет форму квадрата (3) (фиг. 4). Выбор данной формы обусловлен плохой обтекаемостью набегающим теплоносителем, в результате чего происходит срыв потока, и образуются крупные турбулентные вихри (12).