СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ЯДЕРНЫМ РЕАКТОРОМ И АКТИВНАЯ ЗОНА ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА
METHOD OF CONTROLLING NUCLEAR REACTOR AND NUCLEAR REACTOR CORE

Ссылка на связанные заявки
Датой приоритета для данной заявки является 13.05.2011 (дата подачи предварительной патентной заявки США №61/485,656, содержание которой полностью включено в данное описание посредством ссылки).
Область техники
Изобретение относится к способу и агрегату для управления ядерным реактором и, более конкретно, к способу и агрегату для управления ядерным реактором с жидким замедлителем.
Уровень техники
Ядерные реакторы, использующие обычные системы управления, обладают несколькими недостатками. Такие реакторы используют постоянные настройки в отношении количества материала, поглощающего нейтроны (поглотителя нейтронов) в активной зоне реактора, и имеют пониженный коэффициент преобразования топлива в связи с поглощением избыточного количества нейтронов. Кроме того, реакторы, применяющие известные системы управления, не обеспечивают относительно широкий диапазон управления реактивностью и поэтому используют топливо с относительно узким диапазоном содержания делящегося материала. Далее, реакторы, применяющие известные системы управления, требуют частых перезагрузок топлива, не используют значительную долю энергетического потенциала топлива и производят относительно большие количества радиоактивных отходов в расчете на 1 кВт выработанной энергии.
Попытка решить некоторые из названных проблем была сделана при разработке способа управления канадскими ядерными реакторами CANDU (Canada Deuterium Uranium). Однако реактор CANDU использовал регулирующие стержни, которые поглощали чрезмерное количество нейтронов, что не позволило создать систему управления, обеспечивающую адекватное преодоление недостатков известной технологии.
Раскрытие изобретения
Изобретение направлено на преодоление одного или более из отмеченных и/или других недостатков, свойственных уровню техники.
В соответствии с одним своим аспектом изобретение направлено на создание способа управления ядерным реактором. Способ по изобретению включает формирование в активной зоне ядерного реактора зоны замедлителя, помещение в зону замедлителя топлива и обеспечение наличия одного или более корпусов, примыкающих к топливу, причем в каждом корпусе имеется полость. Способ включает также обеспечение возможности движения замедлителя между зоной замедлителя и полостью одного или более корпусов в нижней части одного или более корпусов и помещение замедлителя в полости одного или более корпусов в верхней части одного или более корпусов.
Согласно другому своему аспекту изобретение направлено на создание активной зоны ядерного реактора. Активная зона ядерного реактора содержит зону замедлителя, топливо, находящееся в зоне замедлителя, и один или более корпусов, смежных с топливом. В каждом корпусе имеется полость. Нижняя часть каждого корпуса открыта для движения замедлителя между зоной замедлителя и полостью, а верхняя часть каждого корпуса закрыта для предотвращения движения замедлителя между зоной замедлителя и полостью.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 представлена схема примера предлагаемой системы ядерного реактора.
На фиг.2 представлен, на виде в плане, первый вариант реактора системы по фиг.1.
На фиг.2А представлена, на виде в плане, модификация реактора по фиг.1.
На фиг.3 реактор по фиг.2 показан в сечении плоскостью А-А (см. фиг.2).
На фиг.3А показан, в сечении плоскостью А-А, модифицированный вариант реактора по фиг.2.
На фиг.4 схематично иллюстрируется пример расположения топливных трубок в реакторе.
На фиг.5 топливные трубки, представленные на фиг.4, показаны на виде сбоку.
На фиг.6 схематично иллюстрируется другой пример расположения топливных трубок в реакторе.
На фиг.7 реактор по фиг.3 показан в сечении плоскостью В-В (см. фиг.3).
На фиг.8 в увеличенном масштабе представлен вариант сборки контролирующих полостей реактора.
На фиг.8А в увеличенном масштабе представлен второй вариант сборки контролирующих полостей реактора.
На фиг.8В второй вариант сборки контролирующих полостей реактора представлен в еще более увеличенном масштабе.
На фиг.8С схематично, в перспективном изображении представлен пример сборки контролирующих полостей реактора.
На фиг.8D схематично, в перспективном изображении представлен другой пример сборки контролирующих полостей реактора.
На фиг.9 представлен, в сечении, второй вариант реактора.
На фиг.10 реактор по фиг.9 представлен на виде сбоку.
На фиг.11 подробно проиллюстрирован вариант сборки контролирующих полостей реактора по фиг.9.
На фиг.12А представлен, на виде в плане, третий вариант реактора.
На фиг.12В третий вариант реактора показан на виде сбоку.
На фиг.12С часть третьего варианта реактора показана в перспективном изображении.
На фиг.12D схематично показана часть третьего варианта реактора.
На фиг.12Е приведена другая схематичная иллюстрация части третьего варианта реактора.
На фиг.12F приведена еще одна схематичная иллюстрация части третьего варианта реактора.
На фиг.12G приведено другое перспективное изображение части третьего варианта реактора.
На фиг.12Н представлен, на виде в плане, четвертый вариант реактора.
На фиг.12I четвертый вариант реактора схематично представлен в сечении.
На фиг.12J часть четвертого варианта реактора схематично представлена на видах в плане и в сечении.
На фиг.12K представлен схематичный вид, в сечении, части четвертого варианта реактора.
На фиг.12L представлены схематичные виды, в плане и в сечении, части четвертого варианта реактора.
На фиг.12М также представлены схематичные виды, в плане и в сечении, части четвертого варианта реактора.
На фиг.12N представлен еще один схематичный вид, в сечении, четвертого варианта реактора.
На фиг.13 приведена схематичная иллюстрация примера подсистемы охлаждения реактора.
На фиг.14 представлен, в сечении, канал подсистемы хладагента реактора.
На фиг.15 показан, в сечении плоскостью С-С (см. фиг.20), фрагмент подсистемы управления реактором.
На фиг.16 схематично проиллюстрирован первый вариант вспомогательной подсистемы охлаждения.
На фиг.17 схематично проиллюстрирован второй вариант вспомогательной подсистемы охлаждения.
На фиг.18 второй вариант вспомогательной подсистемы охлаждения по фиг.17 показан на виде в плане.
На фиг.19 схематично проиллюстрирован третий вариант вспомогательной подсистемы охлаждения.
На фиг.20 приведена схематичная иллюстрация примера подсистемы управления реактором.
Осуществление изобретения
Фиг.1 иллюстрирует, в качестве примера, систему 5 ядерного реактора для генерирования энергии посредством ядерной реакции. Система 5 ядерного реактора может содержать подсистему 10 генерации энергии и реактор 15. Реактор 15 может снабжать энергией, выделяющейся при ядерной реакции, подсистему 10 генерации энергии. Система 5 ядерного реактора может также содержать теплообменник 20, подсистему 25 охлаждения реактора и насосную подсистему 30. Подсистема 25 охлаждения реактора может облегчать теплообмен между реактором 15 и теплообменником 20, а насосная подсистема 30 может повышать давление в подсистеме 25 охлаждения реактора. Система 5 ядерного реактора может также содержать вспомогательную подсистему 35 охлаждения и подсистему 40 управления реактором. Вспомогательная подсистема 35 охлаждения может обеспечивать дополнительный теплоперенос от реактора 15, а подсистема 40 управления реактором может управлять его функционированием.
2
Подсистема 10 генерации энергии может содержать одну или более турбин 45, один или более приводных блоков 50, один или более генераторов 55, подсистему 60 охлаждения турбины и паровую подсистему 65 турбины. Турбина 45 может приводить в действие генератор 55 через приводной блок 50. Паровая подсистема 65 турбины может переносить воду (HO) и водяной пар между турбиной 45 и подсистемой 60 охлаждения турбины.
Турбиной 45 может быть турбина любого типа, пригодная для использования с ядерным реактором, например паровая турбина. Турбина 45 может преобразовывать водяной пар высокого давления, который подается паровой подсистемой 65 турбины, в механическую энергию. Например, турбина 45 может содержать множество элементов, установленных на валу, имеющем возможность вращения. Пар высокого давления может входить в турбину 45 и проходить между установленными на валу элементами. В результате кинетическая энергия пара заставляет указанные элементы вращать вал. Турбина 45 может содержать один или более последовательно установленных цилиндров высокого давления, за которыми следуют один или более цилиндров низкого давления. Водяной пар может входить в каждый цилиндр у его центральной части и расширяться, последовательно проходя через серию этих цилиндров, тем самым приводя во вращение элементы, установленные на валу турбины 45. Турбина 45 может содержать стационарные (статорные) элементы, которые направляют поток водяного пара в турбине 45. Турбина 45 может содержать также дополнительные системы, например систему гидравлических управляющих клапанов (использующую работающие на масле клапаны, чтобы регулировать поток водяного пара); смазочную систему для смазки подшипников, в которых установлены цилиндры, и сепаратор влаги для удаления влаги из водяного пара, вышедшего из цилиндров высокого давления, до его подачи в цилиндры низкого давления.
Приводной блок 50 может иметь любую конструкцию, подходящую для переноса механической энергии от турбины 45 к генератору 55, например представлять собой узел приводного вала. Приводной блок 50 может функционально связывать вращающийся вал турбины 45 с генератором 55, чтобы кинетическая энергия водяного пара, падающего на установленные на валу турбины 45 элементы, могла быть передана, в форме механической энергии, через приводной блок 50 генератору 55.
Генератором 55 может быть генератор любого типа, пригодный для применения с ядерным реактором, например электрический генератор. Генератор 55 может, в частности, содержать магнит и проволочные обмотки для получения электричества из механической энергии, подводимой приводным блоком 50. Так, чтобы генерировать электроэнергию, приводной блок 50 может вращать магнитный компонент генератора 55. Генератор 55 может генерировать переменный ток с любой подходящей частотой, составляющей, например, 50 или 60 Гц. Подсистема 10 генерации энергии может функционировать таким образом, чтобы обеспечить работу одного или более генераторов 55, по существу, на постоянной частоте, равной, например, 50 или 60 Гц.
Подсистемой 60 охлаждения турбины может быть охлаждающая система любого типа, пригодная для применения с ядерным реактором, например система охлаждения, использующая для осуществления теплообмена конденсаторы, градирни и/или принудительную циркуляцию воздуха. Подсистема 60 охлаждения турбины может отводить избыточный водяной пар от турбины 45 и конденсировать его в воду. В дополнение к применению конденсаторов, градирен и/или принудительной циркуляции воздуха с целью конденсации водяного пара в воду, подсистема 60 охлаждения турбины может использовать также доступные объемы воды, пригодные, например, для охлаждения при однократном проходе воды.
Паровая подсистема 65 может иметь любую конструкцию, пригодную для переноса воды и водяного пара между теплообменником 20, турбиной 45 и подсистемой 60 охлаждения турбины. Паровая подсистема может содержать канал 70 (по которому горячий водяной пар переносится от теплообменника 20 к турбине 45); канал 75 (по которому избыточный или отработанный водяной пар переносится от турбины 45 к подсистеме 60 охлаждения турбины) и канал 80 (по которому относительно холодная вода переносится от подсистемы 60 охлаждения турбины к теплообменнику 20). Каналами 70, 75 и 80 могут быть любые каналы, пригодные для переноса водяного пара и воды, например стальные трубы.
В дополнение к производству водяного пара, подаваемого к турбинам для генерирования энергии, система 5 ядерного реактора может также вырабатывать водяной пар для любой другой цели, для которой может быть полезен водяной пар. В частности, система 5 ядерного реактора может использовать конфигурации, в которых водяной пар после его использования не возвращается в систему и/или в которых вода поступает в систему от источника, который отличается от паровой подсистемы 65 турбины. Например, система 5 ядерного реактора может вырабатывать водяной пар для использования в гибридном процессе добычи нефти и производства геотермальной энергии.
Теплообменником 20 может быть теплообменник любого типа, пригодный для переноса тепловой энергии между подсистемой 10 генерации энергии и реактором 15. Например, теплообменник 20 может содержать один или более парогенераторов, использующих множество труб, по которым течет горячий хладагент реактора (именуемый также, для краткости, хладагентом) подсистемы 25 охлаждения реактора. Каждый парогенератор может содержать, например, тысячи труб для приема горячего хладагента. В частности, каждый парогенератор может содержать от 3000 до 16000 таких труб. Горячий хладагент, текущий по трубам парогенератора, может нагревать воду, подаваемую в теплообменник 20 паровой подсистемой 65 турбины, до кипения. Водяной пар, сгенерированный парогенераторами теплообменника 20, может затем подаваться к турбине 45 через ее паровую подсистему 65. При прохождении через теплообменник 20 хладагент реактора может быть охлажден, а затем возвращен в реактор 15 через подсистему 25 охлаждения реактора.
2
Вода, подводимая к теплообменнику 20 паровой подсистемой 65 турбины, может поступать в его верхнюю часть. Относительно холодная вода может инжектироваться во внутренний объем теплообменника 20 через множество сопел 83 (см. фиг.20), которые могут быть установлены в центральной и/или верхней части теплообменника 20, на его внутренних стенках. Сопла 83 могут быть ориентированы книзу, причем они могут инжектировать холодную воду в кипящую воду, находящуюся в теплообменнике 20. В результате относительно холодная вода может быть смешана с кипящей водой, уже находившейся в теплообменнике 20. Это будет способствовать уменьшению температурного градиента НО, содержащейся внутри теплообменника. В свою очередь, уменьшение температурного градиента позволит теплообменнику 20 производить водяной пар с более высокими температурами. Предусматривается возможность дальнейшего снижения температурного градиента использованием рециркуляционного насоса или комбинации конвекционных течений с вовлечением кипящей воды в направленные вниз потоки относительно холодной воды из сопел 83.
Реактор 15 может быть ядерным реактором любого типа, пригодным для генерирования энергии за счет ядерной реакции, например любым ядерным реактором, использующим жидкий замедлитель. Так, реактор 15 может быть реактором, использующим в качестве теплоносителя и/или замедлителя тяжелую воду, например реактором CANDU. Как показано на фиг.2, реактор 15 может содержать удерживающую конструкцию (защитную оболочку) 85, корпус 90 давления, зону 95 отражателя и активную зону 100 реактора. Защитная оболочка 85 и корпус 90 давления могут охватывать зону 95 отражателя, а активная зона 100 может находиться внутри зоны 95 отражателя.
Защитной оболочкой 85 может быть конструкция любого типа, пригодная для размещения в ней зоны 95 отражателя и активной зоны 100 реактора и для защиты среды, окружающей реактор 15, от радиации и нейтронов, испускаемых реактором 15. Такая защитная оболочка 85 может иметь стенки из усиленного или напряженного бетона, окружающие зону 95 отражателя и активную зону 100 реактора. Стенки защитной оболочки 85 могут иметь любую приемлемую толщину для размещения внутри них зоны 95 отражателя и активной зоны 100 реактора, например составляющую от 1,2 м до 3 м. В защитной оболочке 85 могут иметься отверстия для приема различных элементов подсистемы 25 охлаждения реактора, вспомогательной подсистемы 35 охлаждения или других компонентов системы 5 ядерного реактора. Защитная оболочка 85 может служить опорой, теплоизолятором и барьером для радиации из зоны отражателя и активной зоны. Объем замедлителя в зоне отражателя может, например, просто заполнять нижнюю часть корпуса 90 давления или находиться в отдельных контейнерах, как это будет описано далее.
Корпус 90 давления может иметь любую конструкцию, пригодную для обеспечения повышенного давления в зоне 95 отражателя и активной зоне 100 реактора. Например, корпус 90 давления может быть стальной емкостью, герметизирующей под повышенным давлением указанные зоны. Корпус 90 давления может состоять из одного или более стальных элементов, сконфигурированных и/или соединенных с образованием герметичной емкости. Корпус 90 давления может содержать любой иной подходящий материал, обладающий свойствами, требуемыми для использования в корпусе давления, например стойкостью к возникновению или повышению ломкости и хрупкости. Корпус 90 давления может использоваться, когда зона 95 отражателя и активная зона 100 реактора содержат "горячий замедлитель", который поддерживается при относительно высокой температуре. В корпусе 90 давления могут иметься отверстия для приема различных элементов подсистемы 25 охлаждения реактора, вспомогательной подсистемы 35 охлаждения или других элементов системы 5 ядерного реактора. Отверстия корпуса 90 давления могут быть герметизированы, чтобы обеспечить поддержание давления в зоне 95 отражателя и в активной зоне 100 реактора внутри корпуса 90 давления.
Зона 95 отражателя может содержать объем 105 жидкого замедлителя и зону 110 пара (см. фиг.3). Объем 105 жидкого замедлителя и зону 110 пара может разделять граница 115.
2
2
2
2
Объем 105 жидкого замедлителя может содержать жидкий замедлитель в жидком состоянии, например DO ("тяжелую воду") в жидком состоянии. Объем 105 может содержать DO, который обладает любыми свойствами, необходимыми для замедлителя ядерной реакции. Так, DO в объеме 105 жидкого замедлителя может являться тяжелой водой ядерной чистоты (99,75%). Объем 105 может также содержать в качестве замедлителя HO ("легкую воду") в жидком состоянии. Объем 105 жидкого замедлителя может содержать "горячий замедлитель" (см., например, фиг.2) или "холодный замедлитель" (см., например, фиг.11).
Зона 110 пара может содержать замедлитель из того же материала, что и объем 105, но находящийся в газообразном состоянии. Тепло из активной зоны 100 реактора может нагревать замедлитель в зоне 95 отражателя, так что часть замедлителя будет поддерживаться в газообразном состоянии в зоне 110 пара. Температура газообразного замедлителя в зоне 110 пара может быть примерно такой же, что и температура жидкого замедлителя в объеме 105. Зона 110 пара может заполнять, по существу, всю зону 95 отражателя, если, по существу, весь замедлитель будет нагрет до газообразного состояния. Альтернативно, по существу, всю зону 95 отражателя может занимать объем 105 жидкого замедлителя, если, по существу, весь жидкий замедлитель будет охлажден до жидкого состояния. Объем 105 жидкого замедлителя и зона 110 пара могут разделяться границей 115.
2
2
2
2
Далее, в качестве примеров будут рассмотрены четыре варианта активной зоны реактора: активная зона 100, активная зона 100′, активная зона 100а и активная зона 100b. Когда это целесообразно, различные детали каждого варианта (например,, детали активной зоны 100a, обозначенные с добавлением модификатора "а"), могут комбинироваться с деталями других вариантов. Как будет показано далее, рассматриваемые варианты иллюстрируют широкий диапазон возможных вариантов предложенной системы ядерного реактора. Так, активные зоны 100, 100′, 100a и 100b демонстрируют, что предложенная система ядерного реактора может содержать: как вертикально, так и горизонтально расположенные топливные трубки, как горячий, так и холодный замедлитель в активной зоне реактора; различные ядерные топлива, например уран, плутоний и торий в различных формах, таких как металл, оксид или соли; различные конфигурации массива топливных трубок, включая шестигранные и квадратные; различные типы замедлителя (например, DO и HO); различные основные хладагенты (например, жидкости, такие как DO, HO и жидкие органические вещества; расплавы металлов, таких как натрий и свинец; солевые расплавы и газы, например гелий. Возможны также различные технологии охлаждения замедлителя (например, теплообмен и прямая замена текучей среды). При рассмотрении приводимых далее вариантов специалисту будет понятно, что различные признаки каждого рассматриваемого варианта можно комбинировать, когда это возможно и целесообразно, с признаками любого другого рассматриваемого варианта.
2
В первом варианте активная зона 100 реактора может содержать тепловыделяющую сборку 125 и массив 130 контролирующих полостей. Массив 130 контролирующих полостей может содержать один или более "карманов" с жидким замедлителем и/или с парами замедлителя, примыкающих к тепловыделяющей сборке 125. Топливные трубки 135 могут быть сформированы (как это проиллюстрировано на фиг.4) в виде квадратного в сечении вертикального массива со срезанными углами, а замедлитель и хладагент для топлива может быть тяжелой водой (DO). Замедлитель может охлаждаться за счет теплопроводности частью потока основного хладагента (хладагента для топлива).
Тепловыделяющая сборка 125 может использовать ядерное топливо любого типа, пригодное для использования в ядерной реакции. Так, она может содержать пучки топливных стержней (тепловыделяющих элементов, ТВЭЛов), находящиеся в множестве топливных трубок 135. В частности, тепловыделяющая сборка 125 может содержать сотни топливных трубок 135, например от 100 до примерно 500 таких трубок, которые могут иметь диаметр около 10 см. Каждая топливная трубка может содержать любое подходящее количество, например 12, топливных пучков. Каждый топливный пучок может содержать любое подходящее количество, например 37, топливных стержней. Тепловыделяющая сборка 125 может содержать любое топливо, пригодное для ядерной реакции, например природный уран, обогащенный уран, смешанное оксидное топливо, плутоний, торий и/или различные смеси этих и других материалов. В частности, тепловыделяющая сборка 125 может содержать смешанное топливо уран/плутоний или уран/торий. Тепловыделяющая сборка 125 может содержать топливные трубки 135, расположенные вертикально (например, как это проиллюстрировано на фиг.2). Тепловыделяющая сборка 125 может содержать топливные трубки 135, образующие любую подходящую конфигурацию, например прямоугольную конфигурацию, проиллюстрированную на фиг.4 и 5.
Как показано на фиг.2, массив 130 контролирующих полостей может содержать трехмерную сборку контролирующих полостей 140. Эта сборка может, например, служить корпусом, в котором заключен замедлитель, примыкающий к топливным трубкам 135 тепловыделяющей сборки 125. Как показано на фиг.2, 3 и 7, контролирующие полости 140 могут быть расположены горизонтально по отношению одна к другой, а также образовывать стопы в вертикальном направлении. При этом контролирующие полости 140 могут быть взаимно сдвинуты в массиве 130 контролирующих полостей по вертикали и/или горизонтали. Пример взаимного смещения контролирующих полостей 140 по вертикали представлен на фиг.3. Для удерживания замедлителя у топливных трубок 135 контролирующие полости 140 могут быть расположены в любой подходящей для этого конфигурации.
На фиг.2А и 3А иллюстрируются различные виды реактора 15.
Как показано на фиг.2 и 8, каждая контролирующая полость 140 может содержать конструктивный блок 145 и конический блок 150. Конический блок 150 может удерживать замедлитель в конструктивном блоке 145, который может служить в качестве корпуса, внутри которого находится замедлитель.
Как показано на фиг.2, 3 и 7, конструктивный блок 145 может содержать один или более верхних компонентов 155, один или более боковых компонентов 160, один или более концевых компонентов 165 и один или более промежуточных компонентов 170. Верхний компонент 155, боковые компоненты 160, концевой компонент 165 и промежуточный компонент 170 могут быть выполнены из любых конструкционных материалов, пригодных для создания оболочки для замедлителя, например из циркониевого сплава. Верхний компонент 155, боковые компоненты 160, концевой компонент 165 и промежуточный компонент 170 могут быть прикреплены друг к другу любым приемлемым методом, например сваркой. Альтернативно, перечисленные компоненты могут быть выполнены как части единой конструкции. Верхний компонент 155, боковые компоненты 160, концевой компонент 165 и промежуточный компонент 170 могут иметь любую конструкцию, пригодную для заключения в нее замедлителя, например они могут иметь форму плоских деталей, т.е. плит. Верхний компонент 155 может, например, представлять собой плоский компонент, установленный, по существу, горизонтально над верхней частью контролирующей полости 140 и прикрепленный к, по существу, плоским боковым компонентам 160. Концевые компоненты 165 могут быть прикреплены к концевой части верхнего компонента 155 и к боковым компонентам 160. Верхний компонент 155, боковые компоненты 160 и концевые компоненты 165 могут быть соединены, например, так, чтобы сформировать полость, имеющую перекрытую верхнюю часть и открытую нижнюю часть. Таким образом, верхний компонент 155, боковые компоненты 160 и концевые компоненты 165 способны, по существу, предотвращать вход замедлителя в верхнюю часть контролирующей полости 140 и его выход из этой части, в то же время предоставляя замедлителю возможность входить и выходить из нижней части полости 140. Верхняя часть контролирующей полости 140 может быть образована верхним компонентом 155, верхними частями боковых компонентов 160 и верхними частями концевых компонентов 165. Нижняя часть этой полости может быть образована нижними частями боковых компонентов 160 и концевых компонентов 165.
Один или более промежуточных компонентов 170 могут быть расположены между боковыми компонентами 160 и верхним компонентом 155 и прикреплены к ним. Эти компоненты могут быть расположены по высоте на любом отрезке контролирующей полости 140. Промежуточные компоненты 170 способны, по существу, предотвращать движение замедлителя через контролирующую полость 140 в верхней ее части. Высота концевых компонентов 165 и промежуточных компонентов 170 может быть сделана меньшей, чем высота боковых компонентов 160. Боковые компоненты 160 одной контролирующей полости 140 могут быть прикреплены к верхнему компоненту 155 другой контролирующей полости 140, расположенной ниже, например, если контролирующие полости 140 расположены одна над другой. Поскольку высота концевых и промежуточных компонентов 165, 170 может быть меньше высоты боковых компонентов 160, замедлитель может свободно двигаться под концевыми и промежуточными компонентами 165, 170, проходя через зазоры 175 и 180 соответственно, как это показано на фиг.7. Таким образом, концевые и промежуточные компоненты 165, 170 могут служить в качестве заслонок, блокирующих движение замедлителя в верхней части контролирующей полости 140 и допускающих его движение в нижней части этой полости. Зазоры 180 могут допускать движение жидкого замедлителя через нижнюю часть контролирующей полости 140, а зазоры 175 - между зоной 95 отражателя и контролирующей полостью 140. Замедлитель не может двигаться под боковыми компонентами 160, которые могут быть прикреплены к верхнему компоненту 155 расположенной ниже контролирующей полости 140. Однако предусматривается также возможность наличия зазоров между боковыми компонентами 160 и верхним компонентом 155 расположенной ниже контролирующей полости 140, чтобы сделать возможным также и движение жидкого замедлителя под некоторыми или всеми боковыми компонентами 160. Другими словами, предусматривается, что замедлитель может свободно двигаться под боковыми компонентами 160 между зоной 95 отражателя и контролирующими полостями 140.
Как видно из фиг.3 и 7, контролирующие полости 140 могут содержать тот же замедлитель, что и зона 95 отражателя, т.к. замедлитель может свободно двигаться между зоной 95 отражателя и контролирующими полостями 140, проходя через зазоры 175 и 180. Поскольку замедлитель, заключенный в контролирующей полости 140, нагревается от топливных трубок 135′ посредством нейтронов, гамма-излучения и/или теплопроводности, замедлитель, находящийся в контролирующей полости 140, может быть нагрет, полностью или частично, до перехода в газообразное состояние и находиться в зоне 185 газа. С другой стороны, весь замедлитель или его часть может находиться в контролирующей полости 140 в жидком состоянии, т.е. в зоне 190 жидкости. Зона 185 газа и зона 190 жидкости могут быть разделены границей 195. Размеры зон 185, 190 газа и жидкости могут варьировать в различных контролирующих полостях 140 и в различных интервалах между промежуточными компонентами 170 в одной и той же полости 140. Соответственно, для различных контролирующих полостей 140 и для различных промежуточных компонентов 170 в одной и той же полости 140 может варьировать и локализация границы 195. Так, любая контролирующая полость 140 может иметь и зону 185 газа, и зону 190 жидкости, по существу, только зону 185 газа или, по существу, только зону 190 жидкости.
Тепло, поступающее от нейтронов, гамма-излучения и/или топливных трубок 135 (за счет теплопроводности), может привести к тому, что жидкий замедлитель в зоне 190 жидкости будет поддерживаться при температуре, равной или очень близкой к температуре кипения жидкого замедлителя (но меньшей ее). Например, замедлитель в зоне 190 жидкости может поддерживаться в состоянии медленного кипения. При этом часть медленно кипящего замедлителя в этой зоне может испаряться и подниматься в зону 185 газа. Кроме того, замедлитель, находящийся в зоне 185 газа вблизи компонентов подсистемы 25 охлаждения реактора (например, как это будет описано далее), может конденсироваться и стекать, в виде капель, в зону 190 жидкости по внутренним поверхностям контролирующей полости 140. Как следствие, если количество тепла, поступающего от топливных трубок 135, и количество тепла, отводимого подсистемой 25 охлаждения реактора, по существу, равны, размеры зоны 185 газа могут оставаться, по существу, постоянными, т.е. граница 195 может оставаться относительно стационарной. Как это будет описано далее, размеры зоны 185 газа и положение ее границы 195 могут слегка варьировать в течение коротких периодов времени (например, составляющих несколько дней) в зависимости от поглощения нейтронов ксеноном и самарием и может сильно варьировать в течение длительных периодов времени (например, составляющих годы) в зависимости, например, от возраста (т.е. от степени выгорания) топлива. Размеры зоны 185 газа и положение границы 195 могут также слегка варьировать в периоды изменения скорости (производительности) охлаждения подсистемой 25 охлаждения реактора и в течение короткого времени после окончания этих периодов.
Как более подробно проиллюстрировано на фиг.8, конический блок 150 может содержать внутренний конический блок 200, наружный конический блок 205 и канал 210. Конические блоки 150 могут создавать конструктивный интерфейс между топливными трубками 135, который может проходить через контролирующие полости 140 и способствовать более равномерному распределению тепла, выделяемого топливными трубками 135, в контролирующих полостях 140. Внутренний конический блок 200 может окружать часть топливной трубки 135, наружный конический блок 205 может окружать внутренний конический блок 200, а канал 210 может быть расположен между внутренним и наружным коническими блоками 200, 205.
Внутренний конический блок 200 может содержать конус 215, который может окружать часть топливной трубки 135. Конус 215 может быть сформирован из любого материала, пригодного для заключения в нем жидкого или парообразного замедлителя внутри контролирующей полости 140, например из циркониевого сплава. Конус 215 может состоять из отдельных элементов или представлять собой цельный элемент. При этом он может иметь любую высоту, приемлемую для заключения в нем замедлителя. Например, высота конуса 215 может примерно вдвое превышать высоту контролирующей полости 140. Конус 215 может проходить через отверстие, выполненное в верхнем компоненте 155 конструктивного блока 145. При этом он может быть предусмотрен для каждой контролирующей полости 140. Поскольку конус 215 может иметь высоту, превышающую высоту контролирующей полости 140, возможно взаимное наложение этого конуса с другими конусами 215, окружающими ту же топливную трубку. Конус 215 и топливная трубка могут формировать канал 220, а накладывающиеся конусы 215 - канал 225, проходящий между ними. Канал 220 может быть продолжением канала 225. Каналы 220 и 225 могут окружать топливные трубки 135 и иметь любую приемлемую форму, например являться коническими каналами. Конус 215 может быть герметично присоединен к топливной трубке в своей верхней части, так что канал 220 может быть глухим, герметично перекрытым в плане. Поскольку обычно температура топливной трубки выше температуры кипения жидкого замедлителя, любой замедлитель в канале 220 может быть кипящим, причем образующийся парообразный замедлитель будет вытеснять жидкий замедлитель вниз, из нижних каналов 220 и 225 через зазор 250 в нижнюю часть контролирующей полости 140. Поскольку пар может проводить тепло менее эффективно, чем жидкий замедлитель, результирующий двойной слой пара, образуемый каналами 220 и 225 и накладывающимися конусами 215, может ослабить теплопередачу от топливных трубок 135 к замедлителю в контролирующей полости 140. Таким образом, конусы 215 способны обеспечить эффективное окружение топливных трубок 135 в каналах 220 и 225 тонким слоем парообразного замедлителя, сообщающегося по текучей среде с зоной 95 отражателя.
Наружный конический блок 205 может содержать внутренний конус 235 и внешний конус 240. Внутренний и внешний конуса 235, 240 (которые можно выполнить из материала, схожего с материалом конуса 215) могут окружать топливную трубку и конус 215. Для обеспечения структурной прочности внутренний конус 235 может быть прикреплен к нижней поверхности 245 верхнего компонента 155, а также, в отдельных местах своей нижней поверхности, к нижней поверхности конуса 215 с сохранением зазора 230, делающего возможным вертикальное течение жидкого замедлителя из нижней части полости 140 по каналу 210 в полости 140, расположенные выше и ниже. Внутренний конус 235 может иметь высоту, немного меньшую высоты контролирующей полости 140, и может образовывать зазор 250 с верхней поверхностью 255 смежной нижележащей контролирующей полости 140. Внешний конус 240 может быть прикреплен к нижней поверхности 245 верхнего компонента 155 и иметь высоту, меньшую, чем высота внутреннего конуса 235. Между внутренним конусом 235 и внешним конусом 240 может быть образована полость 260. Замедлитель может свободно перемещаться между зоной 190 жидкости контролирующей полости 140 и полостью 260, а также между зоной 190 жидкости и частью 270, расположенной между смежными внешними конусами 240 смежных топливных трубок 135. В полости 260 может находиться зона 275 жидкости, содержащая жидкий замедлитель. В результате нагрева замедлителя в контролирующей полости 140 нейтронами и гамма-излучением из топливных трубок 135 жидкий замедлитель в зоне 275 жидкости может быть нагрет до состояния пара, образующего зону 280 газа. Кроме того, в результате нагрева замедлителя в контролирующей полости 140 быстрыми нейтронами и гамма-излучением от топливных трубок 135 жидкий замедлитель в зоне 190 жидкости может быть нагрет до состояния пара с образованием части зоны 185 газа в части 270, расположенной между смежными внешними конусами 240. В зависимости от количества тепла, передаваемого быстрыми нейтронами и гамма-излучением от топливных трубок 135, полость 260 и часть 270 могут быть, по существу, заполнены зонами 280 и 185 газа или зонами 275 и 190 жидкости.
Зона 275 жидкости и зона 280 газа могут быть разделены границей 290, а зона 190 жидкости и зона 185 газа - границей 195. Зона 275 жидкости, зона 280 газа и граница 290 могут иметь характеристики, сходные с рассмотренными выше характеристиками зоны 190 жидкости, зоны 185 газа и границы 195 соответственно. Так, размеры зон 280 и 185 газа могут оставаться, по существу, постоянными, а границы 290 и 195 - относительно стационарными, если количество тепла, передаваемое нейтронами с большими скоростями (быстрыми нейтронами) и гамма-излучением от топливных трубок 135, и количество тепла, отводимое подсистемой 25 охлаждения реактора, являются, по существу, равными.
Между конусом 215 и внутренним конусом 235 может быть образован канал 210. Между нижней частью конуса 215 и нижней частью внутреннего конуса 235 может быть образован зазор 300. Замедлитель может свободно перемещаться между каналом 210 и нижней частью контролирующей полости 140 через зазор 300, который может быть выполнен схожим с зазором 230. В результате, поскольку контролирующая полость 140 может сообщаться по текучей среде с зоной 95 отражателя, замедлитель может свободно перемещаться через контролирующую полость 140 между каналом 210 и зоной 95 отражателя. Поскольку канал 210 может не быть перекрытым в плане, он может быть, по существу, заполнен жидким замедлителем, а пузырьки парообразного замедлителя могут быстро подниматься по нему.
Фиг.8А-8D соответствуют различным видам конического блока 150.
2
На фиг.9-11 иллюстрируется второй вариант реактора 15. В этом варианте реактор 15 может содержать активную зону 100′, расположенную в зоне 95 отражателя. Активная зона 100′ реактора может содержать тепловыделяющую сборку 125′ и массив 130′ контролирующих полостей. Массив 130′ контролирующих полостей может заключать в себе замедлитель, расположенный смежно с тепловыделяющей сборкой 125′. В этом, втором варианте топливные трубки 135′ могут быть расположены горизонтально, в виде квадратного в сечении массива со срезанными углами, как это показано на фиг.10. Замедлитель может быть холодным, охлаждаемым нагнетанием в контролирующие полости 140′ относительно холодного замедлителя. Замедлителем может быть тяжелая вода (DO), а основным хладагентом может быть любой приемлемый хладагент.
Тепловыделяющая сборка 125′ может содержать множество топливных трубок 135′. Топливные трубки 135′ могут быть аналогичны топливным трубкам 135 активной зоны 100 реактора, но расположенными, по существу, горизонтально.
Массив 130′ контролирующих полостей может включать множество контролирующих полостей 140′. Как показано на виде активной зоны 100′ реактора, представленном на фиг.10, контролирующие полости 140′ могут находиться между топливными трубками 135′ тепловыделяющей сборки 125′. Каждая контролирующая полость 140′ может быть включена в конструктивный блок 145′, которым может являться трубка с длиной, превышающей длину тепловыделяющей сборки 125′. Контролирующие полости 140′, входящие в состав данного блока, могут служить корпусами, в которых заключен замедлитель.
Как показано на фиг.9 и 11, конструктивный блок 145′ может содержать один или более верхних компонентов 155′, один или более концевых компонентов 165′ и один или более промежуточных компонентов 170′, которые могут быть выполнены из сходных материалов и соединены по соответствующей технологии в качестве компонентов конструктивного блока 145′ контролирующей полости 140′. Верхний компонент 155′ (который может иметь, например, изогнутый, в частности полукруглый, профиль) перекрывает верхнюю часть контролирующей полости 140′. При этом верхний компонент 155′ совместно с нижней частью 160′ может образовывать, по существу, полностью круглый профиль, так что верхний компонент 155′, который продолжается нижней частью 160′, может полностью охватывать контролирующую полость 140′. Концевые компоненты 165′ могут крепиться к концевой части верхнего компонента 155′ и к нижним частям 160′, полностью заключая в себе контролирующие полости 140′. Конструктивный блок 145′ может выходить по длине за пределы топливных стержней (которые могут быть помещены в топливные трубки 135′), образуя концевые отделения 142′. В концевых компонентах 165′ может иметься канал 166′, сообщающийся по текучей среде с вертикальным стояком 167′. Благодаря такому выполнению жидкий замедлитель может вытекать из зоны вблизи верхнего края концевого отделения 142′, а пары замедлителя могут свободно течь в любом направлении между концевыми отделениями 142′ и стояком 167′. Нижний конец стояка 167′ может вести в резервуар 168′ замедлителя, который может содержать замедлитель в состояниях жидкости и пара. Если верхний компонент 155′ имеет, например, полукруглый профиль, этот компонент и промежуточные компоненты 170′ могут формировать полость, имеющую перекрытую верхнюю часть и открытую нижнюю часть. Как следствие, верхний компонент 155′ и промежуточные компоненты 170′ способны, по существу, предотвращать вход замедлителя в верхнюю часть контролирующей полости 140′ и его выход из этой части, в то же время предоставляя замедлителю возможность входить и выходить из нижней части полости 140′. Если верхний компонент 155′ имеет, например, по существу, полный круглый профиль, промежуточные компоненты 170′ могут перекрывать только верхнюю часть открытого круглого сечения, образованного верхним компонентом 155′, включающим нижнюю часть 160′. Как следствие, промежуточные компоненты 170′ и верхний компонент 155′ с нижней частью 160′ способны и при таком выполнении, по существу, предотвращать вход замедлителя в верхнюю часть контролирующей полости 140′ и его выход из этой части, в то же время предоставляя замедлителю возможность входить и выходить из нижней части полости 140′.
К внутренней поверхности верхнего компонента 155′ могут быть прикреплены один или более промежуточных компонентов 170′, которые могут быть установлены с любым интервалом вдоль контролирующей полости 140′. Промежуточные компоненты 170′ способны, по существу, предотвращать движение жидкого замедлителя через контролирующую полость 140′ в верхней ее части. Эти компоненты 170′ могут иметь высоту, которая меньше высоты контролирующей полости 140′. Таким образом, промежуточные компоненты 170′ могут служить в качестве заслонок, блокирующих движение жидкого замедлителя в верхней части контролирующей полости 140′ и допускающих его движение в нижней части этой полости. Замедлитель может свободно перемещаться через нижнюю часть контролирующей полости 140′ под промежуточными компонентами 170′ и может двигаться между зоной 95 отражателя, концевыми отделениями 142′ и контролирующей полостью 140′, проходя под промежуточными компонентами 170′.
Как видно из фиг.9 и 11, контролирующие полости 140′ могут содержать тот же замедлитель, что и находящийся в концевых отделениях 142′, поскольку замедлитель может переходить между зоной 95 отражателя и контролирующими полостями 140′. Поскольку замедлитель, заключенный в контролирующей полости 140′, нагревается от топливных трубок 135′ посредством нейтронов, гамма-излучения и/или теплопроводности, жидкий замедлитель, находящийся в контролирующей полости 140′, может быть нагрет, полностью или частично, до перехода в газообразное состояние и находиться в зоне 185′ газа. С другой стороны, весь жидкий замедлитель или его часть может находиться в контролирующей полости 140′ в жидком состоянии, т.е. в зоне 190′ жидкости. Зона 185′ газа и зона 190′ жидкости могут быть разделены границей 195′. Размеры зон 185′, 190′ газа и жидкости могут варьировать в различных контролирующих полостях 140′ и в различных интервалах между промежуточными компонентами 170′ в одном и том же конструктивном блоке 145′. Соответственно, для различных контролирующих полостей 140′ и для различных промежуточных компонентов 170′ в одном и том же блоке 145′ может варьировать и локализация границы 195′. Так, любая контролирующая полость 140′ может иметь и зону 185′ газа, и зону 190′ жидкости, по существу, только зону 185′ газа или, по существу, только зону 190′ жидкости.
Зона 190′ жидкости, зона 185′ газа и граница 195′ могут иметь характеристики, сходные с характеристиками зоны 190 жидкости, зоны 185 газа и границы 195 соответственно, рассмотренными выше применительно к контролирующей полости 140. Так, размеры зоны 185′ газа могут оставаться, по существу, постоянными, т.е. граница 195′ может оставаться относительно стационарной, если количество тепла, поступающего от топливных трубок 135′, и количество тепла, отводимого подсистемой 25 охлаждения реактора, по существу, равны.
На фиг.12A-12G иллюстрируется третий альтернативный вариант реактора 15. Этот вариант содержит шестигранный массив вертикальных топливных трубок 135a (как это показано, например, на фиг.12A и 6) и горячий замедлитель, который может охлаждаться путем его откачки из объема замедлителя, охлаждения и закачки обратно в активную зону реактора и в контролирующие полости посредством подсистемы 25 охлаждения. В этом варианте (как показано на фиг.12F) каждая сборка контролирующих полостей может вводиться вертикально в пространство, ограниченное четырьмя вертикальными топливными трубками 135a. Как показано на фиг.12B, этот вариант может иметь активную зону 100a реактора.
Активная зона 100a реактора может содержать тепловыделяющую сборку 125a, схожую с тепловыделяющей сборкой 125, и массив 130a контролирующих полостей. Массив 130a контролирующих полостей может иметь карман с жидким замедлителем и/или с парами замедлителя, примыкающий к тепловыделяющей сборке 125a. Как будет подробно описано далее, в этом варианте трубка 335a для хладагента замедлителя может быть снабжена небольшими отверстиями 337a, выполненными в ее боковых сторонах по всей ее длине, так что контролирующие полости 140a могут охлаждаться мелким спреем относительно более холодного замедлителя, распыляемого из трубки 335a для хладагента замедлителя.
Массив 130a контролирующих полостей может содержать трехмерную сборку контролирующих полостей 140a. Эта сборка может, например, служить в качестве корпуса, чтобы разделить и/или охватить карманы жидкого замедлителя, примыкающего к топливным трубкам 135a тепловыделяющей сборки 125a. Как показано на фиг.12A-12F, множество контролирующих полостей 140a может быть расположено в виде вертикальных стоп с горизонтальным расположением полостей в каждой вертикальной стопе. Как показано на фиг.12E, контролирующие полости 140a в массиве 130a контролирующих полостей могут быть взаимно сдвинуты по вертикали. При этом данные полости могут быть выполнены в любой приемлемой конфигурации, обеспечивающей формирование в них карманов жидкого замедлителя и/или паров замедлителя, примыкающих к топливным трубкам 135a.
Как показано на фиг.12C-12F, каждая контролирующая полость 140a может содержать трубки 335a для хладагента замедлителя, примерно конический верхний компонент 155a и боковой компонент 160a. Можно видеть, что боковой компонент 160a может быть примерно трапецеидальным (в частности, в проиллюстрированном гексагональном массиве топливных трубок), со срезанными углами 161a для размещения топливных трубок 135a, или примерно квадратным (не изображен) для квадратного массива топливных трубок. Верхний компонент 155a может быть присоединен без зазоров к боковому компоненту 160a и к трубке 335a для хладагента замедлителя, чтобы задать карман жидкого замедлителя и/или паров замедлителя, примыкающий к топливным трубкам 135a. Замедлитель может свободно входить или выходить из контролирующей полости 140a через ее открытую нижнюю сторону и через зазор 162a между нижним краем одного бокового компонента 160a и верхним краем другого бокового компонента 160a из расположенной ниже полости.
Верхний компонент 155a, боковой компонент 160a и трубка 335a для хладагента замедлителя могут быть выполнены из любых приемлемых конструкционных материалов, позволяющих направлять движение замедлителя и/или заключать в себе замедлитель, например из циркониевого сплава. Верхний компонент 155a, боковой компонент 160a и трубки 335a для хладагента замедлителя могут быть прикреплены друг к другу любым приемлемым методом, например сваркой. Альтернативно, перечисленные компоненты могут быть выполнены, как части единой конструкции. Верхний компонент 155a, боковой компонент 160a и трубка 335a для хладагента замедлителя могут быть соединены, например, с образованием полости, имеющей перекрытую верхнюю часть и открытую нижнюю часть. Как следствие, перечисленные компоненты предотвращают вход замедлителя в верхнюю часть контролирующей полости 140a и его выход из этой части, в то же время предоставляя замедлителю возможность входить и выходить из нижней части полости 140a. Верхняя часть контролирующей полости 140a может содержать верхний компонент 155a, верхние части бокового компонента 160a и части трубки 335a для хладагента замедлителя. Нижняя часть контролирующей полости 140a может содержать нижние части бокового компонента 160a и части указанной трубки 335a.
Зазор 162a делает возможным движение жидкого замедлителя между зоной 95 отражателя и контролирующей полостью 140a либо непосредственно, либо через зазор 182a, образованный между смежными горизонтально расположенными контролирующими полостями 140a или между контролирующими полостями 140a и топливными трубками 135a.
Как видно из фиг.12B и 12E, контролирующие полости 140a могут содержать тот же замедлитель, что и зона 95 отражателя, поскольку замедлитель может свободно перемещаться через зазоры 162a и 182a между зоной 95 отражателя и контролирующими полостями 140a. Поскольку замедлитель, заключенный в контролирующей полости 140a, оказывается нагретым нейтронами и гамма-излучением, испускаемыми топливными трубками 135a, а также теплом, поступающим (посредством теплопроводности) от топливных трубок 135a, замедлитель, находящийся в контролирующей полости 140a, может быть нагрет, полностью или частично, до перехода в газообразное состояние и находиться в зоне 185a газа. С другой стороны, весь замедлитель или его часть может находиться в контролирующей полости 140a в жидком состоянии, т.е. в зоне 190a жидкости. Зона 185a газа и зона 190a жидкости могут быть разделены границей 195a. В различные периоды в процессе функционирования реактора 15 размеры зон 185a, 190a газа и жидкости могут варьировать между различными контролирующими полостями 140a и в каждой контролирующей полости.
Соответственно, может варьировать и локализация границы 195a между контролирующими полостями 140a. Так, любая контролирующая полость 140a может иметь и зону 185a газа, и зону 190a жидкости, по существу, только зону 185a газа или, по существу, только зону 190a жидкости.
Тепло, поступающее от топливных трубок 135a посредством нейтронов, гамма-излучения и/или теплопроводности, может привести к тому, что замедлитель в зоне 190a жидкости будет поддерживаться при температуре, равной или близкой к температуре кипения жидкого замедлителя. Например, замедлитель в зоне 190a жидкости может поддерживаться в состоянии медленного кипения. При этом часть медленно кипящего замедлителя в зоне 190a жидкости может испаряться и подниматься в зону 185a газа. В зоне 190a жидкости замедлитель может быть охлажден посредством охлаждающего устройства, т.е. путем смешивания с относительно более холодным замедлителем, входящим в контролирующую полость 140a через небольшие отверстия 337a в трубке 335a для хладагента замедлителя. Кроме того, замедлитель, находящийся в зоне 185a газа, может конденсироваться на каплях мелкого спрея относительно холодного замедлителя, подаваемого через отверстия 337a в трубке 335a, или конденсироваться и стекать, в виде капель, в зону 190a жидкости по внутренним поверхностям контролирующей полости 140a и/или по наружной поверхности трубки 335a для хладагента замедлителя. Как следствие, если количество тепла, поступающего от нейтронов и гамма-излучения, испускаемых топливными трубками 135a, и количество тепла, отводимого подсистемой 25 охлаждения реактора, по существу, равны, размеры зоны 185a газа могут оставаться, по существу, постоянными, т.е. граница 195a может оставаться относительно стационарной. Как это будет описано далее, размеры зоны 185a газа и положение ее границы 195a могут слегка варьировать в течение коротких периодов времени (например, составляющих несколько дней) в зависимости от поглощения нейтронов ксеноном и самарием, и может сильно варьировать в течение длительных периодов времени (например, составляющих годы) в зависимости, например, от возраста (например, от выгорания) топлива. Размеры зоны 185a газа и положение границы 195a могут также слегка варьировать в периоды изменения скорости (производительности) охлаждения подсистемой 25 охлаждения реактора и в течение короткого времени после их окончания.
Как проиллюстрировано на фиг.12E, контролирующие полости 140a могут охлаждаться в результате движения более холодного замедлителя по трубкам 335a для хладагента замедлителя с поступлением его в контролирующие полости 140a через одно или более отверстий 337a, расположенных в боковых сторонах трубок 335a. Отверстия 337a могут быть любого (в том числе малого) размера, приемлемого для обеспечения движения замедлителя. Затем, по существу, равный объем более теплого замедлителя может выйти из контролирующей полости 140a в зоне 95 отражателя через зазор 162a в нижней части контролирующей полости 140a.
Как показано на фиг.12C и 12D, нижняя часть зоны 95 отражателя может охлаждаться за счет поступления более холодного замедлителя из трубки 335a для хладагента замедлителя через одно или более небольших отверстий 338a в колпачке, находящемся на нижнем конце этой трубки.
На фиг.12G проиллюстрировано, в перспективном изображении, расположение контролирующих полостей 140a активной зоны 100a реактора. Предусматривается, что различные описанные элементы активных зон 100, 100′ 100a и/или 100b реактора можно комбинировать друг с другом.
На фиг.12H-12M представлен четвертый вариант с массивом вертикальных топливных трубок и с горячим замедлителем, охлаждаемым его откачиванием из объема 105 жидкого замедлителя и массива 130b контролирующих полостей, охлаждением замедлителя и закачиванием более холодного замедлителя обратно в массив 130b контролирующих полостей и в объем 105 жидкого замедлителя. В этом варианте каждая сборка контролирующих полостей может представлять собой кольцевую стопу контролирующих полостей, окружающую единственную вертикальную топливную трубку. На фиг.12H показана также активная зона 100b реактора.
Активная зона 100b реактора может содержать тепловыделяющую сборку 125b, схожую с тепловыделяющей сборкой 125, и массив 130b контролирующих полостей. Контролирующие полости 140b массива 130b могут иметь карман с жидким замедлителем и/или с парами замедлителя, примыкающий к сборке 125b.
Тепловыделяющая сборка 125b может использовать ядерное топливо любого типа, пригодное для использования в ядерной реакции. Например, как показано на фиг.12J, тепловыделяющая сборка 125b может содержать пучки топливных стержней 127b, находящиеся в множестве топливных трубок 135b. Так, тепловыделяющая сборка 125b может содержать от десятков до сотен топливных трубок 135b, например от 19 до примерно 500 таких трубок, с диаметром от примерно 7,6 мм до примерно 45,7 см. Каждая топливная трубка может содержать единственный топливный пучок относительно длинных топливных стержней 127b или любое подходящее количество, например 12, топливных пучков относительно коротких топливных стержней 127b. Каждый топливный пучок может содержать любое подходящее количество топливных стержней в пределах от 19 до 1231, например 37 топливных стержней. Тепловыделяющая сборка 125b может содержать любое топливо, пригодное для ядерной реакции, например природный уран, обогащенный уран, плутоний или торий, по отдельности или в различных смесях. Топливные стержни 127b могут быть отлиты из металлического топлива или представлять собой стержни или таблетки оксидного топлива, упакованные в трубку (например, из циркониевого сплава). В частности, тепловыделяющая сборка 125b может содержать топливо в виде смеси уран/плутоний или смеси топлива, использовавшегося в легководном реакторе, и тория. Топливные трубки 135b могут также содержать топливо в формах, отличных от стержней, например в форме сфер или линз (pebbles). Топливные трубки 135b могут также содержать солевой расплав, в котором металлический ион является ионом топлива, а солевой расплав функционирует и как топливо, и как хладагент.
Каждая топливная трубка 135b может содержать, в дополнение к топливу, основной хладагент, который может содержать любой материал в виде подходящей текучей среды, например тяжелую воду, легкую воду, пригодный жидкий металл (например, свинец или натрий), пригодные солевые расплавы, органические текучие среды и/или пригодный газ (например, гелий).
Тепловыделяющая сборка 125b может содержать топливные трубки 135b, расположенные вертикально (например, так, как это проиллюстрировано на фиг.2) и образующие любую приемлемую конфигурацию, например, с прямоугольным сечением, проиллюстрированную на фиг.4 и 5. Тепловыделяющая сборка 125b может также содержать топливные трубки 135b, образующие, например, гексагональную конфигурацию, проиллюстрированную на фиг.6. Топливные трубки 135b могут быть, например, ориентированы, по существу, вертикально.
Как показано на фиг.12H-12M, массив 130b контролирующих полостей может содержать трехмерную сборку контролирующих полостей 140b. Эта сборка может, например, служить корпусом, разделяющим и/или заключающим в себе карманы замедлителя, примыкающие к топливным трубкам 135b тепловыделяющей сборки 125b. Как показано на фиг.12H-12M, сборка контролирующих полостей 140b может быть сформирована в виде вертикальных стоп с горизонтальным расположением полостей в каждой вертикальной стопе. Контролирующие полости в массиве 130b контролирующих полостей 140b могут быть взаимно смещены по вертикали. При этом данные полости могут быть выполнены в любой приемлемой конфигурации, обеспечивающей формирование в них карманов жидкого замедлителя и/или паров замедлителя, примыкающих к топливным трубкам 135b.
Как показано на фиг.12J-12M, каждая контролирующая полость 140b может содержать входную трубку 335b для хладагента замедлителя и выходную трубку 337b для выведения замедлителя, наклонный верхний компонент 155b и боковые компоненты 160b, 162b. Как показано на фиг.12L, боковой компонент 160b может иметь, например, примерно круглую или примерно шестиугольную форму для гексагонального массива топливных трубок или примерно квадратную форму для квадратного массива этих трубок. Верхний компонент 155b может быть присоединен без зазора к боковым компонентам 160b и 162b, к входной трубке 335b и/или к выходной трубке 337b, чтобы обеспечить охват кармана жидкого замедлителя и/или паров замедлителя, примыкающего к топливным трубкам 135b. Замедлитель может свободно перемещаться между контролирующей полостью 140b и выходной трубкой 337b через отверстия 338b, имеющиеся в нижней части каждой контролирующей полости 140b.
Верхний компонент 155b, боковые компоненты 160b, 162b и трубки 335b и 337b могут быть выполнены из любых приемлемых конструкционных материалов, позволяющих направлять движение замедлителя и/или заключать в себе замедлитель, например из циркониевого сплава. Верхний компонент 155b, боковые компоненты 160b, 162b и трубки 335b, 337b могут быть прикреплены друг к другу любым приемлемым методом, например сваркой. Альтернативно, перечисленные компоненты могут быть выполнены, как части единой конструкции. Верхний компонент 155b, боковые компоненты 160b, 162b и трубки 335b, 337b могут быть соединены, например, с образованием полости, имеющей перекрытую верхнюю часть и открытую нижнюю часть. Как следствие, перечисленные компоненты предотвращают вход замедлителя в верхнюю часть контролирующей полости 140b и его выход из этой части, в то же время предоставляя замедлителю возможность входить и выходить из нижней части полости 140b. Верхняя часть контролирующей полости 140b может быть образована верхним компонентом 155b, верхними частями боковых компонентов 160b и 162b и частями трубок 335b и 337b. Нижняя часть контролирующей полости 140b может быть образована нижними частями боковых компонентов 160b и 162b и частями трубок 335b и 337b. Отверстие 338b и выходная трубка 337b для замедлителя делают возможным движение жидкого замедлителя между зоной 95 отражателя и контролирующей полостью 140b. Входная трубка 335b для хладагента замедлителя, проведенная через нижнюю часть корпуса, может быть герметично перекрыта на верхнем конце (например, в самой верхней контролирующей полости 140b, ассоциированной с соответствующей топливной трубкой, как это показано на фиг.12K). Между контролирующими полостями 140b и топливными трубками 135b может иметься зазор 180b, который может быть заполнен инертным газом или другим подходящим материалом и перекрыт в своей верхней и/или нижней частях, чтобы заключать в себе этот материал или уменьшить конвективную циркуляцию.
Как показано на фиг.12I и 12L, контролирующие полости 140b могут содержать, по существу, тот же замедлитель, что и зона 95 отражателя, поскольку замедлитель может свободно двигаться между зоной 95 отражателя и контролирующими полостями 140b, проходя по выходной трубке 337b и через отверстие 338b. Поскольку замедлитель, заключенный в контролирующей полости 140b, нагревается от топливных трубок 135b посредством нейтронов, гамма-излучения и/или теплопроводности, замедлитель, находящийся в контролирующей полости 140b, может быть нагрет, полностью или частично, до перехода в газообразное состояние и находиться в зоне 185b газа. С другой стороны, весь замедлитель или его часть может находиться в контролирующей полости 140b в жидком состоянии, т.е. в зоне 190b жидкости. Зона 185b газа и зона 190b жидкости могут быть разделены границей 195b. Размеры зон 185b, 190b газа и жидкости могут варьировать в различных контролирующих полостях 140b. Соответственно, для различных контролирующих полостей 140b может варьировать и локализация границы 195b. Так, любая контролирующая полость может иметь и зону 185b газа, и зону 190b жидкости, по существу, только зону 185b газа или, по существу, только зону 190b жидкости.
Тепло, поступающее от топливных трубок 135b посредством нейтронов, гамма-излучения и/или теплопроводности, может привести к тому, что жидкий замедлитель в зоне 190b жидкости будет поддерживаться при температуре, равной или очень близкой к температуре кипения замедлителя. Например, замедлитель в зоне 190b жидкости может поддерживаться в состоянии медленного кипения. При этом часть медленно кипящего замедлителя в этой зоне может испаряться и подниматься в зону 185b газа. Кроме того, замедлитель, который находится в зоне 185b газа вблизи входной трубки 335b для хладагента замедлителя или на который из входной трубки 335b через отверстия 336b был распылен холодный замедлитель, может конденсироваться и стекать, в виде капель, в зону 190b жидкости внутри контролирующей полости 140b. Отверстия 336b могут быть любого, например небольшого, размера, достаточного для осуществления движения замедлителя. Как следствие, если количество тепла, поступающего от топливных трубок 135b, и количество тепла, отводимого подсистемой 25 охлаждения реактора, по существу, равны, размеры зоны 185b газа могут оставаться, по существу, постоянными, т.е. граница 195b может оставаться относительно стационарной. Как это будет описано далее, размеры зоны 185b газа и положение ее границы 195b могут слегка варьировать в течение коротких периодов времени (например, составляющих несколько дней) в зависимости от поглощения нейтронов ксеноном и самарием и может сильно варьировать в течение длительных периодов времени (например, составляющих годы) в зависимости, например, от возраста (например, от степени выгорания) топлива. Размеры зоны 185b газа и положение границы 195b могут также слегка варьировать в периоды изменения скорости (производительности) охлаждения подсистемой 25 охлаждения реактора и в течение короткого времени после окончания этих периодов.
Как проиллюстрировано на фиг.12J, контролирующие полости 140b могут охлаждаться за счет движения более холодного замедлителя по входной трубке 335b с его поступлением в контролирующие полости 140b через отверстия 336b в боковых сторонах входной трубки 335b. По существу, равный объем более теплого замедлителя может выходить из контролирующей полости 140b в зоне 95 отражателя и проходить к подсистеме 25 охлаждения реактора через отверстие 338b и выходную трубку 337b.
Как показано на фиг.12I, 12J и 12K, нижняя часть зоны 95 отражателя может охлаждаться потоком более холодного замедлителя, поступающего из входной трубки 335b через отверстия 336b в нижней части этой трубки, причем избыточный замедлитель поступает в подсистему 315 охлаждения замедлителя (описываемую далее) через выходную трубку 337b для замедлителя.
Как показано на фиг.12I, 12J и 12K, верхняя часть зоны 95 отражателя и массив 130b контролирующих полостей может охлаждаться за счет испарения, происходящего на границе 115. В процессе испарения избыточные пары замедлителя могут поступать в подсистему 315 охлаждения замедлителя (описываемую далее) по переносящей трубке 323b.
Как показано на фиг.12N, в баке 377b, содержащем воду под атмосферным давлением, может иметься множество теплообменных труб 390b с замедлителем, сообщающихся по текучей среде с трубкой 327b для хладагента замедлителя. Трубы 390b могут проходить через воду, находящуюся в баке 377b, и сообщаться по текучей среде через канал 355b с насосом 350b хладагента замедлителя. Канал 322b может соединять указанный насос 350b с входной трубкой 335b для хладагента замедлителя, которая введена в массив 130b контролирующих полостей. Клапан 380b управления давлением пара может допускать прохождение некоторого количества паров замедлителя от переносящей эти пары трубки 323b к множеству теплообменных труб 385b для паров, если давление в переносящей пары трубке 323b превышает желательное давление. Пары замедлителя в теплообменных трубах 385b могут конденсироваться на внутренних стенках этих труб или могут выходить из нижних частей этих труб и конденсироваться в холодном замедлителе, находящемся в теплообменной трубе 390b для замедлителя.
Бак 377b может быть любым баком, пригодным для его заполнения находящейся при атмосферном давлении водой, температура которой может не превышать точку кипения воды. При нормальном функционировании бак 377b может охлаждаться любым приемлемым способом до температуры, немного меньшей температуры кипения воды. В ситуации, когда подвод питания к реактору 15 нарушен, или в другой ситуации, в которой нарушено нормальное функционирование охлаждения, бак 377b может охлаждаться за счет испарения с поверхности находящейся в нем воды.
Как показано на фиг.13, подсистема 25 охлаждения реактора может содержать подсистему 305 переноса, подсистему 310 охлаждения топлива и подсистему 315 охлаждения замедлителя. Подсистема 305 переноса может переносить хладагент реактора между теплообменником 20 и активной зоной 100, 100′, 100a и/или 100b реактора. Подсистема 310 охлаждения топлива может облегчать теплообмен для топливных трубок 135, 135′, 135a и 135b, а подсистема 315 охлаждения замедлителя может облегчать теплообмен для контролирующих полостей 140′, 140a, 140b и зоны 95 отражателя.
2
2
Хладагентом реактора в подсистеме 25 может быть любой текучий материал, способный облегчить теплообмен в активной зоне 100, 100′, 100a и/или 100b реактора. Например, хладагент реактора может содержать DO ("тяжелую воду"), HO ("легкую воду"), расплавленный металл, или солевой расплав, или газ. Схожий хладагент может использоваться и в подсистемах 310 и 315 охлаждения. Альтернативно, в подсистеме 310 охлаждения топлива и в подсистеме 315 охлаждения замедлителя могут использоваться различные хладагенты.
Подсистема 305 переноса может содержать канал 320 холодного хладагента реактора и канал 325 горячего хладагента реактора. Каналы 320 и 325 могут быть сформированы из любого материала, пригодного для переноса хладагента реактора, например из стали и/или циркониевого сплава. Тот же самый канал 320 и канал 325 могут переносить хладагент для подсистемы 310 охлаждения топлива и подсистемы 315 охлаждения замедлителя (как это имеет место, например, в первом рассмотренном варианте). Альтернативно, каналы 320 и 325 могут использоваться подсистемой 310 охлаждения топлива, тогда как для подсистемы 315 охлаждения замедлителя могут быть предусмотрены каналы 322a, 327a, 322b, 327b и аналогичные каналы в активной зоне 100′ реактора (не изображены). Канал 320 холодного хладагента реактора может переносить этот хладагент от теплообменника 20 к реактору 15. Холодный хладагент реактора может находиться в жидком состоянии и иметь любую температуру, подходящую для облегчения отвода тепла от реактора 15.
Как показано на фиг.2, канал 320 холодного хладагента реактора может, например, проходить через отверстия в защитной оболочке 85 и в зоне 95 отражателя. Этот канал может сообщаться с каналами хладагента для подсистем 310 и 315 внутри зоны 95 отражателя и, следовательно, может поставлять холодный хладагент для подсистемы 310 охлаждения топлива и подсистемы 315 охлаждения замедлителя для осуществления теплообмена в реакторе. Канал 325 горячего хладагента реактора может сообщаться по текучей среде с подсистемой 310 охлаждения топлива и подсистемой 315 охлаждения замедлителя и принимать горячий хладагент реактора (например, хладагент, который прошел через активную зону 100, 100′, 100a или 100b реактора в топливных трубках 135, 135′, 135a или 135b, облегчив тем самым отвод тепла от активной зоны 100, 100′, 100a или 100b реактора) от подсистем 310 и 315. Канал 325 горячего хладагента реактора может переносить горячий хладагент от реактора 15 обратно к теплообменнику 20.
Как проиллюстрировано, например, на фиг.3, подсистема 310 охлаждения топлива может содержать множество каналов 330, которые могут сообщаться по текучей среде с каналом 320 холодного хладагента и с каналом 325 горячего хладагента подсистемы 305 переноса. Холодный хладагент может течь из канала 320 холодного хладагента в каналы 330. Каналы 330 могут быть выполнены ведущими к топливным трубкам 135, 135′, 135a или 135b или от них. Холодный хладагент реактора может течь по каналам 330, проходя при этом через топливные трубки 135, 135′, 135a или 135b, чтобы облегчить отвод тепла от топливных трубок 135, 135′, 135a или 135b. При этом холодный хладагент может нагреваться топливом, находящимся в трубках 135, 135′, 135a или 135b, и отводиться от них посредством каналов 330. Каналы 330 затем могут переносить горячий хладагент в канал 325 горячего хладагента подсистемы 305 переноса. Горячий хладагент может находиться, по существу, полностью в жидком состоянии, в частично жидком и частично газообразном состояниях или, по существу, полностью в газообразном состоянии.
Как проиллюстрировано, например, на фиг.2, подсистема 315 охлаждения замедлителя может содержать множество каналов 335, которые могут сообщаться по текучей среде с каналом 320 холодного хладагента реактора и с каналом 325 горячего хладагента подсистемы 305 переноса. Холодный хладагент может течь из канала 320 холодного хладагента реактора в каналы 335 и 330. Холодный хладагент может находиться в жидком состоянии. Каналы 335 могут находиться в контролирующих полостях 140. Холодный хладагент реактора может течь по каналам 335, проходя при этом через контролирующие полости 140, чтобы облегчить отвод тепла от контролирующих полостей 140. При этом холодный хладагент может нагреваться замедлителем, заключенным в контролирующих полостях 140, становясь теплым хладагентом, и выводиться из контролирующих полостей 140 посредством каналов 335. Подобно теплообмену, осуществляемому каналами 335 в описанных контролирующих полостях, каналы 330 могут переносить холодный хладагент реактора из канала 320 холодного хладагента через объем 105 жидкого замедлителя. Предусматривается также, что холодный хладагент реактора может быть нагрет замедлителем в объеме 105 жидкого замедлителя до состояния теплого хладагента. Каналы 335 и 330 могут затем переносить теплый хладагент к нижней части топливных трубок 135, через топливные трубки 135 (где он нагревается топливом, становясь горячим хладагентом), а затем в канал 325 горячего хладагента подсистемы 305 переноса. Горячий хладагент может находиться, по существу, полностью в жидком состоянии, в частично жидком и частично газообразном состояниях.
Фиг.14 подробно иллюстрирует пример выполнения канала 335 при его прохождении через контролирующие полости 140, чтобы облегчить отвод тепла от контролирующих полостей 140. Канал 335 может быть соединен с каналом 320 холодного хладагента и/или с каналом 325 горячего хладагента подсистемы 305 переноса либо непосредственно, либо через промежуточный канал 345. Канал 335 может иметь входной отрезок 350, внутренний отрезок 355, наружный отрезок 360 и выходной отрезок 365. Входной отрезок 350 может соединять по текучей среде промежуточный канал 345 с внутренним отрезком 355. Внутренний отрезок 355 может находиться внутри наружного отрезка 360. Например, внутренний отрезок 355 и наружный отрезок 360 могут быть выполнены, как коаксиальные трубы. Выходной отрезок 365 может соединять по текучей среде наружный отрезок 360 с промежуточным каналом 345. Входной отрезок 350 может проходить через отверстие в стенке выходного отрезка 365 и может частично находиться в выходном отрезке 365. Внутренний отрезок 355 может иметь концевую часть 370, которая может быть выполнена открытой. В стенке внутреннего отрезка 355 может иметься множество сквозных отверстий 375. Размеры отверстий 375 могут увеличиваться, а расстояния между ними могут уменьшаться в направлении течения, т.е. в направлении к концевой части 370 внутреннего отрезка 355. Хладагент реактора может течь от входного отрезка 350 и через канал 380 внутреннего отрезка 355. Часть хладагента до того, как она достигнет открытой концевой части 370 внутреннего отрезка 355, может проходить через отверстия 375 в канал 385. Как и размер, и частота расположения отверстий 375, степень перемешивания хладагента между каналами 380 и 385 может увеличиваться в направлении течения, т.е. в направлении к концевой части 370. Между внутренним отрезком 355 и наружным отрезком 360 может быть сформирован канал 385, причем ему может быть придана кольцевая форма. После прохождения через отверстия 375 и/или открытую концевую часть 370 хладагент реактора может поступать в канал 385 и, через выходной отрезок 365, в промежуточный канал 345. Хладагент реактора, находящийся в канале 385, может быть нагрет от более теплого замедлителя, находящегося в контролирующей полости 140, за счет теплопроводности через стенку наружного отрезка 360. Благодаря поступлению относительно более холодного хладагента из канала 380 в канал 385 через отверстия 375 температура хладагента в канале 385 может быть относительно постоянной по его длине. Чтобы облегчить теплоперенос, на внутренней и/или наружной поверхностях наружного отрезка 360 могут быть выполнены способствующие теплообмену ребра (не изображены).
Как показано на фиг.13, насосная подсистема 30 может содержать насос 390 хладагента, водяной насос 395 и двигатель 400 (двигатель М - см. фиг.1), который может приводить в действие насос 390 хладагента и водяной насос 395.
Насосом 390 хладагента может быть насос любого типа, пригодный для создания напора в потоке хладагента реактора в подсистеме 305 переноса. Так, насос 390 хладагента может быть объемным, например роторным, насосом, возвратно-поступательным или линейным насосом. Кроме того, насос 390 хладагента может быть паровым насосом, импульсным насосом, гидравлическим плунжерным насосом или центробежным насосом. Насос 390 хладагента может обеспечивать напор в потоке хладагента реактора, текущем в канале 320 холодного хладагента, ведущем от теплообменника 20 к реактору 15, и в канале 325 горячего хладагента, ведущем от реактора 15 назад к теплообменнику 20. Насос 390 хладагента может создавать напор (давление) в том же хладагенте в подсистеме 305 переноса для подсистемы 310 охлаждения топлива и подсистеме 315 охлаждения замедлителя. Альтернативно один или более насосов 390 хладагента могут по отдельности обеспечивать давление в хладагенте для подсистемы 310 охлаждения топлива и в холодном замедлителе для подсистемы 315 охлаждения замедлителя.
Водяной насос 395 может быть того же типа, что и насос 390 хладагента. Он может обеспечивать напор (давление) в потоке воды и водяного пара в паровой подсистеме 65 турбины. Водяной насос 395 может обеспечивать давление в потоке горячего водяного пара в канале 70, ведущем от теплообменника 20 к турбине 45, в потоке избыточного или отработавшего водяного пара в канале 75, ведущем от турбины 45 к подсистеме 60 охлаждения турбины, и в потоке воды в канале 80, ведущем от подсистемы 60 охлаждения турбины к теплообменнику 20.
Двигателем 400 может быть двигатель любого типа, пригодного для приведения в действие насоса 390 хладагента и водяного насоса 395, например двигатель с постоянным или переменным рабочим объемом, гидравлический двигатель с наклонным блоком, линейный гидравлический двигатель, гидроцилиндр или электродвигатель. Двигатель 400 может приводить в действие насос 390 хладагента и водяной насос 395 любым приемлемым способом, например, через один или более механических валов 405. Так, двигатель 400 может приводить в действие и насос 390 хладагента, и водяной насос 395 через единственный механический вал 405. Механический вал 405 может содержать маховик, препятствующий быстрым изменениям потока в процессе приведения в действие насоса 390 хладагента и водяного насоса 395 двигателем 400. Двигатель 400 может также приводить в действие насос 390 хладагента и водяной насос 395 по отдельности. Предусматривается также, что двигатель 400 может приводить в действие насос 390 и водяной насос 395 и другими приемлемыми способами, например гидравлически. Двигатель 400 может быть сконфигурирован с возможностью приводить в действие насос 390 хладагента и водяной насос 395 в оптимальном режиме, когда система 5 ядерного реактора функционирует в режиме полной мощности. Двигатель 400 может приводить в действие насос 390 хладагента и водяной насос 395 таким образом, что при выключении двигателя 400, т.е. при прекращении его функционирования, одновременно выключаются оба насоса 390, 395. Предусматривается также, что каждый насос может иметь отдельный двигатель.
Как показано на фиг.16-18, вспомогательная подсистема 35 охлаждения может содержать подсистему 410 конвекционной петли и вспомогательную подсистему 415 теплообмена. Подсистема 410 конвекционной петли и вспомогательная подсистема 415 теплообмена являются вспомогательными системами, служащими для облегчения отвода тепла от реактора 15.
Как показано на фиг.16, подсистема 410 конвекционной петли может содержать ответвление 425, канал 430, канал 435, множество каналов 440 и 445, зону 450 слияния, ответвление 455, клапаны 460 и 465. Ответвление 425, каналы 430, 435, множество каналов 440, 445, зона 450 слияния и ответвление 455 могут быть выполнены из любого материала, пригодного для переноса хладагента реактора, и могут сообщаться между собой по текучей среде с формированием вспомогательного пути для охлаждения реактора. Ответвление 425 может быть сконфигурировано с возможностью поддерживать давление А на входе канала 430. Часть хладагента, текущего по каналу 325 горячего хладагента, может попадать у ответвления 425 в канал 430. Канал 430 может направлять поток хладагента вниз, с опусканием ниже верхней границы 115 зоны 95 отражателя, т.е. ниже поверхности объема 105 жидкого замедлителя. После этого хладагент реактора может течь из канала 430 вверх по каналу 435, а затем в сторону защитной оболочки 85 и корпуса 90 давления по множеству каналов 440, которое может сообщаться по текучей среде с множеством каналов 445. Сечения каналов, образующих множества каналов 440 и 445, могут быть сделаны меньшими, чем у каналов 430, 435, т.е. они могут представлять собой, например, множество небольших трубок. Множество каналов 445 может находиться вблизи поверхности корпуса 90 давления, чтобы обеспечить хороший теплообмен с ним. В частности, множество каналов 445 может быть приварено к корпусу 90 давления. Множество каналов 445 может переносить хладагент вдоль корпуса 90 давления вниз, к зоне вблизи или ниже дна активных зон 100, 100′, 100a и/или 100b реактора.
Множество каналов 445 может сообщаться по текучей среде с одной или более зонами 450 слияния, которые могут иметь большее сечение, чем у каналов множества 445. Например, в каждой из таких зон 450 может сливаться несколько каналов 445. Одна или более зон 450 слияния могут быть соединены с каналом 320 холодного хладагента реактора посредством ответвления 455. Ответвление 455 может быть сконфигурировано с возможностью поддерживать давление В на выходе одной или более зон 450 слияния. В результате, если насос 390 хладагента обеспечивает поток хладагента в расчете на функционирование при полной мощности, давление А в канале 430 может уравновешивать давление В, так что относительно небольшое количество хладагента будет проходить между ответвлениями 425 и 455 через каналы 430, 435, 440, 445 и зону 450 слияния. Когда насос 390 не функционирует, а активная зона 100 реактора все еще вырабатывает тепло, горячий хладагент, находящийся в топливных трубках 135, может подняться и поступить в канал 430, поскольку канал 325 может быть, по существу, заблокирован насосом 390. Горячий хладагент может далее течь по каналам 435 и 440 к множеству каналов 445. В каналах 445 хладагент может передать тепло зоне 95 отражателя и корпусу 90 давления, причем по мере остывания его плотность увеличивается. Такой относительно более плотный замедлитель может падать вниз через канал 445 и ответвление 455, вытесняя более горячий замедлитель в топливные трубки 135 и создавая тем самым конвекционный контур, который может охлаждать топливные трубки 135.
Клапаны 460 и 465 могут быть предусмотрены, чтобы изолировать поток хладагента в подсистеме 410 конвекционной петли в случае прерывания потока и/или потери, вне реактора 15, хладагента подсистемы 25 охлаждения реактора. Клапан 460 может быть установлен в канале 320 холодного хладагента реактора. Им может быть любой клапан, пригодный для блокирования потока хладагента, выходящего из реактора 15. Например, клапан 460 может быть клапаном одностороннего действия (невозвратным клапаном), который может пропускать хладагент, текущий в реактор 15 по каналу 320 холодного хладагента, но способен, по существу, блокировать поток хладагента из реактора 15 по данному каналу. В частности, клапан 460 может находиться в канале 320 холодного хладагента реактора на наружной поверхности защитной оболочки 85 или вблизи этой поверхности. Клапан 465 может быть установлен в канале 325 горячего хладагента. Им может быть любой клапан, пригодный для блокирования потока хладагента, выходящего из реактора 15, когда количество хладагента становится меньше порогового количества. Например, клапан 465 может быть поплавковым клапаном, который может пропускать хладагент, выходящий из реактора 15 по каналу 325 горячего хладагента, если уровень хладагента превышает пороговый уровень, но способен, по существу, блокировать поток хладагента, выходящий из реактора 15 по каналу 325 горячего хладагента, если уровень хладагента ниже порогового уровня. Например, клапан 465 может, по существу, блокировать поток хладагента, выходящий из реактора 15, если канал 325 горячего хладагента заполнен хладагентом менее чем наполовину. Клапан 465 может находиться в канале 325 горячего хладагента на наружной поверхности защитной оболочки 85 или вблизи этой поверхности.
Как показано на фиг.17 и 18, вспомогательная подсистема 415 теплообмена может содержать один или более теплообменных элементов 470, один или более теплообменных элементов 475 и один или более теплообменных элементов 480. Теплообменные элементы 470, 475 и 480 способны облегчить теплообмен для отвода за пределы реактора 15 тепла, вырабатываемого активной зоной 100, 100′, 100а или 100b реактора.
Теплообменный элемент 470 может представлять собой удлиненный элемент для размещения в нем соответствующего материала. Данный элемент может быть помещен в защитную оболочку 85 (например,, путем заливки материала в стенку защитной оболочки 85), причем он может находиться вблизи корпуса 90 давления или в контакте с наружной поверхностью этого корпуса. Теплообменный элемент 470 может быть ориентирован в защитной оболочке 85 в радиальном направлении, так что один его конец может находиться рядом или в контакте с корпусом 90 давления, а другой его конец - вблизи наружной части защитной оболочки 85. При этом теплообменный элемент 470 может иметь удлиненную полость, в которую помещен материал, изменяющий свое состояние. Например, в полости теплообменного элемента 470 может находиться металлический сплав. В частности, теплообменным элементом 470 может быть стальная труба, заполненная металлическим сплавом. Металлическим сплавом, изменяющим состояние, может быть материал, точка плавления которого слегка превышает нормальную рабочую температуру жидкого замедлителя зоны 95 отражателя. Так, теплообменный элемент 470 может быть полой стальной трубой, по существу, полностью заполненной свинцом, оловом и/или любым другим материалом с подходящей точкой плавления. Если температура замедлителя в зоне 95 отражателя превышает свое нормальное рабочее значение, изменяющий состояние материал, находящийся в теплообменном элементе 470, может быть нагрет до перехода из твердого состояния в жидкое. В частности теплообменный элемент 470 может содержать в качестве изменяющего состояния материала свинец, который может стать расплавленным, если температура замедлителя в зоне 95 отражателя превысит свое нормальное рабочее значение. Когда подобный материал изменяет свое состояние (например, когда свинец расплавляется), его теплопроводность может улучшиться. Как следствие, изменяющий состояние материал внутри теплообменного элемента 470 в результате расплавления сможет эффективно отводить тепло (например, посредством конвекции) от корпуса 90 давления к наружной защитной оболочке 85 (которая может иметь низкую теплопроводность). Предусматривается также, что изменяющий состояние материал, заключенный в теплообменном элементе 470, при нормальных рабочих температурах замедлителя может находиться в жидком состоянии с возможностью перехода в газообразное состояние, если температура замедлителя превысит нормальное рабочее значение.
Теплообменный элемент 475, подобно теплообменному элементу 470, также может иметь удлиненную полость, в которой заключен изменяющий состояние материал. Заключенный в теплообменный элемент 475 материал может иметь более низкую температуру плавления и/или кипения, чем изменяющий состояние материал теплообменного элемента 470. Например, изменяющий состояние материал может быть материалом, находящимся в жидком состоянии и имеющим температуру кипения, меньшую температуры, при которой происходит изменение состояния материала внутри теплообменного элемента 470 (например, температуры плавления свинца или любого другого подходящего материала в теплообменном элементе 470). В частности, теплообменный элемент 475 может быть стальной трубой, заполненной водой или любым другим подходящим материалом в жидком состоянии. Теплообменный элемент 475 может быть расположен в защитной оболочке 85, по существу, вертикально (например, он может быть сформирован заливкой в стенку защитной оболочки 85). Как показано на фиг.17 и 18, теплообменный элемент 475 может находиться в контакте или рядом с концевой частью одного или более теплообменных элементов 470, а также вблизи наружной поверхности защитной оболочки 85. Изменяющий состояние материал теплообменного элемента 475 может нагреваться за счет теплопередачи от теплообменного элемента 470 и, в результате, претерпевать изменение состояния. Более конкретно, теплопередача от концевой части теплообменного элемента 470 к теплообменному элементу 475 может заставить изменяющий состояние материал изменить свое состояние (например, вызвать кипение воды, заключенной в стальной трубе). Предусматривается также, что изменяющий состояние материал теплообменного элемента 475 при нормальных рабочих температурах замедлителя может находиться в твердом состоянии и может быть нагрет до перехода в жидкое состояние, если температура замедлителя превысит его нормальную рабочую температуру.
Теплообменный элемент 480 может быть схожим с теплообменным элементом 475, с которым он может сообщаться по текучей среде. Поэтому изменяющий состояние материал теплообменного элемента 475 может перетекать из теплообменного элемента 475 в теплообменный элемент 480. Теплообменный элемент 480 может быть расположен под небольшим углом к горизонтальной плоскости, тангенс которого может составлять 1:20 или 1:50. Как это проиллюстрировано на фиг.18, теплообменные элементы 480 могут выступать из реактора 15 по радиальным направлениям и, благодаря этому, отводить от него тепло. Теплообменные элементы 480 могут находиться под поверхностью земли и, соответственно, перенос тепла от реактора 15 может происходить на любом приемлемом пространстве под поверхностью. Так, теплообменные элементы 480 могут находиться под большим полем и/или парковочной зоной, что позволит использовать для поглощения тепла большую теплоемкость земли и использовать поверхность земли для рассеяния этого тепла. Поскольку теплообменный элемент 480 может иметь небольшой наклон, изменяющий состояние материал, находящийся в этом элементе, может быть охлажден до своего предыдущего состояния на заданном расстоянии от реактора 15. Например, теплообменный элемент 475 может содержать воду, которая может нагреться до перехода в водяной пар и перейти в теплообменный элемент 480. На своем наружном конце теплообменный элемент 480 может заканчиваться небольшим водяным баком или резервуаром, так что теплообменные элементы 475 и 480 будут, по существу, всегда наполнены водой. Теплообменный элемент 480 может являться гофрированной трубой, сконфигурированной таким образом, чтобы увеличить контактную поверхность трубы (например, увеличить площадь контактной поверхности на единицу длины ее подземной части), а также увеличить площадь контакта водяного пара в трубе с ее внутренней поверхностью. Поскольку водяной пар, движущийся в наружном направлении над верхней поверхностью воды в трубе, заполняет верхнюю часть каждого гофра труб до того, как он сможет продвинуться дальше по трубе, гофрирование увеличивает площадь поверхности воды, которая находится в трубе в контакте с водяным паром. В результате на определенном расстоянии количество рассеянного тепла может оказаться достаточным для того, чтобы водяной пар сконденсировался в воду.
Как показано на фиг.19, вспомогательная подсистема 420 остановки реактора может содержать находящийся под давлением резервуар 485, один или более каналов 490, сливной канал 495 и насос 500. Резервуар 485 может подавать воду под давлением в канал 490. Насос 500 может создавать давление воды в сливном канале 495.
Находящимся под давлением резервуаром 485 может быть любой контейнер (например, стальной сосуд), пригодный для создания высокого давления для находящейся в нем жидкости. В резервуаре 485 может содержаться любой приемлемый материал, поглощающий нейтроны (поглотитель нейтронов), например вода. В частности, в резервуаре 485 может содержаться борированная вода, т.е. вода, в которой растворен бор. Резервуар 485 может находиться на наружной стороне защитной оболочки 85, причем он может содержать клапан 487, который может быть открыт или заперт, чтобы селективно обеспечивать возможность выхода находящегося под давлением материала из резервуара 485 в один или более каналов 490 или блокировать этот выход.
Каналом 490 может быть любой канал, пригодный для переноса находящегося под давлением материала. Канал 490 может сообщаться по текучей среде с резервуаром 485, так что по нему выходящий из резервуара 485 находящийся под давлением материал может проходить через отверстие в защитной оболочке 85 и поступать в одну или более U-образных труб, которые проходят вниз через часть активной зоны в зоне 95 отражателя, опускаясь ниже активной зоны 100, 100′, 100a или 100b реактора, а затем возвращаются через эту активную зону. Канал 490 может переносить материал через зону 95 отражателя и активную зону 100, 100′, 100a или 100b реактора любым приемлемым образом. Например, как это проиллюстрировано на фиг.19, канал 490 может входить в верхнюю часть объема 105 жидкого замедлителя и формировать, по существу, U-образную конфигурацию. В зоне 95 отражателя каналу 490 может быть придана любая приемлемая конфигурация. Когда клапан 487 блокирует поток находящегося под давлением материала из резервуара 485 в канал 490, канал 490 может быть уже заполнен водяным паром. Если требуется быстрая (например, аварийная) остановка реактора, клапан 487 открывается, и находящийся под давлением поглотитель нейтронов, например борированная вода, заполняет канал 490. Данный материал может все больше повышать давление водяного пара, который уже находился в канале 490. В результате давление водяного пара, находящегося в концевой части 505 единственного или каждого из каналов 490, постепенно повысится настолько, что оно замедлит, а затем остановит поток материала.
Сливной канал 495 может находиться в нижней части объема 105 жидкого замедлителя и связывать любую (например, нижнюю) часть канала 490 с резервуаром 485. В сливном канале 495 может быть установлен насос 500, обеспечивающий создание давления в поглотителе нейтронов, чтобы заставить его течь из нижней части канала 490 обратно в резервуар 485, когда требуется вновь запустить реактор 15. Насос 500 может также создавать давление в поглотителе нейтронов, находящемся в резервуаре 485. Таким образом, насос 500 может перекачивать поглотитель нейтронов, например борированную воду, из канала 490 обратно в резервуар 485.
Как показано на фиг.20, подсистема 40 управления реактором может содержать управляющую подсистему 510, подсистему 515 отслеживания нагрузки, байпасную подсистему 520, подсистему 525 стабилизации замедлителя, подсистему 530 стабилизации хладагента реактора реактора и подсистему 535 дифференцирования потоков. Перечисленные подсистемы могут управлять работой системы 5 ядерного реактора и/или стабилизировать ее.
2
Управляющая подсистема 510 может содержать контроллер 540, который может быть программируемым логическим контроллером любого типа, пригодным для автоматизации производственных процессов. Контроллер 540 может быть подсоединен к компонентам системы 5 ядерного реактора посредством электрических линий (не изображены) и управлять по этим линиям функционированием любого нужного компонента системы 5 ядерного реактора. В частности, контроллер 540 может быть электрически соединен (для управления ими) с компонентами подсистемы 10 генерации энергии, реактором 15, теплообменником 20, подсистемой 25 охлаждения реактора, насосной подсистемой 30, вспомогательной подсистемой 35 охлаждения и/или подсистемой 40 управления реактором. Управляющая подсистема 510 может содержать также электрически связанные с контроллером 540 входные и/или выходные компоненты, например дисплеи, мониторы, клавиатуры и другие устройства для использования операторами системы 5 ядерного реактора. Управляющая подсистема 510 может содержать также датчики, которые установлены в различных каналах и компонентах системы 5 ядерного реактора и которые способны измерять любые требуемые параметры, в частности температуру и/или давление, например, НО или хладагента. Датчики могут быть электрически соединены с контроллером 540 для передачи ему воспринятых данных, которые могут использоваться при управлении системой 5 ядерного реактора.
Подсистема 515 отслеживания нагрузки может содержать заслонки 545 и 550, каналы 555, 560, 565, 580 и 590, конденсатор 570, клапан 575, теплообменник 585 и ответвление 595, в качестве которых могут использоваться любые компоненты, пригодные для переноса водяного пара и воды.
Заслонка 545 может быть установлена в канале 70 с возможностью селективно пропускать поток из канала 70 в канал 555 путем селективного перемещения из положения запирания, в котором она, по существу, блокирует поток водяного пара из канала 70 в канал 555, в положение отпирания, в котором она пропускает, по существу, весь поток из канала 70 в канал 555, или в частично открытое положение, соответствующее любому желательному положению между положениями запирания и отпирания, в котором пропускание потока водяного пара из канала 70 в канал 555 пропорционально степени открывания заслонки 545. Таким образом, заслонка 545 обеспечивает селективное уменьшение потока водяного пара в канале 70 путем отведения этого пара через канал 555.
Заслонка 550 может быть установлена в канале 555 с возможностью селективно пропускать поток из канала 555 в канал 560, функционируя аналогично заслонке 545, т.е. она способна селективно блокировать или пропускать, частично или полностью, поток водяного пара из канала 555 в канал 560. Канал 560 может обходить турбину 45 и переносить водяной пар прямо в подсистему 60 охлаждения турбины. Таким образом, заслонка 550 может использоваться для селективной подачи водяного пара непосредственно в подсистему 60 охлаждения турбины в определенных ситуациях, например, когда требуется быстро остановить турбину 45.
Канал 555 может сообщаться по текучей среде с каналом 565, который может переносить водяной пар из канала 555 к конденсатору 570. Канал 565 может проходить снаружи теплообменника 20, а не внутри него.
Конденсатор 570 может находиться в контакте или рядом с каналом 320 холодного хладагента реактора. Конденсатором 570 может быть любой конденсатор, пригодный для конденсации водяного пара в воду. Клапан 575 может быть установлен в конденсаторе 570, в любом приемлемом месте, например в его нижней части. Этим клапаном может быть любой клапан, пригодный для выведения воды из конденсатора 570 при блокировании, по существу, потока водяного пара из конденсатора 570. Например, клапан 575 может быть поплавковым клапаном. Конденсатор 570 и клапан 575 могут использоваться в качестве системы снижения давления, уменьшающей высокое давление водяного пара в канале 565 до относительно низкого давления воды в канале 580.
Канал 580 может сообщаться по текучей среде с конденсатором 570. Канал 580 может переносить воду от конденсатора 570 к теплообменнику 585, проходя снаружи теплообменника 20, а не внутри него.
Теплообменником 585 может быть любое устройство, пригодное для облегчения отбора тепла от воды, проходящей по каналу 580. Теплообменник 585 может быть установлен в канале паровой подсистемы 65 турбины, которая переносит воду от выхода водяного насоса 395 к теплообменнику 20. Теплообменник 585 может понижать температуру воды, по существу, до температуры воды, переносимой по каналу 80 паровой подсистемы 65 турбины. Канал 590 может переносить воду от теплообменника 585 в канал 80 через канал 595. Вода, переносимая каналом 590 в канал 80, может иметь, по существу, ту же температуру, что и температура воды, уже текущая в канале 80, который может переносить воду к входу водяного насоса 395 насосной подсистемы 30.
Байпасная подсистема 520 может содержать насос 600 и канал 605. Канал 605 может связывать канал 320 холодного хладагента реактора и канал 325 горячего хладагента подсистемы 305 переноса. Насос 600 может быть установлен в канале 605. Этот насос может иметь относительно низкую производительность, составляющую, например, 2-20% производительности насоса 390. Насос 600 может использоваться для создания давления в хладагенте, проходящем по каналу 605, чтобы обеспечить нагнетание хладагента из канала 325 горячего хладагента в канал 320 холодного хладагента в обход теплообменника 20 и насоса 390. Насос 600 и канал 605 могут обеспечить проход относительно горячего хладагента, текущего по каналу 325 горячего хладагента, в обход теплообменника 20, прямо в канал 320 холодного хладагента реактора, обеспечивая тем самым смешивание горячего хладагента с относительно холодным хладагентом, т.е. повышение температуры хладагента, текущего по каналу 320 холодного хладагента реактора. Байпасная подсистема 520 может функционировать, например, во время остановки и/или начальной загрузки хладагента в систему 5 ядерного реактора. Байпасная система 520 может также использоваться для настройки эффективной производительности насосов 390 и 395 (например, насосная подсистема 30 может быть рассчитана на обеспечение требуемого соотношения потока хладагента к потоку пара для турбины в случае работы при полной мощности, тогда как для работы при малых мощностях может требоваться слегка иное соотношение).
Подсистема 525 стабилизации замедлителя может содержать каналы 610, 630, 640 и 650, клапан 615, резервуар 625, конденсатор 635 и насос 645, в качестве которых можно применить любые компоненты, пригодные для переноса водяного пара и воды.
Канал 610 может быть относительно крупным каналом, соединяющим по текучей среде зону 110 пара зоны 95 отражателя с резервуаром 625. Клапан 615 может быть установлен в канале 610 с возможностью находиться в закрытом положении, по существу, блокируя поток паров замедлителя в процессе нормального функционирования. Когда клапан 615 открыт, пары замедлителя могут течь по каналу 610 в резервуар 625. Резервуар 625 может быть резервуаром низкого давления, которое может быть меньше давления в зоне 110 пара зоны 95 отражателя. Резервуар 625 может представлять собой относительно большую и холодную зону хранения. Например, резервуар 625 может охлаждаться относительно большим количеством воды, в частности водой от паровой подсистемы 65 турбины. При поступлении в резервуар 625 по каналу 610 пары замедлителя могут расширяться и конденсироваться на относительно холодных поверхностях внутренних стенок резервуара 625. Когда клапан 615 открыт, быстрый поток паров замедлителя из паровой зоны 110 зоны 95 отражателя может уменьшить давление паров замедлителя в зоне 110 пара и давление замедлителя в зоне 95 отражателя, обеспечивая возможность быстрого выхода замедлителя из контролирующих полостей 140, 140′, 140a или 140b и, тем самым, уменьшения массы жидкого замедлителя в контролирующих полостях, т.е. сокращения количества тепловых нейтронов, способных вызвать реакцию деления. Это приведет к быстрой остановке реактора 15.
Канал 630 может соединять канал 610 с конденсатором 635. Этот канал может быть относительно небольшим каналом, например, в виде трубы существенно меньшего диаметра, чем канал 610. Канал 630, соединяющий канал 610 с конденсатором 635, может находиться в контакте или рядом с каналом 80 паровой подсистемы 65 турбины, который может переносить относительно холодную воду. Конденсатором 635 может быть любой конденсатор, пригодный для конденсации паров замедлителя в состояние жидкого замедлителя. В результате пары замедлителя, переносимые из канала 610 по каналу 630, могут конденсироваться конденсатором 635 в состояние жидкого замедлителя. Канал 640 может соединять конденсатор 635 с насосом 645.
Насос 645 может селективно блокировать поток сконденсировавшегося жидкого замедлителя из канала 640 в канал 650. Насос 645 может также селективно пропускать указанный поток жидкого замедлителя в канал 650, а также нагнетать сконденсировавшийся жидкий замедлитель через канал 650. Канал 650 может переносить этот замедлитель обратно в реактор 15. Например, канал 650 может связывать по текучей среде насос 645 с верхней частью зоны 95 отражателя, например с зоной 110 пара. Сконденсировавшийся жидкий замедлитель, поступивший в зону 110 пара по каналу 650, может вызвать дополнительную конденсацию паров замедлителя в зоне 110 пара. Зона 95 отражателя может быть нагрета нейтронами, покинувшими активные зоны 100, 100′, 100a и/или 100b реактора, так что замедлитель в зоне 95 отражателя может испаряться с поступлением паров замедлителя в зону 110 пара. Насос 645 может использоваться для конденсирования избыточных паров замедлителя из зоны 110 пара, чтобы поддерживать стабильное давление в зоне 110 пара и в зоне 95 отражателя.
Подсистема 530 стабилизации хладагента реактора может содержать резервуар 655, нагревательный элемент 660 и канал 665. Резервуар 655 может быть находящимся под давлением баком, в котором может храниться хладагент. Резервуар 655 может получать хладагент от подсистемы 25 охлаждения реактора через канал 665, связанный с каналом 325 горячего хладагента. Резервуар 655 может содержать жидкий хладагент в своей нижней части, а газообразный хладагент - в верхней. Резервуар 655 может селективно нагреваться нагревательным элементом 660, чтобы поддерживать хладагент, находящийся в этом резервуаре, при желательных температуре и/или давлении. В качестве нагревательного элемента 660 можно использовать любое устройство, пригодное для селективного нагрева резервуара 655, например электронагреватель. Холодный хладагент из канала 320 холодного хладагента может селективно закачиваться в резервуар 655 насосом по отходящей от этого канала питающей линии (не изображена). В частности, насос (не изображен) может содержать инжектор, распыляющий находящийся под давлением холодный хладагент, поступающий из канала 320 холодного хладагента в верхнюю (паровую) часть резервуара 655. Например, распыление относительно холодного хладагента насосом (не изображен) в резервуар 655 может производиться, чтобы сконденсировать часть паров хладагента в резервуаре 655 и тем самым понизить давление в резервуаре 655 и канале 325 горячего хладагента.
Как показано на фиг.15 и 20, подсистема 535 дифференцирования потоков может содержать множество коаксиальных каналов 670, находящихся в проточной части 675 канала 320 холодного хладагента реактора. Коаксиальные каналы 670 могут заменять часть 675 указанного канала 320, будучи подсоединенными на обоих концах этой части к другим частям канала 320 холодного хладагента. Часть 675 может быть поднимающимся участком канала 320 холодного хладагента, который находится, по направлению потока, за насосом 390. В канале 320 холодного хладагента можно использовать любое приемлемое количество коаксиальных каналов 670, например около десяти таких каналов. Коаксиальные каналы 670 могут, например, являться коаксиальными стальными трубами. Пространство между коаксиальными каналами может увеличиваться в направлении от самого внутреннего канала к наружному. Например, пространство А2 между первым и вторым каналами 670 может вдвое превышать внутреннее пространство А1 первого коаксиального канала 670. Пространство A3 между четвертым и пятым каналами 670 может быть в 5 раз больше, чем пространство А1, а пространство А4 между девятым и десятым каналами 670 может быть в 10 раз больше, чем пространство A1. Части каждого пространства между смежными коаксиальными каналами 670 могут блокироваться на каждом конце, чтобы поддерживать, по существу, одинаковый расход на входе и выходе каждого коаксиального канала 670. В результате для переноса одного и того же количества текучей среды по наружным коаксиальным каналам 670 может требоваться пропорционально большее время по сравнению с внутренними коаксиальными каналами, что позволит ослабить быстрые температурные изменения в канале 320 холодного хладагента реактора.
Промышленная применимость
По меньшей мере в некоторых приводимых как примеры вариантах описанной системы ядерного реактора может быть применен способ управления реактором, в котором используются контролирующие полости в активной зоне реактора, содержащие замедлитель. По меньшей мере в некоторых таких вариантах замедлитель в реакторе может быть разделен между тремя зонами: активной зоной, которая может находиться в любом месте реактора, отстоящем менее чем на 0,3 м от любой части источника топлива; зоной отражателя, которая может содержать любой замедлитель, находящийся снаружи активной зоны, но на расстоянии менее 0,9-1,2 м от любой части источника топлива, и хранилищем замедлителя, которое может содержать любой замедлитель, находящийся снаружи активной зоны и зоны отражателя. Одна из функций замедлителя в активной зоне состоит в том, чтобы замедлять быстрые нейтроны, испускаемые в реакции деления топлива, до относительно низких скоростей, при которых нейтроны могут вызывать новые акты деления со значительно более высокой вероятностью. Одна из функций замедлителя в зоне отражателя состоит в том, чтобы отражать нейтроны, вышедшие из активной зоны, обратно в эту зону с целью уменьшить потери нейтронов вследствие их выхода из реактора. Замедлитель, находящийся в хранилище замедлителя, может оказывать лишь небольшое влияние на реактор (например, замедлитель может поступать в это хранилище, когда он вытесняется из контролирующих полостей, находящихся в активной зоне, или может выходить из хранилища, когда он возвращается в активную зону). По меньшей мере в некоторых вариантах описанные контролирующие полости могут содержать основную часть замедлителя в активной зоне реактора. Эти полости могут быть перекрытыми в плане, но допускать свободное движение жидкого замедлителя между нижней поверхностью контролирующей полости и зонами отражателя и хранилища замедлителя.
По меньшей мере в некоторых вариантах описанной системы ядерного реактора, когда эта система вырабатывает энергию в стационарном режиме, топливо может находиться в равновесном состоянии, а контролирующие полости - в состоянии теплового равновесия. Эти два равновесных состояния связаны посредством отрицательной обратной связи, так что любое отклонение от равновесия приведет к отклонению от равновесия другого состояния, которое будет противодействовать первому отклонению. Описанные контролирующие полости снабжены системой охлаждения замедлителя, которая охлаждает контролирующие полости примерно на одинаковом уровне (или пропорционально объему каждой контролирующей полости, если не все контролирующие полости имеют одинаковый объем) либо нагнетанием в контролирующие полости холодного замедлителя, который смешивается в них с более теплым замедлителем с выходом равной массы более теплого замедлителя из контролирующей полости в зоны отражателя и хранилища замедлителя, либо прокачкой более холодной текучей среды через одну или более трубок в контролирующей полости, которые охлаждают контролирующую полость посредством теплопроводности. Тепло может поступать в контролирующую полость за счет теплопроводности от горячих топливных трубок и за счет энергии, отдаваемой в замедлителе быстрыми нейтронами и гамма-излучением из топлива. Если в контролирующую полость поступает больше тепла, чем покидает ее, находящийся в полости жидкий замедлитель испаряется и поднимается с образованием парового пузыря у верхнего края контролирующей полости, вытесняющего жидкий замедлитель в нижнюю часть этой полости и уменьшающего общую массу замедлителя в активной зоне реактора, поскольку пар может иметь намного меньшую плотность, чем жидкий замедлитель. Если же в полость поступает меньше тепла, чем отводится от нее системой охлаждения замедлителя, часть пара, находящаяся в виде парового пузыря, конденсируется, уменьшая размер этого пузыря и втягивая жидкий замедлитель в полость из зоны отражателя и хранилища замедлителя, увеличивая тем самым общую массу замедлителя в активной зоне.
По меньшей мере в некоторых вариантах описанной системы ядерного реактора быстрые нейтроны испускаются при каждом акте реакции деления атома топлива. Большинство этих быстрых нейтронов может выходить из топлива (вместе с испускаемым топливом гамма-излучением) в замедлитель, где они замедляются за счет столкновений с ним. Замедленные нейтроны диффундируют из замедлителя обратно в топливо. Здесь некоторые из замедленных нейтронов могут быть поглощены делящимися атомами топлива и вызвать новые акты деления, а некоторые могут быть поглощены пороговыми атомами (например, атомами урана 238, плутония 240 и/или тория 232, если они присутствуют в топливе) и создать новые атомы делящегося топлива. Некоторые замедленные нейтроны могут поглощаться топливом, не вызывая ни реакции деления, ни создания новых делящихся атомов, или диффундировать обратно в замедлитель. Уровень реакции может быть стабильным, когда в среднем точно один нейтрон, испущенный при каждом акте деления, вызывает новый акт деления. Если скорость нейтрона относительно высока, вероятность того, что нейтрон, вошедший в топливо из замедлителя, вызовет реакцию деления, падает, а вероятность того, что нейтрон создаст новое топливо, возрастает. Нейтроны, покидающие замедлитель, могут иметь более высокую среднюю скорость в случае меньшей массы замедлителя в полости и более низкую среднюю скорость в случае большей массы замедлителя в полости. Соответственно, по мере роста размеров парового пузыря (и, следовательно, уменьшения массы замедлителя в полости) средняя скорость нейтронов, входящих в топливо, возрастает, что увеличивает количество нейтронов, которые неспособны приводить к новым актам деления, и уменьшает количество нейтронов, которые неспособны создавать новые атомы делящегося топлива. Данный эффект замедляет скорость реакции деления, уменьшая количество энергии, передаваемой замедлителю, уменьшая размеры парового пузыря, и, тем самым, создает отрицательную обратную связь, поддерживающую сохранение размеров парового пузыря и стабильную скорость реакции деления, примерно пропорциональную уровню охлаждения замедлителя.
По меньшей мере в некоторых вариантах описанной системы ядерного реактора контролирующие полости совместно поддерживают энергетический выход стабильным и пропорциональным общему уровню охлаждения замедлителя. Этим уровнем можно управлять путем поддерживания температуры хладагента замедлителя относительно постоянной и варьирования производительности нагнетания с целью управления суммарной производительностью охлаждения. Каждая полость может оказывать индивидуальное влияние на скорость реакции деления топлива вблизи нее, что приводит к примерно одинаковой скорости реакции во всех точках в реакторе вместо большей скорости в центре активной зоны и меньшей скорости у краев активной зоны. Это может минимизировать горячие точки в топливе и подавить "ксеноновые волны", что приведет к желательным более высоким уровням экстракции тепла из топлива.
По меньшей мере в некоторых вариантах описанной системы ядерного реактора при нормальной работе реактора тепло отводится от топливных трубок посредством основного хладагента. Если скорость реакции возрастает, производительность нагнетания основного хладагента также возрастает, так что температура топливных трубок не варьирует вместе со скоростью реакции. При отклонении от нормальных условий поток основного хладагента может оказаться недостаточным, и в этих условиях топливные трубки могут стать более горячими, так что теплоперенос от топливных трубок в контролирующие полости может увеличиться. В результате может увеличиться скорость испарения жидкого замедлителя в контролирующих полостях и, следовательно, размеры паровых пузырей в этих полостях. Это может вызвать смещение жидкого замедлителя к нижней стороне полостей, уменьшающее среднюю плотность замедлителя и увеличивающее среднюю скорость нейтронов, диффундирующих из замедлителя в топливо, т.е. уменьшающее скорость реакции деления.
Поскольку по меньшей мере в некоторых вариантах описанной системы ядерного реактора плотность паровых пузырей в контролирующих полостях может быть намного меньшей, чем у жидкого замедлителя, и поскольку паровой пузырь может изменяться в размерах от, по существу, несуществующего до размеров почти всей контролирующей полости, система может допускать варьирование средней плотности замедлителя в активной зоне от полной плотности жидкого замедлителя до менее чем 15% этой плотности. Это позволяет управлять реактором в условиях изменяющейся реактивности топлива в диапазоне от обогащенного свежего топлива при отсутствии отравления ксеноном через умеренно использованное топливо с равновесным отравлением ксеноном до топлива с высоким уровнем выгорания и соответственно с высоким содержанием побочных продуктов реакции деления, поглощающих нейтроны. Такой результат может быть достигнут, по существу, без потери нейтронов в процессе управления поглотителями, причем он обеспечит, по существу, максимальную производительность свежего делящегося топлива и, по существу, максимальный коэффициент преобразования топлива во всех точках жизненного цикла топлива.
Описанная система ядерного реактора может быть использована в любых применениях энергии, генерируемой ядерной реакцией. Например, эта система может быть применена в любом приложении, связанном с использованием водяного пара, генерируемого за счет энергии, выделяющейся в ядерной реакции. Нижеследующее описание работы применимо в целом к функционированию всех описанных вариантов системы 5 ядерного реактора. Кроме того, как будет показано далее, некоторые подсистемы этой системы ядерного реактора могут быть использованы в приложениях, отличных от генерирования энергии за счет ядерной реакции.
Как можно видеть из фиг.3, функционирование системы 5 ядерного реактора может быть инициировано введением топлива в тепловыделяющую сборку 125, 125′, 125a или 125b, использующую топливные трубки 135, 135′, 135a или 135b. Когда реактор 15 запускается со свежим топливом в трубках 135, 135′, 135a или 135b, уровень замедлителя в массивах 130, 130′, 130a или 130b контролирующих полостей может стабилизироваться на равновесном уровне, зависящем от конструкции реактора и реактивности топлива, находящегося в топливных трубках 135, 135′, 135a или 135b. В начальный период (составляющий, например, несколько дней) содержание ксенона-135 (Хе135) и самария-149 (SM149), поглощающих нейтроны, возрастает до равновесных уровней, и производительность охлаждения замедлителя может сохраняться, по существу, постоянной за счет функционирования подсистемы 25 охлаждения реактора (более подробное описание работы этой подсистемы будет приведено далее). Пока подсистема 25 охлаждения реактора функционирует в режиме постоянной производительности охлаждения замедлителя в массивах 130 130′, 130a или 130b контролирующих полостей, содержание ксенона и самария в топливе будет повышаться, так что реактивность реактора 15 будет медленно снижаться, приводя к уменьшению скорости реакции и, соответственно, к уменьшению энергии, поступившей в замедлитель. Это приведет к конденсации части паров замедлителя. Как следствие, большее количество замедлителя будет втянуто в контролирующие полости 140, 140′, 140a или 140b, что увеличит содержание замедлителя и его среднюю плотность. В результате уменьшится количество нейтронов, подвергающихся резонансному захвату, что скомпенсирует поглощение нейтронов постепенно возрастающими содержаниями в топливе реактора 15 ксенона и самария, поглощающих нейтроны. Таким образом, за счет использования массива 130 контролирующих полостей могут быть увеличены размеры зон 190 и 275 жидкости в массиве 130, тогда как размер зон 185 и 280 газа в массиве 130 может быть уменьшен. Аналогичный эффект достигается и в других рассмотренных вариантах.
Если коэффициент преобразования топлива для реактора 15 превышает 1 или если его топливо состоит, в основном, из U235 и U238, в процессе функционирования реактора в стационарном состоянии может существовать период времени, в течение которого реактивность топлива может возрастать, поскольку создается больше делящегося топлива, чем его используется, или поскольку при выгорании U235 из U238 образуется Pu239 (который является более реактивным, чем U235). Если это происходит, скорость реакции деления увеличится, тогда как охлаждение остается постоянным, большее количество нейтронов будут передавать энергию замедлителю, скорость испарения в контролирующих полостях 140, 140′, 140a или 140b превысит скорость конденсации, так что жидкий замедлитель будет вытесняться из контролирующих полостей 140, 140′, 140a или 140b избыточными парами замедлителя. Это ослабит замедление нейтронов и увеличит количество нейтронов, поглощаемых пороговыми атомами U238 (или ТП232) с уменьшением количества доступных тепловых нейтронов, способных вызвать реакцию деления, и с уменьшением скорости реакции до уровня, при котором в контролирующие полости 140, 140′, 140a или 140b поступает столько же энергии, сколько отводится от них подсистемой 25 охлаждения реактора. Уровень жидкого замедлителя будет постепенно уменьшаться, пока реактивность топлива продолжает увеличиваться (например, в течение периода, который может составить от нескольких дней до нескольких лет). В этот период содержание делящегося топлива может возрастать, и это возрастание может продолжаться и в следующем временном периоде (рассмотренном далее).
В следующий временной период (например, в течение следующих нескольких месяцев или лет) по мере уменьшения содержания делящегося топлива в результате его выгорания и повышения уровня поглощающих нейтроны побочных продуктов реакции деления механизм отрицательной обратной связи, реализуемый контролирующими полостями 140, 140′, 140a или 140b, может обеспечить очень медленное повышение уровня замедлителя в массиве 130, 130′, 130a или 130b контролирующих полостей, чтобы компенсировать снижение реактивности топлива в результате его выгорания. Постепенно уровень замедлителя повысится до верхнего края массива 130, 130′, 130a или 130b контролирующих полостей, реактор 15 придет в субкритическое состояние и прекратит выработку энергии. Таким образом, при использовании, в частности, массива 130 контролирующих полостей, в этом массиве к данному моменту, по существу, не будет зон 185 и 280 газа. Аналогичный эффект будет иметь место и в других описанных вариантах. Когда реактор 15 остановится, Xe135, который до этого продуцировался реактором 15, продолжит распадаться, и в относительно короткий период времени (например, составляющий один или два дня) распадется достаточное количество Xe135, так что реактор 15 может быть запущен снова. При повторном запуске реактора 15 он сможет работать до тех пор, пока концентрация Xe135 не повысится снова за относительно короткий период времени (например, за несколько дней). Поскольку равновесная концентрация Xe135 изменяется пропорционально уровню энергии, работа реактора 15 может продолжаться относительно большие периоды, если он работает при пониженном уровне энергии.
По завершении описанной выше процедуры инициирования реактор 15 может работать, находясь в стационарном состоянии, с выработкой энергии в результате реакции деления атомов топлива в топливных трубках 135, 135′, 135a или 135b. Основная часть этой энергии передается топливным стержням, находящимся в топливных трубках 135, 135′, 135a или 135b в виде тепла, которое экстрагируется из топливных стержней топливных трубок потоком хладагента реактора, проходящим через топливные трубки 135, 135′, 135a или 135b, и обеспечивается функционированием подсистемы 25 охлаждения и насосной подсистемы 30. Далее, до того как будет продолжено рассмотрение работы реактора 15 и активной зоны 100 реактора в стационарном состоянии, будет описана работа подсистемы 25 охлаждения и насосной подсистемы 30.
Как можно видеть из фиг.2, 3 и 13, подсистема 305 переноса подсистемы 25 охлаждения реактора переносит хладагент реактора между теплообменником 20 и активной зоной 100, 100′, 100a или 100b реактора. Насос 390 хладагента насосной подсистемы 30 может нагнетать поток хладагента в канал 320 холодного хладагента подсистемы 305 переноса, чтобы перенести холодный хладагент от теплообменника 20 к реактору 15. Холодный хладагент, текущий в канале 320, может при этом проходить через отверстия в защитной оболочке 85 и в зоне 95 отражателя.
Холодный хладагент реактора, текущий в канале 320 холодного хладагента, может входить в каналы 330 подсистемы 310 охлаждения топлива. Холодный хладагент, текущий в каналах 330, проходит через топливные трубки 135, 135′, 135a или 135b, чтобы облегчить теплоотвод от этих трубок. Топливные трубки 135, 135′, 135a или 135b передают, посредством теплопроводности, тепло холодному хладагенту, проходящему через каналы 330, так что холодный хладагент превращается в горячий хладагент. Таким образом, хладагент выходит из топливных трубок 135, 135′, 135a или 135b, обладая большей энергией на единицу массы, чем он имел на входе в эти трубки, поскольку он либо имеет более высокую температуру, либо изменил свое состояние из жидкого состояния на газообразное, либо, как следствие, обоих этих факторов. Каналы 330 могут затем переносить горячий хладагент в канал 325 горячего хладагента подсистемы 305 переноса.
В первом рассмотренном варианте часть холодного хладагента, текущего в каналах 330 холодного хладагента, поступает также в каналы 335 подсистемы 315 охлаждения замедлителя. Холодный хладагент, текущий в каналах 335, проходит через контролирующие полости 140, чтобы облегчить теплообмен с контролирующими полостями 140. Холодный хладагент, текущий в каналах 335, в какой-то мере нагревается в результате теплообмена с замедлителем, заключенным в контролирующих полостях 140, после чего выводится из контролирующих полостей 140 по каналам 335, а затем возвращается в каналы 330. Холодный хладагент, текущий в каналах 330, проходит сквозь объем 105 жидкого замедлителя. Холодный хладагент, проходящий через каналы 330, в какой-то мере нагревается в результате теплообмена с замедлителем объема 105 жидкого замедлителя. Хладагент, текущий по каналам 330, может затем проходить через топливные трубки 135 и нагреваться ими с переходом из холодного хладагента в горячий хладагент. Каналы 330 могут затем переносить горячий хладагент в канал 325 горячего хладагента подсистемы 305 переноса.
Хладагент реактора, текущий через канал 335 подсистемы 315 охлаждения замедлителя, может поступать, например, в контур, представленный на фиг.14. Хладагент из канала 320 холодного хладагента подсистемы 305 переноса может поступать в канал 335 через промежуточный канал 330 и входной отрезок 350. Затем хладагент течет по каналу 380 внутреннего отрезка 355. Часть хладагента может проходить по всей длине канала 380 до концевой части 370. Однако часть хладагента может поступать из канала 380 через отверстия 375 прямо в канал 385, не доходя до концевой части 370. Поскольку часть относительно холодного хладагента проходит через отверстия 375 прямо в канал 385 и смешивается в канале 385 с относительно горячим хладагентом, температура хладагента в канале 385 может оставаться относительно постоянной по длине канала 385. Размеры отверстий 375 и/или расстояния между ними могут быть заданы из условия наилучшего поддержания, по существу, постоянной температуры в канале 385. В частности, количество хладагента, переносимого, для осуществления смешивания, между каналами 380 и 385, может возрастать в направлении к концевой части 370. Затем хладагент проходит через канал 385 и возвращается по выходному отрезку 365 в канал 330 хладагента подсистемы 305 переноса.
Насос 390 хладагента насосной подсистемы 30 может нагнетать поток холодного хладагента в канал 320 холодного хладагента подсистемы 305 переноса для прохода через топливные трубки 135 и поток горячего хладагента от реактора 15 обратно к теплообменнику 20 по каналу 325 горячего хладагента.
Реакция деления топлива в топливных трубках 135, 135′, 135a или 135b производит высокоэнергетические нейтроны с более высокими скоростями (например, нейтроны, имеющие промежуточные или высокие скорости). Эти нейтроны, имеющие более высокие скорости, теряют энергию в замедлителе массива 130, 130′, 130a или 130b контролирующих полостей посредством соударений с атомами замедлителя. В результате этих столкновений высокоэнергетические нейтроны переходят в низкоэнергетическое состояние (становясь "медленными нейтронами"), причем некоторые из медленных нейтронов затем вызывают реакцию деления атомов топлива. Реактор может рассматриваться как стабильный (например, с постоянным уровнем производства энергии), если для каждого акта деления атома топлива один из испускаемых при этом нейтронов вызывает новый акт деления. Другими словами, реактор может рассматриваться как стабильный, если, в среднем, точно один нейтрон, испущенный в одном акте деления атома топлива, вызывает новый акт деления.
Поскольку замедлитель в массиве 130, 130′, 130a или 130b контролирующих полостей нагревается высокоэнергетическими нейтронами, некоторая его часть может испаряться с образованием паров замедлителя (например, в процессе кипения). Замедлитель в газообразном состоянии является менее плотным, чем замедлитель в жидком состоянии, так что он будет подниматься в верхнюю часть контролирующих полостей 140, 140′, 140a или 140b, в которой он будет заключен, т.к. контролирующие полости 140, 140′, 140a или 140b в своей верхней части являются закрытыми и поэтому могут удерживать замедлитель в этой части. Поскольку объемы контролирующих полостей 140, 140′, 140a или 140b могут быть постоянными, газообразный замедлитель (в виде паров), который накапливается в верхних частях контролирующих полостей 140, 140′, 140a или 140b, будет вытеснять более плотный жидкий замедлитель из нижних частей контролирующих полостей 140, 140′, 140a или 140b. В результате средняя плотность жидкого замедлителя в контролирующих полостях 140, 140′, 140a или 140b уменьшается. Чтобы предотвратить переход, по существу, всего жидкого замедлителя в контролирующих полостях 140, 140′, 140a или 140b в пары замедлителя, контролирующие полости 140, 140′, 140a или 140b охлаждают с помощью подсистемы 25 охлаждения. Эта подсистема способна обеспечить конденсацию части паров замедлителя в более плотный жидкий замедлитель. Как следствие, меньшее количество паров замедлителя будет удерживаться в верхней части контролирующих полостей 140, 140′, 140a или 140b, так что меньшее количество жидкого замедлителя, имеющего относительно высокую плотность, будет вытесняться из контролирующих полостей 140, 140′, 140a или 140b. Соответственно, жидкий замедлитель будет течь обратно в контролирующие полости 140, 140′, 140a или 140b через открытые нижние и/или боковые части контролирующих полостей.
Применительно к приведенному варианту массива 130 контролирующих полостей (см., например, фиг.7 и 8) подсистема 25 охлаждения реактора может отводить, за счет теплопереноса, недостаточное количество энергии от замедлителя, заключенного в массиве 130 контролирующих полостей. Соответственно, увеличенное количество жидкого замедлителя будет нагреваться высокоэнергетическими нейтронами с образованием паров замедлителя. Поскольку при этом в верхней части контролирующих полостей 140 будет удерживаться и накапливаться все большее количество паров замедлителя, граница 195 будет опускаться все ниже по мере вытеснения все больших количеств жидкого замедлителя из контролирующих полостей 140 (например, вытеснения под промежуточный компонент 170 и концевой компонент 165). В результате зоны 185 газа будут увеличиваться, а зоны 190 жидкости будут уменьшаться в размерах. Аналогично, когда подсистема 25 охлаждения отводит, посредством теплопереноса, меньше энергии от конического блока 150, в верхних частях внутренних конических блоков 200 и наружных конических блоков 205 будет накапливаться и удерживаться большее количество паров замедлителя. Поэтому граница 290 будет понижаться по мере вытеснения все больших количеств жидкого замедлителя из внутренних конических блоков 200 и наружных конических блоков 205 (например, вытеснения под внутренний конус 235 и внешний конус 240). Таким образом, зона 280 газа будет увеличиваться, а зоны 190 и 275 жидкости - уменьшаться в размерах. Схожий эффект имеет место и в других описанных вариантах реактора 15.
Имеет место также эффект конверсии. Снова обращаясь к массиву 130 контролирующих полостей как к примеру, следует отметить, что подсистема 25 охлаждения может отводить, посредством теплопереноса, большее количество энергии от замедлителя, заключенного в массиве 130 контролирующих полостей. Соответственно, уменьшенное количество жидкого замедлителя будет нагреваться высокоэнергетическими нейтронами до перехода в пары замедлителя. Поскольку все уменьшающееся количество паров замедлителя будет накапливаться и удерживаться в верхней части контролирующих полостей 140, граница 195 будет подниматься по мере повторного входа жидкого замедлителя в контролирующие полости 140 (например, из-под промежуточного компонента 170 и концевого компонента 165). В результате зона 185 газа будет уменьшаться, а зона 190 жидкости будет увеличиваться в размерах. Аналогично, когда подсистема 25 охлаждения отводит, посредством теплопереноса, больше энергии от конического блока 150, в верхних частях внутренних конических блоков 200 и наружных конических блоков 205 будет накапливаться и удерживаться меньшее количество паров замедлителя. Поэтому граница 290 будет повышаться по мере того, как большее количество жидкого замедлителя повторно входит во внутренние конические блоки 200 и наружные конические блоки 205 (например, из-под внутреннего конуса 235 и внешнего конуса 240). Таким образом, зона 280 газа будет уменьшаться, а зоны 190 и 275 жидкости - увеличиваться в размерах. Пары замедлителя могут также конденсироваться на боковых сторонах контролирующих полостей 140 и стекать по каплям в зоны 190 и 275 жидкости. Схожий эффект имеет место и в других описанных вариантах реактора 15.
Если подсистема 25 охлаждения отводит от массивов 130, 130′, 130a или 130b контролирующих полостей, по существу, столько же энергии, сколько ее поступает от топлива в топливных трубках 135, 135′, 135a или 135b, скорость испарения и скорость конденсации в контролирующих полостях 140, 140′, 140a или 140b будут, по существу, равными, и размеры зон 185 и 280, 185′, 185a или 185b газа будут оставаться, по существу, постоянными. В результате будет, по существу, отсутствовать какое-либо движение жидкого замедлителя в контролирующие полости 140, 140′, 140a или 140b или из них.
Быстрые нейтроны могут замедляться в результате соударений с атомами замедлителя, когда замедлитель находится в жидком или газообразном состоянии (в виде паров). Если средняя плотность жидкого замедлителя уменьшается (например, при увеличении размеров зон 185 и 280, 185′, 185a или 185b газа), среднее расстояние между атомами замедлителя увеличивается, так что возрастает среднее расстояние, которое нейтроны должны пройти между соударениями. Если быстрые нейтроны перед каждым соударением проходят больший путь, т.е. движутся с относительно высокими скоростями в течение большего времени, среднее количество нейтронов, движущихся с относительно высокими и промежуточными скоростями, увеличивается. В то время как медленные нейтроны могут с относительно высокой вероятностью вызвать реакцию деления при столкновениях с атомами топлива, находящегося в топливных трубках 135, 135′, 135a или 135b, нейтроны с более высокой скоростью могут иметь более высокую вероятность быть поглощенными в реакторе 15, не вызвав акта деления. Соответственно, количество медленных нейтронов, способных вызвать реакцию деления, уменьшится.
Если реактор 15 работает, находясь в стационарном состоянии, подсистема 25 охлаждения может функционировать так, чтобы поддерживать желательные, по существу, постоянные размеры зон 185 и 280, 185′, 185a или 185b газа. Эти желательные размеры указанных зон газа могут обеспечивать желательную плотность жидкого замедлителя в массивах 130, 130′, 130a или 130b контролирующих полостей. В результате будет поглощаться точно требуемое количество нейтронов с более высокими (т.е. промежуточными и высокими) скоростями, так что будет достаточное количество медленных нейтронов, движущихся с относительно низкими скоростями, т.е. способных вызывать один новый акт деления для каждого имевшего место акта деления в тепловыделяющих сборках 125, 125′, 125a и 125b.
Размеры зон 185 и 280, 185′, 185a или 185b газа могут поддерживаться при желательных, по существу, постоянных размерах за счет использования отрицательной обратной связи. Как было описано выше, подсистемой 25 охлаждения можно управлять таким образом, чтобы, по существу, согласовать производительность охлаждения активной зоны 100, 100′, 100а или 100b реактора (например, управляя потоком хладагента через массивы 130, 130′, 130a или 130b контролирующих полостей) со скоростью реакции деления (и, следовательно, со скоростью нагрева за счет тепла, передаваемого замедлителю в массивах 130, 130′, 130a или 130b контролирующих полостей в результате реакции деления в тепловыделяющих сборках 125, 125′, 125a или 125b) в активной зоне 100, 100′, 100a или 100b реактора. Если скорость нагрева теплом, передаваемым в массивах контролирующих полостей 130, 130′, 130a, и 130b в результате реакции деления в тепловыделяющих сборках 125, 125′, 125a и 125b, выше, чем производительность охлаждения, обеспечиваемого подсистемой 25 охлаждения, зоны 185 и 280, 185′, 185a или 185b газа будут расширяться. Расширение этих зон газа уменьшает среднюю плотность жидкого замедлителя в массивах 130, 130′, 130a или 130b контролирующих полостей. Это увеличит долю нейтронов, теряемых в результате поглощений на промежуточных и высоких скоростях (резонансного захвата), что уменьшит долю медленных нейтронов, способных вызвать реакцию деления. Это, в свою очередь, уменьшит скорость нагрева реактора 15. Если скорость нагрева станет меньше, чем производительность охлаждения, зоны 185 и 280, 185′, 185a или 185b газа будут уменьшаться, что увеличит среднюю плотность жидкого замедлителя в массивах 130, 130′, 130a или 130b контролирующих полостей и, следовательно, долю нейтронов, теряемых в результате резонансных поглощений. Соответственно, повысится доля нейтронов, способных вызвать реакцию деления, т.е. увеличится скорость нагрева. Таким образом, реактор 15 оказывается управляемым, т.е. заставляющим скорость реакции следовать за производительностью охлаждения массива 130, 130′, 130a или 130b контролирующих полостей подсистемой 25 охлаждения. Соответственно, увеличение или уменьшение производительности охлаждения массива 130, 130′, 130a или 130b контролирующих полостей вызовет соответствующее увеличение или уменьшение суммарного энергетического выхода реактора 15. Поскольку количество энергии, передаваемой замедлителю, может составлять только небольшую долю (например, от 1% до 5%, в частности около 3%) суммарной энергии, производимой реактором 15, для управления им требуется управлять относительно небольшим (по сравнению с полной энергией реактора) количеством энергии (и, соответственно, тепла) путем настройки невысокой производительности охлаждения (относительно полной энергии, производимой реактором 15). Таким образом, управление относительно небольшой производительностью охлаждения обеспечивает простое и стабильное управление общим энергетическим выходом реактора 15, который, например, примерно в 30 раз превышает количество тепла и энергии, которые передаются замедлителю (и которые нужно контролировать путем настройки производительности охлаждения).
2
Только чтобы проиллюстрировать соотношение относительно большого полного энергетического выхода реактора 15 и относительно малого количества энергии, передаваемой замедлителю, можно рассмотреть пример реактора для питания электрогенератора мощностью 1000 МВт. Полная энергия, обеспечиваемая данным генератором при работе с полной мощностью, может составлять около 10000000000 БТЕ/ч (9,47 МДж/ч). Если замедлителем является тяжелая вода (DO) при температуре около 282°С, активная зона реактора может содержать, например, около 100 т замедлителя. В предположении, что около 3% всей энергии, производимой реактором, передается в активной зоне замедлителю, количество энергии, переданной замедлителю, может составлять около 300000000 БТЕ/ч (около 284 кДж/ч), т.е. 1500 БТЕ/ч на 1 фунт жидкого замедлителя. На таком уровне, даже в отсутствие какого-либо охлаждения, для доведения до кипения всего жидкого замедлителя может понадобиться 25 мин. Поскольку газообразный замедлитель при соответствующей температуре может быть в 20 раз менее плотным, чем жидкий замедлитель, в этом примере может потребоваться около 1 мин, чтобы довести до кипения достаточное количество замедлителя с целью заместить остаток фунта жидкого замедлителя в контролирующих полостях 140, 140′, 140a или 140b. Данный пример приведен только для того, чтобы проиллюстрировать долю энергии, сообщаемой замедлителю. Описанные способ и агрегат могут быть использованы в системе ядерного реактора любого типа или размера.
Реактор 15 может снабжать энергией от ядерной реакции подсистему 10 генерации энергии в любое приемлемое время в процессе своего функционирования. Далее будет приведен иллюстративный пример того, как реактор 15, функционируя в стационарном состоянии, питает энергией подсистему 10 генерации энергии. Реактор 15 может также питать энергией подсистему 10 генерации энергии и при других фазах и операционных состояниях системы 5 ядерного реактора.
Как показано на фиг.1 и 13, насос 390 хладагента (насос С) нагнетает поток хладагента реактора через канал 320 холодного хладагента и канал 325 горячего хладагента подсистемы 25 охлаждения. При этом подсистема 25 транспортирует горячий хладагент по каналу 325 горячего хладагента к парогенераторам, установленным в теплообменнике 20. Горячий хладагент, текущий по трубам парогенератора, доводит, посредством теплопереноса, до кипения воду, доставленную в теплообменник 20 паровой подсистемой 65 турбины (как будет пояснено далее). Проходя через теплообменник 20, хладагент, текущий по каналу 325 горячего хладагента, охлаждается теплопереносом между хладагентом и водой в теплообменнике 20. Охлажденный хладагент затем возвращается в реактор 15 по каналу 320 холодного хладагента подсистемы 25 охлаждения. Подсистема 25 охлаждения непрерывно повторяет этот цикл, перенося желательное количество горячего хладагента, который был нагрет в реакторе 15, к теплообменнику 20, а затем возвращая охлажденный хладагент в реактор 15. Водяной пар высокого давления, сгенерированный парогенераторами теплообменника 20, затем переносится к турбине 45 по каналу 70 паровой подсистемы 65 турбины (в составе подсистемы 10 генерации энергии) как часть потоков водяного пара и воды, создаваемых водяным насосом 395 (насосом W), который нагнетает потоки водяного пара и воды в теплообменник 20, канал 70, каналы турбины 45, канал 75, подсистему 60 охлаждения турбины и канал 80.
Турбина 45 преобразовывает водяной пар высокого давления, доставляемый по каналу 70 паровой подсистемы 65 турбины, в механическую энергию. Например, водяной пар воздействует на множество элементов, установленных на вращающемся валу турбины 45, описанной выше, и расширяется, проходя через серию описанных выше цилиндров, чтобы привести во вращение вал турбины 45. Такой вариант турбины 45 просто иллюстрирует один из приемлемых способов получения механической энергии из водяного пара. Механическая энергия вала турбины 45 затем передается механическим способом приводному блоку 50 подсистемы 10 генерации энергии.
Приводной блок 50 затем передает механическим образом переданную ему механическую энергию генератору 55 подсистемы 10 генерации энергии через приводной узел, описанный выше, или через любое другое пригодное механическое соединение. Таким образом, приводной блок 50 способен приводить в действие генератор 55 с целью выработки электричества. В качестве примера, генератор 55 генерирует переменный ток с любой приемлемой частотой, равной, например, 50 или 60 Гц. Затем электричество передается от генератора 55 посредством известных технологий в электросеть или к любому другому месту или процессу, использующему электричество.
Канал 75 паровой подсистемы 65 турбины переносит избыточный или отработанный водяной пар от турбины 45 к подсистеме 60 охлаждения турбины подсистемы 10 генерации энергии. Подсистема 60 охлаждения турбины использует любую приемлемую технологию, например, включающую применение конденсаторов, охлаждаемых градирен, усиленный воздушный поток и/или прямоточное охлаждение, чтобы конденсировать водяной пар в воду. Затем относительно холодная вода переносится по каналу 80 от подсистемы 60 охлаждения турбины к теплообменнику 20.
2
Относительно холодная вода, доставляемая к теплообменнику 20 по каналу 80 паровой подсистемы 65 турбины, входит в теплообменник 20. Часть этой воды поступает в нижнюю внутреннюю часть теплообменника 20, а другая ее часть поступает в теплообменник 20 у его центральной и/или верхней частей. Относительно холодная вода, входящая в нижнюю внутреннюю часть, нагревается и доводится до кипения за счет теплопереноса от горячего хладагента, переносимого в теплообменник 20 по каналу 325 горячего хладагента подсистемы 25 охлаждения. Относительно холодная вода, входящая в верхнюю часть, инжектируется в нижнюю внутреннюю часть теплообменника 20 через множество сопел 83, установленных в центральной и/или верхней части теплообменника 20, на его внутренних стенках. Сопла 83 инжектируют воду в кипящую воду, уже находящуюся во внутренней части теплообменника 20. Относительно холодная вода смешивается с кипящей водой, чтобы способствовать уменьшению температурного градиента НО, содержащейся внутри теплообменника 20. Данный вариант подачи воды к теплообменнику 20 приведен просто в качестве примера, и в теплообменнике 20 может использоваться любая приемлемая технология для осуществления теплообмена.
Описанный процесс использования энергии от ядерной реакции в реакторе 15 для получения водяного пара в теплообменнике 20, использования водяного пара для приведения в действие турбины 45 и приведения в действие генератора 55 посредством турбины 45 непрерывно повторяется с целью произвести желательное количество электричества. Аналогично, процесс конденсации водяного пара в воду и возвращение воды в теплообменнике 20 непрерывно повторяется, пока это представляется желательным. Таким образом, весь процесс повторяется непрерывно, пока это является желательным, в рамках обеспечения реактором 15 питания энергией подсистемы 10 генерации энергии с целью производства энергии, например электрической.
В то время как система ядерного реактора функционирует в стационарном состоянии, потребность в энергии может флуктуировать, например, в течение каждого дня. Усредненная потребность в энергии может изменяться в зависимости от времени дня или ночью (например,, потребность в энергии может быть ниже в середине ночи после рабочего дня по сравнению с утром рабочего дня или ночью между выходными днями). Чтобы варьировать энергию на выходе системы 5 ядерного реактора, может быть использован контроллер 540 подсистемы 40 управления реактором. Контроллер 540 может быть задействован, чтобы управлять подсистемой 40 управления реактором и насосной подсистемой 30 с целью варьировать, с использованием отрицательной обратной связи, производительность охлаждения посредством хладагента реактора и/или хладагента замедлителя в реакторе 15, варьируя тем самым выход энергии, производимой системой 5 ядерного реактора.
Если представляется желательным, чтобы система 5 ядерного реактора генерировала большее количество энергии, контроллер 540 осуществляет управление подсистемой 40 управления реактором и насосной подсистемой 30 таким образом, чтобы увеличить производительность охлаждения замедлителя в реакторе 15, т.е. сделать ее превышающей скорость нагрева замедлителя топливными трубками 135, 135′, 135a или 135b. Контроллер 540 управляет, в частности, насосом 390 хладагента с целью обеспечить прохождение через реактор 15 большего количества хладагента. Если обеспечиваемая подсистемой 25 охлаждения производительность охлаждения замедлителя в массивах 130, 130′, 130a или 130b контролирующих полостей превышает скорость нагрева теплом, передаваемым в замедлитель в массивах 130, 130′, 130a или 130b контролирующих полостей реакцией деления в тепловыделяющих сборках 125, 125′ или 125a, зоны 185 и 280, 185′, 185a или 185b газа будут уменьшаться в размерах, что приведет к повышению средней плотности замедлителя в массивах 130, 130′, 130a или 130b контролирующих полостей и, соответственно, к уменьшению доли нейтронов, теряемых за счет резонансного захвата. Это увеличит долю медленных нейтронов, способных вызывать реакцию деления, и повысит скорость нагрева реактора 15. В результате большее количество тепла будет передаваться хладагенту, текущему в канале 325 горячего хладагента, и, следовательно, большее количество тепла будет переноситься подсистемой 25 охлаждения в теплообменник 20. Поэтому теплообменник 20 будет производить большее количество водяного пара, так что больше водяного пара будет переноситься от теплообменника 20 к турбине 45 по каналу 70. Контроллер 540 заставляет также водяной насос 395 обеспечить передачу большего количества водяного пара к турбине 45. Увеличение количества водяного пара заставит турбину 45 вырабатывать большее количество механической энергии, передача которого от турбины 45 к генератору 55 через приводной блок 50 заставит генератор 55 выработать большее количество энергии (например, электрической).
Если представляется желательным, чтобы система 5 ядерного реактора генерировала меньшее количество энергии, контроллер 540 осуществляет управление подсистемой 40 управления реактором и насосной подсистемой 30 таким образом, чтобы уменьшить производительность охлаждения замедлителя в реакторе 15, чтобы она стала меньше, чем скорость нагрева замедлителя топливными трубками 135, 135′, 135a или 135b. Контроллер 540 управляет, в частности, насосом 390 хладагента с целью обеспечить прохождение через реактор 15 меньшего количества хладагента. Если обеспечиваемая подсистемой 25 охлаждения производительность охлаждения замедлителя в массивах 130, 130′, 130a или 130b контролирующих полостей станет меньше скорости нагрева теплом, передаваемым в замедлитель в массивах 130, 130′, 130a или 130b контролирующих полостей реакцией деления в тепловыделяющих сборках 125, 125′ или 125a, зоны 185 и 280, 185′, 185a или 185b газа будут увеличиваться в размерах, что приведет к уменьшению средней плотности замедлителя в массивах 130, 130′, 130a или 130b контролирующих полостей и, соответственно, к возрастанию доли нейтронов, теряемых за счет резонансного захвата. Это уменьшит долю медленных нейтронов, способных вызывать реакцию деления, и снизит скорость нагрева реактора 15. В результате меньшее количество тепла будет передаваться хладагенту, текущему в канале 325 горячего хладагента, и, следовательно, меньшее количество тепла будет переноситься подсистемой 25 охлаждения в теплообменник 20. Поэтому теплообменник 20 будет производить меньшее количество водяного пара, так что меньше водяного пара будет переноситься от теплообменника 20 к турбине 45 по каналу 70. Контроллер 540 заставляет также водяной насос 395 обеспечить передачу меньшего количества водяного пара к турбине 45. Уменьшение количества водяного пара заставит турбину 45 вырабатывать меньшее количество механической энергии, передача которого от турбины 45 к генератору 55 через приводной блок 50 заставит генератор 55 выработать меньшее количество энергии (например, электрической).
Сжатие и/или расширение зон 185 и 280, 185′, 185a или 185b газа может быть очень постепенным и/или незначительным. Тем не менее, будет обеспечена достаточная управляемость системой 5 ядерного реактора. Таким образом, даже небольшое изменение объема зон 185 и 280, 185′, 185a или 185b газа может привести к достаточно большим различиям, влияющим на резонансный захват, и к достаточной управляемости реактора 15 посредством отрицательной обратной связи.
Функционирование активной зоны 100b реактора может, в основном, совпадать с функционированием активных зон 100, 100′ и 100a реактора, описанных выше. Как показано на фиг.12I, 12J и 12K, реактор 100b обладает дополнительными признаками, связанными с удерживанием замедлителя в массиве 130b контролирующих полостей, которые могут быть полезны, например, в случае более высокого уровня быстрой реакции деления.
Как проиллюстрировано на фиг.12I, 12J и 12K, относительно холодный замедлитель способен свободно перемещаться из объема 105 жидкого замедлителя во входную трубку 335b для хладагента замедлителя. Замедлитель, находящийся в данной трубке, может затем переместиться в контролирующие полости 140b через отверстия 336b, охлаждая при этом замедлитель в контролирующих полостях 140b. По существу, равный объем более теплого замедлителя покинет контролирующие полости 140b и перейдет через отверстия 338b в выходную трубку 337b для выведения замедлителя. Замедлитель, находящийся в этой трубке, может перейти из нее в зону 95 отражателя. Поскольку контролирующие полости 140b имеют закрытые верхние части, замедлитель может оказаться не в состоянии перемещаться между верхними частями контролирующих полостей 140b и зоной 95 отражателя.
Рассматриваемый вариант (см., например, фиг.12N), может использоваться, в частности, если замедлитель охлаждается путем циркулирования относительно холодного замедлителя через объем 105 жидкого замедлителя и/или контролирующую полость 140b (и/или 140′, и/или 140a). Вариант по фиг.12N может функционировать, используя стабильность давления паров замедлителя, по существу, во всех точках системы и стабильность высоты границы 115, находящейся у верхнего края объема 105 жидкого замедлителя, над топливными стержнями 127b (и/или аналогичными топливными стержнями, находящимися в активной зоне 100′ или 100a реактора). Трубка 327b для хладагента замедлителя и/или аналогичные трубки для хладагента замедлителя, находящиеся в активной зоне 100′ или 100a реактора, позволяют замедлителю течь из зоны 95 отражателя и контролирующих полостей 140b (и/или контролирующих полостей 140′, и/или 140a) в теплообменные трубы 390b, которые проходят через бак 377b к каналу 355b и к насосу 350b хладагента замедлителя. Скорость охлаждения замедлителя может, например, соответствовать производительности насоса, умноженной на разность температуры воды в баке 377b и температуры замедлителя в объеме 105 жидкого замедлителя. Поскольку эта разность может поддерживаться на постоянном уровне, производительность охлаждения контролирующих полостей и, следовательно, суммарный энергетический выход, обеспечиваемый реактором, пропорциональны производительности насоса. Таким образом, неправильное функционирование насоса 350b хладагента замедлителя и/или прерывание подачи питания к этому насосу приведет к остановке реакции в реакторе 15. Охлажденный замедлитель течет от насоса 350b хладагента замедлителя по каналу 322b (и/или аналогичному каналу, находящемуся в активных зонах 100′ и/или 100a реактора) к входным трубкам 335b для хладагента замедлителя (и/или к аналогичным трубкам в активных зонах 100′ и/или 100a реактора). В канале 322b вблизи насоса 350b могут быть установлены конденсатор и различные проточные части, схожие по форме и функциям с конденсатором 570 и проточной частью 675 подсистемы 515 отслеживания нагрузки.
Далее будет описано функционирование подсистемы 40 управления реактором, начиная с описания функционирования подсистемы 515 отслеживания нагрузки. Управление функционированием подсистемы управления реактором осуществляется посредством контроллера 540 в составе управляющей подсистемы 510.
Как проиллюстрировано на фиг.20, заслонка 545 подсистемы 515 отслеживания нагрузки селективно уменьшает поток водяного пара от теплообменника 20 к турбине 45 по каналу 70 путем отведения водяного пара из канала 70 в канал 555. Для этого заслонку 545 перемещают из запирающего положения в частично или полностью открытое положение. Когда заслонка 545 находится в запирающем положении, по существу, весь поток водяного пара поступает из канала 70 к турбине 45. Если заслонка 545 переведена в частично открытое положение (например, когда требуется уменьшить поток пара к турбине 45, чтобы учесть снижение потребности в электроэнергии), избыток водяного пара, пропорциональный степени открывания заслонки 545, поступает из канала 70 в канал 555. Таким образом, перемещением заслонки 545 обеспечивается управление количеством водяного пара, который направляется из канала 70 в канал 555. Функционирование заслонки 550, аналогичное функционированию заслонки 545, обеспечивает (в соответствии с положением этой заслонки) управление количеством водяного пара, отводимого из канала 555 в канал 560. Водяной пар, текущий в канале 560, переносится по каналу 560 непосредственно в подсистему 60 охлаждения турбины. Таким образом, заслонка 550 управляет количеством водяного пара, который обходит турбину 45 и подается прямо в подсистему 60 охлаждения турбины. Действуя подобно заслонке 545, заслонка 550 может отводить, по существу, весь, по существу, нулевой поток или часть потока водяного пара из канала 555 по каналу 560 в подсистему 60 охлаждения турбины. Если необходима быстрая остановка турбины 45, заслонку 545 переводят в открытое положение, чтобы отвести, по существу, весь поток водяного пара из канала 70 в канал 555, а заслонку 550 переводят в открытое положение, чтобы направить, по существу, весь поток водяного пара из канала 555 в канал 560. В результате, по существу, весь поток водяного пара от теплообменника 20 отводится в подсистему 60 охлаждения турбины, что способствует быстрой остановке турбины 45.
Водяной пар, текущий по каналу 555, который не был отведен в подсистему 60 охлаждения турбины по каналу 560, поступает по каналу 565 в конденсатор 570 или в аналогичный конденсатор (не изображен) в канале 322b (см. фиг.12N). В результате теплообмена между водяным паром, находящимся в конденсаторе 570, и холодным хладагентом реактора, текущим по каналу 320 холодного хладагента, часть или, по существу, весь водяной пар в конденсаторе 570 конденсируется в воду. Клапан 575 пропускает поток воды из конденсатора 570, в то же время, по существу, блокируя поток водяного пара из конденсатора 570. Затем вода течет от конденсатора 570 по каналу 580 к теплообменнику 585. Теплообменник 585 охлаждает воду до желательной температуры (например, по существу, до температуры воды, которая переносится по каналу 80 паровой подсистемы 65 турбины). Затем канал 590 переносит воду от теплообменника 585 через канал 595 в канал 80, который переносит воду к входу насоса 395 насосной подсистемы 30.
Таким образом, подсистема 515 отслеживания нагрузки позволяет управлять турбиной 45 путем настройки положения заслонки 545 так, чтобы направлять больше или меньше водяного пара от теплообменника 20 для прохождения через турбину 45 в зависимости от флуктуации спроса на энергию. В некоторых вариантах нормального функционирования избыточный водяной пар используют для предварительного нагрева входного потока от подсистемы 60 охлаждения турбины к теплообменнику 20. Кроме того, часть избыточного водяного пара можно использовать для нагрева основного хладагента замедлителя в контролирующих полостях посредством теплообменника (например, небольшого), установленного в канале 322b или 320, ослабляя, тем самым, охлаждение контролирующих полостей 140, 140′, 140a или 140b и снижая энергетический выход реактора, когда количество избыточного водяного пара возрастает (или повышая энергетический выход реактора, когда количество избыточного водяного пара уменьшается).
Далее будет рассмотрено функционирование байпасной подсистемы 520. Контроллер 540 управляет насосом 600, обеспечивая селективное нагнетание хладагента реактора в канал 605, чтобы направлять хладагент из канала 325 горячего хладагента в канал 320 холодного хладагента в обход теплообменника 20 и насоса 390. Следовательно, насос 600 и канал 605 позволяют относительно горячему хладагенту течь по каналу 325 горячего хладагента, в обход теплообменника 20, прямо в канал 320 холодного хладагента, т.е. позволяют горячему хладагенту смешиваться с относительно холодным хладагентом и поднимать тем самым температуру хладагента, текущего в канале 320 холодного хладагента в требуемые периоды процесса функционирования реактора 15 (например, в процессе остановки реактора, работы в режиме малой энергии и/или при начальной загрузке хладагента).
Таким образом, байпасная подсистема 520 позволяет принудительно отводить относительно небольшое количество основного хладагента от нормального тракта хладагента в обход теплообменника 20 и/или активных зон 100, 100′, 100a и/или 100b реактора. Байпасная подсистема 520 может функционировать, если насос 390 хладагента и/или водяной насос 395 приводятся в действие одним двигателем М и пропорциональные количества текучей среды нагнетаются через подсистему 305 переноса, чтобы сбалансировать количество тепла, поступающего в теплообменник 20 через канал 325 горячего хладагента, с количеством тепла, отводимого от теплообменника 20 потоком водяного пара, текущего по каналу 70 к турбине 45 в процессе нормального функционирования. В режиме малой энергии могут иметь место значительные отклонения температуры (например, превышающие отклонения температуры в режиме полной энергии), которые могут изменять соотношение между расходом основного хладагента в канале 325 горячего хладагента и расходом текучей среды, подаваемой к турбине по каналу 70, с отходом от желательного соотношения. Байпасная подсистема 520 обеспечивает компенсацию этих температурных отклонений и поддерживает на желательном уровне соотношение между расходами основного хладагента в канале 325 горячего хладагента и текучей среды, направляемой к турбине по каналу 70. Чтобы реагировать на эти температурные отклонения, насос 600 может работать при относительно низкой производительности. Например, его производительность может составлять 3% от производительности насоса 390 в режиме полной энергии, что может соответствовать 30% от производительности насоса 390 при работе на уровне 10% энергии. Такая производительность насоса 600 может быть достаточной, чтобы компенсировать значительный дисбаланс относительно желательного расхода. Насос 600 может также использоваться в ситуации, в которой нежелательно подавать любую текучую среду к турбине 45 по каналу 70, но при этом требуется поддерживать небольшой поток основного хладагента через активные зоны 100, 100′, 100а и/или 100b реактора (например,, при запуске реактора, чтобы обеспечить равномерное повышение температуры в активных зонах реактора до операционной температуры).
Далее будет описан пример функционирования подсистемы 525 стабилизации замедлителя. При нормальном функционировании реактора 15 клапан 615 находится в состоянии запирания, по существу, блокируя поток паров замедлителя из зоны 110 пара зоны 95 отражателя в резервуар 625 по каналу 610. Когда по команде контроллера 540 клапан 615 открывается, пары замедлителя текут по каналу 610 из зоны 110 пара в резервуар 625. При входе в резервуар 625 по каналу 610 пары замедлителя конденсируются на относительно холодных поверхностях внутренних стенок резервуара 625. Клапан 615 может быть открыт, если требуется быстро остановить реактор. Пары замедлителя, текущие по каналу 610, попадают также в конденсатор 635 по каналу 630. Вследствие теплообмена с относительно холодной водой, текущей через канал 80, пары замедлителя, находящиеся в конденсаторе 635, конденсируются в жидкий замедлитель. Насос 645 селективно нагнетает поток жидкого замедлителя в каналы 640 и 650, перекачивая тем самым сконденсировавшийся замедлитель обратно в реактор 15, например в зону 110 пара. Сконденсировавшийся жидкий замедлитель, перенесенный в зону 110 пара по каналу 650, вызывает дополнительную конденсацию паров замедлителя в зоне 110 пара и снижает температуру жидкого замедлителя в зоне 95 отражателя. Насос 645 может функционировать с производительностью, которая обеспечивает постоянное давление пара в зоне 110 пара и в зоне 95 отражателя. Эта функция обслуживается также клапаном 380b управления давлением пара, показанным на фиг.12N.
Таким образом, подсистема 525 стабилизации замедлителя обеспечивает конденсацию избыточных паров замедлителя и закачивает замедлитель обратно в объем 105 жидкого замедлителя, когда давление паров замедлителя в зоне 110 пара поднимается выше желательного значения. Поддержание давления паров замедлителя в зоне 110 пара в желательном интервале давлений способствует нормальному функционированию контролирующих полостей 140, 140′, 140a или 140b, поскольку подсистема 525 стабилизации замедлителя обеспечивает поддержание давления пара в зоне 110 пара, чтобы поддерживать стабильность температуры паров замедлителя вблизи границы 115 зоны 95 отражателя, а также стабильность температуры жидкого замедлителя вблизи границы 115 зоны 95 отражателя.
Далее будет описан пример функционирования подсистемы 530 стабилизации хладагента реактора. Имеет место, по существу, свободный проход для хладагента реактора между резервуаром 655 и каналом 325 горячего хладагента по каналу 665. Нагревательный элемент 660 селективно нагревает резервуар 655 и поддерживает хранящийся в нем хладагент при желательных температуре и/или давлении (если давление падает ниже желательного значения). Если давление поднимается выше желательного значения, холодный хладагент из канала 320 холодного хладагента селективно инжектируется в резервуар 655 насосом (не изображен). Относительно холодный хладагент, распыляемый в резервуар 655, конденсирует часть паров хладагента в резервуаре 655, тем самым селективно снижая давление в резервуаре 655 и канале 325 горячего хладагента.
Далее будет описан пример функционирования подсистемы 535 дифференцирования потоков, проиллюстрированной на фиг.15 и 20. Поскольку части каждого внутреннего пространства (например, пространств А1, А2, A3 и/или А4) могут блокироваться на входном и выходном концах каждого коаксиального канала 670, поддерживается, по существу, постоянный расход через части канала 320 холодного хладагента, в которых находятся коаксиальные каналы 670. Поскольку проходные сечения коаксиальных каналов можно варьировать, можно варьировать также и время прохождения текучей среды через различные коаксиальные каналы. В результате быстрые изменения температуры в канале 320 холодного хладагента можно растянуть во времени.
Система 5 ядерного реактора может непрерывно функционировать в течение любого приемлемого периода времени, например в течение нескольких лет или десятилетий. По мере продолжения функционирования системы ядерного реактора в течение указанного периода размеры зон 185 и 280, 185′, 185a или 185b газа будут постепенно уменьшаться вплоть, по существу, до полного исчезновения к концу периода. Уменьшение, по существу, до полного исчезновения указанных зон произойдет, поскольку содержание делящегося топлива в топливных трубках 135, 135′, 135a или 135b со временем уменьшится, так что будут использоваться все более высокие плотности замедлителя в массивах 130, 130′, 130a или 130b контролирующих полостей, чтобы компенсировать уменьшение содержания топлива и поддерживать желательную скорость реакции деления. Другой причиной уменьшения размеров зон 185 и 280, 185′, 185a или 185b газа вплоть до, по существу, полного исчезновения состоит в том, что в период функционирования системы 5 ядерного реактора будет происходить накопление побочных продуктов реакции деления, поглощающих нейтроны. Уменьшение размеров указанных зон газа в связи с накоплением указанных продуктов будет обусловлено тем, что для компенсации возрастающего захвата нейтронов с целью поддержания желательной скорости реакции деления также будет необходимо использовать более высокие плотности замедлителя в массивах 130, 130′, 130a или 130b контролирующих полостей.
Со временем, после того как зоны 185 и 280, 185′, 185a или 185b газа будут сведены, по существу, к нулевым объемам, содержание делящегося топлива в топливных трубках 135, 135′, 135a или 135b может стать достаточно малым и/или количество накопленных в реакторе 15 побочных продуктов реакции деления, поглощающих нейтроны, станет достаточно большим для того, чтобы реактор 15 стал субкритическим и скорость реакции деления в системе 5 ядерного реактора стала незначительной. В результате реактор 15 остановится. В этот момент в реактор 15 может быть загружено свежее топливо или он может использоваться в течение кратких периодов после остановки с учетом фактора распада ксенона.
Система 5 ядерного реактора может быть остановлена (если это представится целесообразным) также и до истечения предельного периода функционирования, описанного выше. Система ядерного реактора может быть преднамеренно остановлена посредством подсистемы 40 управления реактором. В случае преднамеренной остановки функционирование подсистемы 25 охлаждения может быть направлено на доставку в реактор 15 относительно небольшого или, по существу, нулевого количества хладагента реактора и/или хладагента замедлителя. В этом случае замедлитель в массивах 130, 130′, 130a или 130b контролирующих полостей станет очень горячим, что заставит зоны 185 и 280, 185′, 185a или 185b газа расширяться, по существу, до заполнения всех контролирующих полостей 140, 140′, 140a или 140b. Как было описано выше, если зоны 185 и 280, 185′, 185a или 185b газа заполняют, по существу, все контролирующие полости 140, 140′, 140a или 140b, средняя плотность замедлителя в массивах 130, 130′, 130a или 130b контролирующих полостей уменьшается. Это уменьшение плотности замедлителя увеличит долю нейтронов с промежуточными и высокими скоростями, теряемых в результате поглощения (резонансного захвата), и соответственно уменьшит долю медленных нейтронов, способных вызывать реакцию деления, что уменьшит скорость нагрева реактора 15. Таким образом, если поток хладагента реактора и хладагента замедлителя в реактор 15 остается небольшим или, по существу, останавливается, зоны 185 и 280, 185′, 185a или 185b газа сохранятся заполняющими, по существу, все контролирующие полости 140, 140′, 140a или 140b, так что реактор 15 остановится. Аналогично преднамеренной остановке, если подсистема 25 охлаждения не функционирует должным образом и не подает в реактор 15 хладагент реактора и/или хладагент замедлителя, зоны 185 и 280, 185′, 185a или 185b газа расширятся до заполнения, по существу, всех контролирующих полостей 140, 140′, 140a или 140b, и реактор 15 постепенно остановится самостоятельно аналогично тому, как это было описано для преднамеренной остановки.
Далее будет описано функционирование вспомогательной подсистемы 35 охлаждения, начиная с описания функционирования подсистемы 410 конвекционной петли.
Ответвления 425 и 455, показанные на фиг.16, могут быть сконфигурированы такими, что при, по существу, максимальном потоке хладагента реактора (при функционировании при полной энергии) давление А в канале 430 и давление В в ответвлении 455 действуют в противоположных направлениях и уравновешивают одно другое, так что поток через каналы 430, 435, 440 и 445, зону 450 слияния и ответвление 455, по существу, отсутствует. Если насос 390 хладагента прекращает нагнетать холодный хладагент через канал 320 холодного хладагента, через активные зоны 100, 100′, 100a и/или 100b реактора и из канала 325 горячего хладагента к теплообменнику 20, то горячий хладагент, покидающий активные зоны 100, 100′, 100a и/или 100b реактора, может входить в канал 430 подсистемы 410 конвекционной петли у ответвления 425. Отсюда горячий хладагент будет течь вниз по каналу 430, оказываясь ниже верхней поверхности объема 105 жидкого замедлителя. После этого горячий хладагент течет вверх, переходя из канала 430 в канал 435, а затем в сторону защитной оболочки 85 и корпуса 90 давления по множеству каналов 440. Из множества каналов 440 горячий хладагент поступает в соответствующее множество каналов 445. Горячий хладагент, текущий через множество каналов 445, отдает, посредством теплообмена, тепло корпусу 90 давления. По множеству каналов 445 хладагент переносится к месту вблизи или ниже дна активных зон 100, 100′, 100a и/или 100b реактора. После этого хладагент через ответвление 455 входит в канал 320 холодного хладагента. Хладагент, вошедший в канал 320 холодного хладагента, затем входит в активные зоны 100, 100′, 100a и/или 100b реактора, после выхода из которых часть хладагента возвращается в подсистему 410 конвекционной петли у ответвления 425.
Давление А уравновешивает давление В, если насос 390 обеспечивает циркуляцию холодного хладагента замедлителя с производительностью, соответствующей функционированию реактора при максимальной энергии, так что в этом режиме очень малое количество хладагента проходит по конвекционной петле. При уровне энергии, меньшем полной энергии (который может соответствовать намного меньшему потоку хладагента, чем полный поток или, по существу, отсутствию потока хладагента), конвекционная петля функционирует, т.е. обеспечивает циркуляцию хладагента через подсистему 410 конвекционной петли. Таким образом, если это требуется, подсистема 410 конвекционной петли осуществляет циркуляцию хладагента через реактор 15, даже когда подсистема 25 охлаждения не функционирует. Подсистема 410 конвекционной петли и клапаны 460, 465 могут быть автономными системами, функционирующими независимо от контроллера 540 и от любого источника электропитания. Например, клапаны 460 и 465 могут действовать, чтобы изолировать поток хладагента в подсистеме 410 конвекционной петли в случае прерывания потока в подсистеме 25 охлаждения или утечки в любых компонентах подсистемы хладагента снаружи защитной оболочки 85. Клапан 460 обеспечивает, по существу, блокирование потока хладагента из реактора 15 по каналу 320 холодного хладагента в любом случае, когда внешнее давление становится меньше, чем давление в канале 320 холодного хладагента внутри корпуса 90 давления. Кроме того, клапан 465 осуществляет, по существу, блокирование потока хладагента из реактора 15, когда количество хладагента в реакторе 15 меньше желательного порогового количества. Таким образом, если это требуется, подсистема 410 конвекционной петли обеспечивает поддержание циркуляции хладагента через реактор 15 независимо от работы подсистемы 25 охлаждения.
Далее будет описан пример функционирования вспомогательной подсистемы 415 теплообмена, проиллюстрированной на фиг.17 и 18. Если температура жидкого замедлителя в зоне 95 отражателя превышает его нормальную операционную температуру, корпус 90 давления также нагревается посредством теплопереноса от замедлителя и его паров примерно до той же температуры. При этом дополнительно нагревается изменяющий состояние материал, заключенный в теплообменных элементах 470. Будучи нагретым выше порогового уровня, этот материал, заключенный в теплообменных элементах 470, изменит свое состояние (например, перейдет в результате нагрева из твердого состояния в жидкое или из жидкого состояния в газообразное). Это приведет к улучшению теплопроводящих свойств данного материала, т.е. изменяющий состояние материал, находящийся в теплообменных элементах 470, будет эффективно отводить тепло от корпуса 90 давления посредством конвекции или переноса паров, в направлении наружной защитной оболочки 85 (которая может иметь низкую теплопроводность).
Изменяющий состояние материал теплообменного элемента 475 может также нагреваться посредством теплопереноса от теплообменного элемента 470. Будучи нагретым выше порогового уровня, этот материал, заключенный в теплообменных элементах 470, изменит свое состояние (например, перейдет в результате нагрева из твердого состояния в жидкое или из жидкого состояния в газообразное). Это приведет к улучшению теплопроводящих свойств данного материала.
Затем изменяющий состояние материал теплообменных элементов 475 будет перетекать из теплообменного элемента 475 в теплообменный элемент 480. Если теплообменные элементы 480 находятся под большим участком поверхности (например, под полем и/или парковочной зоной), тепло, переносимое изменяющим состоянием материалом, находящимся в теплообменных элементах 480 и/или текущим по ним, будет рассеиваться в примыкающих к ним подповерхностных и поверхностных участках. Если теплообменные элементы 480 расположены под небольшим углом к горизонтальной плоскости (с подъемом в направлении наружу), изменяющий состояние материал, находящийся в теплообменном элементе 480 и/или текущий по нему, по мере увеличения расстояния от реактора 15 будет рассеивать тепло все в большей степени.
2
Будучи охлажденным ниже порогового уровня, изменяющий состояние материал, заключенный в теплообменных элементах 480, снова изменит свое состояние (например, охладится до перехода из газообразного состояния в жидкое или из жидкого состояния в твердое). Например, если изменяющим состояние материалом, заключенным в теплообменных элементах 475 и 480, является HO, водяной пар сконденсируется в воду. Если теплообменные элементы 480 установлены под небольшим углом к горизонтальной плоскости (с подъемом в направлении наружу), данный материал, например вода, будет образовывать в теплообменных элементах 475 пузырьки пара, которые будут быстро подниматься к верхнему краю теплообменных элементов 475, а затем течь в направлении наружу вдоль верхних краев теплообменных элементов 480, пока они не сконденсируются в теплообменных элементах 480 в более холодную воду, которая начнет течь, под действием силы тяжести, обратно к реактору 15. Когда изменяющий состояние материал течет, под действием силы тяжести, обратно по теплообменным элементам 480 к реактору 15 и теплообменным элементам 475, этот материал будет все больше нагреваться. Будучи снова нагретым выше порогового уровня, этот материал, заключенный в теплообменных элементах 470, изменит свое состояние (например, перейдет в результате нагрева из твердого состояния в жидкое или из жидкого состояния в газообразное). Таким образом, изменяющий состояние материал может поочередно нагреваться и охлаждаться, циклично изменяя свои состояния в обоих направлениях и непрерывно отводя тепло от реактора 15, которое затем рассеивается по большой территории (например, по полю и/или парковочной зоне), под которой размещены теплообменные элементы 480. Предусматривается, что, в дополнение к использованию в системе 5 ядерного реактора, вспомогательная подсистема 415 теплообмена может быть применена в любом приемлемом приложении, связанном с теплопереносом, когда тепло отводится от центрального источника (например, от энергетической установки любого типа или от генерирующих тепло конструкций любого типа, таких как коммерческие здания, военные объекты, жилые здания и сооружения, и/или спортивные комплексы).
Далее будет описан пример функционирования вспомогательной подсистемы 420 остановки реактора, проиллюстрированной на фиг.19. В процессе нормального функционирования реактора 15 клапан 487 может оставаться закрытым. Если требуется обеспечить поступление в реактор 15 поглотителя нейтронов (например, когда нужно произвести остановку реактора 15), контроллер 540 выдает команду на открытие клапана 487, чтобы допустить проход находящегося под давлением поглотителя нейтронов из находящегося под давлением резервуара 485 в один или более каналов 490. Поглотитель нейтронов, текущий по одному или более каналам 490, проходит в результате через активные зоны 100, 100′, 100a и/или 100b реактора. Когда поглотитель нейтронов течет в направлении концевой части 505, водяной пар, ранее находившийся в канале 490, становится все в большей степени сжатым в закрытой концевой части 505, т.е. служит в качестве буфера, предотвращающего выход поглотителя нейтронов из концевой части 505 под воздействием находящегося под давлением потока из указанного резервуара 485 в канал 490. Как следствие присутствия поглотителя нейтронов в каналах 490, количество поглощаемых нейтронов, испущенных реактором 15, возрастает, что уменьшает скорость реакции деления в реакторе 15. Когда потребуется вновь запустить реактор, контроллер 540 выдаст команду насосу 500 закачать поглотитель нейтронов из канала 490 обратно в резервуар 485 по сливному каналу 495. Если желательно, по существу, полное отсутствие поглотителя нейтронов в канале 490, контроллер 540 выдаст команду на запирание клапана 487 и на выведение насосом 500 поглотителя нейтронов из канала 490 в находящийся под давлением резервуар 485. Насос 500 поддерживает давление в резервуаре 485, так что описанный процесс может повторяться, когда это требуется.
Описанная система ядерного реактора может быть использована, чтобы облегчить управление ядерным реактором. Например, реактор 15 может быть сконструирован без каких-либо подвижных частей в защитной оболочке 85. Описанный способ управления применим в относительно широком диапазоне (например, превышающем 250 mk), что позволяет использовать топлива с существенно различными реактивностями при достижении, по существу, максимального коэффициента преобразования для каждого из этих топлив, по существу, во всех точках жизненного цикла топлива. Описанная система ядерного реактора также способствует увеличению коэффициента преобразования топлива и увеличивает тем самым срок его службы. Кроме того, благодаря относительно широкому диапазону способа управления реактор 15 может использовать топлива с более высокой реактивностью, например низкообогащенный уран, МОХ-топлива (топлива на основе смеси оксидов), отработанное топливо легководного реактора и комбинации топлив, содержащих торий.
Поскольку описанные контролирующие полости, управляющие локальными потоками нейтронов, функционируют независимо одна от другой, ксеноновые волны могут подавляться естественным образом, что повышает эффективность реактора 15. Кроме того, поток нейтронов через активные зоны 100, 100′, 100a и/или 100b реактора в значительной степени выравнивается, что позволяет достичь более высокого суммарного энергетического выхода для системы 5 ядерного реактора. Выгорание топлива в пределах активных зон 100, 100′, 100a и/или 100b реактора также может быть относительно равномерным.
Описанная система ядерного реактора может не требовать постоянного или частичного обновления топлива, поскольку избыток нейтронов может быть использован, чтобы удлинить срок службы свежего топлива с более высоким коэффициентом преобразования, вместо того чтобы менее эффективно увеличивать срок службы более старого топлива, имеющего более низкий коэффициент преобразования. Поскольку реактор 15 может использовать в качестве топлива природный уран, нет необходимости в использовании возможностей обогащения изотопного состава (например, урана), что уменьшит вероятность распространения ядерного оружия. Благодаря высокому коэффициенту преобразования реактора 15 обеспечивается высокий энергетический выход при реакции деления изотопов плутония (в основном, Pu239), образующихся в реакторе 15 из U238. Это значительно увеличивает суммарную энергию в расчете на 1 т природного урана и существенно уменьшает количество ядерных отходов в расчете на 1 кВт.ч произведенной энергии.
Описанные контролирующие полости могут обеспечить реактор 15 простой конструкцией для эффективного управления системой 5 ядерного реактора. Эти полости способны уменьшить разность температур между хладагентом и замедлителем, что позволяет сократить потери тепла от горячего хладагента к замедлителю и получить более высокие температуры выходящего хладагента и большую эффективность паровой турбины. Кроме того, описанные контролирующие полости делают возможным уменьшить перепад давлений в пределах реактора 15, что позволяет изготовить трубы, по которым под давлением проходит хладагент, из менее прочного материала, поглощающего меньше нейтронов, и повысить за счет этого коэффициент преобразования топлива.
Описанные тепловыделяющие сборки позволяют разместить внутренние топливные стержни в описанных топливных трубках, которые относительно в меньшей степени экранированы от тепловых нейтронов наружными топливными стержнями. Это приводит к относительно равномерным распределениям температур по топливным трубкам, так что топливные трубки и тепловыделяющие сборки могут содержать больше топливных стержней и/или топливные стержни большего диаметра. Тем самым может быть повышен энергетический выход в расчете на единицу объема реактора.
Вспомогательная подсистема 415 теплообмена позволяет реализовать способ эффективного переноса тепла от реактора 15 или от любого другого подходящего источника тепла. Данная подсистема представляет собой систему эффективного теплопереноса, способную работать без подвижных механических частей.
Описанная система ядерного реактора может также обеспечивать, в случае необходимости, автоматическую и/или преднамеренную остановку реактора 15. Данная система способна также реализовать способы управления количеством пара, который подается к турбине 45 по байпасной системе, что позволяет повысить эффективность управления производством энергии.
Специалистам в соответствующей области будет очевидна возможность различных модификаций и вариантов предложенной системы ядерного реактора. Возможные варианты станут ясны специалистам в результате изучения описания и практического применения описанных способа и агрегата. При этом представленные варианты осуществления изобретения приведены лишь в качестве примеров, тогда как объем изобретения определяется только формулой изобретения с учетом возможных эквивалентов.