ЯДЕРНЫЙ РЕАКТОР С ЖИДКОМЕТАЛЛИЧЕСКИМ ТЕПЛОНОСИТЕЛЕМ (ВАРИАНТЫ)
LIQUID METAL COOLED NUCLEAR REACTOR (VERSIONS)

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к ядерной энергетике, в частности, к конструкции ядерных реакторов на быстрых нейтронах бассейнового типа с тяжелым жидкометаллическим теплоносителем (например, свинец, эвтектика свинец-висмут).
Предшествующий уровень техники
Известна ядерная энергетическая установка, содержащая реактор с жидкометаллическим теплоносителем, с размещенными под свободным уровнем: активной зоной, парогенераторами, главными циркуляционными насосами с рабочими колесами осевого типа, а также системой защитного газа, при этом лопасти рабочего колеса главного циркуляционного насоса установлены на втулках, оси которых перпендикулярны оси вала насоса с возможностью поворота лопастей до положения, полностью перекрывающего поток теплоносителя через насос (RU 115955 U1, 2012 г.)
Известна разборная конструкция активной зоны ядерного реактора с преимущественным использованием в качестве теплоносителя первого контура жидкометаллического теплоносителя. Конструкция содержит тепловыделяющие сборки, чехлы СУЗ с поглощающими стержнями, закрепленные в опорной плите с помощью цанговых устройств, причем цанговый захват чехла СУЗ закреплен в опорной плите и выполнен таким образом, что цанговый хвостовик тепловыделяющих сборок своим внутренним диаметром охватывает лепестки цангового захвата чехла СУЗ и фиксирует их в удерживающем рабочем состоянии (RU 2298849 C2, 2007).
Известен ядерный реактор, в частности ядерный реактор бассейнового типа, имеющий главный бак, в котором размещается активная зона, содержащая пучок тепловыделяющих элементов и погруженная в первичный теплоноситель, циркулирующий между активной зоной и, по меньшей мере, одним теплообменником; реактор отличается тем, что топливные элементы проходят вдоль соответствующих параллельных продольных осей и имеют соответствующие активные участки, расположенные в нижних концах топливных элементов и погруженные в первичный теплоноситель, образуя активную зону, и соответствующие служебные участки, которые вытянуты вверх от активных участков и выходят из первичного теплоносителя (WO 2009/040644 A2, 2009).
Ближайшим аналогом предполагаемого изобретения является ядерный реактор бассейнового типа с жидкометаллическим охлаждением (RU 2408094, 2012). Реактор содержит корпус, активную зону, насос (насосы) для циркуляции теплоносителя первого контура через активную зону и парогенератор (ПГ), причем насос и ПГ агрегатированы в прочную неразборную сборку, размещенную в кольцевом пространстве между корпусом и разделительной оболочкой, а теплоноситель первого контура всасывается насосом (насосами) из горячего коллектора, расположенного над активной зоной, и поступает горизонтальным течением на вход ПГ, откуда опускным потоком поступает на вход активной зоны, замыкая контур циркуляции.
Ближайший аналог имеет следующие недостатки:
- насос перекачивает горячий теплоноситель, имеющий температуру около 500°C. Для таких температур отсутствуют конструкционные материалы, обладающие необходимой коррозионной и эрозионной стойкостью в течение многих лет в потоке тяжелого жидкометаллического теплоносителя при скоростях на лопатках рабочего колеса насоса около 20 м/сек.;
- крышка реактора работает при высокой температуре около 500°C, что создает трудности в обслуживании и охлаждении подшипников насоса и электропривода, уплотнений разъемных соединений на крышке и др.;
- агрегатирование насоса с ПГ в единую неразборную конструкцию, имеющую в поперечном сечении форму боба, создает трудности при ремонте, так как при необходимости замены неисправного ПГ потребуется замена и насоса;
- в случае течи ПГ пузыри пара и капли воды могут увлекаться опускным потоком теплоносителя с вероятным попаданием в активную зону. Это может привести к реактивностной аварии реактора с быстрым спектром нейтронов.
Раскрытие изобретения
Технической задачей, решаемой вариантами изобретений, является повышение надежности работы ядерного реактора и улучшение его эксплуатационных характеристик.
Ядерный реактор, согласно первому варианту изобретения, содержит корпус с крышкой, внутри которого установлена разделительная оболочка с защитной пробкой, размещенная в корпусе с образованием кольцевого пространства, корпус оснащен, по меньшей мере, одним парогенератором и, по меньшей мере, одним насосом, установленными в кольцевом пространстве в своих обечайках. Внутри разделительной оболочки в ее нижней части размещена активная зона, над которой расположен горячий коллектор, сообщающийся через входной патрубок (или два или более входных патрубков) с парогенератором (или два или более парогенераторов) в средней его части. Холодный теплоноситель из верхней части парогенератора через окна в его обечайке вытекает свободным течением в верхний горизонтальный холодный коллектор с свободным уровнем теплоносителя. Верхний горизонтальный холодный коллектор расположен в кольцевом пространстве под крышкой корпуса между обечайками парогенераторов и насосов. Холодный теплоноситель из нижней части парогенератора поступает в нижний сборный коллектор, сообщающийся с верхним холодным коллектором через кольцевой канал, проходящий вдоль корпуса реактора, и каналы, образованные элементами внутрикорпусной радиационной защиты, размещенными в кольцевом пространстве между разделительной оболочкой, корпусом и обечайками парогенератора и насосов. Вход насоса через окна в его обечайке сообщен с верхним горизонтальным холодным коллектором, а выход насоса сообщен с нижним кольцевым напорным коллектором, отделенным горизонтальной перегородкой от нижнего сборного коллектора, при этом нижний кольцевой напорный коллектор сообщен через кольцевую щель с раздаточным коллектором активной зоны. Парогенераторов может быть один или более, насосов также может быть один или более, количество парогенераторов может совпадать или не совпадать с количеством насосов.
Схема циркуляции теплоносителя по первому варианту изобретения будет эффективной только для парогенераторов, генерирующих пароводяную смесь, поскольку теплообмен между теплоносителем и пароводяной смесью в верхней части парогенератора происходит по схеме прямотока, так как в этом варианте питательная вода подается в нижнюю часть парогенератора, а пароводяная смесь выходит сверху и далее поступает для разделения воды и насыщенного пара в сепаратор, не являющийся принадлежностью реактора.
В случае применения прямоточного парогенератора, вырабатывающего перегретый пар, схема циркуляции теплоносителя первого контура выполняется по второму варианту изобретения. Ядерный реактор, согласно второму варианту изобретения, содержит корпус с крышкой, внутри которого установлена разделительная оболочка с защитной пробкой, размещенная в корпусе с образованием кольцевого пространства, корпус оснащен, по меньшей мере, одним парогенератором и, по меньшей мере, одним насосом, установленными в кольцевом пространстве в своих обечайках. Внутри разделительной оболочки в ее нижней части размещена активная зона, над которой расположен горячий коллектор, сообщающийся через вертикальные каналы в защитной пробке с входным патрубком (или двумя или более входными патрубками), расположенным на уровне верхней части парогенератора (или двух или более парогенераторов) для организации противоточной схемы теплообмена между греющим теплоносителем и нагреваемой средой. При этом питательная вода подается в нижнюю часть парогенератора, а перегретый пар выходит из верхней части парогенератора. Выходящий из нижней части парогенератора холодный теплоноситель поступает в нижний сборный коллектор, откуда через кольцевой канал, проходящий вдоль корпуса реактора, и каналы, образованные элементами внутрикорпусной радиационной защиты, размещенными в кольцевом пространстве между разделительной оболочкой, корпусом и обечайками парогенератора и насоса, поступает в верхний горизонтальный холодный коллектор со свободным уровнем теплоносителя, расположенный в кольцевом пространстве под крышкой корпуса между обечайками парогенератора и насоса. Вход каждого насоса через окна в его обечайке сообщен с верхним горизонтальным холодным коллектором, а выход каждого насоса сообщен с нижним кольцевым напорным коллектором, отделенным горизонтальной перегородкой от нижнего сборного коллектора, при этом нижний кольцевой напорный коллектор сообщен через кольцевую щель с раздаточным коллектором активной зоны. Парогенераторов может быть один или более, насосов также может быть один или более.
Для обоих вариантов осуществления ядерного реактора корпус ядерного реактора и разделительная оболочка, предпочтительно имеют цилиндрическую форму, а парогенераторы и насосы выполнены, предпочтительно, с обечайками (внешними оболочками) цилиндрической формы и размещены предпочтительно вертикально.
Кроме того, для обоих вариантов осуществления изобретения для улучшения условий естественной циркуляции (ЕЦ) теплоносителя первого контура, когда насосы не работают, для отвода остаточного энерговыделения в перегородке между нижним сборным коллектором парогенератора и напорным коллектором активной зоны выполнены перепускные клапаны, соединяющие коллекторы между собой и открывающиеся при отключении насосов. Клапаны могут быть как с приводами, так и без приводов. В случае выполнения клапанов без привода, они выполняются из материала с более высокой плотностью, чем теплоноситель, что обеспечивает после остановки насосов открытие клапанов под действием силы тяжести и закрытие клапанов при включении насосов под действием гидродинамических сил.
В соответствии с другим вариантом улучшения условий естественной циркуляции теплоносителя первого контура в перегородке между нижним сборным коллектором и напорным коллектором активной зоны выполняют перепускные отверстия. При этом в случае работающих насосов образуется постоянный байпас теплоносителя мимо активной зоны, который не должен превышать небольшой доли номинального расхода для исключения недопустимого повышения температуры теплоносителя и топлива. Для уменьшения байпасирования насоса в перепускных отверстиях могут быть установлены конфузоры, коэффициенты гидравлического сопротивления которых при течении теплоносителя из напорного коллектора насосов в нижний сборный коллектор значительно выше, чем при течении теплоносителя в режиме естественной циркуляции из нижнего сборного коллектора в нижний кольцевой напорный коллектор насосов.
Поскольку все насосы (если их больше, чем один) включены параллельно на общий кольцевой напорный коллектор, в последнем для уменьшения байпасного расхода через один из остановившихся насосов (в случае его неисправности), предусмотрены радиальные плоские перегородки, размещенные на равном удалении от осей насосов, препятствующие прямому поступлению теплоносителя по кольцевому напорному коллектору от выхода работающих насосов на выход остановленного насоса. Это позволяет уменьшить снижение мощности реактора при остановке одного из насосов и не создает дополнительного гидравлического сопротивления при работе всех насосов, так как радиальные перегородки в кольцевом напорном коллекторе размещены симметрично относительно осей насосов.
Для обоих вариантов осуществления изобретения в специальных патрубках на крышке реактора или в патрубках на крышке реактора, в которых установлены парогенераторы, выполнены разгрузочные разрывные мембраны, для исключения необходимости значительного увеличения толщин крышки и корпуса реактора в случае постулированной множественной течи трубок парогенератора и возможности повышения давления внутри корпуса до значения давления пара, ограничивающие давление пара в газовой полости над свободным уровнем теплоносителя в верхнем холодном коллекторе.
Положительный эффект, достигаемый при осуществлении вариантов изобретений, в сравнении с известными из уровня техники ядерными реакторами, выражается в новых технических свойствах, состоящих в повышении надежности ядерного реактора бассейнового типа с жидкометаллическим теплоносителем и улучшении его эксплуатационных характеристик:
- насос перекачивает «холодный» теплоноситель, что облегчает решение задачи обеспечения длительного коррозионно-эрозионного ресурса рабочих органов насоса;
- крышка корпуса реактора работает в условиях более низких температур, что обеспечивает более высокую надежность и облегчает условия охлаждения устройств размещенных на крышке;
- парогенераторы и насосы можно заменять при необходимости независимо друг от друга, что сокращает сроки проведения ремонтных работ и уменьшает стоимость ремонта. Заявленная конструкция позволяет не связывать количество насосов с количеством парогенераторов. Такая конструкция позволяет просто заменять только неисправный парогенератор, не извлекая при этом насосы из реактора;
- поток теплоносителя после выхода из парогенератора поступает на его свободный уровень в верхнем холодном коллекторе. Такая схема циркуляции исключает возможность попадания влаги в активную зону в случае течи парогенератора, так как пар и капли воды поступают с восходящим потоком теплоносителя в верхний холодный коллектор, где на свободном уровне горизонтального потока теплоносителя происходит эффективная гравитационная сепарация пузырей пара и капель воды в газовую полость реактора, заполненную инертным газом при небольшом избыточном давлении для исключения попадания воздуха в газовую полость через возможные неплотности, который (воздух) в случае его попадания в газовую полость будет вызывать нежелательное окисление теплоносителя.
Кроме того, для первого варианта изобретения разделение потока теплоносителя, поступающего на вход парогенератора, выполняющего в данном случае функцию парогенератора-испарителя, на две части, восходящий и нисходящий потоки, за счет расположения патрубка в средней части парогенератора, уменьшает его гидравлическое сопротивление в восемь раз и позволяет уменьшить общее гидравлическое сопротивление первого контура и требуемую мощность насосов.
Краткое описание чертежей
Изобретение поясняется чертежами, на которых изображено:
на фиг.1 - ядерный реактор, схема (первый вариант),
на фиг.2 - ядерный реактор, схема (второй вариант).
Осуществление изобретения
Ядерный реактор включает в себя цилиндрический корпус 1, в котором размещены активная зона 2, парогенераторы 3 (далее - ПГ) и насосы 4. ПГ и насосы размещены каждый в своих обечайках. Тяжелый жидкометаллический теплоноситель первого контура, например, свинец или эвтектика свинец-висмут, движется в межтрубном пространстве ПГ, а теплоноситель второго контура (вода, пар) - внутри труб.
ПГ и насосы, перекачивающие жидкометаллический теплоноситель, размещены в кольцевом пространстве 5, образованном цилиндрическим корпусом 1 реактора и цилиндрической разделительной оболочкой 6. Внутри цилиндрической разделительной оболочки 6 в ее нижней части размещена активная зона 2, а в верхней части - защитная пробка 7.
ПГ 3 и насосы 4 имеют предпочтительно цилиндрическую форму обечаек, размещены предпочтительно вертикально, причем количество насосов 4 не связано с количеством ПГ 3, так как их установка в корпусе осуществлена независимо друг от друга.
Над активной зоной 2 размещен горячий коллектор 8, из которого жидкометаллический теплоноситель первого контура подается во входные камеры ПГ через входные патрубки 9, соединяющие окна в разделительной оболочке 6 с входными камерами ПГ 3.
Для изобретения согласно первому варианту входные патрубки расположены в средней (по высоте) части ПГ 3.
Вошедший в среднюю часть ПГ 3 горячий жидкометаллический теплоноситель разделяется на две части: восходящий поток, который омывает верхнюю часть ПГ 3 и поступает свободным течением через окна в обечайке ПГ-испарителя в верхний горизонтальный холодный коллектор 10 со свободным уровнем теплоносителя, размещенный в кольцевом пространстве под крышкой реактора между обечайками ПГ и насосов, и нисходящий поток, который омывает нижнюю часть ПГ 3 и поступает в нижний сборный коллектор 11, откуда восходящим потоком через кольцевой канал, проходящий вдоль корпуса реактора, и каналы, образованные элементами внутрикорпусной радиационной защиты, размещенными в кольцевом пространстве между разделительной оболочкой, корпусом и обечайками ПГ и насосов, поступает также в верхний горизонтальный холодный коллектор 10, где смешивается с жидкометаллическим теплоносителем, поступившим из верхней части ПГ 3.
Из верхнего горизонтального холодного коллектора 10 жидкометаллический теплоноситель свободным горизонтальным течением через окна в обечайке насосов поступает на вход насосов 4, откуда нисходящим потоком за счет напора насосов подается в нижний кольцевой напорный коллектор 12, отделенный горизонтальной перегородкой 13 от нижнего сборного коллектора 11.
Из нижнего кольцевого напорного коллектора через кольцевую щель 14 поступает в раздаточный коллектор 15 активной зоны 2, замыкая контур циркуляции.
Возможность попадания влаги в активную зону 2 в случае течи ПГ исключается за счет того, что влага (пар, капли воды) из межтрубного пространства ПГ 3 восходящим потоком теплоносителя переносится в верхний горизонтальный холодный коллектор 10, где на свободном уровне теплоносителя происходит эффективная гравитационная сепарация пара, который выводится в газовую полость реактора, заполненную инертным газом под небольшим избыточном давлением. Из газовой полости реактора влага удаляется известными устройствами.
В результате крышка реактора и рабочие колеса насосов взаимодействуют с холодным теплоносителем из верхнего горизонтального холодного коллектора 10, что позволяет повысить надежность их работы и продлить срок службы.
Первый вариант изобретения относится к ПГ, генерирующих пароводяную смесь, которая далее поступает для разделения воды и насыщенного пара в сепаратор.
Для прямоточного ПГ, вырабатывающего перегретый пар, схема циркуляции жидкометаллического теплоносителя первого контура несколько изменена и соответствует второму варианту изобретения.
В этом случае (второй вариант изобретения) входные патрубки 9 ПГ 3 располагают на уровне входа жидкометаллического теплоносителя в верхнюю часть ПГ 3, в котором теплоноситель движется нисходящим потоком для организации противоточной схемы теплообмена между греющим теплоносителем и нагреваемой средой, так как питательная вода поступает в ПГ снизу, а перегретый пар выходит сверху.
Горячий жидкометаллический теплоноситель поступает во входной патрубок 9 (или входные патрубки) ПГ из горячего коллектора 8 активной зоны 2 через специальные каналы 16, выполненные в защитной пробке 7, размещенной над активной зоной 2 внутри цилиндрической разделительной оболочки 6. Входной патрубок 9 (или входные патрубки) соединяет окна в разделительной оболочке с входной камерой (входными камерами) ПГ.
В остальном схема циркуляции не отличается от описанной выше для первого варианта.
Для улучшения условий естественной циркуляции (ЕЦ) теплоносителя первого контура, когда насосы не работают, и отвода остаточного энерговыделения между нижним сборным коллектором ПГ и напорным коллектором активной зоны предусмотрены перепускные клапаны, соединяющие эти коллекторы, которые открываются, когда насосы не работают.
Клапаны могут быть выполнены с приводами, а также без приводов. В случае клапанов без привода их изготавливают из материала с более высокой плотностью, чем теплоноситель (например, из вольфрама). После остановки насосов клапаны под действием силы тяжести будут открываться, а при включении насосов под действием гидродинамических сил будут закрываться.
При открытых перепускных клапанах контур циркуляции теплоносителя получается коротким с меньшим гидравлическим сопротивлением.
При этом теплоноситель из активной зоны 2 поступает в горячий коллектор 8 активной зоны, откуда через входные патрубки 9 поступает в среднюю часть ПГ 3 для схемы с ПГ, выполняющими функцию парогенераторов-испарителей, вырабатывающих влажный пар, или в верхнюю часть ПГ 3 для прямоточного ПГ. Далее теплоноситель нисходящим потоком омывает нижнюю часть ПГ-испарителя (первый вариант изобретения) или весь ПГ для прямоточного ПГ (второй вариант изобретения) и попадает в нижний сборный коллектор 11 ПГ, откуда через открытые перепускные клапаны поступает в нижний кольцевой напорный коллектор 12 активной зоны, замыкая контур ЕЦ теплоносителя.
Другой вариант улучшения условий ЕЦ теплоносителя первого контура может быть реализован без применения перепускных клапанов за счет наличия перепускных отверстий в горизонтальной перегородке 13 между нижним сборным коллектором 11 ПГ и нижним кольцевым напорным коллектором 12 активной зоны. При этом в случае работающих насосов 4 образуется постоянный байпас расхода мимо активной зоны, который не должен превышать небольшой доли номинального расхода для исключения недопустимого повышения температуры теплоносителя и топлива. Для уменьшения байпасирования насоса 4 в перепускных отверстиях могут быть установлены конфузоры, коэффициенты гидравлического сопротивления которых при течении теплоносителя из напорного коллектора насосов в сборный коллектор ПГ значительно выше, чем при течении теплоносителя в режиме ЕЦ из нижнего сборного коллектора 11 ПГ в нижний кольцевой напорный коллектор 12.
Поскольку в режиме ЕЦ скорость теплоносителя очень низкая, то в случае течи ПГ 3 пузыри пара и капли воды не будут увлекаться нисходящим потоком теплоносителя в ПГ 3, а будут всплывать под действием архимедовой силы на свободный уровень теплоносителя в верхнем горизонтальном холодном коллекторе 10 и эффективно сепарироваться в газовую полость. Для дополнительного уменьшения возможности попадания пара в активную зону перепускные клапаны или отверстия должны быть размещены на максимально возможном удалении от мест выхода теплоносителя из ПГ 3 в нижний сборный коллектор 11 ПГ.
Поскольку все насосы 4 (если их больше, чем один) включены параллельно на общий нижний кольцевой напорный коллектор 12, в последнем для уменьшения байпасного расхода через один из остановившихся насосов (например, при его поломке), предусмотрены радиальные плоские перегородки, размещенные на равном удалении от осей насосов, препятствующие прямому поступлению теплоносителя по нижнему кольцевому напорному коллектору 12 от выхода работающих насосов 4 на выход остановленного насоса. Это позволяет уменьшить снижение мощности реактора при остановке одного из насосов и не создает дополнительного гидравлического сопротивления при работе всех насосов, так как радиальные перегородки в нижнем кольцевом напорном коллекторе 12 размещены симметрично относительно осей насосов 4.
Для исключения необходимости значительного увеличения толщин крышки и корпуса 1 реактора, обеспечивающих их прочность при постулированной множественной течи трубок ПГ 3 и возможности повышения давления внутри корпуса 1 до значения давления пара, предусмотрены разгрузочные разрывные мембраны, размещенные в специальных патрубках на крышке реактора или в патрубках на крышке реактора, в которых установлены ПГ 3. Прочность мембран рассчитана на значительно более низкое давление, чем номинальное давление пара. Фактически они, не обременяя конструкцию реактора, выполняют функцию предохранительных устройств одноразового действия, поскольку нет никаких причин для одновременного разрушения многих трубок ПГ 3.