МОНОБЛОЧНАЯ ЯДЕРНАЯ РЕАКТОРНАЯ УСТАНОВКА С ЖИДКОМЕТАЛЛИЧЕСКИМ ТОПЛИВОМ-ТЕПЛОНОСИТЕЛЕМ

Полезная модель относится к атомной энергетике, более узко - к ядерным реакторным установкам (ЯРУ) с топливом и теплоносителем в виде расплавов и воды в качестве рабочего тела паротурбинной установки. Известны ЯРУ с жидкосолевыми реакторами (ЖСР), в которых топливом и теплоносителем являются расплавы солевой композиции фторидов.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату является моноблочная ЯРУ с жидкосолевым реактором [«Ядерная реакторная установка с топливом теплоносителем в виде расплавов солей фторидов», Яковлев P.M., Кузякин Ю.И., патент на полезную модель №57040 от 27 сентября 2006 года].
ЯРУ с топливом и теплоносителем в виде расплавов солей фторидов, включает ЖСР на тепловых нейтронах, первый и промежуточный контуры, теплообменник первого - промежуточного контуров, трубопроводы и циркуляционный насос промежуточного контура, трубную систему парогенератора, емкости для слива расплавов солей фторидов первого и промежуточного контуров и устройство для очистки расплава солей фторидов от продуктов ядерных реакций. При этом:
- конструктивно ЯРУ выполнена моноблочной, в которой первый и промежуточный контуры и теплообменник промежуточного контура - парогенератор расположены непосредственно в блоке ЖСР;
- промежуточный контур выполнен в виде каналов в блоках графита - замедлителя активной зоны реактора и полости в блоке отражателя нейтронов;
- теплообменник первого - промежуточного контуров выполнен в виде каналов, встроенных в блоки графита - замедлителя нейтронов активной зоны реактора;
- теплообменник промежуточного контура - парогенератора выполнен в виде полости, расположенной в блоке графита отражателя нейтронов;
- трубная система парогенератора встроена в полость промежуточного контура, расположенную в блоках графита отражателя нейтронов;
- в активную зону ЖСР встроен канал побудителя перемешивания расплава солей топлива, через который пропускают инертный газ посредством газодувки;
- канал побудителя перемешивания расплава солей топлива соединен с устройством для очистки инертного газа от находящихся в нем газообразных и летучих продуктов ядерных реакций.
К недостаткам указанной установки относятся:
- высокая химическая активность расплавов фторидов активной зоны и промежуточного контура ко всем конструкционным материалам, кроме графита;
- высокое относительное содержание углерода (около 90%) в виде графитовых блоков (каналов) в активной зоне реактора, не выдерживающих высоких радиационных нагрузок вследствие появления в них трещин и требующих периодической замены;
- присутствие в активной зоне реактора легких элементов (литий и бериллий солевой композиции расплавов и углерод графитовых блоков) делает реактор тепловым, зависящим при работе от накопления продуктов деления ядер с большим сечением захвата тепловых нейтронов;
- побудитель циркуляции топлива, расположенный в центральной части активной зоны реактора, обеспечивает лишь вялые циркуляцию и перемешивание расплава внутри активной зоны, что приводит к неоднородности температурного поля внутри активной зоны и затрудняет удаление шлаков (продуктов деления ядер) из расплава топлива.
Задачей предлагаемой полезной модели является разработка моноблочной ядерной реакторной установки с жидким топливом-теплоносителем менее химически активным, более эффективной, экономичной за счет увеличения времени ее работы без замены конструкционных элементов.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели являются: уменьшение объема активной зоны реактора в 5-7 раз за счет исключения лития и бериллия солевой композиции расплавов и графитовых блоков из активной зоны реактора, что существенно сокращает габариты ЯРУ и ее стоимость, а также повышение эффективности использования ЯРУ вследствие исключения необходимости периодической замены конструкционных элементов из графита и уменьшение количества твердых радиоактивных отходов. Моноблочная ядерная реакторная установка с жидким топливом-теплоносителем включает в себя активную зону реактора, первый и промежуточный контуры, теплообменник первого - промежуточного контура, теплообменник промежуточного контура - парогенератора, канал побудителя перемешивания расплава топлива путем пропускания через него инертного газа. Топливом-теплоносителем первого контура является суспензия оксидов тория и делящихся материалов в расплаве свинца, теплоносителем промежуточного контура является расплав свинца, теплообменником первого - промежуточного контуров, совмещенным с активной зоной реактора, является система из опускных тепловыделяющих каналов расплава топлива-теплоносителя первого контура и подъемных каналов побудителей перемешивания расплава топлива-теплоносителя, ограниченная сверху трубной доской цилиндра устройства разделения расплава первого контура и газов, а снизу трубной доской цилиндра сборного коллектора расплава первого контура,
побудителями прокачки и перемешивания суспензии расплава топлива-теплоносителя являются расположенные в нижней части подъемных каналов топлива-теплоносителя струйные устройства, а в верхней их части сопла.
Предлагаемая моноблочная ЯРУ состоит из блока конструкций и устройств первого контура, блока конструкций и устройств промежуточного контура и включает в себя:
- активную зону реактора на быстрых нейтронах;
- первый и промежуточный контуры;
- теплообменник первого - промежуточного контуров, совмещенный с активной зоной реактора;
- теплообменник промежуточного контура - парогенератора, встроенный в полость отражателя нейтронов;
- канал (каналы) побудителя перемешивания расплава топлива, встроенный (встроенные) в активную зону реактора, через которые прокачивают инертный газ с помощью газодувки, соединенной с устройством для очистки инертного газа.
Разработанная полезная модель отличается тем, что:
- топливом-теплоносителем первого контура является суспензия оксидов тория и делящихся материалов в расплаве свинца, а теплоносителем промежуточного контура является расплав свинца;
- теплообменником первого - промежуточного контуров, совмещенным с активной зоной реактора является система из опускных тепловыделяющих каналов расплава топлива-теплоносителя первого контура и подъемных каналов побудителей перемешивания расплава топлива-теплоносителя, ограниченная сверху трубной доской - днищем цилиндра устройства циклонного типа разделения расплава первого контура и газов, а снизу трубной доской - крышкой цилиндра сборного коллектора расплава первого контура;
- побудителями прокачки и перемешивания суспензии расплава топлива-теплоносителя являются расположенные в нижней части подъемных каналов топлива-теплоносителя струйные устройства, а в верхней их части сопла.
Блок конструкций и устройств первого контура является активной зоной быстрого реактора, совмещенной с теплообменником первого - промежуточного контуров, и включает в себя: расплав жидкометаллического топлива-теплоносителя первого контура, опускные тепловыделяющие каналы, подъемные каналы газовой инициации циркуляции и перемешивания топлива-теплоносителя, сборный коллектор и циркуляционные насосы топлива-
теплоносителя. В межканальном пространстве блока циркулирует теплоноситель промежуточного контура.
Блок конструкций и устройств промежуточного контура является несущей конструкцией моноблока ЯРУ, состоит из графитовых блоков отражателя нейтронов и включает в себя: расплав жидкометаллического теплоносителя, центральную полость для размещения блока конструкций и устройств первого контура, периферийные полости для размещения трубной системы встроенного парогенератора и циркуляционные насосы расплава жидко-металлического теплоносителя.
На Фиг.1 показана предлагаемая моноблочная ЯРУ, включающая в себя:
1 Моноблок ЯРУ с реактором на быстрых нейтронах, состоящий из блока конструкций и устройств первого контура и блока конструкций и устройств промежуточного контура.
2 Блок конструкций и устройств первого контура.
3 Блок конструкций и устройств промежуточного контура.
4 Активная зона реактора, совмещенная с теплообменником первого - промежуточного контуров.
5 Опускные тепловыделяющие каналы расплава первого контура.
6 Подъемные каналы расплава первого контура.
7 Струйные устройства газовой инициации циркуляции и перемешивания расплава первого контура.
8 Цилиндр сборного коллектора расплава первого контура.
9 Устройство разделения газа и расплава первого контура.
10 Сопла выброса двухфазной смеси газа и расплава по касательной к образующей стенке цилиндра устройства разделения газа и расплава первого контура.
11 Вспомогательные циркуляционные насосы расплава первого контура.
12 Теплообменник промежуточного контура - парогенератора с его трубной системой.
13 Циркуляционные насосы расплава промежуточного контура.
14 Емкость для слива расплава промежуточного контура.
15 Емкость для слива расплава первого контура.
16 Устройство очистки инертного газа от газообразных и летучих продуктов ядерных реакций.
17 Газодувка.
Заявляемая ЯРУ функционирует следующим образом.
Функционирование блока конструкций и устройств первого контура ЯРУ происходит следующим образом.
Ядерный реактор работает на быстрых нейтронах вследствие отсутствия в его активной зоне 4 замедлителя (графита и иных легких элементов). Коэффициент воспроизводства делящегося изотопа урана-233 из тория-232 в топливе не менее 1 и не уменьшается за время кампании реактора.
Выделяющееся при делении ядер урана-233 тепло нагревает топливо-тепло-носитель первого контура, в качестве которого используется суспензия оксидов тория-232 и делящегося изотопа урана-233 в расплаве свинца. Вследствие практически одинаковой (отличие в пределах 5%) плотности оксидов с расплавленным свинцом и непрерывного перемешивания они равномерно размещены во всем объеме топлива-теплоносителя. Горячий расплав топлива-теплоносителя передает тепло расплаву теплоносителя промежуточного контура, циркулирующему в межканальном пространстве активной зоны - теплообменника первого и промежуточного контуров 4.
Циркуляция расплава по первому контуру и непрерывное интенсивное перемешивание всех компонентов суспензии обеспечивается работой специальных струйных устройств 7, вырабатывающих однородный двухфазный поток суспензии топлива-теплоносителя и инертного газа в подъемных каналах 6.
На выходе из каналов 6 однородный двухфазный поток суспензии топлива-теплоносителя и инертного газа со скоростью нескольких метров в секунду выбрасывается через сопла 10 по касательной к образующей цилиндра устройства 9. Интенсивное вращение двухфазного потока обеспечивает эффективное разделение его на жидкую и газовую фракции за счет центробежных сил. Отделение инертного газа и непрерывное удаление вместе с ним всех газообразных и летучих, а также отделение при цетрифугировании расплава с последующим удалением большинства иных продуктов деления (т.н. шлаков) с плотностью значительно ниже плотности расплава свинца обеспечивает незначительные изменения первоначального состава расплава первого контура даже при длительной работе реактора.
Расплав первого контура вспомогательными циркуляционными насосами 11, работающими только при запуске и остановке реактора, подается в подъемные каналы 6 для обеспечения циркуляции и центрифугирования топлива-теплоносителя.
Инертный газ, являющийся активным рабочим телом в струйных устройствах 7, непрерывно очищается от газообразных и летучих продуктов ядерных реакций в устройстве 16 и газодувкой 17 снова подается на входы струйных устройств 7.
Функционирование блока конструкций и устройств промежуточного контура ЯРУ происходит следующим образом.
Жидкометаллический теплоноситель промежуточного контура (расплав свинца) своими циркуляционными насосами 13 прокачивается через центральную полость с расположенным в ней блоком конструкций и устройств первого контура, нагревается в межканальном пространстве активной зоны - теплообменника первого и промежуточного контуров 4, охлаждая расплав первого контура, и затем поступает в периферийные полости блока, где отдает тепло трубной системе 12 парогенератора.
Основными положительными результатами разработанной полезной модели ЯРУ являются следующие:
- В предлагаемом реакторе на быстрых нейтронах с жидкометаллическим топливом-теплоносителем и с коэффициентом воспроизводства делящегося изотопа не менее 1 отсутствует проблема отравления топлива продуктами деления с большими сечениями захвата тепловых и резонансных нейтронов.
- Использование оксидов тория-232 и урана-233 в качестве суспензии в расплаве свинца при непрерывном интенсивном перемешивании расплава позволило вернуться к отработанным технологиям жидкометаллических теплоносителей и получить ЯРУ с практически не ограниченной по запасам топлива кампанией.
- Для обеспечения необходимой продолжительности кампании реактора необходимо лишь своевременное пополнение оксида тория-232, что не представляет серьезной проблемы даже при работе реактора на энергетических уровнях мощности и не требует больших финансовых затрат в силу дешевизны исходного топлива - оксида тория-232.
- Непрерывная очистка расплава топлива-теплоносителя от газообразных, летучих и иных вредных продуктов распада ядер делящихся материалов позволяет поддерживать стабильным в течение всей кампании реактора первоначальный фракционный состав суспензии топлива в расплаве свинца.
- Уменьшение объема активной зоны реактора в 5-7 раз существенно сокращает габариты ЯРУ в целом и ее стоимость, повышает эффективность использования ЯРУ и снижает количество накапливаемых твердых радиоактивных отходов.