ЯДЕРНАЯ РЕАКТРОНАЯ УСТАНОВКА С ТОПЛИВОМ-ТЕПЛОНОСИТЕЛЕМ В ВИДЕ РАСПЛАВОВ СОЛЕЙ ФТОРИДОВ

Полезная модель относится к области атомной энергетики, преимущественно к ядерным реакторам с топливом-теплоносителем в виде расплавов солей фторидов и водой в качестве рабочего тела паротурбинной установки.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату является ядерная реакторная установка (ЯРУ) с жидкосолевым реактором [«Синергетический топливный цикл с реакторами на расплавленных солях» Фурукава К, Лекок А, Като Й, Митачи К. АТОМНАЯ ТЕХНИКА ЗА РУБЕЖОМ, 1993, №5, стр.13-19
ЯРУ включает жидкосолевой реактор (ЖСР) на тепловых нейтронах, трубопроводы и циркуляционный насос первого контура с расплавом солей фторидов топлива, теплообменник первого - промежуточного контуров, трубопроводы и циркуляционный насос промежуточного контура с расплавом солей фторидов промежуточного контура, выносной парогенератор с трубной системой, емкость для слива расплава солей фторидов промежуточного контура, емкость для слива расплава солей фторидов первого контура и устройство для очистки расплава солей фторидов первого контура от продуктов ядерных реакций.
Конструктивно ЯРУ состоит из 3 блоков: блока ЖСР с устройством очистки расплава солей фторидов первого контура от продуктов ядерных реакций, блока теплообменника первого - промежуточного контуров с циркуляционным насосом и блока теплообменника промежуточного контура - парогенератора с циркуляционным насосом.
ЖСР ЯРУ - состоит из активной зоны реактора на тепловых нейтронах, расплава солей фторидов топлива - теплоносителя первого контура, замедлителя нейтронов и отражателя нейтронов из графита.
ЯРУ состоит из ЖСР и «выносных блоков» первого и промежуточного контуров. Топливо-теплоноситель в виде расплавов солей фторидов аккумулирует тепловую энергию, выделяющуюся в активной зоне, и посредством трубопроводов и циркуляционного насоса первого контура направляется в теплообменник первого - промежуточного контуров. Из теплообменника тепловая энергия посредством трубопроводов и циркуляционного насоса промежуточного контура направляется в
теплообменник промежуточного контура - парогенератора.
Наличие «выносных» блоков увеличивает объем топлива-теплоносителя, требует дополнительной биологической защиты, увеличивает массу и объем установки, увеличивает энергозатраты при перекачивания топлива и теплоносителя и обеспечения необходимых температурных режимов трубопроводов.
Задачей полезной модели является разработка моноблочной установки с жидкосолевым реактором.
Техническим результатом разработанной установки является снижение радиационной опасности, уменьшение объема расплава топлива-теплоносителя, уменьшение размеров оборудования, требующего дополнительной биологической защиты, снижение энергозатрат на обеспечение циркуляции расплавов солей фторидов первого и промежуточного контуров.
Технический результат достигается за счет:
- моноблочной конструкции, в которой первый и промежуточный контуры и теплообменник-парогенератор расположены непосредственно в ЖСР;
- исключения активной циркуляции высокорадиоактивного расплава фторидов топлива;
- снятия тепла с расплава топлива за счет теплопроводности графитовых блоков замедлителя в активной зоне, в которые встроен теплообменник циркулирующего расплава фторидов промежуточного контура, и теплопроводности графита отражателя;
- исключения разветвленных трубопроводов систем принудительной циркуляции расплавов солей фторидов в первом и промежуточном контурах и уменьшения вследствие этого массы расплавов фторидов в контурах.
Задача решается следующим образом.
Реакторная установка (ЯРУ) с топливом и теплоносителем в виде расплавов солей фторидов включает жидкосолевой реактор (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. Конструктивно установка выполнена моноблочной, в которой первый и промежуточный контуры и теплообменник парогенератора расположены непосредственно в ЖСР:
- промежуточный контур выполнен в виде каналов в блоках углерода-замедлителя 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 отражателе нейтронов;
- трубная система парогенератора встроена в блоки графита отражателя нейтронов;
- в активной зоне ЖСР расположен 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;
- в качестве замедлителя и отражателя нейтронов используют модифицированный графит реакторной чистоты высокой теплопроводности и термостойкости.
Заявляемая ЯРУ конструктивно выполнена в виде моноблока, включающего активную зону ЖСР, промежуточный контур, встроенный в графитовые блоки замедлителя нейтронов активной зоны и отражателя, и встроенный парогенератор, расположенный в графитовых блоках отражателя.
Схема установки представлена на Фиг.1, где:
- 1 - моноблок ЯРУ с ЖСР на тепловых нейтронах;
- 2 - активная зона ЖСР на тепловых нейтронах;
- 3 - расплав солей фторидов топлива;
- 4 - блоки графита-замедлителя нейтронов в активной зоне 2;
- 5 - графитовые блоки отражателя нейтронов;
- 6 - канал побудителя перемешивания расплава солей топлива в активной зоне методом газлифта,
- 7 - теплообменник первого - промежуточного контуров, встроенный в графитовые блоки замедлителя 4 активной зоны 2;
- 8 - расплав солей фторидов промежуточного контура;
- 9 - циркуляционный насос расплава солей фторидов промежуточного контура;
- 10 - трубная система встроенного парогенератора, расположенного в полости отражателя 5;
- 11 - емкость для слива расплава солей фторидов промежуточного контура;
- 12 - емкость для слива расплава солей фторидов из активной зоны;
- 13 - устройство для очистки циркулирующего инертного газа от газообразных и летучих продуктов ядерных реакций;
- 14 - газодувка.
Заявляемая моноблочная ЯРУ работает следующим образом.
Расплав 3 солей фторидов топлива, содержащий растворы фторидов тория-232 и делящихся материалов, нагревается за счет энергии, выделяющейся при делении тепловыми нейтронами ядер топлива в активной зоне 2.
Промежуточный контур с расплавом 8 солей фторидов выполнен в виде каналов 7, размещенных в графитовых блоках 4 замедлителя нейтронов, и полости 10, размещенной в отражателе 5. Замещение части графита в активной зоне реактора и в отражателе нейтронов расплавом солей фторидов промежуточного контура, состоящих из элементов с высокой замедляющей способностью и малыми сечениями поглощения нейтронов, практически не изменяет ядерно-физических параметров реактора. Циркуляцию расплава солей фторидов промежуточного контура осуществляют с помощью циркуляционных насосов 9, а передача выделяемого в активной зоне 2 реактора тепла циркулирующему расплаву 8 солей фторидов промежуточного контура осуществляется за счет теплопроводности через стенки графитовых блоков замедлителя 4, в которых расположены каналы 7 теплообменника первого - промежуточного контуров, а также через боковые графитовые стенки полости отражателя 5. В установке используют модифицированный графит с высокой теплопроводностью (~200 Дж/м°С).
Теплообменник промежуточного контура-парогенератора выполнен в виде полости, расположенной в отражателе нейтронов 5, в которую встроена трубная система 10 парогенератора. Через трубную систему 10 парогенератора осуществляют прокачку рабочего тела паротурбинной установки.
Перемешивание расплава солей фторидов топлива в активной зоне реактора осуществляют за счет эффекта газлифта при подаче инертного газа газодувкой 14 в нижнюю часть канала 6. Канал 6 является одновременно и компенсатором изменения объема топлива-теплоносителя при изменении температуры в активной зоне 2. Кроме того, прокачиваемый инертный газ отбирает из расплава топлива 3 содержащиеся в
нем газы и летучие вещества, являющиеся продуктами ядерных реакций в активной зоне 2. Очистка инертного газа от захваченных им газов и летучих продуктов ядерных реакций осуществляется в устройстве 13, через которое газ прокачивается газодувкой 14.
В результате предложенных решений достигается следующее:
1) более высокая радиационная безопасность моноблочной ЯРУ благодаря тому, что высокорадиоактивное топливо 3 не выносится за пределы активной зоны 2, все образующиеся в активной зоне радиоактивные газообразные и летучие продукты ядерных реакций удаляются при циркуляции инертного газа, который очищается в специальном устройстве 13 перед подачей его в газодувку 14, а циркулирующий через активную зону 2 расплав 8 солей фторидов промежуточного контура практически не активируется, поэтому даже при его утечке не происходит никакого радиационного загрязнения окружающей среды;
2) уменьшение количества загружаемого топлива благодаря тому, что ядерное топливо 3 находится только в активной зоне 2 ЖСР и отсутствует в трубопроводах первого контура и теплообменнике первого - промежуточного контуров в силу исключения их из состава ЯРУ (по сравнению с ЯРУ-прототипом для работы предлагаемого ЖСР на той же мощности требуется в 1,5 раза меньше ядерного топлива), что снижает финансовые затраты на топливную составляющую;
3) уменьшение габаритов и массы моноблочной ЯРУ благодаря исключению из ее состава оборудования распределенной компоновки - трубопроводов и циркуляционного насоса первого контура и теплообменника первого - промежуточного контуров, требующих расположения под биологической защитой, а также трубопроводов промежуточного контура, связывающих теплообменник первого - промежуточного контуров и парогенератор 10, расположенных в вынесенных блоках распределенной компоновки ЯРУ-прототипа;
4) снижение энергозатрат на обеспечение циркуляции расплава солей фторидов топлива благодаря тому, что вместо интенсивной циркуляции топлива 3 происходит лишь его перемешивание в активной зоне 2 с помощью устройства газлифта 6, а циркуляция расплава солей фторидов 8 промежуточного контура производится по существенно более коротким трассам в компактной моноблочной схеме ЖСР 1, по существу являющейся ЯРУ;
5) обеспечение дополнительной безопасности за счет исключения замерзания трубопроводов промежуточного контура при работе реактора благодаря составу солей фторидов 8 промежуточного контура, находящемуся всегда в жидком состоянии при наличии в активной зоне расплава солей фторидов топлива 3.