ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА

Решение относится к ядерной технике и может быть использовано в реакторных установках с жидкометаллическим охлаждением.
Известна ядерная энергетическая установка, содержащая реактор с жидкометаллическим свинцовым теплоносителем или его сплавами, с размещенными под свободным уровнем теплоносителя активной зоной, состоящей из твэлов, парогенераторами, средствами циркуляции и систему защитного газа (патент на изобретение №2192052 G21C 9/00 от 27.10.2002).
Недостатком данного технического решения применительно к установкам с жидкометаллическим теплоносителем является возможность аварийного "залпового" поступления примесей теплоносителя из каналов контура в активную зону реактора и последующего разрушения активной зоны реактора. Такая авария произошла на реакторной установке со свинец-висмутовым теплоносителем отечественной атомной подводной лодки проекта 645, что вызвало гибель людей и выход из строя корабля. Аналогичная авария произошла во второй кампании реакторной установки со свинец-висмутовым теплоносителем наземного прототипа АПЛ - стенда 27/ВТ в ГНЦ РФ ФЭИ. Все примеси в свинце и его сплавах имеют плотность, меньшую плотности теплоносителя. Поступая в активную зону реактора в виде накопившихся ранее в контуре масс, примеси забивают проходные сечения в активной зоне, что привело, например, к перекосу температур в активной зоне стенда 27/ВТ на 200°С. При этом происходит нарушение нормальных условий теплоотвода в активной зоне (см. А.В.Безносов, Ю.Г.Драгунов, В.И.Рачков Тяжелые жидкометаллические теплоносители в атомной энергетике/ - М.: ИздАт, 2007 г. - стр.434).
Задачи, решаемые изобретением - совершенствование конструкции и режимов эксплуатации ядерной энергетической установки и обеспечение ее безопасности.
Технический результат - исключение возможности при аварийных ситуациях перекрытия проходных каналов (зазоров между твэлами) активной зоны реактора вследствие залпового забивания их примесями - шлаками на основе оксидов теплоносителя, и, соответственно, пережога и разрушения оболочек тепловыделяющих элементов.
Технический результат достигается в ядерной энергетической установке, содержащей реактор с жидкометаллическим свинцовым теплоносителем или его сплавами, с размещенными под свободным уровнем активной зоной, состоящей из твэлов, парогенераторами, средствами циркуляции и систему защитного газа, перед входом теплоносителя в активную зону установлена решетка с радиальными канавками, высота которых увеличивается
от центра к периферии, а между канавками на поверхности решетки расположены выпуклой стороной навстречу потоку колпачки с щелевыми отверстиями, меньший размер которых меньше минимального зазора между соседними твэлами в активной зоне, а суммарная площадь щелевых отверстий колпачков больше площади проходного сечения активной зоны; решетка выполнена дугообразной, обращенной вогнутой частью к активной зоне.
Для достижения технического результата необходимо брать предлагаемое соотношение суммарной площади щелевых отверстий колпачков к площади проходного сечения активной зоны, а также меньший размер щелевого отверстия на стенке колпачка меньше минимального зазора между соседними твэлами потому, что:
1. если суммарная площадь щелевых отверстий колпачков будет больше предлагаемого соотношения площадей, и если меньший размер щелевого отверстия на стенке колпачка будет больше минимального зазора между твэлами, то возможно поступление примесей теплоносителя в объеме, способном перекрыть проходные каналы (зазоры между твэлами) активной зоны.
2. если суммарная площадь щелевых отверстий колпачков будет меньше площади проходного сечения активной зоны, и если меньший размер щелевого отверстия на стенке колпачка будет равен минимальному зазору между твэлами, то увеличивается нагрузка на средство циркуляции.
Технический результат при применении дугообразной решетки достигается вследствие того, что во время работы примеси теплоносителя (шлаки на основе оксидов теплоносителя) налипают на решетку. При смене режима работы, а также вследствие выполнения решетки дугообразной и наличия радиальных канавок, высота которых увеличивается от центра к периферии, происходит изменение величины прижимающих усилий, действующих на примеси. Под действием вертикальной составляющей подъемной силы массы примесей перемещаются в приподнятые периферийные области решетки, уходя в периферийные зоны, и при малых расходах теплоносителя срываются и всплывают на свободную поверхность теплоносителя.
На фиг.1 представлен участок схемы ядерной энергетической установки, реализующей предлагаемое техническое решение. На фиг.2 изображен вид решетки, реализующей предлагаемое техническое решение. На фиг.3 и 4 представлены глубины канавок в зависимости от удаления от центра решетки, реализующие предлагаемое техническое решение.
В ядерном реакторе 1 с жидкометаллическим теплоносителем или его сплавами под его свободным уровнем 2 размещены активная зона 3, состоящая из твэлов, парогенераторы 4, средство циркуляции 5, система защитного газа. На входе в активную зону 3 установлена решетка 6 с радиальными канавками 7, высота которых "h" увеличивается от центра к периферии. Между канавками 7 на поверхности решетки 6 расположены выпуклой стороной навстречу потоку колпачки 8 с щелевыми отверстиями 9 на стенке колпачка, меньший размер которых меньше минимального зазора между соседними твэлами в активной зоне 3, а суммарная площадь щелевых отверстий 9 колпачков 8 больше площади проходного сечения активной зоны 3. Сама решетка 6 выполнена дугообразной, обращенной вогнутой частью к активной зоне.
Вариантом предлагаемого технического решения является выполнение решетки 6 конической, обращенной основанием к активной зоне 3.
Работа ядерной энергетической установки в нормальном эксплуатационным мощностном режиме осуществляется следующим образом. Теплоноситель за счет работы средства циркуляции 5 поднимается в его кессоне на максимальную высотную отметку в реакторном контуре. Далее поток жидкометаллического теплоносителя поступает в опускную щель реактора, поворачивает, проходит решетку 6 и поступает на вход в активную зону 3. В активной зоне 3 теплоноситель нагревается за счет реакции деления тяжелых ядер и за счет статического перепада давлений направляется в парогенераторы 4, где отдает тепло воде и пару контура рабочего тела, после чего поступает на всас средства циркуляции 5.
В процессе длительной эксплуатации реакторного контура возможно накопление в каналах контура образований масс шлаков - примесей (оксидов теплоносителя, продуктов коррозии конструкционных материалов), пропитанных теплоносителем, как это имело место в двух отечественных реакторных установках с жидкометаллическим теплоносителем - эвтектическим сплавом свинец-висмут. В случае возникновения локальных возмущений, скачков давления или локального резкого изменения локального поля скоростей возможен аварийный срыв масс этих отложений в виде вязкого, пропитанного теплоносителем конгломерата и движение его по контуру в сторону активной зоны 3. Поступая на вход в решетку 6, эти примеси распределяются в канавках 7, смываясь в них потоком, а также вследствие сил гравитации т.к. плотность примесей в свинце и его сплавах всегда меньше плотности самого теплоносителя. Теплоноситель, проходя через щелевые отверстия 9 колпачков 8, сохраняет условия нормального теплоотвода в активной зоне 3, не допуская
ухудшения теплообмена, не допуская локального повышения температуры и разрушения элементов активной зоны, как это имело место при аварии на АПЛ проекта 645.
При последующих изменениях режима работы реакторного контура при снижении мощности реактора и, соответственно, расхода теплоносителя происходит самоочищение канавок 7 за счет их расположения и наличия вертикальной составляющей подъемной силы, от отложений примесей. Под действием вертикальной составляющей подъемной силы массы примесей перемещаются в приподнятые периферийные области решетки, уходя в периферийные зоны, и при малых расходах теплоносителя срываются и всплывают на свободную поверхность теплоносителя. Очистка свободной поверхности теплоносителя в реакторном контуре от шлаков осуществляется традиционными способами:
- от оксидов теплоносителя - восстановлением водородом;
- от продуктов коррозии конструкционных материалов - гидро-механическим способом, счерпыванием или другими способами.
Применение предлагаемого технического решения позволит:
1) исключить возможность поступления в активную зону значительных масс примесей из реакторного контура, как это имело место в отечественных реакторных установках со свинец-висмутовым теплоносителем;
2) исключить перегрев и разрушение активной зоны реактора при аварийном образовании любых масс примесей в реакторном контуре;
3) обеспечить безопасность реакторной установки в течение заданного ресурса при возможных при эксплуатации аварийных накоплениях примесей в реакторном контуре.