Реакторная установка

 

Изобретение относится к конструированию ядерных реакторов предельно достижимой безопасности. Целью изобретения является повышение ядерной и радиационной безопасности при нормальных условиях работы и в аварийных ситуациях. Замедлитель 19 и делящееся вещество 20 заключены в оболочку 18. При аварийном перегреве делящегося вещества 20 замедлитель 19 нейтронов разлагается (испаряется), поглощая большое количество тепла. Тепло от остаточных энерговыделений отводится газом (паром), образующимся из замедлителя 19, через сквозные поры оболочки 18 тепловыделяющих элементов. Естественная конвекция замедлителя 19 во всех режимах работы реактора интенсифицирует теплопроводность. Кроме того, в случае равенства плотностей замедлителя 19 нейтронов и делящегося вещества 20 последнее находится во "взвешенном слое". Выход радиоактивности из-под оболочки 18 при нормальной эксплуатации минимален, если поры оболочки 18 заполнены материалом, имеющим температуру плавления меньше температуры разложения (испарения) замедлителя 19 нейтронов, но больше максимальной температуры нормальной эксплуатации оболочки 18. При размещении делящегося вещества 20, выполненного в виде микротвэлов, между внутренней оболочкой 18 твэлов и сеткой 21 с ячейками меньших размеров, чем размер микротвэлов, добиваются максимальной теплопроводности при нормальной эксплуатации, 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к ядерной энергетике и может быть использовано для повышения ядерной и радиационной безопасности ядерного реактора при нормальных условиях работы и в аварийных ситуациях, в том числе при разрушении активной зоны, разбрасывания тепловыделяющих элементов и отсутствии внешнего отвода тепла от остаточных энерговыделений. Целью изобретения является повышение ядерной и радиационной безопасности при нормальных условиях работы и в аварийных ситуациях. Ниже рассмотрены различные условия работы ядерного реактора. При нормальных условиях работы теплоноситель нагревается в активной зоне, поднимается по подъемному каналу, поступает в верхнюю полость, затем разворачивается, поступает в теплообменник, охлаждается, опускается вниз по опускному каналу и вновь поступает в активную зону. Часть тепла (примерно 1% ) отводится за счет естественной циркуляции воздуха, подаваемого снизу, омывающего корпус реактора снаружи и выбрасываемого в трубу необходимой высоты. Замедлитель нейтронов - теплопоглощающее вещество находится вместе с топливом, например микротвэлами, внутри оболочек. Подобное расположение позволяет увеличить коэффициент теплопроводности за счет обеспечения естественной коррекции замед- лителя, особенно если плотности замедлителя и микротвэлов равны. Это увеличение может быть рассчитано по формуле λ= λ_o˙ε_k, (1) где λ - эффективная теплопроводность за счет естественной конвекции; λ_o - коэффициент теплопроводности; ε_k - коэффициент конвекции. ε_k=0,18(Gr˙Pr)^0,25, (2) где Gr - критерий Грасгофа; Рr - критерий Прандтля. Критерий Грасгофа определяется при этом как Cr = , (3) где q_v - объемное тепловыделение; q - ускорение свободного падения; β - коэффициент объемного расширения; R - радиус твэла; ν - кинематическая вязкость. Анализ этих формул показывает, что при увеличении линейных размеров увеличивается теплопроводность. Эта эффективная теплопроводность может быть выше, чем простая теплопроводность. Другим путем снижения температурного перепада между центром тепловыделяющего элемента и его периферией является расположение топлива в шаровом слое, внешней границей которого является внутренняя поверхность сферической оболочки, а внутренней - сетка с размером ячеек меньше диаметра микротвэла. Ожидается, что в этом случае перепад температуры между микротвэлами и оболочкой твэла будет минимальным. При штатных остановах в активную зону вводят стержни регулирования и реактор останавливается. Отвод отстаточного тепловыделения при этом осуществляется с помощью второго контура или с помощью потока воздуха, омывающего корпус реактора и выбрасываемого в трубу необходимой высоты. Движение основного теплоносителя и воздуха осуществляется за счет естественной конвекции и не требует побудителей расхода - насосов или газодувок. Кроме того, не требуется емкостей с аварийным теплоносителем. При тяжелых аварийных ситуациях, связанных с одновременным выбросом всех стержней регулирования, разрывом силового корпуса и отказом всех внешних систем, включая систему расхолаживания с помощью естественной конвекции воздуха, предлагаемая реакторная установка работает следующим образом. С целью недопущения опорожнения активной зоны и сохранения контура естественной циркуляции теплоносителя вокруг силового корпуса расположена дополнительная страховочная оболочка, в зазоре между которыми при нормальной работе проходит воздух. Объем, заключенный между корпусом и страховочной оболочкой, меньше объема компенсационного бака, расположенного в верхней части корпуса реактора. В связи с тем, что реактор продолжает работать, а тепло от него не отводится, температура теплоносителя и активной зоны начинает увеличиваться. Разность температур теплоносителя между подъемным и опускным каналами сохраняется, что обеспечивает естественную циркуляцию. Вследствие того, что реактор обладает небольшим запасом надкритичности (меньшим 0,3 β) и отрицательным температурным коэффициентом реактивности через некоторое время, равное времени, при котором температура теплоносителя и активной зоны увеличится на величину, соответствующую вводу отрицательной реактивности, равной 0,3 β реактор остановится. Температуры теплоносителя и активной зоны по-прежнему будут увеличиваться за счет процесса остаточного тепловыделения до температуры, соответствующей температуре разложения (испарения) теплопоглощающего вещества. Последнее начинает разлагаться (испаряться) с выделением газа (пара). При достижении определенного давления газ (пар) выталкивает из пор оболочки расплавившееся вещество-заполнитель (если оболочка была им пропитана) и выходит в подъемный канал. Разложение (закипание) теплопоглощающего вещества обеспечит равномерное распределение температуры внутри тепловыделяющего элемента, причем если используются микротвэлы, то из-за их малости разность температур между ними и теплопоглощающим веществом будет практически отсутствовать. Пузыри газа (пара), образуясь внутри твэлов и попадая в теплоноситель, снижают плотность активной зоны, уменьшая тем самым эффективный коэффициент размножения нейтронов и увеличивая безопасность в эксплуатации. Поскольку активная зона находится в самом низу опускного канала, то пузыри газа (пара) обеспечат максимальную скорость циркуляции теплоносителя и коэффициент теплоотдачи от тепловыделяющих элементов к теплоносителю. Это, в свою очередь, приведет к снижению разности температур между тепловыделяющими элементами и теплоносителем. По мере разложения теплопоглощающего вещества в верхних тепловыделяющих элементах, где температура максимальна в начальный момент времени, и прогрева всего теплоносителя для температуры, соответствующей разложению теплопоглощающего вещества, начнут прогреваться и нижние тепловыделяющие элементы и начнется разложение (испарение) теплопоглощающего вещества в них. В случае использования испаряющегося замедлителя плотность тепловыделяющих элементов будет постоянно уменьшаться одновременно во всей активной зоне, количество замедлителя также будет уменьшаться, следовательно, эффективный коэффициент размножения нейтронов тоже уменьшится и безопасность в эксплуатации увеличится. Поскольку пузыри пара (газа) будут выходить из верхней части тепловыделяющих элементов, где наихудший теплоотвод теплоносителем, то они именно в этом месте будут турбулизировать поток, улучшая тем самым теплоотвод и снижая неравномерность температуры по тепловыделяющим элементам. Далее пары будут выходить из-под корпуса реактора, охлаждаться, конденсироваться и выпадать в виде жидкости под защитной оболочкой станции. При гипотетических аварийных ситуациях, связанных, например, с разрушением активной зоны, разбрасыванием тепловыделяющих элементов и созданием условий, при которых тепловыделяющие элементы будут изолированы таким хорошим теплоизолятором, как сухой песок, безопасность будет обеспечиваться следующим образом. Реакция деления остановится, однако тепло будет выделяться за счет остаточного тепловыделения. Температура внутри тепловыделяющих элементов начнет увеличиваться за счет того, что тепло не отводится, до температуры разложения (испарения) теплопоглощающего вещества. Последнее начнет разлагаться (испаряться), поглощая тепло в течение необходимого времени. Количество теплопоглощаюшего вещества выбрано с учетом поглощения тепла, выделяющегося в течение года, без учета теплообмена с окружающей средой. После этого уровень остаточного тепловыделения спадает до столь низкой величины, что его можно отвести теплопроводностью, даже если каждый тепловыделяющий элемент будет окружен отличным теплоизолятором типа сухого песка или торфа. На фиг. 1 приведена принципиальная схема реактора предельно достижимой безопасности; на фиг. 2-4 - различные тепловвделяющие элементы для этого реактора. Ядерный реактор предельно достижимой безопасности содержит активную зону 1, набранную, например, из шаровых тепловыделяющих элементов 2 (см. фиг. 1). Над активной зоной расположены коллектор 3 и подъемный канал 4. В верхней части корпуса расположены переливной участок 5, компенсационный бак 6 и теплообменник 7. Опускной канал 8 проходит вдоль корпуса 9 реактора, в который заключено все оборудование первого контура. Под активной зоной расположен нижний коллектор 10. Активная зона 1, подъемный канал 4, переливной участок 5, компенсационный бак 6, опускной канал 8, верхний 3 и нижний 10 коллекторы заполнены теплоносителем, уровень 11 которого показан на фиг.1. В качестве теплоносителя могут быть использованы расплавленные соли, например LiF-BeF₂, жидкие металлы Pl-Bi и газы, например Не. В случае использования последнего теплоносителя конструкция реактора будет иметь несколько иной вид. Вокруг корпуса 9 реактора расположена защитная оболочка 12. Между защитной оболочкой 12 и корпусом 9 реактора расположена полость 13, соединенная в нижней части каналом 14 с атмосферой. В верхней части реактора расположен канал 15, соединяющий полость 13 с трубой необходимой высоты (на фиг. не показана). В верхней части корпуса реактора расположен также трубопровод 16 с клапаном 17, соединяющий объем, заключенный под корпусом 9, с атмосферой через систему очистки (на фиг. не показана). Тепловыделяющие элементы 2 (см. фиг.1) содержат оболочку 18 (см. фиг. 2-4), выполненную из пористого материала, с открытой структурой пор. Материал оболочки выбирают в зависимости от теплоносителя и поглотителя тепла. Например, если в качестве поглотителя тепла - замедлителя нейтронов 19 используется BeF₂, имеющий температуры плавления 800^оС и кипения 1175^оС, а в качестве теплоносителя - эвтектический сплав LiF-BeF₂, то в качестве материала оболочек может быть использован Ве, имеющий температуру плавления - 1287^оС. Микротвэлы 20 могут располагаться в замедлителе-поглотителе тепла по-разному. Если их плотности примерно равны плотности замедлителя, то они будут находиться в так называемом "взвешенном слое" (см. фиг.2). Если микротфэлы тяжелей, то они будут лежать в нижней части оболочки (см. фиг. 3). Кроме того, возможно расположение микротвэлов в непосредственной близости от внешней поверхности оболочки 18 (см. фиг.4). Для этого используется сетка 21, имеющая размер ячеек меньше диаметра микротвэлов. Отношение количества поглотителя тепла к топливу должно быть рассчитано для поглощения всего тепла, выделяющегося в течение года. Проведенные расчеты показывают, что для расхолаживания активной зоны данного ректора мощностью 300 МВт, в котором осуществляется постоянная перегрузка тепловыделяющих элементов со скоростью 1 зона в 2 мес. необходимо 214,5 т BeF₂ или 55 т LiН. В первом случае энергонапряженность активной зоны будет равна 1,6 кВт/л, а во втором - 2,6 кВт/л. Для увеличения безопасности в эксплуатации при нормальных условиях работы путем уменьшения выхода газообразных продуктов деления поры оболочки могут быть заполнены материалом, имеющим температуру плавления, большую, чем максимальная температура оболочек, соответствующая нормальной работе реактора, но меньшую, чем температура разложения (испарения) теплопоглощающего вещества. Например, если в качестве теплоносителя используется сплав LiF-BeF₂, в качестве поглотителя тепла - LiF, а в качестве материала матрицы - пористый цирконий, то в качестве материала, заполняющего поры, может использоваться Ве, температура плавления которого меньше температуры кипения LiF. Установка работает следующим образом. При нормальных условиях работы теплоноситель циркулирует по контуру: активная зона I (см. фиг.1) - подъемный канал 4, переливной участок 5, теплообменник 7, опускной канал 8 - нижний коллектор 10, передавая тепло от активной зоны I к теплоносителю второго контура в теплообменнике 7. Часть тепла (примерно 1%) снимается за счет естественной конвекции воздуха, движущегося по контуру: трубопровод 14 - полость 13 - трубопровод 15 - труба необходимой высоты (на фиг. не показана). Внутри тепловыделяющего элемента (см. фиг. 2-3) также осуществляется естественная конвекция, что приводит к выравниванию температуры. Расчеты по формуле (3) показывают, что для шара диаметром 60 мм эффективная теплопроводность может быть в 20-30 раз выше обычной теплопроводности, если микротепловыделяющие элементы имеют ту же плотность, что и теплопоглощающее вещество (см. фиг.2). Если больше, то эффективная теплопроводность увеличивается в 15-20 раз. Расположение микротвэлов в слое, расположенном рядом с внутренней поверхностью оболочки 18 (см. фиг.4) позволяет обеспечить практически равномерную температуру внутри тепловыделяющего элемента. А это, в свою очередь, позволяет уменьшить вероятность разрушения микротвэлов и выхода газообразных продуктов деления в контур реактора, что увеличивает радиационную безопасность при нормальных условиях работы. При легких аварийных ситуациях, последствия которых можно предотвратить с помощью штатной системы, реактор останавливают. Отвод остаточного тепловыделения осуществляется за счет естественной конвекции теплоносителя первого и расхолаживающего контуров. При аварийных ситуациях, связанных с одновременным разрушением корпуса реактора, выбросом всех стержней регулирования и разрушением системы внешнего теплоотвода, данная установка работает следующим образом. Температура тепловыделяющих элементов 2 и теплоносителя начинает увеличиваться. Через некоторое время, равное времени ввода отрицательной реактивности, порядка 0,3 β величиной, характерной для реакторов с теплоносителем LiF-BeF₂, реактор самопроизвольно останавливается. Температура продолжает увеличиваться за счет процесса остаточного тепловыделения до температуры разложения (испарения) вещества 19 (см. фиг.2). Газы (пары) этого вещества выходят из-под оболочек 18, снижают плотность активной зоны, что особенно хорошо для реакторов с отрицательным пустотным эффектом, например с теплоносителем LiF-BeF₂, затем поступают в подъемный канал 4, обеспечивая естественную циркуляцию теплоносителя и равномерный обогрев всех тепловыделяющих элементов. Газы (пары) вещества 19 выбрасываются под купол станции через клапан 17, открывающийся при достижении определенного давления под корпусом реактора. По мере разложения (испарения) теплопоглощающегося вещества плотность активной зоны снижается, эффективный коэффициент размножения нейтронов также снижается, следовательно, ядерная безопасность увеличивается. В том случае, если поры оболочки 18 были заполнены веществом-заполнителем, то оно плавится и выдавливается из пор газом (паром) теплопоглощающего вещества 19. При обеспечении перегрузки тепловыделяющих элементов сверху вниз в верхней части будут находиться тепловыделяющие элементы с минимальным выгоранием, а снизу - с максимальным. Поскольку в верхней части активной зоны теплоноситель все же будет несколько горячей, чем в нижней, то теплопоглощающее вещество - замедлитель там будет разлагаться интенсивней, чем в нижней. Это приведет к тому, что в зоне с большим содержанием свежего топлива и с меньшим содержанием продуктов деления пористость будет увеличиваться быстрей. Следовательно, эффективный коэффициент размножения нейтронов будет снижаться быстрей по сравнению со случаем перегрузки твэлов в противоположном направлении и, следовательно, безопасность в эксплуатации будет выше. При очень тяжелых аварийных ситуациях, связанных с потерей теплоносителя или с разрушением активной зоны с выбрасыванием тепловыделяющих элементов, реакция деления останавливается, а остаточное тепловыделение снимается за счет разложения (испарения) теплопоглощающего вещества. Теплоотвод будет обеспечен от тепловыделяющих элементов, даже окруженных таким хорошим изолятором, как сухой песок. Выливания теплопоглощающего вещества из под оболочек 18 не произойдет, поскольку оно будет удерживаться внутри оболочек капиллярными силами. Отвод остаточного тепловыделения при любых аварийных ситуациях обеспечивает непревышение температуры микротвэлов сверх температуры разложения (испарения) теплопоглощающего вещества, снижает вероятность их разрушения и выход газообразных продуктов деления, что повышает радиационную безопасность в аварийных ситуациях. Таким образом, изобретение позволяет повысить ядерную и радиационную безопасность при нормальных условиях работы реактора и в аварийных ситуациях, связанных даже с разрушением активной зоны и защитных оболочек, что является невозможным для реакторов других типов. Оно может использоваться в схемах с принудительной и естественной циркуляцией теплоносителя. Достигнутый при этом уровень безопасности позволяет отнести устройство к классу реакторов предельно достижимой безопасности.

Формула изобретения

1. РЕАКТОРНАЯ УСТАНОВКА, содержащая активную зону, набранную из тепловыделяющих элементов, состоящих из делящегося вещества, размещенного внутри оболочки, и содержащую замедлитель нейтронов, систему аварийной защиты и контур циркуляции, оборудованный системой расхолаживания, отличающаяся тем, что, с целью повышения ядерной и радиационной безопасности при нормальных условиях работы и в аварийных ситуациях, замедлитель расположен внутри оболочек, выполненных из материала с открытой структурой пор, исключающих контакт теплоносителя с замедлителем и проницаемых для продуктов испарения и/или разложения замедлителя, причем температура кипения и/или разложения материала замедлителя выбрана ниже предельно достижимой для обеспечения длительной прочности материала оболочки, а теплота парообразования и/или разложения и количество замедлителя выбраны из условия аварийного расхолаживания тепловыделяющих элементов при отсутствии внешнего теплоотвода. 2. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что замедлитель расположен в оболочке сферической формы и при минимальной температуре, соответствующей нормальной работе реактора, находится в жидком состоянии, причем плотность замедлителя равна плотности делящегося вещества, выполненного в виде микротвэлов. 3. Установка по п.1, отличающаяся тем, что пары оболочки заполнены материалом, имеющим температуру плавления большую, чем максимальная температура оболочек, соответствующая нормальной работе реактора, но меньшую, чем температура разложения и/или испарения материала замедлителя. 4. Установка по п.1, отличающаяся тем, что делящееся вещество выполненное в виде микротвэлов, расположено в сферическом слое, внешней границе которого является внутренняя поверхность сферической оболочки, а внутренней - сетка с размером ячеек, меньшим размера микротвэлов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Номер и год публикации бюллетеня: 31-2000

Извещение опубликовано: 10.11.2000        

---