Безопасный ядерный реактор с водой под давлением

 

Изобретение относится к ядерной энергетике, в частности к безопасным ядерным реакторам с водой под давлением. Сущность изобретения: безопасный ядерный реактор с водой под давлением содержит заполненный борированной водой корпус под давлением, в котором расположена корзина реактора. Корзина реактора содержит верхнюю часть и нижнюю часть, в которой находится активная зона реактора. Нижняя часть корзины прикреплена к днищу корпуса, верхняя часть корзины прикреплена к стенке корпуса под давлением, причем обе части гидравлически соединены между собой с возможностью взаимного скольжения в осевом направлении. 6 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к безопасному ядерному реактору с водой под давлением, содержащему наружный корпус под давлением, состоящий в основном из цилиндрической стенки, закрытой на концах посредством полусферической верхней стенки и полусферической нижней стенки, причем корпус заполнен борированной водой и вмещает в себе корзину реактора, содержащую пучки труб для генерирования пара, проходящие между соответственными патрубками для ввода в корпус и отвода ее оттуда, и активную зону реактора.

Из заявки N 12545-A/88 на патент Италии известен ядерный реактор указанного выше типа, содержащий основной сосуд (корпус) под давлением, заполненный борированной водой, которая является средой для замедления нейтронов, образующихся в результате ядерной реакции, происходящей в реакторе.

Более конкретно, в борированную воду в корпусе погружен бак реактора, в верхней части которого имеется концентричная с корпусом, по существу, цилиндрическая полость, вмещающая парогенератор трубнопучкового типа, а в верхней части находится активная зона реактора.

Бак сообщается с основным корпусом под давлением через первую группу труб под активной зоной реактора и вторую группу труб над парогенератором, что обеспечивает возможность циркуляции через них борированной воды в упомянутый бак и из бака, причем эти трубы образуют систему обеспечения безопасной работы реактора, которую также называют "плотностным затвором".

В этом реакторе впускной и выпускной патрубки расположены диаметрально противоположно друг другу на наружной стенке цилиндрической полости и в одной и той же плоскости поперечного сечения основного корпуса. Эти патрубки обеспечивают возможность циркуляции воды через пучки труб, образующие часть вторичного водяного контура реактора.

Более конкретно, впускной и выпускной патрубки вторичного контура проходят сквозь стенку корпуса под давлением, доходя до парогенератора в баке реактора.

В реакторе этого типа бак подвешен в корпусе под давлением в соответствии с вводом и отводом для воды во вторичном контуре.

Это конструктивное решение выполнено для обеспечения возможности теплового расширения между баком реактора и основным корпусом, так как во время работы реактора бак находится при той же самой температуре, что и первичный контур, тогда как основной корпус холоден, потому что его наружная сторона смывается холодной водой в бассейне, в который погружен корпус.

Конструкция реактора, при которой днище бака имеет возможность свободного продольного перемещения относительно корпуса, освобождает реактор от всяких нежелательных напряжений, которые могут возникнуть в результате упомянутого теплового расширения.

По существу бак реактора, закрепленный таким образом, оказывается недостаточно прочно закрепленным и устойчивым в корпусе под давлением. На самом деле, в реакторе этого типа существует опасность возникновения вибраций во время нормального функционирования, что могло бы даже вызвать отсоединение бака от его опорных точек в корпусе со всеми вообразимыми плохими последствиями, к которым это могло бы привести.

Кроме того, осложняется выполнение асейсмической конструкции различных деталей этого типа реактора и следовательно также бака реактора.

Следует также отметить, что в ядерных реакторах особое значение имеет безопасность и потому на это направлены максимальные усилия как при конструктировании, так и при изготовлении всех конструктивных элементов, ибо необходимо обеспечить всему реактору определенные гарантии устойчивости и безопасности при любых случайностях во время эксплуатации реактора.

И наконец, бак реактора, вмещающий и парогенератор, и активную зону, очень трудно вынимать из реактора, что необходимо делать при сборке и разборке для технического обслуживания реактора.

Целью изобретения является создание безопасного по своей природе ядерного реактора с водой под давлением, обладающего конструктивными и функциональными характеристики, подходящими для устранения проблем, упомянутых в связи с примером известного уровня техники.

Эта цель достигается с помощью реактора указанного выше типа, отличительные особенности которого указаны в прилагаемой формуле изобретения.

На фиг. 1 изображен ядерный реактор, перспективный вид в неполном разрезе; на фиг.2 то же, вертикальный продольный разрез; на фиг.3 тоже, разрез по линии III-III на фиг.4; на фиг.4 то же, разрез по линии IY-IY на фиг.2;) на фиг.5 то же, разрез по линии Y-Y на фиг.2;) на фиг.6 перспективный вид детали ядерного реактора, показанного на фиг. 1.

Как показано на чертежах, ядерный реактор в соответствии с настоящим изобретением обозначен общей позицией 1 и содержит наружный цилиндрический корпус 2 под давлением, заполненный борированной водой, причем корпус 2 под давлением, в частности содержит цилиндрическую стенку 2c, закрытую на ее верхнем и нижнем концах подходящими полусферическими концевыми стенками 2a и 2b соответственно. Корпус 2 под давлением является корпусом такого типа, который погружают в бассейн и в соответствии с данным примером ставят на дно последнего, как схематически показано на фиг. 2 и 3, с помощью традиционных средств, которые поэтому в данном описании не рассматриваются.

В корпусе 2 размещена корзина 3 реактора, состоящая из двух частей 4 и 5 (верхняя и нижняя соответственно), которые функционально отличаются друг от друга и, как будет яснее ниже, разделены друг с другом. Как, в частности показано на фиг. 2, в верхней части 4 образованы первая кольцеобразная полость 6, соосная со стенкой 2c, для прохождения борированной воды, циркулирующей в первичном контуре C2 реактора, который будет более полно описан ниже, и вторая кольцеобразная полость 7, которая расположена соосно с первой и окружает ее и в которой размещена группа спиральных пучков 8 труб.

По двум диаметрально противоположным образующим второй полости 7 в двух поперечных сечениях полости, разнесенных по высоте, расположены пара впускных патрубков 9 для чистой воды, циркулирующей во вторичном контуре C2 реактора, и пара выпускных патрубков 10 для воды, отводимой из вторичного контура C2. В частности выпускные патрубки 10 находятся на более высоком уровне, чем впускные патрубки 9.

Патрубки 9 и 10 имеют соответственные диффузоры 11 и 11a, которые проходят поперек входного и выходного потоков воды во вторичном контуре C2 и каждый из которых выполнен по существу в форме части тороида, причем каждый из диффузоров 11 и 11a имеет соответственные трубные решетки 12 и 12a на соответственных противоположных концах. Эти решетки находятся в радиальных плоскостях относительно цилиндрической геометрической формы реакторы (на фиг.5 показаны только решетки 12a).

Трубные решетки 12 и 12а соединены с соответствующими спиральными пучками 8 труб, причем соединение каждого пучка 8 осуществлено посредством соответственной изогнутой концевой части 8a, отходящей от соответственной трубной решетки 12 и 12a и соединенной со своим трубным пучком.

Трубные пучки 8 проходят во второй полости 7 спирально с чередованием правых и левых спиралей, каждая из которых проходит от соответственной трубной решетки 12, связанной с впускными патрубками 9, к соответствующей трубной решетке 12a, связанной с выпускными патрубками 10.

Очевидно, что направление спирали каждого трубного пучка 8 зависит от трубной решетки 12, к которой он присоединен, поскольку от каждого диффузора 11 отходят два пучка 8 труб, то есть по одному от каждой решетки 12, с правым и левым направлением спирали соответственно.

Кроме того, согласующиеся спирально трубные пучки 8, как показано на фиг. 6, расположены ступенчато, потому что они отходят от пар диффузоров 11 или 11a, которые диаметрально противоположны друг другу, что обеспечивает возможность размещения трубного пучка одной спирали в промежутке между последовательными витками того трубного пучка, который отходит от противоположного диффузора.

И наконец, в данном варианте осуществления настоящего изобретения трубы каждого пучка 8 отходят от соответственных трубных решеток 12 и 12a, образуя вертикально расположенную группу, в результате чего спирали пучков находятся на концентрических цилиндрических поверхностях.

Верхняя часть 4 реактора 1 содержит также две камеры 13, расположенные над второй полостью 7, для перемещения борированной воды, циркулирующей в первичном контуре C1 реактора, к соответственной паре насосов 14 для питания упомянутых первичного контура.

Первая кольцеобразная полость 6, по которой проходит вода в первичном контуре, соединена гидравлически с внутренней полостью корпуса 2 под давлением через группу трубок 15, которые составляют первый "плотностный затвор" ядерного реактора 1. Вторая кольцеобразная полость 7 ограничена внутренней стенкой 7a и концентрической стенкой 7b, причем нижние части этих стенок имеют серию отверстий 16, сообщающихся с зоной 17 для сбора борированной воды в первичном контуре C1.

В нижней части 5 ядерного реактора размещена активная зона 18 реактора, которая опирается на опорное кольцо 19, неподвижно прикрепленное к нижней стенке 2b корпуса 2 под давлением. Вверх от верхней части активной зоны 18 отходят соответственные первая и вторая кольцеобразные камеры 20 и 21 для пропускания воды в первичном контуре C1. Точнее, эти камеры 20 и 21 выполнены в форме концентрических кольцеобразных полостей, причем первая камера 20 расположена внутри от второй камеры 21.

Обе камеры 20 и 21 имеют соответствующие расширенные верхние края 20a и 21a для образования соединений 22 и 23 враструб с первой полостью 6 и с водосборной зоной 17 соответственно. Граница между верхней частью 4 и нижней частью 5 корзины 3 ядерного реактора соответствует каждому из соединений 22 и 23 враструб.

В каждом соединении 22 и 23 предусмотрено уплотнение 24 с ограниченными потерями, состоящее в основном из пары традиционных упругих колец типа, подобного упругим кольцам, установленным на поршнях обычных двигателей внутреннего сгорания.

Внутри опорного кольца 19 под активной зоной 18 размещен пучок трубок 25, составляющих второй "плотностный затвор" ядерного реактора.

Опорное кольцо 19 для активной зоны 18 имеет отверстия 26 для обеспечения возможности прохождения борированной воды в корпусе 2 и активной зоне 18 реактора и через пучок трубок 25.

Стенки, отделяющие первичный контур C1 от охлажденной борированной воды в корпусе, изолированы для уменьшения рассеяния тепла из первичного контура C1. В частности изолированы внутренняя стенка первой полости 6 и наружная стенка 7b второй полости 7.

Как показано на фиг. 3, верхняя часть 4 корзины 3 реактора прикреплена к цилиндрической стенке 2c корпуса 2 под давлением посредством нескольких выступов 27 на наружной стенке 7b полости 7.

Эти выступы 27 сцеплены с соответствующим количеством выступов 27a на цилиндрической стенке 2c корпуса 2.

Кроме того, сквозь наружную стенку 7b полости 7 проходит пара выпускных патрубков 10, имеющих возможность свободного скольжения относительно их продольной оси. Аналогичным образом, сквозь стенку 7b проходят патрубки 9, могущие скользить относительно нее в осевом направлении цилиндрической полости 7, а также относительно своей продольной оси. Для этой цели, то есть для обеспечения возможности скольжения патрубков 9 в двух направлениях относительно полости 7, патрубки 9 снабжены скользящими уплотнениями 28 традиционного типа.

Пары патрубков 9 и 10 неподвижно прикреплены к цилиндрической стенке 2c.

Ниже описана работа реактора в соответствии с настоящим изобретением с конкретными ссылками на некоторые из его составных частей.

Питающие насосы 14 обеспечивают циркуляцию борированной воды в первичном контуре C1, траектория которого описана ниже. Вода течет через вторую полость 7 вниз в направлении к активной зоне 18 реактора, причем вода доходит до отверстий 16 в нижней части внутренней стенки 7a полости 7, где она может войти в зону 17 сбора и оттуда, пройдя через вторую кольцеобразную камеру 21, дойти до активной зоны 18 реактора. Смывшая активную зону 18 вода, нагревающаяся при этом, имеет более низкую плотность и, поднявшись в первую кольцеобразную камеру 20 и пройдя через первую полость 6, доходит до приемных (всасывающих) устройств 13 насосов 14, откуда ее опять подают во вторую полость 7, где она протекает поверх пучка 8 труб.

Выше был описан первичный контур C1 для борированной воды для реактора, вода же во вторичном контуре C2 циркулирует через трубные пучки 8, в которых вода протекает благодаря наличию впускных и выпускных патрубков 9 и 10, и превращается в этих пучках в пар в результате теплообмена с борированной водой в первичном контуре C1. Отсюда воду, превратившуюся в пар, направляют в остальную часть вторичного контура C2, где она будет вырабатывать энергию.

Ядерный реактор в соответствии с настоящим изобретением имеет много преимуществ.

Важно, конечно, отметить, что верхняя часть 4 корзины 3 реактора соединена неподвижно с корпусом 2 посредством выступов 27.

В то же самое время нижнюю часть 5 корзины реактора и следовательно, также активную зону 18 в ней поддерживают снизу посредством опорного кольца 19, благодаря чему нижняя часть оказывается неподвижно присоединенной к днищу 2b корпуса под давлением, что обеспечивает совершенно безопасное размещение активной зоны 18 реактора в корпусе 2, способствующее достижению высокой степени безопасности всего реактора, даже если во время его работы возникает вибрация.

Эта безопасность является также результатом того, что верхняя часть 4 и нижняя часть 5 соединены друг с другом не жестко, а с возможностью взаимного скольжения, благодаря соединениям 22 и 23 враструб и особым скользящим уплотнениям 28, которые компенсируют всякое существенное тепловое расширение, имеющее место во время работы реактора. В частности, размеры наружной стенки 7b кольцеобразной полости 7, которая (стенка) смывается водой, нагретой посредством активной зоны 18, и следовательно, имеет высокую температуру, будут значительно изменяться, и если эти изменения не будут компенсированы должным образом, то могут возникнуть значительные проблемы и опасности.

Хорошо также то, что расширение трубных пучков 8 реактора в соответствии с настоящим изобретением компенсируется их особой спиральной формой, а также наличием изогнутых концевых частей вблизи трубных решеток. Этот фактор также обеспечивает возможность получения ядерного реактора, в котором впускные патрубки 9 и выпускные патрубки 10 для воды во вторичном контуре C2 остаются фиксированными в пространство, а остальная часть реактора может свободно расширяться, сохраняя при этом устойчивость в корпусе 2 под давлением.

Поскольку вода в первичном контуре выходит из полости 7 в основном через отверстия 16, другим преимуществом реактора в соответствии с настоящим изобретением является то, что устраняется возможность возникновения опасных вибраций в трубчатых пучках 8 в местах, в которых они присоединены к соответственным решеткам 12 и 12A. Например, в соответствии с нижними патрубками 9, отверстия 16 выполняют таким образом, чтобы позволить воде в первичном контуре течь с низкой скоростью, что минимизирует опасность возникновения упомянутых вибраций.

Кроме того, важно отметить, что реактор в соответствии с настоящим изобретением обеспечивает значительное сокращение длины трубных пучков для данного теплообмена.

Этот результат, являющийся существенным усовершенствованием прототипа, в котором впускные и выпускные патрубки для воды расположены в одном и том же поперечном сечении ядерного реактора для обеспечения возможности расширения трубных пучков, получают благодаря тому, что в настоящем изобретении пучки труб проходят между впускными и выпускными патрубками, расположенными на разных высотах относительно друг друга. Это обеспечивает возможность более рационального, очень компактного размещения трубных пучков, например, в описанных выше спиральных конфигурациях, вместо U-образных или подобных конфигурацией, как в прототипе.

Компактность трубчатых пучков дает дополнительные побочные преимущества, также, как значительное сокращение расходов благодаря уменьшению длины трубных пучков, а такие облегчение технического обслуживания.

Разделение корзины 3 на части в реакторе по настоящему изобретению обеспечивает, наряду с описанными выше значительными функциональными преимуществами, очень высокую степень общей безопасности реактора в целом, так как предотвращает передачу механических напряжений, опасных для активной зоны 18, с обеспечением при этом размещения активной зоны в корпусе 2 в устойчивом положении.

В описанном изобретении возможны различные конструктивные изменения и дополнения, не выходящие за пределы охраняемого объема, определенные прилагаемой формулой изобретения.

Формула изобретения

1. Безопасный ядерный реактор с водой под давлением, содержащий заполненный борированной водой наружный корпус под давлением, выполненный в виде цилиндра, закрытого на концах полусферической верхней крышкой и полусферическим днищем, причем корпус вмещает в себя корзину реактора, разделенную на нижнюю часть с размещенной в ней активной зоной и верхнюю часть, содержащую пучки труб для генерирования пара, проходящие между впускными патрубками для ввода воды в корпус и выпускными патрубками для отвода, воды, отличающийся тем, что нижняя часть корзины реактора прикреплена к днищу корпуса, верхняя часть корзины реактора прикреплена к стенке корпуса под давлением, причем обе части гидравлически соединены между собой с возможностью взаимного скольжения в осевом направлении.

2. Реактор по п. 1, отличающийся тем, что верхняя часть корзины реактора содержит первую кольцеобразную полость, вторую кольцеобразную полость, соосную с первой полостью и окружающую ее, множество спиральных трубных пучков, размещенных во второй полости и проходящих между соответственными парами впускных патрубков и выпускных патрубков, расположенных диаметрально противоположно в соответствующих поперечных сечениях, причем начиная от днища корпуса под давлением соответственно первая пара расположена на нижнем уровне и снабжена соответственными скользящими уплотнениями для обеспечения герметизации с цилиндрической стенкой, а вторая пара расположена на верхнем уровне.

3. Реактор по п. 2, отличающийся тем, что впускные патрубки и выпускные патрубки соединены с трубными пучками посредством соответствующих диффузоров, каждый из которых выполнен в форме части тороида, проходящей поперек течения воды через патрубки.

4. Реактор по п. 3, отличающийся тем, что диффузоры имеют трубные решетки на соответственных концах, от которых отходят соответствующие трубные пучки.

5. Реактор по п. 4, отличающийся тем, что трубные пучки имеют соответственные изогнутые концевые части для присоединения к трубным решеткам.

6. Реактор по п. 1, отличающийся тем, что нижняя часть корзины реактора снабжена расположенными выше активной зоны двумя концентрическими кольцеобразными камерами для прохождения содержащейся в реакторе борированной воды с расширенными верхними краями, образующими соединения враструб с первой и второй кольцеобразными полостями верхней части корзины, обеспечивающие гидравлическое соединение нижней части корзины с верхней частью.

7. Реактор по п.6, отличающийся тем, что в каждом из соединений враструб установлено уплотнение с ограниченными потерями, содержащее пару упругих колец.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6