Ядерный реактор, в частности компактный ядерный реактор с жидкометаллическим охлаждением

Изобретение относится к ядерному реактору (1), в частности к реактору с жидкометаллическим охлаждением. Реактор содержит разделяющую конструкцию (5) между горячим коллектором (6) и холодным коллектором (7), сужающуюся на верхнем участке (16) для размещения коллекторов тепловыделяющих сборок и расширяющуюся в нижнем элементе (14) у активной части (4) активной зоны реактора. Причем между нижним элементом (14) и верхним элементом (16) предусмотрен соединительный элемент (15), имеющий переменную форму. Между верхним участком (16) указанной разделяющей конструкции (5) и корпусом (2) реактора расположены теплообменники (11), взаимодействующие с соединительным элементом (15) через вертикальные каналы (20) для подачи в них горячей первичной текучей среды, выходящей из активной зоны (4) реактора. Техническим результатом является повышение безопасности за счет снижения конструкционной сложности зоны изменения направления текучей среды на обратное и устранения риска вовлечения газовой подушки, а также отсутствие необходимости последовательного увеличения диаметра корпуса реактора, вмещающего в себя все компоненты первичной системы. 6 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Настоящее изобретение относится к ядерному реактору, в частности, к компактному ядерному реактору с жидкометаллическим охлаждением, оснащенному одним или несколькими первичными теплообменниками.

В частности, настоящее изобретение относится к реактору, где первичные теплообменники, в которых тепло, создаваемое в активной зоне, передается от первичной текучей среды (жидкого металла) к вторичной текучей среде (воде), установлены внутри главного корпуса реактора, в котором также расположена активная зона, а именно в пространстве, которое, совместно с компонентами реактора, находящимися внутри него, именуется «первичной системой». Гидравлическая разделяющая конструкция, вмещающая активную зону, ограничивает внутри пространство, именуемое горячим коллектором, а снаружи - пространство, именуемое холодным коллектором.

Уровень техники

В заявке на патент Италии № MI 2005A001752 и № MI 2007A001685 раскрыт реактор такого типа, причем по существу цилиндрическая разделяющая конструкция ограничивает центральный горячий коллектор и кольцевой холодный коллектор, который окружает указанный горячий коллектор; причем холодный коллектор вмещает в себя множество интегрированных теплообменных узлов, каждый из которых содержит насос и один или два теплообменника; причем каждый интегрированный узел имеет впускное отверстие, соединенное с горячим коллектором через специально предусмотренные каналы для первичной текучей среды.

Однако, такие технические решения, как и другие, в общем схожие и имеющие теплообменники другой конфигурации, не лишены недостатков, а именно, с точки зрения размеров, в частности, из-за сложности системы каналов для первичной текучей среды и неэффективного использования пространств. Узлы насос/теплообменник должны располагаться за пределами разделяющей конструкции между горячим коллектором и холодным коллектором, но указанная конструкция имеет относительно большой диаметр, поскольку она вмещает в себя активную зону и обычно экранирующие элементы конструкции для защиты от нейтронов. Таким образом, узлы насос/теплообменник установлены по периферии относительно центра реактора, с последовательным увеличением диаметра корпуса реактора, который вмещает в себя все компоненты первичной системы.

В технических решениях, известных из документов US 2013/266111, ЕР 0308691 и JPH 06174871, успешно используется разделяющая конструкция, имеющая меньший диаметр в верхней части и больший диаметр в нижней части. В данных технических решениях, охлаждающая текучая среда, выходящая из активной зоны, поднимается внутри разделяющей конструкции до ее верхней кромки, где направление указанной текучей среды меняется на обратное для подачи сверху вниз в теплообменные узлы. Тем не менее, эти технические решения также имеют недостатки, например, конструкционную сложность зоны изменения направления текучей среды на обратное, а также риск вовлечения газовой подушки, которая, в случае когда охлаждающая текучая среда представляет собой жидкий металл, может вызвать внезапный положительный ввод реактивности в активную зону.

Раскрытие сущности изобретения

Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить ядерный реактор, в частности, ядерный реактор с жидкометаллическим охлаждением, который позволит устранить указанные выше недостатки известных технических решений и имеет как конструкционные преимущества, так и преимущества с точки зрения безопасности.

Таким образом, настоящее изобретение относится к ядерному реактору, в частности, к ядерному реактору с жидкометаллическим охлаждением, признаки которого изложены в пункте 1 формулы изобретения, причем его дополнительные признаки и конфигурации раскрыты в зависимых пунктах формулы.

Краткое описание чертежей

Далее приведено описание неограничительных вариантов осуществления настоящего изобретения со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых изображено следующее.

На фиг. 1 схематично в продольном разрезе показан ядерный реактор согласно настоящему изобретению, с множеством насосов и теплообменников.

На фиг. 2 схематично, частично в поперечном разрезе показан реактор с фиг. 1 в плоскости II-II.

На фиг. 3 частично на виде сверху показан реактор с фиг. 1.

Осуществление изобретения

На фиг. 1-3 показан ядерный реактор 1, содержащий главный корпус 2 реактора, покрытый крышей 3 и вмещающий внутри себя активную зону 4 и гидравлическую разделяющую конструкцию 5, имеющую по существу форму амфоры и ограничивающую горячий коллектор 6 и холодный коллектор 7, в котором циркулирует первичная охлаждающая текучая среда 8 активной зоны 4. Холодный коллектор 7 задан областью 9, заключенной между корпусом 2 реактора и разделяющей конструкцией 5 и, соответственно, расположенной вокруг горячего коллектора 6.

Корпус 2 реактора вмещает в себя насосы 10 и теплообменники 11, через которые протекает первичная текучая среда 8 и которые передают энергию, создаваемую в активной зоне 4, к вторичной текучей среде, циркулирующей во внешнем вторичном контуре (известном из уровня техники и не показанном на чертежах). Предпочтительно, первичная текучая среда 8 представляет собой жидкий металл и, в частности, тяжелый жидкий металл, например, свинец или легкоплавкий свинцово-висмутовый сплав, а вторичная текучая среда представляет собой воду (которая испаряется во время теплообмена с первичной текучей средой), и, соответственно, теплообменники 11 представляют собой парогенераторы. Газовая подушка присутствует над первичной текучей средой 8 в корпусе 2 реактора.

Внутри указанной разделяющей конструкции 5 расположены различные вспомогательные устройства, в том числе опорные конструкции для контрольно-измерительной аппаратуры и управляющих стержней, не описанных здесь для упрощения, поскольку они известны из уровня техники и не связаны с настоящим изобретением.

Разделяющая конструкция 5 содержит решетку 12 известной конфигурации, поддерживающую тепловыделяющие элементы 13, нижний элемент 14 для гидравлической изоляции активной зоны 4, имеющий подходящую форму и начинающийся на конкретном радиальном расстоянии от активной части активной зоны реактора, для уменьшения повреждения конструкции из-за воздействия нейтронов до приемлемых граничных значений, и соединительный элемент 15, имеющий различные возможные формы, например, коническую или пластинчатую форму, между нижним элементом 14 и верхним элементом 16.

В данном техническом решении, функцию защиты от нейтронов выполняет жидкий металл, расположенный между элементом 14 и наружным кольцом тепловыделяющих элементов 13, а кольца из экранирующих элементов, обычно расположенные в известных технических решениях между активной зоной и разделяющей конструкцией, уменьшены в количестве или полностью исключены.

Элемент 16 снаружи имеет по существу цилиндрическую форму и переменную толщину, причем внутренний профиль сформирован так, чтобы вмещать и радиально ограничивать оставшиеся экранирующие элементы, или, в случае их полного отсутствия, наружное кольцо тепловыделяющих элементов в их неактивной верхней части 17. Это приводит к тому, что элемент 16 имеет меньшую радиальную протяженность по сравнению с элементом 14.

Теплообменники И полностью расположены в пределах холодного коллектора 7 и по окружности распределены вокруг цилиндрической верхней части 16 разделяющей конструкции 5. Каждый узел 21 насос/теплообменник взаимодействует с соединительным элементом 15, причем между соединительным элементом 15 и цилиндрическими элементами 19, выполненными за одно целое с теплообменниками 11, предусмотрены подходящие уплотнительные устройства 18 (известные из уровня техники и не показанные для упрощения), ограничивающие каналы 20, которые обеспечивают подачу в узлы 21 насос/теплообменник горячей первичной текучей среды 8, выходящей из активной зоны. В результате, пространство внутри элемента 16 является по существу неподвижным, без риска создания текучей средой вибраций для контрольно-измерительного оборудования активной зоны и управляющих систем, находящихся внутри нее.

За исключением участка, перфорированного для зацепления с цилиндрическими элементами 19, элемент 14 и элемент 15 могут быть осесимметричными или, как показано на фиг. 1-2, предпочтительно имеют участки 22, более вытянутые в радиальном направлении рядом с каналами 20, и участки 23, менее вытянутые в радиальном направлении, для обеспечения более широких пространств 24 для холодного коллектора 7 между указанными участками 23 и корпусом 2 реактора для установки других компонентов, в общем, обозначенных как 25а, 25b и 25с, например, теплообменников откачных систем остаточной мощности, и компонентов систем продувки и предварительного нагревания для жидкого металла, которые не показаны, поскольку они являются известными и не образуют часть настоящего изобретения. В соединительном элементе 15, указанные более вытянутые в радиальном направлении участки 22 могут быть видны на виде сверху (фиг. 2) в виде выступов, по окружности распределенных на предварительно заданном расстоянии друг от друга.

Разделяющая конструкция 5 может быть соответствующим образом закреплена согласно известным техническим решениям в нижней части корпуса реактора или в верхней части крыши реактора.

На фиг. 1 и 3 показано техническое решение, где разделяющая конструкция 5 закреплена на крыше 3 реактора с помощью оболочки 26. Узлы насос/теплообменник также опираются на оболочку 26. Дополнительная оболочка 27 покрывает горячий коллектор 6 и является съемной для осуществления операций по замене топлива.

Преимущества настоящего изобретения явно следуют из нижеследующего описания:

- первичный контур реактора представляет собой компактную систему;

- количество колец экранирующих элементов разделяющей конструкции 5 уменьшено или они полностью исключены, что обеспечивает экономию и повышает механическую прочность радиальных ограничителей активной зоны,

- исключение колец экранирующих элементов уменьшает количество компонентов, подлежащих замене, что упрощает выполнение операций по техническому обслуживанию и снижает время простоя реактора;

- радиальное расположение теплообменников не ограничивается максимальным размером разделяющей конструкции 5, а только ее элементом 16, который имеет меньший диаметр;

- подача текучей среды в теплообменники не требует наличия канала, отклоняющегося радиально от разделяющей конструкции, и не осуществляется сверху элемента 16, как происходит в известных технических решениях, а осуществляется вертикально через уплотнительное устройство 18 между цилиндрическим элементом 19 канала 20, который питает узел 21 насос/теплообменник, и соединительным элементом 15;

- форма с выступами нижнего элемента 14 и соединительного элемента 15 разделяющей конструкции 5 обеспечивает широкие свободные пространства 24 между менее вытянутыми в радиальном направлении участками 23 нижнего элемента и соединительного элемента 15 относительно корпуса 2 реактора для установки большего количества вспомогательных компонентов 25 реактора;

- форма с выступами нижнего элемента 14 и соединительного элемента 15 разделяющей конструкции 5, а также соответствующая форма с выступами оболочки 26 обеспечивает возможность размещения разделяющей конструкции 5 без снятия вспомогательных компонентов 25 реактора.

И наконец, следует понимать, что в отношении реактора, раскрытого и проиллюстрированного в настоящем описании, могут быть предусмотрены многочисленные модификации и вариации, не выходящие за пределы объема защиты, заданного прилагаемой формулой.

1. Ядерный реактор (1), в частности ядерный реактор с жидкометаллическим охлаждением, имеющий горячий коллектор (6) над активной зоной (4) и холодный коллектор (7), окружающий горячий коллектор (6) и отделенный посредством разделяющей конструкции (5), причем в холодном коллекторе циркулирует первичная текучая среда (8) для охлаждения указанной активной зоны, причем реактор содержит по меньшей мере один теплообменник (11), в частности парогенератор, для удаления тепла от первичной текучей среды посредством вторичной текучей среды, причем разделяющая конструкция (5) содержит нижний элемент (14), расположенный вокруг активной зоны (4), и верхний элемент (16), расположенный над активной зоной (4), причем верхний элемент (16) имеет уменьшенную радиальную протяженность по сравнению с нижним элементом (14) и соединен с нижним элементом (14) посредством соединительного элемента (15), причем соединительный элемент (15) имеет отверстия (28), от которых отходят вертикальные каналы (20) для соединения с одним или более теплообменниками (11), расположенными между верхним участком (16) указанной разделяющей конструкции (5) и корпусом (2) реактора, для подачи в теплообменники горячей первичной текучей среды, выходящей из активной зоны (4), причем указанный реактор отличается тем, что соединительный элемент (15) и верхний элемент (16) разделяющей конструкции (5) образуют радиальный ограничитель активной зоны (4), в частности неактивной верхней части (17) тепловыделяющих узлов (13).

2. Реактор по п. 1, отличающийся тем, что соединительный элемент (15) между нижним элементом (14) и верхним элементом (16) разделяющей конструкции (5) представляет собой пластину.

3. Реактор по п. 1, отличающийся тем, что вертикальные каналы (20) для подачи текучей среды в теплообменник (11) взаимодействуют с отверстиями (28), выполненными в выступах (22), сформированных посредством локального радиального удлинения соединительного элемента (15) и нижнего элемента (14) разделяющей конструкции (5).

4. Реактор по п. 3, отличающийся тем, что такая форма с выступами нижнего элемента (14) и соединительного элемента (15) разделяющей конструкции (5) обеспечивает наличие свободных зон (24) между менее вытянутыми в радиальном направлении участками (23) нижнего элемента (14) и соединительного элемента (15) и корпусом (2) реактора для установки вспомогательных компонентов (25) реактора.

5. Реактор по п. 1, отличающийся тем, что первичная текучая среда, содержащаяся внутри верхнего элемента (16) разделяющей конструкции (5), является, по существу, неподвижной.

6. Реактор по любому из пп. 1-5, отличающийся тем, что первичная текучая среда (8) представляет собой жидкий металл, в частности тяжелый жидкий металл, например свинец, а вторичная текучая среда представляет собой воду, приводимую в парообразное состояние в теплообменнике (11), представляющем собой парогенератор.

7. Реактор по любому из пп. 1-6, отличающийся тем, что нижний элемент (14) действует в качестве элемента гидравлической изоляции активной зоны (4) реактора и радиально отстоит, то есть расположен на предварительно заданном радиальном расстоянии, от ее активной части.