Быстрый жидко-солевой реактор
Владельцы патента RU 2733900:
Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (RU)
Акционерное общество "Высокотехнологический научно-исследовательский институт неорганических материалов имени академика А.А. Бочвара" (RU)
Изобретение относится к области атомной энергетики, в частности к жидко-солевым реакторам. В быстром жидко-солевом реакторе с циркулирующей топливной композицией интегрального типа, содержащем корпус с входными и выходными трубопроводами второго контура и патрубком первоначального заполнения и подпитки жидко-солевым теплоносителем, предусмотрены теплообменники первого и второго контура, отражатели боковой, верхний и нижний, активная зона с обечайкой, главный циркуляционный насос, причем боковой отражатель выполнен из секций, между которыми расположены теплообменники первого-второго контура таким образом, что они вплотную прилегают к обечайке активной зоны. Технический результат заключается в снижении потерь эффективной доли запаздывающих нейтронов при работе реактора, позволяющих обеспечить значительную эффективность выжигания минорных актинидов, а также в повышении герметичности первого контура и надежности реактора. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.
Изобретение относится к области атомной энергетики, в частности к жидко-солевым реакторам.
Одной из самых основных проблем жидко - солевых реакторов, является большое количество потерь эффективной доли запаздывающих нейтронов, приводящих к снижению управляемости реактора при сжигании минорных актинидов в процессе осуществления управляемой цепной реакции деления. На старте кампании реактора βэф(H)=0,0023. При окончании кампании βэф определяется только минорными актинидами и падает до βэф(К)=0,0009. Период реактора Тр должен быть не менее 10 с. Это накладывает ограничение на вносимую реактивность - вносимая реактивность Δк/к должна быть не более 0,0004. Но при этом вносимая реактивность не должна быть больше чем величина βэф, иначе произойдет разгон реактора на мгновенных нейтронах. Таким образом, необходимо обеспечить величину потери эффективной доли запаздывающих нейтронов Δβэф такой, чтобы βэф(Н)-Δβэф>0.0004; и βэф(К)-Δβэф>0.0004.
Известен ядерный реактор MSRE американской разработки (В.Л. Блинкин, В.Н. Новиков. Жидкосолевые ядерные реакторы. - М.: Атомиздат, 1978, стр. 23) с блочной компоновкой оборудования первого контура, содержащий клапан слива топливной соли, антизавихрительные лопасти, корпус реактора, корпус активной зоны, входной патрубок топлива, графитовые стержни, центрирующую решетку, поглощающие стержни, выходной патрубок топлива, канал для опускания образцов графита, гибкий трос привода стержней регулирования, систему охлаждения воздухом, рубашку охлаждения, канал для поглощающих стержней, выходной фильтр, распределитель топлива, решетку поддерживающую графитовые стержни.
Его недостатком является наличие теплового спектра нейтронов и, как следствие, крайне низкая эффективность использования данного реактора для утилизации минорных актинидов.
Также известен ядерный реактор ТАР MSR американской разработки (Nuclear island rendering and Shnematic. Figure 1. Rendering of he TAP MSR. журн. TRANSATOMIC. Technical white paper. November 2016, v2.1, f.2) содержащий насосы первого контура, дренажную систему, теплообменники первого контура, насосы промежуточного контура, парогенератор, трубопроводы на основе никелевых сплавов.
К недостаткам данного реактора можно отнести: использование теплового спектра нейтронов, что существенно снижает возможность «сжигания» минорных актинидов. Использование несущей соли типа LiF-BeF2, обладающей низкой растворимостью фторидов минорных актинидов не позволяющей загружать достаточное количество минорных актинидов и запального топлива.
Известен ядерный реактор MSFR французской разработки (MSFR and the European project EVOL, Molten Salt Reactor. Workshop - PSL - Januaru 2017 Rrans - MSFR Presentation, Pag. 11) с интегральной компоновкой оборудования первого контура в корпусе ректора с размещением высокотемпературных теплообменников первого-второго контура вокруг бокового отражателя, наиболее близкий к заявленному решению по большинству признаков и выбранный за прототип.
Его недостатками являются: при циркуляции топливной композиции во время прохождения высокотемпературных теплообменников, расположенных вне активной зоны продукты деления, являющиеся источниками запаздывающих нейтронов, находятся вне активной зоны значительное время, что приводит к снижению эффективной доли запаздывающих нейтронов и снижению свойств безопасности реактора.
Технической задачей является создание быстрого жидко-солевого реактора (БЖСР) исполненного в интегральной компоновке с
использованием топливной композиции на основе несущей соли типа LiF+NaF+KF (FLiNaK), обладающей большой растворимостью фторидов минорных актинидов с возможностью локализации объема радиоактивной топливной композиции в минимальных габаритах, а также исключения из состава первого контура протяженных циркуляционных трубопроводов большого диаметра.
Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, заключается в снижении потерь эффективной доли запаздывающих нейтронов при работе реактора, позволяющих обеспечить значительную эффективность выжигания минорных актинидов, а так же в повышении герметичности первого контура и надежности реактора.
Указанный технический результат достигается в быстром жидко-солевом реакторе с циркулирующей топливной композицией интегрального типа, содержащем корпус с входными и выходными трубопроводами второго контура и патрубком первоначального заполнения и подпитки жидко-солевым теплоносителем, теплообменники первого-второго контура, отражатели боковой, верхний и нижний, активную зону с обечайкой, главный циркуляционный насос, причем боковой отражатель выполнен из секций, между которыми расположены теплообменники первого-второго контура таким образом, что они вплотную прилегают к обечайке активной зоны.
Нижний отражатель имеет боковые вырезы для установки теплообменников первого-второго контура и на него установлена трубная доска с отверстиями, предназначенная для выравнивания профиля распределения расхода топливной композиции в активной зоне, причем в верхнем отражателе активной зоны выполнены отверстия для установки в них рабочих органов системы управления и защиты, и источника нейтронов, а в верхней части бокового отражателя выполнены отверстия, в которые установлены трубы, соединяющие активную зону со сборными камерами главного циркуляционного насоса.
В верхней части теплообменники первого-второго контура соединены с напорными камерами главного циркуляционного насоса, в нижней части - со сборным коллектором активной зоны, а в верхней части каждого теплообменника первого-второго контура расположены входные и выходные трубопроводы второго контура для подвода и отвода жидко-солевого теплоносителя.
Расположение теплообменников первого-второго контура между секциями бокового отражателя вплотную к обечайке активной зоны сокращает длину трубопроводов первого контура, при этом за счет сокращения времени циркуляции топлива происходит снижение потерь эффективной доли запаздывающих нейтронов, позволяющих обеспечить значительную эффективность выжигания минорных актинидов.
Расположение теплообменников первого-второго контура между секциями бокового отражателя вплотную к обечайке активной зоны приводит к уменьшению диаметра реактора и, следовательно, к уменьшению массогабаритных, и стоимостных характеристик реактора, и реакторного здания в целом.
Интегральная компоновка реактора, когда все оборудование внутри корпуса, нет трубопроводов большого диаметра первого контура за корпусом, которые могут оборваться, повышает степень герметичности первого контура и надежность реактора.
Сущность изобретения поясняется по фигуре 1-5 где:
на фиг. 1 приведена 3D модель реактора;
на фиг. 2 приведена 3D модель вида сверху на реактор (крышка реактора не показана);
на фиг. 3 приведена компоновка БЖСР;
на фиг. 4 приведено сечение А-А реактора;
на фиг. 5 приведено сечение Б-Б реактора.
В предложенном техническом решении реактора применена интегральная компоновка (фиг. 3), при которой активная зона (1) с
отражателями: боковым (2), нижним (17), верхним (18) и рабочими органами системы управления и защиты (РО СУЗ) (3), теплообменники (4) первого -второго контура, источник нейтронов (ИН) (5), внутрикорпусные металлоконструкции (ВКМ) (6), комбинированная защита (7), сборная камера (8) главного циркуляционного насоса (ГЦН), сборный коллектор (9) размещаются в вертикальном корпусе (10) реактора низкого давления. Физическими границами реактора являются места стыковки входящего в его состав оборудования с интерфейсами: входным и выходным трубопроводами (11) второго контура, патрубком (12) первоначального заполнения и подпитки жидко-солевым теплоносителем, трубопроводом (13) подачи и удаления барботирующего и защитного газа, электровыводами приводов СУЗ (14), приводов ГЦН (15) и привода ИН (16), контактами и клеммами внешних силовых и измерительных цепей.
Активная зона (1) - полостного гомогенного типа с быстрым спектром нейтронов.
В корпусе (10) реактора на патрубок (12) системы первоначального заполнения и подпитки жидко-солевым теплоносителем устанавливается сборный коллектор (9) с приваренной к нему обечайкой (19) активной зоны (1). К обечайке (19) стыкуются нижний (17) и боковой (2) отражатели. Обечайка (19) активной зоны (1) располагается на опорных ребрах (20), приваренных к корпусу (10) реактора.
В нижней части активной зоны (1) на нижний отражатель (17) установлена трубная доска (21) с отверстиями, предназначенная для выравнивания профиля распределения расхода топливной композиции в активной зоне.
Сверху, снизу и по бокам активной зоны размещены отражатели. Боковой отражатель (2) выполнен из секций. Нижний отражатель (17) имеет боковые вырезы для установки теплообменников (4). В верхнем отражателе (18) и крышке (22) обечайки (19) активной зоны (1) выполнены отверстия для установки в них РО СУЗ (3). Верхний отражатель (18) имеет форму,
предназначенную для разделения движения потока топливной композиции на теплообменные петли. В верхней части бокового отражателя (2) выполнены отверстия, в которые установлены трубы (25), соединяющие активную зону (1) со сборными камерами (8) ГЦН.
В промежутках между секциями бокового отражателя (2) установлены теплообменники (4) первого - второго контура типа «соль - соль». В верхней части теплообменники (4) соединены с напорными камерами (23) ГЦН, в нижней части - со сборным коллектором (9) активной зоны (1) трубами. В верхней части каждого теплообменника (4) расположены входные и выходные трубопроводы (11) подвода и отвода жидко-солевого теплоносителя второго контура, выведенные через патрубки в корпусе (10) реактора.
Под крышкой (24) реактора размещена комбинированная защита (7). Комбинированная защита (7) из металла и теплоизоляционных материалов предназначена для защиты приводов СУЗ (14), приводов ГЦН (15), привода ИН (16) и элементов крепления крышки (24) реактора от теплового и радиационного излучения.
В активной зоне (1) размещены РО СУЗ (3). Рабочий орган содержит поглотитель на основе высокообогащенного карбида бора.
В центре верхнего отражателя (18) и плиты ВКМ (6) установлена труба для размещения источника нейтронов (5).
Средства контроля включают в себя первичные измерительные преобразователи нейтронного потока, контроля энергораспределения, температуры топливной композиции на входе и выходе активной зоны и в элементах реактора, давления и уровня топливной композиции в реакторе.
При работе реактора практически все тепло, выделяемое в активной зоне (1), отводится жидко-солевым теплоносителем второго контура в теплообменнике (4) первого - второго контура типа «соль - соль».
Реактор работает следующим образом.
Топливная композиция с температурой ~ 650°С от теплообменника (4) первого - второго контура по трубе попадает в сборный коллектор (9), расположенный под активной зоной (1). Далее топливная композиция проходя через перфорированную трубную доску (21), попадает в активную зону (1). Проходя активную зону (1) снизу вверх топливная композиция нагревается до температуры ~ 700°С. После прохождения активной зоны (1) топливная композиция делится верхним отражателем (18) на несколько потоков - теплообменных петель и через отверстия в боковом отражателе (2) попадает в сборную камеру (8) ГЦН. Далее топливная композиция поступает на напорную камеру (23) ГЦН, с напора которой попадает на вход в теплообменник (4), пройдя который охлаждается до 650°С, отдав при этом тепло жидко-солевому теплоносителю второго контура (на фигурах не показан).
Таким образом, предложенная компоновка реактора, имеющая комбинированную защиту радиационную и тепловую, сборки системы управления и защиты, состоящие из приводов и рабочих органов, источник нейтронов, секционный боковой отражатель, причем теплообменники первого-второго контура расположены между секциями бокового отражателя вплотную к обечайке активной зоны, позволяет:
1. уменьшить сокращение эффективной доли запаздывающих нейтронов за счет сокращения времени циркуляции топлива вне активной зоны;
2. повысить маневренность реактора за счет снижения потерь эффективной доли запаздывающих нейтронов;
3. привести к сжиганию большого количества минорных актинидов из ОЯТ, за счет выбора типа несущей соли FLiNaK, реализации быстрого спектра нейтронов в активной зоне.
1. Быстрый жидко-солевой реактор с циркулирующей топливной композицией интегрального типа, содержащий корпус с входными и выходными трубопроводами второго контура и патрубком первоначального заполнения и подпитки жидко-солевым теплоносителем, теплообменники первого-второго контура, отражатели боковой, верхний и нижний, активную зону с обечайкой, главный циркуляционный насос, отличающийся тем, что боковой отражатель выполнен из секций, между которыми расположены теплообменники первого-второго контура таким образом, что они вплотную прилегают к обечайке активной зоны.
2. Быстрый жидко-солевой реактор по п. 1, отличающийся тем, что нижний отражатель имеет боковые вырезы для установки теплообменников первого-второго контура и на него установлена трубная доска с отверстиями, предназначенная для выравнивания профиля распределения расхода топливной композиции в активной зоне, причем в верхнем отражателе активной зоны выполнены отверстия для установки в них рабочих органов системы управления и защиты, и источника нейтронов, а в верхней части бокового отражателя выполнены отверстия, в которые установлены трубы, соединяющие активную зону со сборными камерами главного циркуляционного насоса.
3. Быстрый жидко-солевой реактор по п. 1, отличающийся тем, что в верхней части теплообменники первого-второго контура соединены с напорными камерами главного циркуляционного насоса, в нижней части - со сборным коллектором активной зоны, а в верхней части каждого теплообменника первого-второго контура расположены входные и выходные трубопроводы второго контура для подвода и отвода жидко-солевого теплоносителя.
