интегральный водо-водяной ядерный реактор с встроенным компенсатором давления

Формула изобретения

1. Интегральный водо-водяной ядерный реактор под давлением, содержащий корпус, в который встроен расположенный над активной зоной и заключенный в герметичную камеру с трубкой компенсатор давления, один конец которой расположен в придонной части компенсатор давления, а другой конец соединен с пространством, расположенным в верхней части корпуса реактора, отличающийся тем, что в компенсатор давления помещен теплообменник.

2. Интегральный водо-водяной ядерный реактор под давлением по п.1, отличающийся тем, что компенсатор давления разделен на две герметичные емкости, объем одной из которых выбирают равным не менее 2% и не более 7% величины объема теплоносителя в компенсаторе давления после разогрева реактора, при этом теплообменник и трубка, соединяющая компенсатор давления с внутриреакторным пространством, расположены в этой емкости, а сами емкости соединены друг с другом трубкой, один конец которой расположен в верхней части емкости с теплообменником, а другой конец - в нижней части другой емкости.

3. Интегральный водо-водяной ядерный реактор под давлением по пп.1 и 2, отличающийся тем, что компенсатор давления разделен на две части продольно установленной перегородкой.

4. Интегральный водо-водяной ядерный реактор под давлением по пп.1 и 2, отличающийся тем, что компенсатор давления разделен на две части установленной коаксиально корпусу компенсатора давления обечайкой.

5. Интегральный водо-водяной ядерный реактор под давлением по пп.1 и 2, отличающийся тем, что емкость с теплообменником со всех сторон окружена другой емкостью.

6. Интегральный водо-водяной ядерный реактор под давлением по пп.1 - 5, отличающийся тем, что корпус компенсатора давления покрыт теплоизоляцией.

7. Интегральный водо-водяной ядерный реактор под давлением по пп.1 - 3, 6, отличающийся тем, что перегородка покрыта теплоизоляцией.

8. Интегральный водо-водяной ядерный реактор под давлением по пп.1, 2, 4, 6, отличающийся тем, что обечайка покрыта теплоизоляцией.

9. Интегральный водо-водяной ядерный реактор под давлением по пп.1, 2, 5, 6, отличающийся тем, что емкость, в которой расположен теплообменник, покрыта теплоизоляцией.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к ядерной технике, а именно: к водо-водяным ядерным реакторам интегрального типа.

Известен интегральный водо-водяной ядерный реактор, содержащий корпус, в котором над активной зоной расположен компенсатор давления (см. патент Великобритании N1068080, кл. G 21 С, опублик. 1964).

Указанное решение имеет следующие недостатки:

- высокая температура теплоносителя в компенсаторе давления (КД) приводит к росту газонасыщения теплоносителя, попаданию газа в основной тракт циркуляции теплоносителя и его выходу на участках, где температура теплоносителя и растворимость газа ниже, из-за чего может снизиться работоспособность активной зоны и насосов;

- при наклонах корпуса возможен прорыв газа из КД в тракт циркуляции 1-го контура, т. к. роль камеры КД выполняет полость, образованная между крышкой реактора и уровнем теплоносителя в корпусе реактора;

- значительные массо-габаритные характеристики КД из-за больших изменений удельной плотности теплоносителя в процессе эксплуатации реактора.

Наиболее близким по своим признакам к предлагаемому изобретению является интегральный водо-водяной ядерный реактор со встроенным компенсатором давления, содержащий корпус, в который встроен расположенный над активной зоной и заключенный в герметичную камеру с трубкой компенсатор давления, один конец которой расположен в придонной части компенсатора давления, а другой конец соединен с пространством, расположенным в верхней части корпуса реактора (см. патент РФ N 2030797, кл. G 21 С 1/32, 1991).

В указанном реакторе при наклонах корпуса практически исключена вероятность выхода газа из КД в тракт циркуляции 1-ого контура (ситуация может возникнуть только в результате опрокидывания). Однако и этому решению присущи недостатки, а именно: из-за высокой температуры теплоносителя в КД растет газонасыщение теплоносителя, газ попадает в основной тракт циркуляции теплоносителя и выделяется на участках, где температура теплоносителя и растворимость газа ниже, что может отрицательно отразиться на работоспособности активной зоны и насосов.

Кроме того, из-за больших изменений удельной плотности теплоносителя в процессе эксплуатации реактора приходится выполнять КД весьма внушительных размеров (относительно размеров самого реактора), что увеличивает массо-габаритные характеристики не только КД, но и самого реактора, и ведет к его удорожанию.

Задача, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, заключается в повышении надежности и безопасности реактора, а также - в снижении массо-габаритных характеристик реактора и его удешевлении.

Применение изобретения приведет к снижению температуры и газонасыщенности теплоносителя первого контура без использования специального оборудования для удаления газа из теплоносителя.

Отмеченная задача решается благодаря тому, что в интегральном водо-водяном ядерном реакторе со встроенным компенсатором давления, содержащем корпус, в который встроен расположенный над активной зоной и заключенный в герметичную камеру с трубкой компенсатор давления, один конец которой расположен в придонной части компенсатора давления, а другой конец соединен с пространством, расположенным в верхней части корпуса реактора, в компенсатор давления помещен теплообменник;

и, кроме того, с помощью того, что компенсатор давления разделен на две герметичные емкости, объем одной из которых выбирают равным не менее 2% и не более 7% величины объема теплоносителя в компенсаторе давления после разогрева реактора, при этом теплообменник и трубка, соединяющая компенсатор давления с внутриреакторным пространством, расположены в этой емкости, а сами емкости соединены друг с другом трубкой, один конец которой расположен в верхней части емкости с теплообменником, а другой конец - в нижней части другой емкости;

и потому, что компенсатор давления разделен на две емкости продольно установленной перегородкой;

также из-за того, что компенсатор давления разделен на две емкости установленной коаксиально корпусу компенсатора давления обечайкой;

еще потому, что емкость с теплообменником со всех сторон окружена другой емкостью;

так как корпус компенсатора давления покрыт теплоизоляцией;

благодаря тому, что перегородка покрыта теплоизоляцией;

также из-за того, что обечайка покрыта теплоизоляцией;

а еще потому, что емкость, в которой расположен теплообменник, покрыта теплоизоляцией.

Изобретение поясняется с помощью чертежей 1-4. На фиг. 1 изображен продольный разрез интегрального водо-водяного ядерного реактора со встроенным компенсатором давления, в который установлен теплообменник. На фиг. 2 - 4 показаны варианты выполнения компенсатора давления.

На чертежах отмечены корпус 1, встроенные в него компенсатор давления 2, соединенный с внутриреакторным пространством трубкой 3, в который помещен теплообменник 4, и активная зона 5. Компенсатор давления 2 может быть разделен на две емкости 6 и 7, которые соединены друг с другом трубкой 8. Кроме того, на чертежах показана перегородка 9, обечайка 10 и теплоизоляция 11.

Реактор работает следующим образом.

Заполняют теплоносителем корпус 1. После этого из ресиверных баллонов (на чертежах не показаны) подают газ, который создает начальное давление в 1-ом контуре. Затем производят разогрев реактора. В результате повышения температуры увеличивается удельный объем теплоносителя 1-ого контура, который по трубке 3 поступает из корпуса 1 в компенсатор давления 2 и выдавливает находящийся там газ в верхнюю часть компенсатора давления 2.

В зависимости от уровня мощности, на которой работает реактор, через некоторый промежуток времени в первом контуре устанавливается стабильный температурный режим. Однако даже при сохранении с помощью системы управления этого уровня мощности происходит изменение температуры первого контура в пределах "вилки регулирования", приводящее к изменению объема теплоносителя, который то поступает в КД 2, то выходит из него. При этом газонасыщение теплоносителя, поступающего в контур из КД 2, выполненного в соответствие с предлагаемым изобретением, ниже, чем газонасыщение теплоносителя, попадающего из контура в КД 2.

Снижение газонасыщения теплоносителя первого контура добиваются следующим образом.

У поступающего из внутрикорпусного пространства по трубе 3 в КД 2 теплоносителя с высокой температурой и соответствующей ей высокой величиной газонасыщения постоянно работающий в КД 2 теплообменник 4 отбирает часть тепла. В результате этого из теплоносителя выделяется газ, который собирается в верхней части КД 2, и газонасыщение находящегося в КД 2 теплоносителя снижается.

При "обратном" движении теплоносителя (из КД 2 во внутриреакторное пространство) он будет иметь уже более низкие величины температуры и газонасыщения. Такой "механизм" работы КД 2 позволяет поддерживать газонасыщение теплоносителя в первом контуре на более низком, чем в современных интегральных реакторах уровне, как бы "естественным" образом: без специального дополнительного оборудования для удаления из теплоносителя.

В случае уменьшения мощности активной зоны 5 происходит снижение температуры теплоносителя первого контура и уменьшение его объема. Теплоноситель, находящийся в КД 2 c более низкой, чем в корпусе 1, величиной газонасыщения, под действием давления газа вытесняется во внутриреакторное пространство до тех пор, пока между давлением газа и теплоносителя вновь не восстановится равновесие. При этом граница раздела газ-теплоноситель в КД 2 устанавливается на новом уровне, а газонасыщение и температура теплоносителя в корпусе 1 снижается.

Снижение температуры теплоносителя первого контура приводит к уменьшению его объема и, следовательно, позволяет уменьшить массо-габаритные характеристики КД 2, а вместе с ним - и реактора. Как показали проведенные расчеты, массо-габаритные характеристики компенсатора давления могут быть уменьшены, примерно, на 5%.

Однако следует учесть, что необходимость "расхолаживания" всего объема КД 2 ведет не только к перерасходу электроэнергии, идущей на собственные нужды теплообменного оборудования, увеличению материалоемкости этого оборудования, но и затеснению проходного сечения, что не только является препятствием для прохода регулирующих стержней системы управления и защиты (СУЗ) через компенсатор давления, но и ведет к снижению полезного объема КД 2.

С целью избежать вышеперечисленные негативные явления предлагается "разделить" компенсатор давления 2 на две емкости 6 и 7 и охлаждать теплоноситель только в одной из них.

В этом случае после увеличения удельного объема теплоносителя первого контура в процессе разогрева реактора он будет поступать в емкость 7 с теплообменником 4 и, попутно охлаждаясь в ней, выдавливать газ из емкости 7 по трубке 8 в емкость 6.

В результате в первом контуре создается начальное давление, при котором граница раздела между газом и теплоносителем располагается в емкости 6.

Чтобы сократить расходы на собственные нужды, а также минимизировать габаритные характеристики теплообменника 4 выбирают объем емкости 7 равным не менее 2% и не более 7% величины объема теплоносителя в компенсаторе давления после разогрева реактора, т.к. объем теплоносителя при нормальных условиях эксплуатации водо-водяного реактора на мощности возрастает, по крайней мере, не менее, чем на 2%, а при переходе реактора с одного режима мощности на другой (например, в случае перехода с принудительной циркуляции теплоносителя на режим естественной циркуляции) изменение объема теплоносителя первого контура может доходить до 7%.

Вышеуказанный диапазон объема емкости 7 позволяет локализовать весь поступающий из первого контура в КД 2 теплоноситель в этой части КД 2 и сократить, благодаря этому, расход электроэнергии, затрачиваемый на собственные нужды теплообменного оборудования, снизить материалоемкость этого оборудования и избежать затеснения КД 2 теплообменником 4.

КД 2 может быть разделен на емкости 6 и 7 с помощью продольно установленной перегородки 9 или установленной коаксиально корпусу 1 КД 2 обечайкой 10. В первом случае практически не затесняется полезный объем КД, зато второй - технологически проще.

Чтобы сократить затраты электроэнергии на собственные нужды, связанные с охлаждением теплоносителя в КД 2, емкость 7 с теплообменником 4 может быть со всех сторон окружена емкостью 6, кроме этого, может быть покрыт теплоизоляцией 11 КД 2 и/или перегородка 9 и/или обечайка 10.

Таким образом, применение изобретения позволяет повысить надежность и безопасность реактора и снизить его массо- габаритные характеристики.