ядерный паропроизводящий агрегат с жидкометаллическим теплоносителем

Формула изобретения

1. Ядерный паропроизводящий агрегат с жидкометаллическим теплоносителем, например расплавленным свинцом, имеющий герметичный двустенный корпус, в полости которого, ограниченной внутренней стенкой, расположен бассейн свинца со свободным уровнем и подушкой инертного газа, например аргона, содержащий ниже уровня активную зону с выходной камерой по свинцу и запорные клапаны контура естественной циркуляции свинца, а также содержащий в пределах газовой подушки парогенератор водяного пара и участок течения свинца струями под напором насосов свинца, отличающийся тем, что перед участком течения свинца струями установлена, по крайней мере, одна камера свинца, часть стенок которой перфорирована отверстиями, а полость соединена трубопроводом с выходной камерой, при этом последняя соединена патрубками с упомянутыми запорными клапанами.

2. Агрегат по п. 1, отличающийся тем, что газовые полости участка течения свинца струями и межтрубного пространства парогенератора включены в контур принудительной циркуляции аргона, нагрев и охлаждение которого осуществлены при непосредственном контакте со струями свинца и трубами парогенератора, соответственно, при перекрестном токе теплообменивающихся сред.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано в ядерных паропроизводящих установках с жидкометаллическим теплоносителем, например, расплавленным свинцом.

Известен ядерный источник тепла [1], в котором тепловая энергия быстрой активной зоны передается парогенератору водяного пара посредством естественной циркуляции жидкометаллических теплоносителей (эвтектика свинец-висмут или свинец) одноименных по первому и промежуточному контурам. Эти контуры порознь размещены в раздельных полостях, ограниченных герметичными коаксиальными оболочками и заполненных упомянутыми теплоносителями до свободных уровней с подушками инертного газа над ними. Бассейн жидкометаллического теплоносителя, ограниченный внутренней оболочкой, содержит активную зону и промежуточный теплообменник, а в бассейне, ограниченном наружной оболочкой, установлен парогенератор. Наружная оболочка источника всегда охлаждается посредством естественной циркуляции атмосферного воздуха, в том числе в режимах аварийного расхолаживания. Известный ядерный источник тепла имеет пониженные эксплуатационную надежность и безопасность, что обусловлено следующим:

- Благодаря большим поверхностям промежуточного теплообменника и парогенератора (по сравнению с активной зоной), существенно увеличено зашлаковывание контуров жидкометаллических теплоносителей продуктами коррозионно-эрозионного разрушения конструкционных материалов этих поверхностей.

- Перекрытие шлаками проходного сечения активной зоны, частичное или полное, приводит к ухудшению теплоотвода с поверхности тепловыделяющих элементов, что вызывает их недопустимый перегрев, и, как следствие, расплавление активной зоны с выходом радиоактивности в соседние помещения [2].

- Поддержание защитных оксидных пленок на поверностях конструкционных материалов в контурах с естественной циркуляцией упомянутых теплоносителей проблематично из-за их малых скоростей, при которых подаваемые окислительные (или восстановительные) газовые смеси быстро выходят в газовые подушки, не достигнув всех защищаемых поверхностей.

- В случае аварийной течи труб парогенератора и попадания воды и пара в жидкометаллический теплоноситель промежуточного контура в зависимости от размеров и места течи труб возникает большая неопределенность с точки зрения опасности переопрессовки оболочек ядерного источника тепла и выброса высоко радиоактивного теплоносителя промежуточного контура.

- Использование свинца (с температурой плавления 327^oС) в контурах источника, вместо эвтектики свинец-висмут (температура плавления 125^oС), требует существенного повышения давления и температуры воды в парогенераторе в режимах пуска, нормальной эксплуатации и при расхолаживании ядерного источника тепла во избежание затвердевания свинца на трубах парогенератора, в его полости, и в промежуточном контуре.

Указанные недостатки приводят к необходимости создания специальных дорогостоящих конструкционных материалов и специальной технологии обращения с эвтектикой свинец-висмут и расплавленным свинцом для ослабления и контроля процесса разрушения материалов, накопления окислов и обеспечения необходимой эксплуатационной безопасности ядерного источника тепла. При этом новые материалы для парогенератора должны отвечать условиям работы со стороны пароводяного контура.

Но путь создания новых материалов и специальных технологий приводит к тому, что высокая стоимость материалов и сложность обслуживания, становятся препятствием на пути развития подобных установок, сулящих, с учетом благоприятных теплофизических свойств эвтектики свинец-висмут и расплавленного свинца, повышение безопасности и экономичности ядерного источника тепла.

Известен способ передачи тепловой энергии источника, например, ядерного реактора, рабочему телу энергетической установки посредством жидкометаллического теплоносителя, например, расплавленного свинца [3]. Сущность способа состоит в создании в первом контуре участка течения свинца струями под напором его насосов, с отводом охлажденных инертным газом струй свинца на его свободный уровень в бассейне внутри корпуса реактора, и в замене промежуточного контура жидкометаллического теплоносителя на контур принудительной циркуляции инертного газа, например, аргона, нагреваемого при непосредственном контакте со струями теплоносителя и затем передающего полученное тепло рабочему телу, например, водяному пару, в трубчатом парогенераторе.

Настоящее изобретение разработано на основании этого способа с целью устранения отмеченных выше недостатков известного ядерного источника тепла.

Задача изобретения - повышение безопасности и упрощение конструкции и эксплуатации ядерного паропроизводящего агрегата.

Техническим результатом изобретения является следующее:

- Исключение контакта циркулирующего жидкометаллического теплоносителя с поверхностью труб парогенератора и каналов промежуточного теплообменика (вместе со всем промежуточным контуром жидкометаллического теплоносителя) в первом контуре ядерного паропроизводящего агрегата, что ликвидировало главный источник зашлаковывания первого контура и активной зоны, и, таким образом, существенно повысило безопасность агрегата.

- Обеспечение возможности поддержания необходимого качества жидкометаллического теплоносителя путем периодической его обработки на струях, уровне и в турбулентном потоке окислительными и восстановительными газовыми смесями, что гарантирует безопасную эксплуатацию ядерного паропроизводящего агрегата.

- Исключение проникновения воды и пара в жидкометаллический теплоноситель первого контура и быструю активную зону при аварийных течах труб парогенератора, что снимает вопрос о пустотных эффектах реактивности, аварийном выбросе теплоносителя и, таким образом, также повышает безопасность агрегата.

- Исключение необходимости иметь источник горячей воды высоких параметров для осуществления пуска агрегата и поддержания таких параметров воды при его нормальной работе и расхолаживании, что обеспечивает простоту и надежность его эксплуатации.

- Повышение конкурентоспособности ядерного паропроизводящего агрегата за счет обеспечения возможности применения более дешевых низколегированных малоуглеродистых сталей вместо нержавеющих для парогенератора, уверенного применения более дешевого свинца вместо эвтектики свинец-висмут.

Предложен ядерный паропроизводящий агрегат с расплавленным свинцом, схематичные вертикальный разрез и вид в плане которого представлены на фиг.1 и 2, соответственно.

Новым является то, что перед участком течения свинца струями установлена, по крайней мере, одна камера свинца, часть стенок которой перфорирована отверстиями, а полость соединена трубопроводом с выходной камерой, при этом последняя соединена патрубками с вышеупомянутыми запорными клапанами.

Кроме того, новым является то, что газовые полости участка течения свинца струями и межтрубного пространства парогенератора включены в контур принудительной циркуляции аргона, нагрев и охлаждение которого осуществлены при непосредственном контакте с струями свинца и трубами парогенератора, соответственно, при перекрестном токе теплообменивающихся сред.

На фиг.1 и 2 - ядерный паропроизводящий агрегат имеет следующие обозначения: 1 - активная зона с выходной камерой по свинцу; 2 - трубопровод свинца; 3 - камера свинца с перфорированным дном; 4 - участок течения свинца струями; 5 - уровень свинца в бассейне; 6 - насос свинца с герметичным электроприводом; 7 - входная камера активной зоны; 8 - запорные клапана контура естественной циркуляции свинца; 9 - газодувка аргона с герметичным электроприводом; 10 - трубчатка секции парогенератора; 11 - отсечной клапан секции парогенератора по питательной воде; 12 - сепаратор пара секции парогенератора; 13 - отсечной клапан секции парогенератора по насыщенному пару; 14 - экраны внутрикорпусной радиационной защиты; 15 - внутренняя стальная герметичная оболочка корпуса реактора; 16 - наружная стальная герметичная оболочка корпуса реактора (контейнмент); 17 - поворотные перегрузочные пробки реактора; 18 - каналы атмосферного воздуха; 19 - теплоизоляционный экран между каналами атмосферного воздуха; 20 - наружная защитная железобетонная оболочка агрегата.

Агрегат работает следующим образом. Нагретый в активной зоне 1 расплавленный свинец под напором насосов 6 по трубопроводам 2 поступает в секционированную кольцевую камеру 3, из которой, через отверстия в дне камеры, в виде струйного потока 4 сливается на уровень 5 бассейна свинца. При этом струи свинца охлаждаются поперечным потоком аргона. Охлажденный свинец забирается насосами 6 и вновь подается в активную зону 1 через входную камеру 7. Нагретый аргон, выйдя из межструйного пространства потока 4, поднимается кверху под напором газодувок 9 и попадает в межтрубное пространство трубчатки 10 секций парогенератора, которую также обтекает поперечным током, отдавая тепло воде и пару, циркулирующим внутри труб парогенератора. Охлажденный в парогенераторе аргон поступает на всас газодувок 9, которые вновь подают его в межструйное пространство. В сепараторе 12 парогенератора отделяется насыщенный водяной пар, который отводится к потребителю. Клапана 11 и 13 служат для отключения параллельно работающих секций парогенератора по питательной воде и пару. Экраны внутрикорпусной радиационной защиты 14 обеспечивают практически полное исключение активации аргона нейтронами и допустимый флюенс нейтронов на ближайшие к активной зоне участки оболочек 15 и 16. Предусмотрены поворотные пробки 17 для перегрузки топлива.

В каналах 18, постоянно циркулирует атмосферный воздух, охлаждая оболочки 16 и 20.

При аварии полного обесточивания агрегата и останове всех насосов 6, под действием силы Архимеда открываются запорные клапана 8, до этого закрытые под напором насосов 6, и отвод остаточных тепловыделений происходит при естественной циркуляции свинца по контуру: активная зона - клапана 8 - бассейн свинца - ходовые части насосов 6 - опускной участок бассейна - входная камера 7 - активная зона. Тепло отводится на оболочки 15,16, а от них - в атмосферу.

Следует также отметить, что агрегат допускает периодическое, поочередное отключение, с осушением по второму контуру, секций парогенератора, что позволяет путем прогревания циркулирующим аргоном трубчатки отключенной секции парогенератора (при работающих остальных секциях) удалять излишние отложения конденсата паров свинца, образующиеся на трубчатках секций при длительной работе агрегата.

Источники информации

1. Transactions of American Nuclear Society, Vol. 85, Nov. 11-15, 2001. p.71 "Lead-Cooled Reactors: The Encapsulated Nuclear Heat Source".

2. Техника и вооружение вчера, сегодня, завтра. Научно- популярный журнал, 5-6, май-июнь 2000 г., Проект 645, стр. 6-7.

3. Патент по заявке "Способ передачи тепловой энергии источника рабочему телу энергетической установки посредством жидкометаллического теплоносителя", 2000127936/06(029536) от 08.11.2000 г.