активная зона ядерного реактора

Формула изобретения

Активная зона ядерного реактора, содержащая параллельные тракты теплоносителя, выполненные в виде раздающих, промежуточных и собирающих коллекторов, последовательно соединенных между собой через свободную засыпку микротвэлов, расположенную между коллекторами, причем в каждом тракте раздающий и собирающий коллекторы расположены по оси, параллельной осям раздающих и собирающих коллекторов остальных трактов, а нечетные по ходу теплоносителя промежуточные коллекторы дополнительно соединены с соседними трактами через упомянутую засыпку, отличающаяся тем, что каждый нечетный по ходу теплоносителя промежуточный коллектор образован двумя полыми перфорированными конусами или пирамидами, скрепленными между собой основаниями и вертикально установленными по оси, параллельной осям раздающих и собирающих коллекторов.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области атомной энергетики и может быть использовано в водоохлаждаемых и газоохлаждаемых ядерных реакторах.

Известна активная зона ядерного реактора, содержащая параллельные тракты теплоносителя, выполненные в виде раздающих и собирающих коллекторов, последовательно соединенных между собой через свободную засыпку микротвэлов, расположенную между коллекторами, причем в каждом тракте собирающий коллектор установлен по оси, параллельной осям раздающих коллекторов, и дополнительно соединен с соседними трактами через упомянутую засыпку (см. FR 2287091, кл. G 21 С 3/00,1976).

Такая активная зона при работе ядерного реактора в прямоточном режиме характеризуется существенной неравномерностью распределения расхода теплоносителя по высоте активной зоны. Для прямоточного реактора характерно очень большое приращение энтальпии в активной зоне и, соответственно, очень высокая чувствительность к неравномерности энерговыделения. В результате этого максимальная температура теплоносителя и микротвэлов в «горячих струях» может существенно превышать (на сотни градусов) среднюю температуру и может оказаться выше допустимой температуры. Тогда защитные оболочки микротвэлов в «горячих струях» не смогут эффективно удержать продукты деления из-за повышенной скорости коррозии наружного покрытия, усиливающейся с повышением температуры. Чтобы этого не случилось, приходится снизить температуру теплоносителя на выходе из активной зоны, ухудшая технико-экономические показатели ядерного реактора.

К настоящему изобретению наиболее близким техническим решением из известных (прототипом) является активная зона ядерного реактора, содержащая параллельные тракты теплоносителя, выполненные в виде раздающих, промежуточных и собирающих коллекторов, последовательно соединенных между собой через свободную засыпку микротвэлов, расположенную между коллекторами, причем в каждом тракте раздающий и собирающий коллекторы расположены по оси, параллельной осям раздающих и собирающих коллекторов остальных трактов, а нечетные по ходу теплоносителя промежуточные коллекторы дополнительно соединены с соседними трактами через упомянутую засыпку (см. RU 2003130257, М. кл. 7 G 21 C 3/06, 14.11.2003).

В этой активной зоне ядерного реактора за счет наличия в ней промежуточных коллекторов существенно снижена неравномерность расхода теплоносителя и улучшены технико-экономические показатели.

В то же время в прототипе нечетные по ходу теплоносителя промежуточные коллекторы образованы наружными поверхностями кожухов нескольких тепловыделяющих сборок. Как видно из прототипа, для обеспечения требуемого распределения теплоносителя в засыпке микротвэлов требуются кожухи очень сложного профиля, что повышает стоимость изготовления активной зоны. При этом все равно не удается обеспечить требуемое распределение теплоносителя в упомянутой засыпке.

Кроме того, в прототипе плотность нечетных по ходу теплоносителя промежуточных коллекторов в рабочем режиме работы ядерного реактора предполагается обеспечивать плотным примыканием друг к другу наружных кожухов тепловыделяющих сборок. Но из условия монтажа и демонтажа активной зоны между соседними сборками неизбежно должны быть монтажные зазоры. Эти зазоры, хотя и уменьшаются в рабочем режиме работы ядерного реактора, однако все же допускают протечки недогретого теплоносителя непосредственно в сборник горячего теплоносителя реактора, минуя засыпку микротвэлов.

Таким образом, недостатком активной зоны ядерного реактора, принятой в заявке в качестве прототипа, являются низкие технико-экономические показатели.

Технической задачей изобретения является повышение технико-экономических показателей активной зоны ядерного реактора.

Эта техническая задача решается в активной зоне ядерного реактора, содержащей параллельные тракты теплоносителя, выполненные в виде раздающих, промежуточных и собирающих коллекторов, последовательно соединенных между собой через свободную засыпку микротвэлов, расположенную между коллекторами, причем в каждом тракте раздающий и собирающий коллекторы расположены по оси, параллельной осям раздающих и собирающих коллекторов остальных трактов, а нечетные по ходу теплоносителя промежуточные коллекторы дополнительно соединены с соседними трактами через упомянутую засыпку, при этом каждый нечетный по ходу нагреваемого теплоносителя промежуточный коллектор образован двумя полыми перфорированными конусами или пирамидами, скрепленными между собой основаниями и вертикально установленными по оси, параллельной осям раздающих и собирающих коллекторов.

Как показали конструкторские проработки и расчетные исследования этой активной зоны ядерного реактора, выполнение каждого нечетного по ходу нагреваемого теплоносителя промежуточного коллектора из двух полых перфорированных конусов или пирамид, скрепленных между собой основаниями и вертикально установленных по оси, параллельной осям раздающих и собирающих коллекторов, позволяет обеспечить требуемое распределение теплоносителя в засыпке микротвэлов и упростить ее конструкцию.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг.1 схематично изображен общий вид активной зоны ядерного реактора; на фиг.2 схематично изображен общий вид активной зоны ядерного реактора, вариант ее выполнения с одним промежуточным коллектором в тракте теплоносителя; на фиг.3 - разрез А-А фиг.2; на фиг.4 схематично изображен общий вид активной зоны, вариант ее выполнения для высокотемпературных ядерных реакторов с одним промежуточным коллектором в тракте теплоносителя; на фиг.5 - разрез Б-Б фиг.4.

Активная зона ядерного реактора содержит параллельные тракты нагреваемого теплоносителя, выполненные в виде раздающих, промежуточных и собирающих коллекторов соответственно 1, 2 и 3. Между коллекторами 1, 2 и 3 расположена свободная засыпка микротвэлов 4, через которую они соединены между собой. В каждом тракте раздающий и собирающий коллекторы соответственно 1 и 3 расположены по оси, параллельной осям раздающих и собирающих коллекторов соответственно 1 и 3 остальных трактов, а нечетные по ходу теплоносителя промежуточные коллекторы 2 дополнительно соединены с соседними трактами через упомянутую засыпку.

Каждый раздающий коллектор 1 и каждый собирающий коллектор 3 образуются полыми перфорированными конусами или пирамидами 5 и 6 соответственно, попарно направленными друг к другу своими вершинами, а каждый промежуточный коллектор 2 образуется полыми перфорированными конусами или пирамидами 7 и 8, попарно скрепленными между собой своими основаниями. При этом в каждом нечетном по ходу нагреваемого теплоносителя промежуточном коллекторе 2 конусы или пирамиды 7 и 8 вертикально установлены по оси, параллельной осям раздающих и собирающих коллекторов соответственно 1 и 3.

Активная зона имеет нижнюю опорную металлоконструкцию 9, в которой закреплены основаниями конусы 5 раздающих коллекторов 1 и вершинами конусы 8 промежуточных коллекторов 2, а также верхнюю металлоконструкцию 10, в которой закреплены основаниями конусы 6 собирающих коллекторов 3 и вершинами конусы 7 промежуточных коллекторов 2. В нижней металлоконструкции 9 выполнены отверстия 11 для подвода теплоносителя в раздающие коллекторы 1, а в верхней металлоконструкции 10 имеются отверстия 12 для отвода теплоносителя из собирающих коллекторов 3.

В верхней металлоконструкции 10 закреплены подводящие шаропроводы 13, а в нижней металлоконструкции 9 - отводящие шаропроводы 14, на которых имеются шарозапорные устройства 15.

На фиг.1, 2 и 3 показана активная зона водоохлаждаемого ядерного реактора, которая может быть использована также в газоохлаждаемых ядерных реакторах на быстрых нейтронах. При использовании данного технического решения в высокотемпературном газоохлаждаемом ядерном реакторе (см. фиг.4 и 5) конусы или пирамиды 5...8 выполняются в виде графитовых блоков, а коллекторы 1, 2 и 3 представляют собой конические или пирамидальные полости в этих блоках. При этом перфорация конусов или пирамид 5...8 выполняется в виде радиальных отверстий 16 в этих блоках.

Каждый микротвэл 4 выполнен в виде шара диаметром 1,8 мм с сердечником из двуокиси урана и трехслойной оболочкой из высокотемпературных керамических материалов. Сердечник имеет диаметр 1,4 мм. Внутренний слой оболочки выполняется из пористого пиролитического графита (РуС) с плотностью порядка 1 г/см³. Толщина этого слоя ˜ 95 мкм. Средний слой выполнен из плотного пиролитического графита (РуС), имеющего плотность порядка 1,8 г/см³. Толщина этого слоя ˜ 5 мкм. Наружный слой выполнен из карбида кремния (SiC). Толщина этого слоя ˜ 100 мкм.

Активная зона ядерного реактора (см. фиг.3) работает следующим образом.

Теплоноситель через отверстия 11 в нижней металлоконструкции 9 подают в раздающие коллекторы 1, из которых он затем через перфорацию конусов 5 попадает в засыпку микротвэлов 4, где он нагревается, фильтруясь преимущественно в радиальном направлении. Далее теплоноситель через перфорацию конусов 8 попадает в промежуточные коллекторы 2. В промежуточных коллекторах 2 происходит смешение струй нагреваемого теплоносителя с разной температурой. Причем в каждом промежуточном коллекторе 2 перемешивается теплоноситель, выходящий из нескольких соседних раздающих коллекторов 1. За счет такого перемешивания ликвидируется неравномерность подогрева теплоносителя по поперечному сечению активной зоны.

Из промежуточных коллекторов 2 через перфорацию конусов 7 теплоноситель опять попадает в засыпку микротвэлов 4, где, фильтруясь также преимущественно в радиальном направлении, нагревается до заданной температуры. Далее теплоноситель через перфорацию конусов 6 поступает сначала в собирающие коллекторы 3, а затем через отверстия 12 - в сборник горячего теплоносителя реактора.

Во время работы ядерного реактора на мощности по подводящим шаропроводам 13 в полость между коллекторами 1, 2 и 3 подают «свежие» микротвэлы 4, а выгоревшее топливо выводят из этой полости по отводящим шаропроводам 14 при открытых шарозапорных устройствах 15. Перегрузка действует по принципу действия песочных часов: засыпка микротвэлов 4 движется под действием собственного веса. В полости между коллекторами 1, 2 и 3 микротвэлы 4 скатываются по наружным поверхностям конусов 5...8, как по направляющим. После подачи необходимой порции топлива шарозапорные устройства 15 закрывают.