Ядерний реактор

Реферат: Ядерний реактор містить корпус, в якому розміщена активна зона, що містить пучок стрижневих тепловиділяючих елементів, розташованих у трубчастій оболонці і занурених у теплоносій першого контуру, що циркулює між активною зоною і принаймні одним теплообмінником. Для зниження рівня тиску газоподібних осколків поділу, що накопичуються під оболонкою тепловиділяючих елементів, і забезпечення можливо більш рівномірного розподілу поля швидкостей теплоносія першого контуру на вході в активну частину тепловиділяючих елементів, тепловиділяючі елементи виконані у верхній частині з активними ділянками, заповненими паливом, і порожнистими робочими ділянками, розміщеними нижче активних ділянок. UA 112279 C2 (12) UA 112279 C2 UA 112279 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Область техніки, до якої належить винахід Винахід відноситься до ядерної енергетики, а саме до конструкції ядерних реакторів на швидких нейтронах, зокрема, басейнового типу з важким рідкометалевим теплоносієм. Відомий ядерний реактор з рідкометалевим теплоносієм, що включає пучок тепловиділяючих елементів, розташованих в корпусі, закритому кришкою, і зафіксованих сітчастим держателем. Кожен тепловиділяючий елемент складається з нижньої частини, проміжної частини і верхньої частини. Проміжна і верхня частина утворена вбудованими в трубчасту оболонку паливними елементами кільцевої форми для проходу газоподібних осколків поділу. Нижня частина складена з паливних елементів у вигляді суцільних кульок, так як у нижній частині не настільки високі вимоги до забезпечення шляху для проходу газоподібних осколків поділу (GB 2163888, 1986р.). Найближчим аналогом винаходу є ядерний реактор, зокрема, ядерний реактор басейнового типу, в якому розміщена активна зона, що містить пучок паливних елементів, занурених у теплоносій першого контуру, що циркулює між активною зоною і, принаймні, одним теплообмінником. Паливні елементи проходять уздовж відповідних поздовжніх осей і мають відповідні активні ділянки, розташовані у нижніх кінцях паливних елементів і занурених у теплоносій першого контуру, утворюючи активну зону, і відповідні робочі ділянки, які розміщуються зверху активних ділянок (WO2009040644, 2009р.). Найближчий аналог має два суттєвих недоліки. 1) Розміщення робочих ділянок паливних (далі - тепловиділяючих) елементів (ТВЕЛів) вище активних ділянок призводить до того, що робочі ділянки, в об'ємі яких, в основному, накопичуються газоподібні осколки поділу (ізотопи ксенону і криптону), омиваються теплоносієм з температурою, яка відповідає температурі виходу з активної зони, яка значно перевищує температуру теплоносія на вході в активну зону, що викликає підвищення тиску газу, який діє на герметичну оболонку ТВЕЛу і механічні напруги в ній. В той же час тривала міцність сталі, з якої виготовлена оболонка ТВЕЛу, знижується при підвищені температури. Поєднання даних факторів зменшує, ресурс роботи ТВЕЛу. Для зниження тиску газу і механічних напружень в оболонці необхідно, за інших рівних умов, збільшувати довжину робочої ділянки, що призводить до зростання гідравлічного опору активної зони і витрат енергії на прокачування теплоносія, збільшення висоти корпусу реактора та погіршення техніко-економічних показників. 2) У випадку можливих порушень нормальних умов експлуатації, викликаних попаданням сторонніх предметів на вхід активної зони, розподіл швидкостей теплоносія в активній зоні стане нерівномірним, що буде призводити до підвищення температури паливних елементів в частинах активної зони, де швидкість теплоносія і його витрати стали менше. Для виключення недопустимого підвищення температури паливних елементів, якщо воно буде виявлено, необхідним буде зниження потужності реактора, що призведе до погіршення експлуатаційних показників, в іншому випадку ТВЕЛи будуть пошкоджені, що призведе до радіаційної аварії. Розкриття винаходу Технічною задачею, що вирішується за допомогою даного винаходу, є забезпечення надійності та безпеки ядерного реактора, зокрема, ядерного реактора басейнового типу з рідкометалевим теплоносієм. Для уникнення зазначених вище недоліків найближчого аналога пропонується в ядерному реакторі, зокрема, в ядерному реакторі басейнового типу, переважно з рідкометалевим теплоносієм, в активній зоні якого розташований пучок ТВЕЛів, занурених у теплоносій першого контуру, що циркулює між активною зоною і, принаймні, одним теплообмінником, в ТВЕЛах частину ТВЕЛу, що не містить палива (порожнисті робочі ділянки), розміщувати нижче його активної частини (активні паливні ділянки). Відомо, що робота ТВЕЛів в режимі тривалої експлуатації характеризується збільшенням виходу з палива газоподібних продуктів поділу, що підвищують тиск усередині оболонки ТВЕЛів і вміст агресивних по відношенню до матеріалу оболонки ТВЕЛу продуктів поділу матеріалів, що діляться. Поєднання цих факторів істотно ускладнює роботу оболонки ТВЕЛу. У зв'язку з цим велике значення для забезпечення працездатного стану ТВЕЛів має не тільки конструкція ТВЕЛів, а й створення оптимальних умов для їх роботи, які забезпечують надійність протягом необхідного терміну служби ТВЕЛів. Позитивний ефект, що досягається при здійсненні винаходу, у порівнянні з відомими з рівня техніки ядерними реакторами, виражається в нових технічних властивостях, що складаються, по-перше, у забезпеченні, за можливості, низького рівня тиску газоподібних осколків поділу, що накопичуються під оболонкою ТВЕЛів, за рахунок зниження температури газу в нижній холодній частині ТВЕЛу, і більш високих механічних властивостей сталі ТВЕЛу при понижених температурах, які визначають ресурс за критерієм тривалої міцності. По-друге, позитивний 1 UA 112279 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 ефект полягає в забезпеченні можливо більш рівномірного розподілу поля швидкостей теплоносія першого контуру в активних (паливних) ділянках ТВЕЛів, в тому числі, при можливому попаданні сторонніх предметів на вхідний переріз активної зони за рахунок поперечного масообміну теплоносія в нижній робочій частині активної зони, що виконує функцію дроселюючої решітки. У процесі роботи ядерного реактора, який заявляється, оптимальні умови створюються за рахунок того, що тиск газоподібних продуктів поділу в порожнистій робочій ділянці ТВЕЛу і механічні напруги в оболонці будуть нижчими, а тривала пластичність сталі оболонки - вище за рахунок того, що порожнисті робочі ділянки обтікаються "холодним" теплоносієм до входу теплоносія в зону активних (паливних) ділянок, розташованих у верхній частині ТВЕЛів, де відбувається нагрів теплоносія до температури, що відповідає температурі теплоносія на виході з активної зони. Крім того, порожнисті робочі ділянки ТВЕЛів, у випадку їх розміщення нижче активних (паливних) ділянок, будуть вирівнювати нерівномірності поля швидкостей теплоносія до надходження його в активну частину ТВЕЛів. Порожнисті робочі ділянки ТВЕЛів будуть виконувати функцію дроселюючої решітки, що зменшує нерівномірність поля швидкостей в активній зоні через гідродинамічної недосконалості вхідного колектора при нормальних умовах експлуатації, а також при порушеннях нормальних умов експлуатації, викликаних попаданням сторонніх предметів на вхід активної зони, що, в кінцевому результаті, запобіжить підвищенню температури активних (паливних) ділянок ТВЕЛів. До активних (паливних) ділянок підійде більш вирівняний по швидкості потік теплоносія, що знизить можливість перегріву паливних елементів. Короткий опис фігур креслень Винахід пояснюється малюнками, на яких зображені: На фіг. 1 - схема ядерного реактора (без насоса). На фіг. 2 - ТВЕЛ в розрізі. Здійснення винаходу Суть винаходу пояснюється нижче на конкретному прикладі, який не вичерпує всіх можливих варіантів здійснення винаходу. Ядерний реактор, зокрема, ядерний реактор басейнового типу, переважно з рідкометалевим теплоносієм, включає в себе циліндричний корпус (1), в якому розміщені активна зона (2), щонайменше, один теплообмінник (3) і, щонайменше, один насос. Можливий також ядерний реактор, в якому насос (насоси) відсутні, а циркуляція теплоносія здійснюється за рахунок природної конвекції. Можливий також ядерний реактор з теплообмінником, розміщений за межами корпусу реактора. Усередині циліндричної розділової оболонки (4) розміщена активна зона (2), зверху встановлена захисна пробка (5). Активна зона (2) містить для зручності збирання і розбирання тепловиділяючі збірки (ТВЗ), що складаються з пучка ТВЕЛів, головки і хвостовика. ТВЕЛи в пучку з'єднані між собою дистанціонуючими решітками і нижньою опорною решіткою, закріпленою на хвостовику ТВЗ. Дистанціонуючі решітки і нижня опорна решітка фіксують в поперечному перерізі взаємне розташування ТВЕЛів, в результаті чого забезпечується рівномірний розподіл теплоносія по перерізу активної зони (2) і зменшується можливість виникнення гідродинамічної нестабільності при обтіканні ТВЕЛів. У той же час, конструкція закріплення ТВЕЛів допускає їх переміщення в осьовому напрямку для виключення механічних напружень, які виникають в результаті відмінностей температурних подовжень ТВЕЛів. Стрижневий ТВЕЛ має циліндричну форму, утворену трубчастою оболонкою, в порожнині якої розміщено паливо - паливні таблетки. ТВЕЛи проходять уздовж відповідних поздовжніх осей ТВЗ і мають активні (паливні) ділянки (6), розташовані у верхніх кінцях ТВЕЛів. Нижня частина ТВЕЛів являє собою порожнисті (робочі) ділянки (7) трубчастої оболонки (8), що не містять палива. Порожні (робочі) ділянки (7) розташовуються нижче активних (паливних) ділянок (6) ТВЕЛів. ТВЕЛи занурені в теплоносій першого контуру і утворюють активну зону (2). Паливні таблетки (9) утримуються фіксаторами (на кресленні не показані) на заданому рівні у верхній частині трубчастої оболонки (8), в якій можуть бути розміщені стрижні - паливні таблетки (9) з матеріалу торцевих відбивачів нейтронів або відтворювального матеріалу (наприклад, урана- 238). У процесі роботи реактора рідкометалевий теплоносій першого контуру, наприклад, свинець або евтектика свинець-вісмут, який перекачується насосом (якщо є), або який циркулює за 2 UA 112279 C2 5 рахунок природної конвекції, рухається через активну зону (2) і теплообмінник (3), в якому гріючий теплоносій першого контуру передає тепло теплоносію другого контуру. Рівень тиску газоподібних осколків поділу, що накопичуються під оболонкою ТВЕЛів, буде нижче, ніж у відомих аналогах, так як газоподібні осколки поділу накопичуються в нижній "холодній" частині ТВЕЛу - в порожніх (робочих) ділянках (7). Крім того, нерівномірність розподілу поля швидкостей теплоносія першого контуру в активній (паливній) частині зменшується при проходженні "холодного" теплоносія через робочі (порожнисті) ділянки ТВЕЛів. Тому до активних (паливних) ділянок (6) ТВЕЛів потік теплоносія буде надходити більш вирівняним, що дозволяє уникнути перегріву активних (паливних) ділянок (6) ТВЕЛів. 10 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 15 20 Ядерний реактор, що містить корпус (1), в якому розміщена активна зона (2), що містить пучок стрижневих тепловиділяючих елементів, що мають трубчасту оболонку (8) і занурені у теплоносій першого контуру, який циркулює між активною зоною (2) і принаймні одним теплообмінником (3), при цьому циркуляція теплоносія першого контуру здійснюється через активну зону знизу вверх від щонайменше одного теплообмінника, повз порожнисті робочі ділянки стрижневих тепловиділяючих елементів, до їх активних ділянок, який відрізняється тим, що у верхній частині тепловиділяючих елементів розміщені активні ділянки (6), заповнені паливом, а нижче активних ділянок (6) розміщені порожнисті робочі ділянки (7). 3 UA 112279 C2 Комп’ютерна верстка В. Мацело Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4