RU2687054C1 - Nuclear reactor - Google Patents

Abstract

FIELD: nuclear physics and equipment.SUBSTANCE: invention relates to power engineering and can be used in designing nuclear reactor, mainly low power. Nuclear reactor comprises sealed housing partially filled with heat carrier and active zone immersed therein. Sealed housing above active zone is divided by horizontal partition into two cavities, interconnected by vertical bypass pipe, one end of which is connected to horizontal partition and the other one opens at level of core. Total volume of heat carrier does not exceed volume of lower cavity. On the surface of the horizontal partition wall there is a heat insulation. Heat exchangers of the first / second circuit are passed through the shaft with heat-insulated walls in the upper cavity and are located below the horizontal partition.EFFECT: reduced weight of structural material.3 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано при создании атомного реактора, преимущественно малой мощности для удаленных территорий.The invention relates to the field of energy and can be used to create a nuclear reactor, mainly low power for remote areas.

Известны ядерные реакторы бассейнового типа, в которых функцию биологической защиты выполняет толстый слой воды (И.А. Чусов, А.С. Шелегов, О.Ю. Кочнов. Особенности конструкций исследовательских реакторов водо-водяного типа. // Известия вузов. - Ядерная энергетика. 2016. - №3. - С. 116-126).Known nuclear pool-type reactors, in which the biological protection function is performed by a thick layer of water (IA Chusov, AS Shelegov, O.Yu. Kochnov. Design features of water-in-water type research reactors. // Izvestiya Vuzov. - Yadernaya Energy. 2016. - № 3. - P. 116-126).

Недостатком известных устройств является возможный выход воды, прошедшей активную зону и активированной изотопом азот-16, непосредственно на поверхность бассейна реактора, что ведет к недопустимому уровню дозовой нагрузки в реакторном зале.A disadvantage of the known devices is the possible release of water passing through the core and nitrogen-16 isotope activated directly onto the surface of the reactor pool, which leads to an unacceptable level of radiation dose in the reactor hall.

Наиболее близкими по технической сущности к заявляемому устройству является ядерный реактор ВГР-50 (Гребенник В.Н., Кухаркин Н.Е., Пономарев-Степной Н.Н. Высокотемпературные газоохлаждаемые реакторы - инновационное направление развития атомной энергетики. М.: Энергоатомиздат, 2008. - 136 с.). Реактор содержит массивный твердый верхний блок биологической защиты, размещенный в верхней части корпуса ядерного реактора, выполненный из нейтронно- и гаммапоглощающего материала.The closest in technical essence to the claimed device is a VGR-50 nuclear reactor (Grebennik VN, Kukharkin NE, Ponomarev-Stepnoy NN. High-temperature gas-cooled reactors - an innovative direction in the development of atomic energy. M .: Energoatomizdat, 2008 - 136 p.). The reactor contains a massive solid upper biological protection unit, placed in the upper part of the nuclear reactor vessel, made of neutron and gamma-absorbing material.

Недостатком такого устройства является большая масса поглощающего материала, что затрудняет транспортировку и монтаж реактора, а также увеличивает массу захораниваемых материалов при выводе реактора из эксплуатации.The disadvantage of this device is the large mass of the absorbing material, which complicates the transportation and installation of the reactor, and also increases the mass of the stored materials during the decommissioning of the reactor.

Перед авторами стояла задача устранения указанных недостатков, а именно создание атомного реактора, обладающего уменьшенной массой конструкционного материала.The authors faced the task of eliminating these shortcomings, namely the creation of an atomic reactor with a reduced mass of structural material.

Для решения поставленной задачи в ядерном реакторе, содержащем герметичный корпус, частично заполненный теплоносителем, и погруженную в него активную зону, герметичный корпус выше активной зоны разделен горизонтальной перегородкой на две полости, сообщенные вертикальной перепускной трубой, один конец которой соединен с горизонтальной перегородкой, а другой открывается на уровне активной зоны, при этом общий объем теплоносителя не превышает объема нижней полости. На поверхности горизонтальной перегородки размещена теплоизоляция. Теплообменники первого/второго контура пропущены через шахту с теплоизолированными стенками в верхней полости и размещены ниже горизонтальной перегородки.To solve this problem in a nuclear reactor containing a sealed enclosure, partially filled with coolant, and an active zone immersed in it, the hermetic enclosure above the active zone is divided by a horizontal partition into two cavities connected by a vertical overflow pipe, one end of which is connected to a horizontal partition and the other opens at the level of the core, while the total volume of the coolant does not exceed the volume of the lower cavity. Thermal insulation is placed on the surface of the horizontal partition. The first / second circuit heat exchangers are passed through a shaft with heat-insulated walls in the upper cavity and are located below the horizontal partition.

Технический результат - уменьшение массы конструкционного материала.The technical result is a reduction in the mass of structural material.

Сущность изобретения поясняется фигурами, на фиг. 1 представлено схематическое изображение устройства. На фигуре приняты следующие позиционные обозначения: 1 - крышка корпуса реактора, 2 - стакан корпуса реактора, 3 - горизонтальная перегородка, 4 - теплоизоляция, 5 - верхняя полость, 6 - нижняя полость, 7 - перепускная труба, 8 - корзина реактора, 9 - активная зона, 10 - боковой отражатель, 11 - тяги органов СУЗ, 12 - уровень теплоносителя в холодном реакторе, 13 - уровень теплоносителя при работе реактора на мощности, 14 - теплообменник.The invention is illustrated by the figures, in FIG. 1 is a schematic representation of the device. In the figure, the following reference designations are used: 1 — reactor vessel cover, 2 — reactor vessel beaker, 3 — horizontal partition, 4 — thermal insulation, 5 — upper cavity, 6 — lower cavity, 7 — overflow pipe, 8 — reactor basket, 9 — active zone, 10 - side reflector, 11 - thrusts of CPS organs, 12 - coolant level in the cold reactor, 13 - coolant level during reactor operation at power, 14 - heat exchanger.

Ядерный реактор содержит герметичнопрочный корпус реактора, включающий крышку корпуса реактора 1 и стакан корпуса реактора 2, соединенных фланцами через горизонтальную перегородку 3 с теплоизоляцией 4. Горизонтальная перегородка 3 делит объем реактора на две части - верхнюю полость 5 и нижнюю полость 6. Полости соединены между собой вертикальной перепускной трубой 7, верхний срез которой открывается в верхнюю полость 5 непосредственно на горизонтальной перегородкет3, а нижний - в нижнюю полость 6 на уровне верхнего среза активной зоны 9, размещенной в нижней части корзины реактора 8. На внешней поверхности корзины реактора 8 на уровне активной зоны 9 размещен боковой отражатель 10. Контроль реактивности реактора ведется органами СУЗ, тяги органов СУЗ 11 пропущены в гильзах через верхнюю полость 5 и крышку корпуса реактора 1 к приводам, размещенным вне корпуса реактора. Активная зона 9 реактора залита теплоносителем, при остановленном и охлажденном реакторе уровень теплоносителя устанавливается на отметке 12, при работе реактора на мощности теплоноситель частично перетекает в верхнюю полость 5, заполняя ее, а нижней полости 6 уровень теплоносителя устанавливается на отметке 13. В нижней полости 6 между уровнем теплоносителя при работе реактора на мощности 13 теплоизоляцией 4 горизонтальной перегородки 3 размещены теплообменники 14 для отвода тепла из нижней полости 6 корпуса ядерного реактора.A nuclear reactor contains a hermetically sealed reactor vessel comprising a reactor vessel lid 1 and a reactor vessel 2 tank connected by flanges through a horizontal partition 3 with thermal insulation 4. The horizontal partition 3 divides the reactor volume into two parts — the upper cavity 5 and the lower cavity 6. The cavities are interconnected vertical overflow pipe 7, the upper cut of which opens into the upper cavity 5 directly on the horizontal partition wall 3, and the lower cut into the lower cavity 6 at the level of the upper cut of the active zone 9, size At the level of the core 9, a side reflector 10 is placed. On the outer surface of the reactor basket 8, a side reflector 10 is placed. Control of reactivity of the reactor is carried out by control bodies, thrusts of control bodies 11 are passed through the upper cavity 5 and the reactor housing lid to the drives, located outside the reactor vessel. The reactor core 9 is filled with coolant, with the reactor stopped and cooled, the coolant level is set at 12, when the reactor is operating at power, the coolant partially flows into the upper cavity 5, filling it, and the lower cavity 6 sets the coolant level at 13. In the lower cavity 6 between the level of the coolant during operation of the reactor at the power 13 by thermal insulation 4 of the horizontal partition 3 heat exchangers 14 are placed to remove heat from the lower cavity 6 of the nuclear reactor vessel.

Устройство работает следующим образом.The device works as follows.

При остановленном и захоложенном реакторе теплоноситель стекает в нижнюю полость 6 и устанавливается на отметке 12, при этом столб теплоносителя выполняет функции биологической защиты от остаточного радиоактивного излучения облученного топлива. Поскольку короткоживущие радиоактивные примеси в теплоносителе отсутствуют, высоты столба теплоносителя над активной зоной достаточно для снижения дозовой нагрузки в реакторном зале до приемлемого уровня даже при наличии термоконвективного выноса теплоносителя на уровень поверхности теплоносителя в холодном реакторе 12 из-за отсутствия его активации потоком нейтронов в активной зоне 9.When the reactor is stopped and cooled down, the coolant flows into the lower cavity 6 and is installed at 12, with the coolant column performing the functions of biological protection against residual radioactive radiation of irradiated fuel. Since there are no short-lived radioactive impurities in the coolant, the height of the coolant column above the core is enough to reduce the dose load in the reactor hall to an acceptable level even if there is a thermoconvective transfer of the coolant to the level of the coolant surface in the cold reactor 12 due to the absence of its activation by the neutron flux in the active zone 9.

При выводе реактора на мощность начинается активация теплоносителя и подъем его температуры. С учетом теплоотвода в зал реактора от крышки корпуса реактора 1 можно утверждать, что температура в верхней полости 5 устанавливается на более низком уровне, чем в нижней полости 6. Поэтому вследствие разницы в давлениях насыщения теплоноситель из нижней полости 6 по перепускной трубе 7 передавливается в верхнюю полость 5, при этом теплоноситель отбирается из опускного участка тракта теплоносителя, с низким содержание короткоживущих радиоактивных изотопов. В результате под горизонтальной перегородкой 3 формируется паровая камера, в которой идет конденсация радиоактивного пара на поверхности теплообменников 14, а выше паровой камеры расположен слой неактивированного теплоносителя, выполняющего роль биологической защиты. При возникновении аварийной ситуации, связанной с потерей теплоносителя при работе реактора на мощности, происходит снижение уровня теплоносителя в стакане корпуса реактора 2 без слива теплоносителя из верхней полости 5, то есть сохраняются защитные функции. При опускании уровня теплоносителя до верхнего среза активной зоны 9 осушается нижний конец перепускной трубы 7, давление в полостях 5 и 6 выравнивается и теплоноситель перетекает в нижнюю полость 6, препятствуя осушению твэл и плавлению активной зоны 9. теплоизоляцииWhen the reactor is brought to power, activation of the coolant begins and its temperature rises. Taking into account the heat sink to the reactor chamber from the reactor vessel lid 1, it can be stated that the temperature in the upper cavity 5 is set at a lower level than in the lower cavity 6. Therefore, due to the difference in saturation pressures, the coolant from the lower cavity 6 is overloaded by the overflow pipe 7 cavity 5, while the coolant is taken from the lower part of the coolant path, with a low content of short-lived radioactive isotopes. As a result, a steam chamber is formed under the horizontal partition 3, in which radioactive steam condenses on the surface of heat exchangers 14, and a layer of unactivated coolant is located above the steam chamber and acts as a biological defense. In the event of an emergency associated with loss of coolant during reactor operation at power, there is a decrease in the level of coolant in the glass of the reactor vessel 2 without draining the coolant from the upper cavity 5, that is, the protective functions are preserved. When lowering the coolant level to the upper cut of the active zone 9, the lower end of the bypass pipe 7 is dried, the pressure in cavities 5 and 6 is leveled and the coolant flows into the lower cavity 6, preventing the fuel elements from drying and melting the active zone 9. thermal insulation

Для снижения притока тепла в верхнюю полость 5 на поверхности горизонтальной перегородки может быть размещена теплоизоляция 4.To reduce the flow of heat into the upper cavity 5 on the surface of the horizontal partition can be placed insulation 4.

Для снижения притока тепла в верхнюю полость 5 теплообменники 14 могут быть пропущены через шахту с теплоизолированными стенками и размещены ниже горизонтальной перегородки 3.To reduce the flow of heat into the upper cavity 5, the heat exchangers 14 can be passed through a shaft with insulated walls and placed below the horizontal partition 3.

Пример конкретного исполнения устройства - водоводяной кипящий реактор с давлением пара 16 атм, с диаметром корпуса 4 м и высотой 11 м. Толщина стенок из нержавеющей стали - 20 мм, общая масса корпуса 26 тонн, что допускает его транспортировку любым видом транспорта двумя блоками заводского изготовления - крышка корпуса реактора и стакан корпуса реактора. Горизонтальная перегородка выполнена в виде диска толщиной 10 мм, зажатого между фланцами крышки корпуса реактора и стакана корпуса реактора. Перепускная труба - из нержавеющей стали 100×2. Конструкция активной зоны и твэл - аналогичны таковым реактора ВК-50. Крепление ТВС в корзине реактора - замковое в опорной плите активной зоны. Теплоноситель - вода - заливается в стакан корпуса реактора до уровня ниже теплоизоляции 4 на 20 см. При выводе реактора на номинальную мощность температура воды в нижнем объеме возрастает до 200°С, давление поднимается до 16 атм и вода передавливается из нижней полости в верхнюю. Высота верхней полости - 2 м, что достаточно для поглощения ионизирующего излучения от радиоактивного пара под горизонтальной перегородкой.A specific example of the device is a water-water boiling reactor with a vapor pressure of 16 atm, with a case diameter of 4 m and a height of 11 m. The wall thickness of stainless steel is 20 mm, the total weight of the case is 26 tons, which allows its transportation by any type of transport by two factory-made blocks - a reactor vessel cover and a reactor vessel beaker. The horizontal partition is made in the form of a disk with a thickness of 10 mm, sandwiched between the flanges of the reactor vessel lid and the reactor vessel glass. The overflow pipe is 100 × 2 stainless steel. The design of the core and fuel rods are similar to those of the VK-50 reactor. The mounting of fuel assemblies in the reactor basket is a lock in the base plate of the core. The heat carrier — water — is poured into the reactor vessel glass to a level below thermal insulation 4 by 20 cm. When the reactor reaches its nominal capacity, the water temperature in the lower volume rises to 200 ° C, the pressure rises to 16 atm and the water is squeezed from the lower cavity to the upper one. The height of the upper cavity is 2 m, which is enough to absorb ionizing radiation from radioactive steam under a horizontal partition.

В предложенном устройстве функции верхней биологической защиты выполняет слой не активированного теплоносителя и отсутствует твердая защита от ионизирующего излучения, что существенно снижает массу реактора. Кроме того, вода, заполняющая верхнюю полость, является аварийным запасом, обеспечивающим функцию пассивной защиты активной зоны от расплавления при инцидентах, связанных с потерей теплоносителя первого контура. Следует также отметить, что реализация технического решения не ведет к увеличению габаритов реактора, поскольку избыточная вода, перетекающая в верхнюю полость при работе реактора на мощности, в расхоложенном состоянии реактора занимает объем парового пространства с теплообменниками.In the proposed device, the function of the upper biological protection is performed by a layer of non-activated coolant and there is no solid protection against ionizing radiation, which significantly reduces the mass of the reactor. In addition, the water filling the upper cavity is an emergency reserve providing the function of passive protection of the core from melting in case of incidents associated with loss of the primary coolant. It should also be noted that the implementation of the technical solution does not lead to an increase in the dimensions of the reactor, since excess water flowing into the upper cavity when the reactor is operating at its capacity in the dampened state of the reactor occupies the volume of the vapor space with heat exchangers.

Использование изобретения позволяет снизить транспортные расходы, сократить сроки монтажа и уменьшить объем захораниваемых радиоактивных материалов при выводе установки из эксплуатации.The use of the invention allows to reduce transportation costs, reduce installation time and reduce the amount of disposed radioactive materials during decommissioning.

Перечень позицийList of positions

1 - крышка корпуса реактора1 - reactor cover

2 - стакан корпуса реактора2 - reactor vessel glass

3 - горизонтальная перегородка3 - horizontal partition

4 - теплоизоляция4 - heat insulation

5 - верхняя полость5 - upper cavity

6 - нижняя полость6 - the lower cavity

7 - перепускная труба7 - overflow pipe

8 - корзина реактора8 - reactor basket

9 - активная зона9 - active zone

10 - боковой отражатель10 - side reflector

11 - тяги органов СУЗ11 - traction control organs

12 - уровень теплоносителя в холодном реакторе12 - the level of coolant in the cold reactor

13 - уровень теплоносителя при работе реактора на мощности13 - the level of coolant when the reactor is on power

14 - теплообменник14 - heat exchanger

Claims (3)

1. Ядерный реактор, содержащий герметичный корпус, частично заполненный теплоносителем, и погруженную в него активную зону, отличающийся тем, что герметичный корпус выше активной зоны разделен горизонтальной перегородкой на две полости, сообщенные вертикальной перепускной трубой, один конец которой соединен с горизонтальной перегородкой, а другой открывается на уровне активной зоны, при этом общий объем теплоносителя не превышает объема нижней полости.1. A nuclear reactor containing a sealed enclosure, partially filled with coolant, and an active zone immersed in it, characterized in that the sealed enclosure above the active zone is divided into two cavities by a horizontal partition, communicated by a vertical overflow pipe, one end of which is connected to a horizontal partition, and the other opens at the level of the core, while the total volume of the coolant does not exceed the volume of the lower cavity. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что на поверхности горизонтальной перегородки размещена теплоизоляция.2. The device according to claim 1, characterized in that the insulation is placed on the surface of the horizontal partition. 3. Устройство по пп. 1, 2, отличающееся тем, что теплообменники первого/второго контура пропущены через шахту с теплоизолированными стенками в верхней полости и размещены ниже горизонтальной перегородки.3. The device according to PP. 1, 2, characterized in that the heat exchangers of the first / second circuit passed through the mine with insulated walls in the upper cavity and placed below the horizontal partition.

Images