RU2787572C1

RU2787572C1 - Liquid-salt nuclear reactor with cavity type core

Info

Publication number: RU2787572C1
Application number: RU2022116816A
Authority: RU
Inventors: Павел Владимирович Гаца
Filing date: 2022-06-22
Publication date: 2023-01-11

Abstract

FIELD: liquid-salt nuclear reactors.

SUBSTANCE: invention relates to the design of liquid-salt nuclear reactors operating on melts of lithium and beryllium fluorides with fuel additives dissolved in them. A molten-salt nuclear reactor consists of a reactor vessel with a lid, housing protection shells nested in it, reflectors nested in them, which together form a cavity-type cylindrical core and a fuel salt flow path. The path consists of an inlet, a pressure manifold, reflector cooling channels and an outlet. The fuel salt flow path includes a downcomer section, consisting of two rows of channels in the side reflectors and side shells of the vessel protection from the reactor inlet to the pressure header, and an upstream section, consisting of cooling channels of the lower end reflector and the core cavity. Fuel salt, getting from the pressure header and cooling channels of the lower end reflector through the guide fins and inclined nozzles, forms a cyclone that occupies the entire volume of the core, and rises from the bottom up to the exit holes from the core.

EFFECT: ensuring uniform flow of the coolant flow heated along the entire path of movement with the fuel dissolved in it through the cylindrical core of the liquid-salt cavity-type nuclear reactor due to the creation of an axial vortex (cyclone) that uniformly raises the salt from bottom to top in the cavity of the core.

1 cl, 9 dwg, 1 tbl

Description

Область техникиTechnical field

Изобретение относится к конструкции жидкосолевых ядерных реакторов (ЖСР) и предназначено для обеспечения равномерного подогрева топливной соли и обеспечения ее безвозвратного течения при движении через активную зону полостного типа.The invention relates to the design of molten-salt nuclear reactors (ZSR) and is intended to ensure uniform heating of the fuel salt and ensure its irreversible flow when moving through the cavity-type core.

Уровень техникиState of the art

ЖСР - это ядерный реактор физико-химической концепции с циркулирующим топливом. В активной зоне такого реактора не будет традиционных для твердотопливных реакторов топливных сборок и внутрикорпусных устройств. За счет этого поток расплава соли, являющейся теплоносителем первого контура, с растворенными в ней топливными добавками (далее - топливная соль) крайне затруднительно профилировать, особенно в активной зоне полостного типа. В то же время, если поток топливной соли не профилировать совсем, то в хаотичном движении соли в активной зоне будут образовываться возвратные вихревые токи и зоны многократной рециркуляции или застоя. Появление таких эффектов крайне опасно, поскольку будет приводить к локальным перегревам топливной соли и/или металлоконструкций первого контура (отражателей, корпуса реактора и/или трубопроводов), в том числе выше максимально допустимых температур, что в свою очередь, может приводить к авариям.ZhSR is a nuclear reactor of physico-chemical concept with circulating fuel. In the core of such a reactor, there will be no fuel assemblies and internals traditional for solid fuel reactors. Due to this, the flow of molten salt, which is the coolant of the primary circuit, with fuel additives dissolved in it (hereinafter referred to as fuel salt), is extremely difficult to profile, especially in the core of the cavity type. At the same time, if the flow of fuel salt is not profiled at all, then in the chaotic movement of salt in the core, return eddy currents and zones of multiple recirculation or stagnation will form. The occurrence of such effects is extremely dangerous, since it will lead to local overheating of the fuel salt and/or primary circuit metal structures (reflectors, reactor vessel and/or pipelines), including those above the maximum allowable temperatures, which in turn can lead to accidents.

Ранее проблема профилирования потока топливной соли в активной зоне полостного типа решалась либо за счет выравнивания подачи топливной соли в полость активной зоны [Игнатьев В.В., Фейнберг О.С., Смирнов В.П., Ванюкова Г.В., Лопаткин А.В. Анализ характеристик топливного контура жидкосолевого ядерного реактора с активной зоной полостного типа. Атомная энергия, 2019, т. 126, вып. 3, с. 137-143], либо за счет профилирования формы активной зоны [A. Laureau, D. Heuer, Е. Merle-Lucotte, P.R. Rubiolo, M. Allibert, M. Aufiero. Transient coupled calculations of the Molten Salt Fast Reactor using the Transient Fission Matrix approach. - Nuclear Engineering and Design, 316 (2017) 112-124].Previously, the problem of profiling the flow of fuel salt in the cavity type core was solved either by equalizing the supply of fuel salt to the core cavity [Ignatiev V.V., Feinberg O.S., Smirnov V.P., Vanyukova G.V., Lopatkin A. .AT. Analysis of the characteristics of the fuel circuit of a molten-salt nuclear reactor with a cavity-type core. Atomic Energy, 2019, v. 126, no. 3, p. 137-143], or by profiling the shape of the core [A. Laureau, D. Heuer, E. Merle-Lucotte, P.R. Rubiolo, M. Allibert, M. Aufiero. Transient coupled calculations of the Molten Salt Fast Reactor using the Transient Fission Matrix approach. - Nuclear Engineering and Design, 316 (2017) 112-124].

В реакторе Molten Salt Fast Reactor (MSFR) тепловой мощностью 3000 МВт [A. Laureau, D. Heuer, E. Merle-Lucotte, P.R. Rubiolo, M. Allibert, M. Aufiero. Transient coupled calculations of the Molten Salt Fast Reactor using the Transient Fission Matrix approach. - Nuclear Engineering and Design, 316 (2017) 112-124] используется топливная соль молярного состава 0,775LiF-0,20ThF₄-0,025²³³U, которая прогревается от 925 К до 1 025 К. Течение топливной соли профилируется за счет профилирования формы активной зоны. Она имеет форму гиперболоида вращения с входом через 16 отверстий в нижней части и выходом через 16 отверстий в верхней части активной зоны. Дополнительным профилирующим фактором выполнение верхнего и нижнего торцевых отражателей в форме конусов. Течение является намного более устойчивым, но только для рассматриваемого молярного состава. In the Molten Salt Fast Reactor (MSFR) with a thermal power of 3000 MW [A. Laureau, D. Heuer, E. Merle-Lucotte, P.R. Rubiolo, M. Allibert, M. Aufiero. Transient coupled calculations of the Molten Salt Fast Reactor using the Transient Fission Matrix approach. - Nuclear Engineering and Design, 316 (2017) 112-124] uses a fuel salt with a molar composition of 0.775LiF-0.20ThF ₄ -0.025 ²³³ U, which is heated from 925 K to 1025 K. The flow of the fuel salt is profiled by profiling the form of the active zones. It has the shape of a hyperboloid of revolution with entry through 16 holes in the lower part and exit through 16 holes in the upper part of the core. An additional profiling factor is the execution of the upper and lower end reflectors in the form of cones. The flow is much more stable, but only for the molar composition in question.

Недостатком такой схемы является то, что даже при незначительном отклонении от рассматриваемых теплофизических свойств возникают, как возвратные токи, так и застойные зоны, в которых происходит перегрев топливной соли выше допустимых температур.The disadvantage of this scheme is that even with a slight deviation from the considered thermal properties, both return currents and stagnant zones arise in which the fuel salt overheats above the permissible temperatures.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому изобретению (прототипом) является конструкция жидкосолевого реактора сжигателя трансурановых элементов и минорных актинидов (ЖСР-С) тепловой мощностью 2 400 МВт [Игнатьев В.В., Фейнберг О.С., Смирнов В.П., Ванюкова Г.В., Лопаткин А.В. Анализ характеристик топливного контура жидкосолевого ядерного реактора с активной зоной полостного типа. Атомная энергия, 2019, т. 126, вып. 3, с. 137-143]. Топливная соль молярного состава 0,15LiF-0,58NaF-0,27BeF₂ с растворенными топливными добавками (Т_пл=479°), проходя через реактор, нагревается от температуры 600°до 700°. В данном реакторе вход топливной соли в корпус реактора производится через отверстие в нижней части корпуса. Далее топливная соль обтекает вокруг нижней плиты отражателя и входит в цилиндрическую активную зону высотой 3,6 м и диаметром 3,4 м и вертикальные цилиндрические каналы охлаждения отражателя. В объеме цилиндрической активной зоны на высоте 0,5 м от нижнего края активной зоны расположена перфорированная профилирующая плита, которая призвана избавить активную зону от вихревых токов. Выход топливной соли из активной зоны осуществляется через центральное отверстие в верхней части корпуса диаметром 1 м. Переход от диаметра активной зоны к диаметру выходного отверстия осуществляется за счет конической формы верхнего торцевого отражателя. Угол раскрытия конуса составляет 120°. После выхода из активной соль топливная соль с помощью раздаточного коллектора распределяется по 4-м петлям циркуляции.The closest in technical essence to the claimed invention (prototype) is the design of a liquid-salt reactor burner of transuranium elements and minor actinides (ZhSR-C) with a thermal power of 2400 MW [Ignatiev V.V., Feinberg O.S., Smirnov V.P., Vanyukova G.V., Lopatkin A.V. Analysis of the characteristics of the fuel circuit of a molten-salt nuclear reactor with a cavity-type core. Atomic Energy, 2019, v. 126, no. 3, p. 137-143]. Fuel salt molar composition 0,15LiF-0,58NaF-0,27BeF ₂ with dissolved fuel additives (T _pl =479°), passing through the reactor, is heated from a temperature of 600°to 700°. In this reactor, the fuel salt enters the reactor vessel through an opening in the lower part of the vessel. Further, the fuel salt flows around the bottom plate of the reflector and enters a cylindrical active zone 3.6 m high and 3.4 m in diameter and vertical cylindrical reflector cooling channels. In the volume of the cylindrical core, at a height of 0.5 m from the lower edge of the core, there is a perforated profiling plate, which is designed to save the core from eddy currents. The exit of the fuel salt from the core is through a central hole in the upper part of the housing with a diameter of 1 m. The transition from the diameter of the core to the diameter of the outlet is carried out due to the conical shape of the upper end reflector. The opening angle of the cone is 120°. After exiting the active salt, the fuel salt is distributed by means of a distributing manifold over 4 circulation loops.

Недостатком в данной конструкции является то, что топливная соль имеет стабилизированное течение без застоев и возвратных токов только в стационарном режиме и только при рассматриваемом молярном составе. В случае рассмотрения нестационарного/переходного процесса и/или в случае замены молярного состава топливной соли течение перестает быть устойчивым и стабилизированным: при переходе с одной мощности на другую в полости активной зоны возникает крупный торообразный вихрь, в объеме которого образуется зона многократной рециркуляции топливной соли. Этот торообразный вихрь занимает почти весь объем активной зоны. Из-за нахождения его сердцевины в зоне наибольшего нейтронного потока перегрев топливной соли наступает почти мгновенно, а после стабилизации потока перегретая соль выходит из зоны перегрева и перегревает металлоконструкции.The disadvantage of this design is that the fuel salt has a stabilized flow without stagnation and return currents only in stationary mode and only when the molar composition is considered. In the case of considering a non-stationary/transient process and/or in the case of changing the molar composition of the fuel salt, the flow ceases to be stable and stabilized: when switching from one power to another, a large toroidal vortex appears in the core cavity, in the volume of which a zone of multiple recirculation of the fuel salt is formed. This toroidal vortex occupies almost the entire volume of the active zone. Due to the location of its core in the zone of the highest neutron flux, the fuel salt overheats almost instantly, and after stabilization of the flow, the superheated salt leaves the overheating zone and overheats the metal structures.

Технической проблемой, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является совершенствование составных частей жидкосолевого ядерного реактора, отвечающих за движение топливной соли в нем.The technical problem to be solved by the claimed invention is the improvement of the components of a molten-salt nuclear reactor responsible for the movement of fuel salt in it.

Предлагаемое устройство позволит обеспечить течение потока теплоносителя через активную зону без возвратных токов и застойных зон, позволяя реализовать равномерный подогрев теплоносителя по тракту движения.The proposed device will make it possible to ensure the flow of the coolant through the core without return currents and stagnant zones, making it possible to implement uniform heating of the coolant along the motion path.

Раскрытие сущности изобретенияDisclosure of the essence of the invention

Техническим результатом заявленного изобретения является обеспечение равномерного протекания подогретого по всему тракту движения потока теплоносителя с растворенным в нем топливом через цилиндрическую активную зону жидкосолевого ядерного реактора полостного типа за счет создания осевого вихря (циклона), равномерно поднимающего соль снизу вверх в полости активной зоны.The technical result of the claimed invention is to ensure uniform flow of a coolant flow heated along the entire path of movement with fuel dissolved in it through the cylindrical core of a liquid-salt cavity-type nuclear reactor by creating an axial vortex (cyclone) that uniformly raises the salt from bottom to top in the cavity of the core.

Для достижения технического результата предложен жидкосолевой ядерный реактор с активной зоной полостного типа состоящий из корпуса реактора с крышкой, вложенных в него обечаек защиты корпуса, вложенных в них отражателей, совместно образующие цилиндрическую активную зону полостного типа и тракт движения топливной соли, состоящий из входа, напорного коллектора, каналов охлаждения отражателей и выхода, при этом, тракт течения топливной соли, включает опускной участок, состоящий из двух рядов каналов в боковых отражателях и боковых обечайках защиты корпуса от входа в реактор до напорного коллектора, и подъемный участок, состоящий из каналов охлаждения нижнего торцевого отражателя и полости активной зоны, при этом, топливная соль, попадая из напорного коллектора и каналов охлаждения нижнего торцевого отражателя через направляющие ребра и наклонные форсунки, образует циклон, занимающий весь объем активной зоны и поднимается снизу вверх к отверстиям выхода из активной зоны.To achieve a technical result, a molten-salt nuclear reactor with an cavity-type core is proposed, consisting of a reactor vessel with a lid, housing protection shells embedded in it, reflectors embedded in them, jointly forming a cylindrical cavity-type core and a fuel salt flow path, consisting of an inlet, pressure collector, baffle cooling channels and outlet, while the fuel salt flow path includes a downcomer section, consisting of two rows of channels in the side baffles and side shells of the vessel protection from the reactor inlet to the pressure header, and an upstream section, consisting of channels for cooling the lower the end reflector and the core cavity, while the fuel salt, getting from the pressure manifold and cooling channels of the lower end reflector through the guide ribs and inclined nozzles, forms a cyclone that occupies the entire volume of the core and rises from bottom to top to the exit holes from the core.

Краткое описание чертежейBrief description of the drawings

На фиг. 1 показан осевой разрез жидкосолевого ядерного реактора, на фиг. 2 показан разрез реактора плоскостью А-А, на фиг. 3 показан разрез реактора плоскостью Г-Г, на фиг. 4 показан разрез реактора плоскостью В-В, где:In FIG. 1 shows an axial section of a molten-salt nuclear reactor, FIG. 2 shows a section of the reactor by plane A-A, in Fig. 3 shows a section of the reactor by the G-G plane, in Fig. 4 shows the section of the reactor with the B-B plane, where:

I - входные окна;I - input windows;

II - внутренний ряд каналов охлаждения бокового отражателя;II - inner row of side reflector cooling channels;

III - внешний ряд каналов охлаждения бокового отражателя;III - outer row of side reflector cooling channels;

IV - направляющие ребра;IV - guide ribs;

V - каналы охлаждения нижнего торцевого отражателя;V - cooling channels of the lower end reflector;

V - каналы слива топливной соли;V - fuel salt drain channels;

VI - сливной патрубокVI - drain pipe

VII - форсунки подачи топливной соли;VII - nozzles for supplying fuel salt;

VIII - полость активной зоны;VIII - core cavity;

IX - выходные отверстия;IX - outlet holes;

1 - напорный коллектор;1 - pressure manifold;

2 - корпус реактора;2 - reactor vessel;

3 - крышка корпуса реактора;3 - cover of the reactor vessel;

4 - боковая верхняя обечайка защиты корпуса;4 - lateral upper shell of the body protection;

5 - боковая нижняя обечайка защиты корпуса;5 - side lower shell of the body protection;

6 - боковая центральная обечайка защиты корпуса;6 - lateral central shell of the body protection;

7 - торцевая верхняя обечайка защиты корпуса;7 - end upper shell of the body protection;

8 - торцевая нижняя обечайка защиты корпуса;8 - end lower shell of the body protection;

9 - отражатель боковой;9 - side reflector;

10 - отражатель верхний;10 - top reflector;

11 - отражатель нижний.11 - lower reflector.

На фиг. 5, 8, 9 показаны линии тока топливной соли.In FIG. 5, 8, 9 show the fuel salt streamlines.

На фиг. 6, 7 показаны температуры топливной соли.In FIG. 6, 7 show the temperatures of the fuel salt.

Осуществление изобретенияImplementation of the invention

В корпусе реактора 2, изготовленного из высоконикелевого сплава ХН80МТЮ и имеющего форму полого цилиндра с выступами (толщина - 55 мм, внутренний диаметр - 4 400 мм, габаритный диаметр - 5 150 мм, высота -5 200 мм), снизу вверх расположены: нижняя торцевая обечайка защиты корпуса 8 (имеет форму диска, толщина 300 мм, диаметр 4 400 мм), нижняя боковая обечайка защиты корпуса 5 (имеет форму полого цилиндра, внутренний диаметр - 3 800 мм, внешний диаметр - 4 400 мм, высота - 1000 мм.), двух боковых центральных обечаек защиты корпуса 6 (имеет форму полого цилиндра, внутренний диаметр - 3 800 мм, внешний диаметр - 4 400 мм, высота - 1000 мм), боковой верхней обечайки защиты корпуса 4 (имеет форму полого цилиндра, внутренний диаметр - 3 800 мм, внешний диаметр - 4 400 мм, высота - 900 мм) и торцевой верхней обечайки защиты корпуса 7 (имеет форму диска, толщина - 435 мм, внешний диаметр - 4 400 мм). Все эти обечайки 4-8 выполняются из аустенитной стали 12Х18Н10Т с 5-мм слоем плакировки сплавом ХН80МТЮ. При размещении всех этих обечаек в корпусе реактора 2 используются посадки с натягом. Взаимное расположение боковых обечаек 4-6 контролируется за счет использования каналов охлаждения отражателя III в качестве направляющих. Размещение верхней торцевой обечайки выбирается таким образом, чтобы центры отверстий выходов топливной соли IX располагались напротив центров входных окон I.In the reactor vessel 2, made of high-nickel KhN80MTYu alloy and having the shape of a hollow cylinder with projections (thickness - 55 mm, inner diameter - 4400 mm, overall diameter - 5150 mm, height -5200 mm), from bottom to top are located: casing protection shell 8 (has the shape of a disk, thickness 300 mm, diameter 4400 mm), lower side casing protection shell 5 (has the shape of a hollow cylinder, inner diameter - 3800 mm, outer diameter - 4400 mm, height - 1000 mm. ), two lateral central shells of body protection 6 (has the shape of a hollow cylinder, inner diameter - 3,800 mm, outer diameter - 4,400 mm, height - 1000 mm), lateral upper shell of body protection 4 (has the shape of a hollow cylinder, inner diameter - 3 800 mm, outer diameter - 4 400 mm, height - 900 mm) and the end upper shell of the protection of housing 7 (has the shape of a disk, thickness - 435 mm, outer diameter - 4 400 mm). All these shells 4-8 are made of austenitic steel 12X18H10T with a 5-mm layer of cladding with KhN80MTYu alloy. When placing all these shells in the reactor vessel 2, interference fits are used. The mutual arrangement of the side shells 4-6 is controlled by using the cooling channels of the reflector III as guides. The placement of the upper end shell is chosen in such a way that the centers of the holes of the fuel salt outlets IX are located opposite the centers of the inlet windows I.

Внутри обечаек защиты корпуса 4-8 снизу вверх расположены: нижний отражатель 11 (имеет форму диска, толщина - 289 мм, внешний диаметр - 2 800 мм), напорный коллектор 1 (имеет форму полого цилиндра с направляющими ребрами IV, внутренний диаметр - 2 800 мм, внешний диаметр - 3000 мм, высота - 700 мм), три боковых отражателя 9 (имеет форму полого цилиндра, внутренний диаметр - 3 400 мм, внешний диаметр - 3 800 мм, высота - 1000 мм) и верхний отражатель 10 (имеет форму диска, толщина - 335 мм, внешний диаметр - 3 800 мм). Все эти отражатели 9-11 выполняются из сплава ХН80МТЮ. При размещении отражателей внутри обечаек защиты корпуса 4-8 используются посадки с натягом. Взаимное расположение боковых отражателей 9 контролируется за счет использования каналов охлаждения отражателя II в качестве направляющих. Размещение верхнего торцевого отражателя выбирается таким образом, чтобы центры отверстий выходов топливной соли IX располагались соответственно аналогичным элементам верхней торцевой обечайки защиты корпуса 7.Inside the housing protection shells 4-8 from the bottom up are located: the lower reflector 11 (has the shape of a disk, the thickness is 289 mm, the outer diameter is 2800 mm), the pressure manifold 1 (has the shape of a hollow cylinder with guide ribs IV, the inner diameter is 2800 mm, outer diameter - 3000 mm, height - 700 mm), three side reflectors 9 (has the shape of a hollow cylinder, inner diameter - 3400 mm, outer diameter - 3800 mm, height - 1000 mm) and top reflector 10 (has the shape disk, thickness - 335 mm, outer diameter - 3 800 mm). All these reflectors 9-11 are made of KhN80MTYu alloy. When placing the reflectors inside the shells of the housing protection 4-8, interference fits are used. The mutual arrangement of the side reflectors 9 is controlled by using the cooling channels of the reflector II as guides. The placement of the upper end reflector is chosen in such a way that the centers of the openings of the fuel salt outlets IX are located correspondingly to the similar elements of the upper end shell of the body 7 protection.

Крышка реактора 3 закрывает корпус реактора сверху. Она размещается так, чтобы отверстия выходов топливной соли IX совпадали с патрубками, для них предназначенными. Крышка крепится к корпусу через никелевое уплотнение на 64 болта М 30х80.The reactor cover 3 closes the reactor vessel from above. It is placed in such a way that the openings of the fuel salt outlets IX coincide with the nozzles intended for them. The cover is attached to the body through a nickel seal with 64 M 30x80 bolts.

Схема движения топливной соли организована следующим образом. Вход топливной соли осуществляется через 8 входных окон I в боковой поверхности корпуса 2. Далее топливная соль опускается в напорный коллектор 1 по 2-м рядам вертикальных каналов II и III (фиг. 1, 2). Первый ряд II состоит из 64 прямоугольных каналов размерами 30x60 мм, они проходят вертикально сквозь боковые отражатели 9 на глубине 30 мм от внутренней поверхности этих отражателей. Второй ряд каналов III пропилен в боковых обечайках защиты корпуса 4-6, примыкает к внешней поверхности боковых отражателей 9 и состоит из 32 каналов. Эти каналы имеют прямоугольную форму размером 100x200 мм с закругленными углами на дальней поверхности каналов, радиус закругления - 50 мм. Высота боковых отражателей составляет 1 м. Высота боковых центральных обечаек защиты корпуса 6 и боковой нижней обечайки защиты корпуса 5 составляет 1 м, а боковой верхней обечайки защиты корпуса - 700 мм, и еще на 200 мм поднимаются опорные ребра, на которые опирается торцевая верхняя обечайка 7. Боковые отражатели выполнены из высоконикелевого сплава ХН80МТЮ, а обечайки защиты корпуса - из стали 12Х18Н10Т, плакированную 5-ти мм слоем сплава ХН80МТЮ или НП-2.The scheme of fuel salt movement is organized as follows. The input of the fuel salt is through 8 input windows I in the side surface of the body 2. Next, the fuel salt is lowered into the pressure manifold 1 along 2 rows of vertical channels II and III (Fig. 1, 2). The first row II consists of 64 rectangular channels 30x60 mm in size, they pass vertically through the side reflectors 9 at a depth of 30 mm from the inner surface of these reflectors. The second row of channels III is propylene in the side shells of the body protection 4-6, adjacent to the outer surface of the side reflectors 9 and consists of 32 channels. These channels have a rectangular shape 100x200 mm in size with rounded corners on the far surface of the channels, the radius of curvature is 50 mm. The height of the side reflectors is 1 m. The height of the side central shells of the housing protection 6 and the side lower shell of the housing protection 5 is 1 m, and the side upper shell of the housing protection is 700 mm, and the support ribs on which the end upper shell rests are raised by another 200 mm 7. Side reflectors are made of high-nickel KhN80MTYu alloy, and body protection shells are made of steel 12Kh18N10T, clad with a 5 mm layer of KhN80MTYu or NP-2 alloy.

В напорном коллекторе 1 для создания осевого вихря (циклона) размещены направляющие ребра IV толщиной 50 мм в количестве 64 шт. Каждое ребро занимает всю ширину напорного коллектора 1 и расположено под углом 40° к радиусу. Вид напорного коллектора 1 более наглядно представлен на фиг. 2.In the pressure manifold 1, to create an axial vortex (cyclone), guide ribs IV 50 mm thick are placed in the amount of 64 pcs. Each rib occupies the entire width of the pressure manifold 1 and is located at an angle of 40° to the radius. The view of the pressure collector 1 is more clearly shown in Fig. 2.

Из напорного коллектора 1 топливная соль попадает как напрямую в полость активной зоны VIII, так и в каналы охлаждения нижнего отражателя 11. Нижний отражатель 11 имеет коническую форму, а его 16 каналов охлаждения V имеют прямоугольную форму, расположены на глубине 50 мм под поверхностью конуса и имеют размеры 150x50 мм. Выход топливной соли из этих каналов в объем активной зоны проводится через центральное отверстие диаметром 200 мм и 4 дополнительных ряда форсунок VII. В каждом ряду расположено по 16 отверстий, диаметры отверстий и диаметры размещения каждого ряда следующие: 20 и 150 мм, 25 и 250 мм, 45 и 400 мм, 60 и 500 мм, соответственно. Оси этих отверстий расположены под углом 45° к горизонтальной плоскости и под 40° к радиусу. Это необходимо, чтобы топливная соль, проходящая через эти отверстия, поддерживала основной вихрь, создаваемый ребрами по периферии.From the pressure collector 1, the fuel salt enters both directly into the cavity of the active zone VIII and into the cooling channels of the lower reflector 11. The lower reflector 11 has a conical shape, and its 16 cooling channels V are rectangular in shape, located at a depth of 50 mm under the surface of the cone and have dimensions of 150x50 mm. The output of the fuel salt from these channels into the volume of the core is carried out through a central hole with a diameter of 200 mm and 4 additional rows of nozzles VII. There are 16 holes in each row, the diameters of the holes and the placement diameters of each row are as follows: 20 and 150 mm, 25 and 250 mm, 45 and 400 mm, 60 and 500 mm, respectively. The axes of these holes are located at an angle of 45° to the horizontal plane and at 40° to the radius. This is necessary so that the fuel salt passing through these holes supports the main vortex created by the fins around the periphery.

В каналах охлаждения нижнего отражателя V также предусмотрены дополнительные отверстия V' для слива топливной соли через сливной патрубок VI в нижней части корпуса 2. Эти каналы V' имеют диаметр 50 мм, угол между осью наклонного участка и горизонтальной плоскостью - 7,5°. Более подробный разрез нижнего отражателя 11 представлен на фиг. 3.In the cooling channels of the lower reflector V, additional holes V' are also provided for draining the fuel salt through the drain pipe VI in the lower part of the housing 2. These channels V' have a diameter of 50 mm, the angle between the axis of the inclined section and the horizontal plane is 7.5°. A more detailed section of the lower reflector 11 is shown in Fig. 3.

Верхний отражатель 10 со стороны активной зоны спрофилирован таким образом, чтобы поднимающаяся топливная соль равномерно распределялась по 8-ми выходам. Выходные отверстия IX в верхнем отражателе 10 имеют форму квадрата со стороной 350 мм. Далее в верхней торцевой обечайке защиты корпуса организован переход от квадратных отверстий к круглым, диаметром 330 мм. Разрез В-В, на котором подробно показан вид верхнего отражателя 10 показан на фиг. 4.The upper reflector 10 on the side of the active zone is profiled in such a way that the rising fuel salt is evenly distributed over 8 outlets. The outlet holes IX in the upper reflector 10 have the shape of a square with a side of 350 mm. Further, in the upper end shell of the housing protection, a transition is organized from square holes to round ones, with a diameter of 330 mm. A section B-B showing a detailed view of the top reflector 10 is shown in FIG. four.

В обоснование осуществления изобретения по описанной выше конструкции была построена трехмерная модель для проведения CFD-расчета.In order to justify the implementation of the invention, according to the design described above, a three-dimensional model was built for carrying out the CFD calculation.

Трехмерный CFD1-расчет модели производился с помощью программного комплекса ANSYS Fluent [ANSYS Fluent v. 14 User's Guide. ANSYS Inc., 2012]. Для моделирования в ANSYS Fluent используется модель турбулентности Transition SST, граничные условия Velocity-inlet и Pressure-outlet, наложенные на входы и выходы соответственно.Three-dimensional CFD1-calculation of the model was carried out using the ANSYS Fluent software package [ANSYS Fluent v. 14 User's Guide. ANSYS Inc., 2012]. For simulation, ANSYS Fluent uses the Transition SST turbulence model, Velocity-inlet and Pressure-outlet boundary conditions imposed on the inlets and outlets, respectively.

Линии тока топливной соли (фиг. 5) в активной зоне показывают два соосных сонаправленных вихря, которые поднимаются строго снизу вверх без возвратных течений и застойных зон. Нужно отметить, что такой режим течения наблюдается только при определенном угле направляющих потока топливной соли по отношению к внутренней поверхности бокового отражателя ϕ=40°. В этом случае максимальные температуры топливной соли (фиг. 6) и отражателя (фиг. 7) не превышают соответственно 1140 К и 1050 К. Отклонение угла ϕ до ±5° от выбранного значения приводит к появлению возвратных течений и нарушению требуемого режима течения, а также увеличению локальных температур топливной соли и отражателя.The streamlines of the fuel salt (Fig. 5) in the core show two coaxial codirectional vortices that rise strictly from the bottom up without return flows and stagnant zones. It should be noted that such a flow regime is observed only at a certain angle of the fuel salt flow guides with respect to the inner surface of the side reflector ϕ=40°. In this case, the maximum temperatures of the fuel salt (Fig. 6) and the reflector (Fig. 7) do not exceed 1140 K and 1050 K, respectively. Deviation of the angle ϕ up to ±5° from the selected value leads to the appearance of reverse flows and violation of the required flow regime, and as well as an increase in the local temperatures of the fuel salt and the reflector.

Устойчивость создаваемого вихря в переходных режимах подтверждается также двумя дополнительными расчетами, проведенными для 50% (1200 МВт) и 10% (240 МВт) номинальной мощности. Результаты этих расчетов в виде линий тока топливной соли представлены на фиг. 8 и 9 соответственно.The stability of the created vortex in transient conditions is also confirmed by two additional calculations carried out for 50% (1200 MW) and 10% (240 MW) of the rated power. The results of these calculations are presented in the form of fuel salt streamlines in FIG. 8 and 9 respectively.

Как следует из табл. 1 расчетные отклонения расходов и температур на выходе активной зоны от средних значений при номинальной мощности через каждый из 8 реакторных контуров не превышают соответственно 2% и 5%.As follows from Table. 1, the calculated deviations of flow rates and temperatures at the core outlet from the average values at rated power through each of the 8 reactor circuits do not exceed 2% and 5%, respectively.

Проведенные расчеты с достаточной точностью показывают работоспособность разработанной конструкции.The calculations carried out with sufficient accuracy show the performance of the developed design.

Таким образом, предложенная конструкция составных частей жидкосолевого ядерного реактора обеспечивает безвозвратное протекание топливной соли через полость активной зоны, ее равномерный подогрев по высоте активной зоны и не допускает перегрева топливной соли и отражателей выше допустимых температур.Thus, the proposed design of the components of a liquid-salt nuclear reactor ensures the irreversible flow of fuel salt through the core cavity, its uniform heating along the height of the core and prevents overheating of the fuel salt and reflectors above acceptable temperatures.

Claims

Жидкосолевой ядерный реактор с активной зоной полостного типа, состоящий из корпуса реактора с крышкой, вложенных в него обечаек защиты корпуса, вложенных в них отражателей, совместно образующих цилиндрическую активную зону полостного типа и тракт движения топливной соли, состоящий из входа, напорного коллектора, каналов охлаждения отражателей и выхода, отличающийся тем, что тракт течения топливной соли включает опускной участок, состоящий из двух рядов каналов в боковых отражателях и боковых обечайках защиты корпуса от входа в реактор до напорного коллектора, и подъемный участок, состоящий из каналов охлаждения нижнего торцевого отражателя и полости активной зоны, при этом топливная соль, попадая из напорного коллектора и каналов охлаждения нижнего торцевого отражателя через направляющие ребра и наклонные форсунки, образует циклон, занимающий весь объем активной зоны, и поднимается снизу вверх к отверстиям выхода из активной зоны.A molten-salt nuclear reactor with an cavity-type core, consisting of a reactor vessel with a lid, housing protection shells nested in it, reflectors embedded in them, jointly forming a cavity-type cylindrical core and a fuel salt flow path, consisting of an inlet, pressure manifold, cooling channels reflectors and outlet, characterized in that the fuel salt flow path includes a downcomer section, consisting of two rows of channels in the side reflectors and side shells of the body protection from the reactor inlet to the pressure manifold, and an upstream section, consisting of cooling channels of the lower end reflector and the cavity the core, while the fuel salt, getting from the pressure manifold and the cooling channels of the lower end reflector through the guide ribs and inclined nozzles, forms a cyclone that occupies the entire volume of the core, and rises from the bottom up to the exit holes from the core.