BR112019028207A2 - área ativa de um reator nuclear - Google Patents
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Abstract
O núcleo de um reator nuclear
pertence à área da energia nuclear. A zona ativa de um reator nuclear
inclui pelo menos um módulo, moderadores de neutrões sólidos (4) e
líquidos. O módulo inclui um corpo (1), pelo menos um tubo de calor,
pelo menos um elemento gerador de calor e isolamento térmico (5). O tubo
de calor é feito na forma de um corpo (2) equipado com uma mecha (6) e
contém um transportador de calor. O elemento combustível é feito de
combustível nuclear (8) localizado na zona de evaporação do tubo de
calor em torno do seu corpo (2) em contacto térmico e fechado num
invólucro (3). Como transportador de calor do tubo de calor, são
utilizados metais de baixa fusão com alto ponto de ebulição, por
exemplo, lítio, cálcio, chumbo e prata. O isolamento térmico (5) está
colocado entre o invólucro (3) e o corpo (1) do módulo. Pelo menos um
orifício é feito no moderador de neutrões sólidos (4), no qual está
colocado pelo menos um módulo. O espaço entre o compartimento (1) do
módulo e o moderador sólido (4) de neutrões está preenchido com um
moderador líquido de neutrões. O resultado técnico é um aumento na
eficiência das instalações do reator e a expansão do escopo da zona
ativa.
Description
[001] A invenção refere-se à área de energia nuclear e pode ser usada em reatores com conversão direta de energia térmica em energia elétrica fora da área ativa, em particular com energia termoelétrica.
[002] A zona ativa conhecida com tubos térmicos [Pedido de Invenção dos EUA “Reator Rápido Móvel refrigerado por Tubos Térmicos” US N.º 2016/0027536 A1, publicado em 22/01/2016].
[003] A área ativa do reator, de acordo com o pedido especificado, contém elementos maciços de condução de calor de haste e tubos térmicos presos num bloco metálico. Os elementos combustíveis contêm combustível nuclear, refletores de neutrões superiores e inferiores e cavidades de gás localizadas acima e abaixo dos refletores. Os tubos térmicos contêm um corpo hermético cheio de líquido de evaporação e uma mecha. Os tubos de calor estão localizados de forma a transferir calor fora da área ativa para um líquido refrigerante gasoso, o corpo de trabalho da turbina de gás (ar ou СО2). Temperatura máxima do corpo de trabalho (ar) na entrada da turbina é de cerca de 1100 K.
[004] A desvantagem desta solução técnica é a temperatura relativamente baixa do líquido refrigerante na saída da área ativa, que não permite a conversão direta de energia térmica em energia elétrica.
[005] A mais próxima relativamente à solução técnica reivindicada é a zona ativa de um reator rápido SAIRS [M.S. El-Genk, J-M.P. Tournier, “SAIRS” – Scalable AMTEC Integrated Reactor Space Power System/Progress in Nuclear Energy, Vol. 45, No.1, pp. 25-34, 2004].
[006] A zona ativa inclui 60 módulos, composto por um tubo de condução de calor e 3 elementos de condução de calor. Os módulos estão localizados próximos uns aos outros e formam uma embalagem triangular. Os invólucros dos elementos condutores de calor são soldados ao corpo do tubo térmico através de inserções triédricas de rénio que transmitem o calor para o tubo térmico devido à condutividade térmica. Cada elemento de condução de calor possui uma cavidade de gás numa extremidade. Como combustível são usados comprimidos de nitreto de urânio com um enriquecimento de 83,7%.
[007] A desvantagem desta solução técnica é a temperatura relativamente baixa do condutor de calor (1200K) na saída da área ativa, o que impede o uso eficiente de conversores de energia termoelétrica, termiónica e termofotoelétrica.
[008] O objetivo da invenção é eliminar essa desvantagem, a saber, aumentar a temperatura do líquido refrigerante na saída da área ativa.
[009] O resultado técnico inclui o aumento do coeficiente de eficiência das centrais nucleares e a expansão do escopo da zona ativa, em particular para reatores de conversão de energia termofotovoltaica.
[010] Para eliminar essa desvantagem na área ativa do reator nuclear, incluindo módulos autónomos, os elementos de condução de calor, propõe-se: - a área ativa do reator nuclear fornece ainda um moderador de neutrões sólidos com orifícios; - os módulos da área ativa fornece os corpos e o posicionamento nos orifícios do moderador sólido de neutrões; - tubos térmicos e condutores de calor posicionar dentro dos corpos dos módulos; - o elemento de condução de calor executar a partir de um combustível nuclear, localizado na zona de evaporação de um tubo térmico ao redor do seu corpo em contato térmico, e preso num invólucro; - no espaço entre o invólucro do elemento de condução de calor e o corpo do módulo colocar o isolamento térmico; - o espaço entre os módulos e o moderador sólidos de neutrões é adicionalmente preenchido com um moderador de neutrões líquidos.
[011] Em casos particulares de execução do núcleo de um reator nuclear propõe-se: - em primeiro lugar, criar vácuo no corpo do módulo; - em segundo lugar, em outro caso específico, preencher o módulo com um gás inerte com baixa condutividade térmica, por exemplo, xénon; - em terceiro lugar, como moderador líquido de neutrões, utilizar água; - em quarto lugar, em outro caso específico, como moderador de neutrões líquidos, usar um líquido anticongelante, pelo menos até -40 °C, por exemplo, uma solução aquosa de álcool; - em quinto lugar, usar metais de baixo ponto de fusão com alto ponto de ebulição, por exemplo, lítio, cálcio, chumbo e prata tubos de condução de calor.
[012] A essência da invenção é apresentada nos desenhos, onde na fig. 1 ilustra a secção transversal de uma das opções da zona ativa do reator nuclear, na fig. 2 ‒ corte longitudinal de uma das opções para a execução do módulo do núcleo de um reator nuclear, na fig. 3 – ilustra a secção transversal de uma das opções da zona ativa do reator nuclear. As seguintes designações posicionais são adotadas nas figuras: 1 – corpo do módulo; 2 – corpo térmico da tubulação; 3 – invólucro do elemento condução de calor; 4 – moderador sólido de neutrões; 5 – isolamento térmico; 6 – tubos de mecha térmica; 7 – cobertura sólido do moderador; 8 – combustível nuclear. A invenção consiste no seguinte.
[013] A zona ativa de um reator nuclear inclui pelo menos um módulo da zona ativa, um moderador sólido de 4 neutrões e um moderador líquido de neutrões.
[014] O módulo da zona ativa de pelo menos um tubo de calor, pelo menos um elemento gerador de calor e isolamento térmico 5.
[015] O módulo do núcleo é feito na forma de um alojamento 1 de um material que absorve neutrões fracamente, por exemplo, uma liga de zircónio. No caso particular de execução, é criado vácuo no compartimento 1 do módulo da zona ativa. Em outro caso particular, é preenchido com um gás inerte com baixa condutividade térmica, por exemplo, xénon.
[016] O vácuo ou o gás inerte fornece proteção contra a corrosão dos materiais do alojamento 1 do módulo da zona ativa, do alojamento 2 do tubo de calor e do isolamento térmico 5.
[017] O tubo de calor é feito na forma de um invólucro 2, equipado com uma mecha 6, e contém um transportador de calor – um metal de baixo ponto de fusão com um alto ponto de ebulição.
[018] Em casos especiais de execução, são usados como transportador de calor do tubo de calor lítio, cálcio, chumbo e prata.
[019] O corpo 2 e a mecha 6 do tubo de aquecimento são feitos de material refratário, por exemplo, molibdénio.
[020] O tubo de calor é concebido para remover o calor gerado nos elementos combustíveis fora do núcleo de um reator nuclear.
[021] O elemento combustível é feito de combustível nuclear 8, localizado na zona de evaporação do tubo de calor em torno do seu corpo 2 em contacto térmico e fechado no invólucro 3;
[022] O invólucro 3 do elemento combustível é feita de um material refratário, por exemplo, molibdénio.
[023] São utilizados como material físsil para o combustível nuclear 8 isótopos de urânio ou plutónio na forma de óxidos, nitretos, carbonetos com um teor de isótopos físseis não superior a 20%.
[024] O objetivo dos elementos combustíveis é obter calor devido às reações nucleares que ocorrem no combustível nuclear 8.
[025] O isolamento térmico 5 é colocado dentro do módulo da zona ativa entre o seu corpo 1 e o invólucro 3 do elemento combustível. O isolamento térmico 5 é feito na forma de um escudo térmico de várias camadas feito de uma folha de metais refratários, por exemplo, molibdénio.
[026] O isolamento térmico 5 é feito na forma de um escudo térmico de várias camadas feito de uma folha de metais refratários, por exemplo, molibdénio.
[027] Um moderador de neutrões sólidos 4 é feito de um material que reduz a velocidade dos neutrões, por exemplo, berílio, na forma de um cilindro ou um poliedro com orifícios. Todo o material que desacelera o neutrão está cercado numa proteção 7 de moderador sólido 4. os módulos da zona ativa estão colocados nos orifícios do moderador sólido de 4 neutrões. O espaço entre os módulos da zona e o moderador sólido de 4 neutrões é preenchido com um moderador líquido de neutrões.
[028] Em casos particulares, a água é usada como moderador de neutrões líquidos ou líquidos que não congelam quando a temperatura é reduzida a pelo menos 40 °C negativos, por exemplo, soluções alcoólicas.
[029] Um moderador sólido de 4 neutrões e um moderador líquido são concebidos para obter o espectro térmico dos neutrões. Além disso, um moderador de neutrões líquidos desempenha a função de um líquido refrigerante, arrefecendo um moderador sólido de 4 neutrões e o alojamento 1 do módulo.
[030] A proteção 7 de um moderador sólido é concebido para proteger um moderador sólido de 4 neutrões dos efeitos corrosivos de um moderador líquido de neutrões. O núcleo de um reator nuclear funciona da seguinte maneira.
[031] No combustível nuclear 8 elementos combustíveis, há uma reação de fissão com a libertação de calor. O calor gerado é transferido através do corpo 2 do tubo de calor para o líquido refrigerante que preenche a mecha 6 do tubo de calor. O refrigerante evapora da mecha 6, o vapor do refrigerante preenche o espaço interno do corpo do tubo de calor 2, transporta o calor da vaporização para fora do núcleo do reator nuclear para o conversor de energia, condensa e retorna através da mecha 6 para a zona de evaporação do tubo de calor. A transferência de calor pelo transportador de calor por evaporação ocorre praticamente sem uma diferença de temperatura entre a fonte de calor e o seu consumidor, o que torna possível obter uma temperatura do transportador de calor relativamente alta (1500-1800K), não apenas na saída do núcleo do reator nuclear, mas também na entrada dos conversores de energia. Isso proporciona uma maior eficiência de uma central nuclear e expande o escopo dessas centrais.
[032] Um moderador de neutrões sólidos 4, juntamente com um moderador de neutrões líquidos, oferece a possibilidade de uma reação de fissão nuclear por neutrões térmicos no combustível nuclear pouco enriquecido 8. Um moderador de neutrões líquidos complementa a função do moderador sólido 4 e também atua como um refrigerante que resfria o moderador sólido 4 dos neutrões.
[033] Graças ao isolamento térmico 5, a fuga de calor através do compartimento do módulo 1 é minimizado, portanto, o moderador de neutrões líquidos tem uma temperatura baixa. Isso permite usar a água ou soluções aquosas de álcool à pressão atmosférica como moderador de líquidos. Modalidade específica do núcleo de um reator nuclear.
[034] Um moderador sólido de 4 neutrões composto por vários discos de berílio com um diâmetro de 760 mm e uma altura total de cerca de 700 mm com 217 orifícios com um diâmetro de 40 mm. Os discos de berílio são completamente cercados por uma proteção de zircónio E110. Os módulos da zona ativa estão colocados nos orifícios do moderador sólido de 4 neutrões. A água é usada como moderador de neutrões líquidos. Os orifícios no moderador sólido de 4 neutrões com módulos estão dispostos em círculos concêntricos com uma distância mínima entre os centros dos módulos de 42 mm.
[035] O módulo central de um reator nuclear é feito na forma de um corpo cilíndrico 1 com um diâmetro de cerca de 35 mm e uma espessura de parede de 1,5 mm, feita de liga de zircónio E110. Dentro do corpo 1 do módulo há um tubo de calor.
[036] O corpo 2 do tubo de calor com um diâmetro externo de cerca de 14 mm é feita de molibdénio. Na superfície interna do corpo do tubo de calor 2, está montado uma mecha de tubo de calor 6, feito de duas camadas de uma malha de molibdénio com uma malha quadrada de cerca de 40 µm. A mecha 6 do tubo de aquecimento é preenchido com lítio líquido. A zona de evaporação do tubo de calor juntamente com o combustível nuclear 8 está cercada no invólucro externo 3 do elemento combustível. Entre o invólucro 3 do elemento combustível e o corpo do módulo 1 é colocado o isolamento térmico 5, feito na forma de um escudo térmico de várias camadas feito de quatro camadas de molibdénio e cinco camadas de folha de zircónio. Um vácuo é criado no compartimento 1 do módulo com uma pressão de gás residual não superior a 10-1Па.
[037] O invólucro externo 3 do elemento combustível com um diâmetro externo de 20 mm e uma espessura de parede de 1 mm é feito de molibdénio, preenchido com comprimidos de combustível nuclear 8 de dióxido de urânio com um enriquecimento de 19,75%. A altura da coluna de combustível é de cerca de 500 mm. Um espaço anular (não ilustrado) é criado entre as pastilhas de combustível e o invólucro 3 do elemento combustível para desviar os produtos de fissão gasosa para a cavidade localizada acima do combustível nuclear 8. O número total de elementos combustíveis no núcleo é igual ao número de módulos. Quando a energia térmica da zona ativa é de 1200 kW, a potência média de um elemento gerador de calor é de cerca de 5,7 kW. A temperatura calculada da carcaça externa 3 do elemento combustível é de 1525 K. É usado Li7 como transportador de calor de tubos de calor, a água à pressão atmosférica é usada como moderador de líquidos.
[038] As vantagens do núcleo proposto para um reator nuclear em comparação com a solução técnica mais próxima incluem um aumento da temperatura do líquido de arrefecimento na saída do núcleo de 1200 K para 1500 K e superior, o que leva a um aumento na eficiência das centrais nucleares. Além disso, isso permite expandir o escopo da zona ativa, em particular, para reatores com conversão de energia termofotoelétrica.
Lista de termos
[039] Área ativa do reator nuclear - Corpo do módulo - Corpo do tubo de calor - Invólucro do elemento de combustível - Moderador de neutrões sólidos - Isolação térmica - Pavio de tubo de calor - Proteção sólida para moderadores
- Combustível nuclear + água (não numerada no desenho) + líquido refrigerante + vapor refrigerante + moderador de neutrões líquidos
[040] Zona ativa = moderador de neutrões sólidos + módulo da zona ativa+ moderador de neutrões líquidos.
[041] Módulo da zona ativa = corpo do módulo + tubo de calor + elementos condutores de calor + isolamento térmico
[042] Tubo de calor = corpo de tubulação térmica + mecha de tubo de calor + condutor de calor.
[043] Elemento condutor de calor = combustível + invólucro
Claims (6)
1.A zona ativa de um reator nuclear incluindo pelo menos um módulo, pelo menos um tubo de calor, incluindo um corpo, uma mecha e um transportador de calor, e pelo menos um elemento combustível que consiste em combustível nuclear e um invólucro, caracterizado por a zona ativa ser ainda fornecida com um sólido um moderador de neutrões com pelo menos um orifício no qual pelo menos um módulo é colocado, provido de um corpo, um tubo de calor colocado dentro do alojamento do módulo, o elemento combustível é feito de combustível nuclear, localizado na zona de evaporação do tubo de calor em torno do seu corpo em contacto térmico, e envolto por um invólucro, entre o invólucro e o corpo do módulo está o isolamento térmico, e o espaço entre o corpo do módulo e o moderador de neutrões sólidos está preenchido com um moderador de neutrões líquidos.
2. A zona ativa de um reator nuclear de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o vácuo ser criado no corpo do módulo.
3. A zona ativa de um reator nuclear de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o corpo do módulo estar preenchido com um gás inerte com baixa condutividade térmica, por exemplo, xenónio.
4. A zona ativa de um reator nuclear, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por os metais de baixo ponto de fusão com alto ponto de ebulição, por exemplo, lítio, cálcio, chumbo, prata, serem usados como transportador de calor do tubo de calor.
5. A zona ativa de um reator nuclear de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o uso de água como moderador de neutrões líquidos.
6. A zona ativa de um reator nuclear, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por os líquidos anticongelantes serem usados como moderadores de neutrões líquidos, pelo menos até menos 40 °C, por exemplo, uma solução aquosa de álcool.
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