EA042249B1 - NUCLEAR REACTOR WITH LIQUID METAL COOLANT - Google Patents

NUCLEAR REACTOR WITH LIQUID METAL COOLANT Download PDF

Info

Publication number
EA042249B1
EA042249B1 EA202291206 EA042249B1 EA 042249 B1 EA042249 B1 EA 042249B1 EA 202291206 EA202291206 EA 202291206 EA 042249 B1 EA042249 B1 EA 042249B1
Authority
EA
Eurasian Patent Office
Prior art keywords
hot chamber
hot
coolant
shell
nuclear reactor
Prior art date
Application number
EA202291206
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Александр Владиславович Дедуль
Сергей Владимирович Самкотрясов
Георгий Ильич ТОШИНСКИЙ
Юрий Александрович Арсеньев
Михаил Петрович ВАХРУШИН
Original Assignee
Акционерное Общество "Акмэ-Инжиниринг"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Акционерное Общество "Акмэ-Инжиниринг" filed Critical Акционерное Общество "Акмэ-Инжиниринг"
Publication of EA042249B1 publication Critical patent/EA042249B1/en

Links

Description

Область техникиTechnical field

Изобретение относится к ядерной энергетике, в частности к обеспечению безопасности ядерных реакторов (ЯР), прежде всего реакторов с тяжелым жидкометаллическим теплоносителем (ТЖМТ) на основе свинца или сплавов на основе свинца и висмута.The invention relates to nuclear power, in particular to the safety of nuclear reactors (NR), primarily reactors with heavy liquid metal coolant (HLMT) based on lead or alloys based on lead and bismuth.

При выборе теплотехнических параметров ЯР, в частности максимальной температуры теплоносителя, ограничивающими факторами являются прежде всего коррозионная стойкость материалов и прочностные характеристики, связанные с особенностями нагружения конструкции. При этом максимальная температура теплоносителя в реакторах с жидкометаллическим охлаждением, как правило, достигается на выходе из активной зоны. Обычно подогрев теплоносителя в активной зоне носит неравномерный характер, что связано с неравномерностью расхода теплоносителя по радиусу активной зоны и неравномерностью поля энерговыделения по объему активной зоны. Таким образом, элементы конструкции, располагающиеся в области выхода теплоносителя из активной зоны находятся под воздействием теплоносителя с максимальными температурами и температурными неоднородностями.When choosing the thermal parameters of a nuclear reactor, in particular, the maximum coolant temperature, the limiting factors are, first of all, the corrosion resistance of materials and the strength characteristics associated with the loading features of the structure. In this case, the maximum coolant temperature in reactors with liquid metal cooling, as a rule, is reached at the exit from the core. Usually, the heating of the coolant in the core is uneven, which is due to the uneven flow of the coolant along the radius of the core and the unevenness of the energy release field over the volume of the core. Thus, the structural elements located in the area of the coolant outlet from the core are under the influence of the coolant with maximum temperatures and temperature inhomogeneities.

Предпринимаются специальные меры по выравниванию нагрева теплоносителя в активной зоне, однако эффективность этих мер ограничена, и неравномерность температуры теплоносителя на выходе из активной зоны в реакторах с ТЖМТ может достигать нескольких десятков градусов. В зависимости от типа теплоносителя второго контура ЯР, схемы циркуляции теплоносителя в камере над активной зоной и по пути к теплообменнику или парогенератору происходит перемешивание теплоносителя и постепенное выравнивание температуры теплоносителя. Повышению надежности и безопасности реакторной установки способствует применение специальных конструктивных решений, ограничивающих воздействие неблагоприятных факторов, таких как высокие значения локальных температур в камере на выходе из активной зоны или высоких градиентов температур в элементах конструкции, ограничивающих указанную камеру.Special measures are being taken to equalize the heating of the coolant in the core, but the effectiveness of these measures is limited, and the non-uniformity of the coolant temperature at the exit from the core in HLMC reactors can reach several tens of degrees. Depending on the type of coolant in the NR secondary circuit, the coolant circulation scheme in the chamber above the core and on the way to the heat exchanger or steam generator, the coolant is mixed and the coolant temperature is gradually equalized. An increase in the reliability and safety of the reactor facility is facilitated by the use of special design solutions that limit the impact of unfavorable factors, such as high local temperatures in the chamber at the exit from the core or high temperature gradients in the structural elements that limit the specified chamber.

Уровень техникиState of the art

Из патента RU 2461085 известен реактор с ТЖМТ бассейнового типа. Недостатком конструкции такого типа реакторов является большой объем горячего теплоносителя, температура которого соответствует температуре выхода из активной зоны. Как следствие, часть внутрикорпусных элементов, соединительные элементы между приводами органов системы управления и защиты (СУЗ) и органами воздействия на реактивность (стержнями или сборками стержней СУЗ) находятся под воздействием высоких температур и/или больших градиентов температур.From patent RU 2461085 known reactor with HLMT pool type. The disadvantage of the design of this type of reactor is the large volume of hot coolant, the temperature of which corresponds to the temperature of the exit from the core. As a result, part of the internal elements, the connecting elements between the drives of the control and protection system (CPS) and the reactivity control elements (rods or assemblies of CPS rods) are exposed to high temperatures and / or large temperature gradients.

Из патента RU 2153708 известен реактор с ТЖМТ интегрального типа. Основным преимуществом реакторов такого типа является возможность размещения в одном корпусе ЯР активной зоны, насоса, обеспечивающего циркуляцию теплоносителя в первом контуре ЯР, и теплообменника (парогенератора) для отвода генерируемого в активной зоне тепла.From patent RU 2153708 known reactor with HLMT integral type. The main advantage of reactors of this type is the possibility of placing the core, a pump that circulates the coolant in the primary circuit of the nuclear reactor, and a heat exchanger (steam generator) to remove the heat generated in the core in one NR vessel.

Температурные градиенты в элементах конструкции, отделяющих горячий теплоноситель с температурой выхода из активной зоны от холодного теплоносителя после выхода из теплообменника (парогенератора), играют существенную роль при разработке конструкции ЯР. С учетом того, что в современных конструкциях ЯР с ТЖМТ разность между максимальной температурой и минимальной температурой в первом контуре лежит, как правило, в диапазоне 100-150°C, для создания благоприятных рабочих условий для внутрикорпусных элементов конструкции, разделяющих горячие и холодные потоки теплоносителя, требуется разработка специальных конструктивных решений.Temperature gradients in the structural elements separating the hot coolant with the exit temperature from the core from the cold coolant after leaving the heat exchanger (steam generator) play a significant role in the development of the nuclear reactor design. Taking into account the fact that in modern designs of nuclear reactors with HLMC, the difference between the maximum temperature and the minimum temperature in the primary circuit is, as a rule, in the range of 100-150°C, in order to create favorable working conditions for internal structural elements separating hot and cold coolant flows requires the development of special design solutions.

Важной особенностью известных ЯР с ТЖМТ является необходимость контроля концентрации кислорода в определенном диапазоне. Присутствие кислорода в теплоносителе необходимо для формирования защитных оксидных покрытий на поверхности сталей, что предупреждает выход в теплоноситель металлических примесей, прежде всего железа, ввиду коррозионных и эрозионных процессов преимущественно в горячей части первого контура. При выходе в первый контур значительных объемов примесей железа необходимо использовать специальные системы для их улавливания, что усложняет конструкцию ЯР.An important feature of the known NR with HLMT is the need to control the oxygen concentration in a certain range. The presence of oxygen in the coolant is necessary for the formation of protective oxide coatings on the surface of steels, which prevents the release of metal impurities, primarily iron, into the coolant, due to corrosion and erosion processes mainly in the hot part of the primary circuit. When significant volumes of iron impurities enter the primary circuit, it is necessary to use special systems to capture them, which complicates the design of the nuclear reactor.

Таким образом, максимальное ограничение площади поверхностей, контактирующих с горячим теплоносителем, позволит существенно снизить тепловую нагрузку на внутрикорпусные элементы ЯР, и является задачей, которая должна быть решена применением специальных конструктивных решений.Thus, the maximum limitation of the area of surfaces in contact with the hot coolant will significantly reduce the thermal load on the internal elements of the nuclear reactor, and is a task that must be solved by using special design solutions.

Патент РФ RU 2521863 раскрывает ядерный реактор с жидкометаллическим теплоносителем, содержащий корпус, внутри которого установлена разделительная оболочка, образующая кольцевое пространство, и в котором размещают по меньшей мере один парогенератор и по меньшей мере один насос, установленные каждый в своей обечайке. Внутри разделительной оболочки, в ее верхней части, размещена защитная пробка, а в нижней части - активная зона, над которой расположен горячий коллектор, сообщающийся с парогенератором по высоте в средней или верхней части парогенератора посредством входного патрубка для разделения потока жидкометаллического теплоносителя на восходящий и нисходящий потоки, омывающие соответственно верхнюю и нижнюю части парогенератора.RF patent RU 2521863 discloses a nuclear reactor with a liquid metal coolant, containing a housing, inside which a separating shell is installed, forming an annular space, and in which at least one steam generator and at least one pump are installed, each installed in its own shell. Inside the separating shell, in its upper part, there is a protective plug, and in the lower part there is an active zone, above which there is a hot collector that communicates with the steam generator along the height in the middle or upper part of the steam generator by means of an inlet pipe for separating the liquid metal coolant flow into ascending and descending streams washing respectively the upper and lower parts of the steam generator.

Ядерный реактор с жидкометаллическим охлаждением согласно патенту РФ RU 2408094 содержит горячий коллектор над активной зоной и холодный коллектор, окружающий горячий коллектор, разделенные разделяющей конструкцией, где циркулирует первичная текучая среда для охлаждения активнойA nuclear reactor with liquid metal cooling according to RF patent RU 2408094 contains a hot collector above the active zone and a cold collector surrounding the hot collector, separated by a separating structure, where the primary fluid circulates to cool the active

- 1 042249 зоны. Реактор также включает по меньшей мере одну интегрированную сборку циркуляции и теплообмена, содержащую насос, по меньшей мере один теплообменник и конвейерную конструкцию, через которую первичная текучая среда проходит от насоса к теплообменнику, причем последние прочно соединены друг с другом для образования единой конструкции. Интегрированная сборка размещена полностью в холодном коллекторе и имеет впускное отверстие, присоединенное к горячему коллектору, и по меньшей мере одну выпускную секцию в холодном коллекторе.- 1 042249 zones. The reactor also includes at least one integrated circulation and heat exchange assembly comprising a pump, at least one heat exchanger, and a conveyor structure through which the primary fluid passes from the pump to the heat exchanger, the latter being firmly connected to each other to form a single structure. The integrated assembly is located entirely in the cold manifold and has an inlet attached to the hot manifold and at least one outlet section in the cold manifold.

Недостатком указанных известных ЯР является значительный перепад температур в патрубке, через который горячий поток теплоносителя выходит в парогенератор или насос для последующего охлаждения, что влияет на срок службы и надежность данного элемента конструкции.The disadvantage of these well-known NRs is a significant temperature difference in the pipe through which the hot coolant flow enters the steam generator or pump for subsequent cooling, which affects the service life and reliability of this structural element.

Ближайшим аналогом заявленного изобретения является ЯР согласно патенту РФ RU 2331939. В указанном патенте раскрыта конструкция ядерного реактора с преимущественным использованием в качестве теплоносителя первого контура жидкометаллического теплоносителя. Тепловая защита корпуса реактора содержит корзину активной зоны, кольцевые стальные обечайки, установленные и закрепленные в корзине, и разделительную обечайку, закрепленную на днище корпуса. В состав теплового экрана входят блоки с карбидом бора; они расположены за разделительной обечайкой и образуют в плане многослойный кольцевой экран по всей высоте активной зоны. Зазоры между указанными блоками одного слоя перекрываются блоками следующего слоя.The closest analogue of the claimed invention is NR according to RF patent RU 2331939. This patent discloses the design of a nuclear reactor with the predominant use of a liquid metal coolant as a primary coolant. The thermal protection of the reactor pressure vessel contains a core basket, annular steel shells installed and fixed in the basket, and a separating shell fixed to the bottom of the vessel. The composition of the thermal screen includes blocks with boron carbide; they are located behind the separating shell and form a multilayer annular screen in plan over the entire height of the core. The gaps between the specified blocks of one layer are overlapped by the blocks of the next layer.

Недостатком ближайшего аналога является жесткое закрепление обечаек в корпусе реактора, что при соприкосновении обечаек с потоком горячего теплоносителя, выходящего из активной зоны, будет создавать значительную тепловую нагрузку в узлах соединения элементов и может привести к возникновению протечек теплоносителя. Жесткое закрепление обечаек, соприкасающихся с потоком горячего теплоносителя, также усложняет проведение регламентных и ремонтных работ.The disadvantage of the closest analogue is the rigid fastening of the shells in the reactor vessel, which, when the shells come into contact with the hot coolant flow leaving the core, will create a significant thermal load in the junctions of the elements and can lead to coolant leaks. The rigid fastening of the shells in contact with the hot coolant flow also complicates routine maintenance and repair work.

Раскрытие сущности изобретенияDisclosure of the essence of the invention

Техническими задачами, решаемыми в заявленном изобретении, являются сокращение объема и площади поверхностей внутрикорпусных конструкционных элементов реактора, контактирующих с потоком горячего теплоносителя, обеспечение теплоизоляции горячей камеры и благоприятного температурного режима для внутрикорпусных конструкционных элементов, при котором перепады температур ограничены величинами, при которых температурные напряжения не превышают предел текучести, а также обеспечение удобства сборки и контроль протечек теплоносителя в разъемных соединениях.The technical problems solved in the claimed invention are the reduction of the volume and surface area of the internal structural elements of the reactor in contact with the hot coolant flow, the provision of thermal insulation of the hot chamber and a favorable temperature regime for the internal structural elements, in which temperature drops are limited to values at which thermal stresses do not exceed the yield point, as well as ensuring ease of assembly and control of coolant leaks in detachable connections.

Техническим результатом заявленного изобретения является снижение тепловой нагрузки на элементы горячей камеры, прежде всего корпуса горячей камеры и патрубков отвода горячего теплоносителя, в том числе сглаживание и снижение градиента температур, возникающих в указанных элементах, и как следствие повышение срока их службы, а также всего ЯР.The technical result of the claimed invention is to reduce the thermal load on the elements of the hot chamber, primarily the body of the hot chamber and the hot coolant outlet pipes, including smoothing and reducing the temperature gradient that occurs in these elements, and as a result, increasing their service life, as well as the entire nuclear reactor .

Поставленные технические задачи решаются, а заявленный технический результат достигается тем, что ядерный реактор интегрального типа с жидкометаллическим теплоносителем содержит корпус реактора с нижней камерой, активной зоной, горячей камерой, верхней камерой и теплообменниками, причем горячая камера размещена над активной зоной и содержит корпус горячей камеры, по существу, цилиндрической формы с патрубками отвода горячего теплоносителя, поступающего из активной зоны в теплообменники. Корпус горячей камеры содержит внутреннюю обечайку горячей камеры и по меньшей мере одну дополнительной обечайку горячей камеры, установленную с зазором снаружи и концентрично внутренней обечайке горячей камеры, контактирующую с внешней стороны с холодным теплоносителем и формирующей по меньшей мере один канал сообщающийся с холодным теплоносителем. При этом каждый патрубок содержит внутреннюю обечайку патрубка и по меньшей мере одну дополнительную обечайку патрубка, установленную с зазором снаружи и концентрично внутренней обечайке патрубка, контактирующую с внешней стороны с холодным теплоносителем и формирующую по меньшей мере один канал сообщающийся с холодным теплоносителем. В указанные по меньшей мере один канал горячей камеры и по меньшей мере один канал патрубка холодный теплоноситель поступает с выхода теплообменников.The set technical problems are solved, and the claimed technical result is achieved by the fact that the integral-type nuclear reactor with a liquid metal coolant contains a reactor vessel with a lower chamber, an active zone, a hot chamber, an upper chamber and heat exchangers, and the hot chamber is located above the active zone and contains a hot chamber vessel , essentially cylindrical in shape with nozzles for removing the hot coolant coming from the core to the heat exchangers. The body of the hot chamber contains an inner shell of the hot chamber and at least one additional shell of the hot chamber, installed with a gap outside and concentric to the inner shell of the hot chamber, in contact with the cold coolant from the outside and forming at least one channel communicating with the cold coolant. In this case, each branch pipe contains an inner shell of the pipe and at least one additional shell of the pipe, installed with a gap outside and concentric to the inner shell of the pipe, in contact with the cold coolant from the outside and forming at least one channel communicating with the cold coolant. The cold heat carrier enters at least one channel of the hot chamber and at least one channel of the branch pipe from the outlet of the heat exchangers.

Описанная конструкция горячей зоны ЯР позволяет равномерно распределить температуру по корпусу горячей камеры и патрубку, а также снизить тепловую нагрузку на указанные элементы конструкции ЯР, что положительно сказывается на их надежности и сроке службы.The described design of the NR hot zone makes it possible to evenly distribute the temperature over the body of the hot chamber and the branch pipe, as well as to reduce the thermal load on the indicated elements of the NR design, which has a positive effect on their reliability and service life.

Возможны также частные варианты исполнения изобретения, в которых также решается поставленные задачи и достигается заявленный технический результат.There are also private versions of the invention, in which the tasks are also solved and the claimed technical result is achieved.

Так, для дополнительного обеспечения равномерного распределения температуры по корпусу горячей камеры и патрубку по меньшей мере в одной дополнительной обечайке горячей камеры и/или по меньшей мере в одной дополнительной обечайке патрубка выполняют сквозные отверстия. Указанные сквозные отверстия обеспечивают дополнительный проток теплоносителя в тех случаях, когда протяженность каналов, замыкающихся на камеры с холодным теплоносителем, значительна и препятствует протоку теплоносителя в них. Проток теплоносителя необходим, в том числе, для поддержания необходимой концентрации растворенного в теплоносителе кислорода в каналах. Форма отверстий может быть произвольной и определяется только функциональным назначением этих отверстий. Требования к уровню концентрации кислорода определяются известными соотношениями.So, to additionally ensure uniform temperature distribution over the body of the hot chamber and the branch pipe, through holes are made in at least one additional shell of the hot chamber and/or in at least one additional shell of the nozzle. These through holes provide an additional flow of the coolant in cases where the length of the channels closing on the chambers with cold coolant is significant and prevents the coolant from flowing into them. The coolant flow is necessary, among other things, to maintain the required concentration of oxygen dissolved in the coolant in the channels. The shape of the holes can be arbitrary and is determined only by the functional purpose of these holes. The requirements for the level of oxygen concentration are determined by known ratios.

- 2 042249- 2 042249

Интенсивность потока теплоносителя, проходящего в зазорах между обечайками, регулируется, в том числе, шириной зазоров между обечайками и отверстиями в дополнительных обечайках. Указанная интенсивность подбирается таким образом, чтобы обеспечить равномерное распределение перепада температур между внутренней обечайкой и соответствующими дополнительными обечайками, предпочтительно по линейному закону.The intensity of the coolant flow passing through the gaps between the shells is regulated, among other things, by the width of the gaps between the shells and the holes in the additional shells. The specified intensity is selected in such a way as to ensure a uniform distribution of the temperature difference between the inner shell and the corresponding additional shells, preferably in a linear fashion.

Для обеспечения удобства и надежности сборки, компенсации температурных перемещений элементов, сопряжения пробки, внутренней обечайки горячей камеры и внутренней обечайки патрубка, а также для исключения попадания горячего теплоносителя в полости между дополнительными обечайками и/или внутренними обечайками и соответствующими дополнительными обечайками, в конструкции горячей камеры могут быть предусмотрены уплотнения с поршневыми кольцами. В частности, является предпочтительным, если между внутренней обечайкой горячей камеры и пробкой размещено по меньшей мере одно первое уплотняющее поршневое кольцо, между внутренней обечайкой горячей камеры и соседней с ней дополнительной обечайкой горячей камеры размещено по меньшей мере одно второе уплотняющее поршневое кольцо, и между внутренней обечайкой патрубка и соседней с ней дополнительной обечайкой патрубка размещено по меньшей мере одно третье уплотняющее поршневое кольцо.To ensure the convenience and reliability of assembly, compensation for temperature movements of the elements, mating the plug, the inner shell of the hot chamber and the inner shell of the branch pipe, as well as to prevent the ingress of hot coolant into the cavities between the additional shells and / or inner shells and the corresponding additional shells, in the design of the hot chamber piston ring seals may be provided. In particular, it is preferable if at least one first sealing piston ring is placed between the inner shell of the hot chamber and the plug, at least one second sealing piston ring is placed between the inner shell of the hot chamber and the additional shell of the hot chamber adjacent to it, and between the inner At least one third sealing piston ring is placed by the pipe shell and the additional pipe shell adjacent to it.

Поршневые кольца предпочтительно изготавливают из высокопрочного и коррозионностойкого материала, например, серого чугуна с пластинчатым графитом, легированного хромом и кремнием.Piston rings are preferably made from a high strength and corrosion resistant material, such as gray cast iron with lamellar graphite alloyed with chromium and silicon.

В вертикальном направлении, выше активной зоны, горячая камера ограничена пробкой. Предпочтительная форма пробки - конусовидная трапеция, что позволяет сгладить направление потока горячего теплоносителя, выходящего из активной зоны, и повернуть поток ориентировочно на 90°, чтобы облегчить его прохождение из горячей камеры в патрубок отвода горячего теплоносителя, что положительно сказывается на распределении тепловой нагрузки, приходящейся на компоненты горячей камеры. В частности, пробка может состоять по меньшей мере из двух дисковых элементов, установленных с зазором один над другим и выполненных из стали.In the vertical direction, above the active zone, the hot chamber is limited by a plug. The preferred shape of the plug is a cone-shaped trapezoid, which makes it possible to smooth the direction of the hot coolant flow leaving the core and rotate the flow by approximately 90° to facilitate its passage from the hot chamber to the hot coolant outlet pipe, which has a positive effect on the distribution of the heat load attributable to on the hot cell components. In particular, the plug may consist of at least two disk elements, spaced one above the other and made of steel.

Далее возможные варианты осуществления изобретения более подробно раскрываются со ссылками на фигуры.Further, possible embodiments of the invention are disclosed in more detail with reference to the figures.

Краткое описание чертежейBrief description of the drawings

На фиг. 1 представлен 3-D вид реактора интегрального типа согласно изобретению.In FIG. 1 is a 3-D view of an integral type reactor according to the invention.

На фиг. 2 представлен фрагмент А 3-D вида реактора.In FIG. 2 shows fragment A of a 3-D view of the reactor.

На фиг. 3 приведен разрез 1-1 реактора интегрального типа согласно изобретению.In FIG. 3 shows a section 1-1 of an integral type reactor according to the invention.

На фиг. 4 приведен разрез 2-2 реактора интегрального типа согласно изобретению.In FIG. 4 shows a section 2-2 of an integral type reactor according to the invention.

На фиг. 5 приведена область патрубка отвода потока горячего теплоносителя в разрезе.In FIG. Figure 5 shows the area of the hot coolant flow outlet branch pipe in section.

Ни фиг. 6 приведен вариант реализации отводя горячего теплоносителя только вверх.No fig. 6 shows a variant of the implementation of the removal of the hot coolant only upwards.

Позициями на фигурах показаны:The positions in the figures show:

- корпус реактора;- reactor vessel;

- нижняя камера;- down Cam;

- активная зона;- active zone;

- горячая камера;- hot chamber;

- верхняя камера;- upper chamber;

- теплообменник (парогенератор);- heat exchanger (steam generator);

- насос;- pump;

- канал подачи теплоносителя;- coolant supply channel;

- патрубок;- pipe branch;

- корпус горячей камеры;- body of the hot chamber;

- пробка;- cork;

- внутренняя обечайка горячей камеры;- inner shell of the hot chamber;

- дополнительная обечайка горячей камеры;- additional shell of the hot chamber;

- охлаждающий канал горячей камеры;- cooling channel of the hot chamber;

- внутренняя обечайка патрубка;- inner shell of the branch pipe;

- дополнительная обечайка патрубка;- additional shell of the branch pipe;

- охлаждающий канал патрубка;- cooling channel of the branch pipe;

- выход теплообменника;- heat exchanger outlet;

- первое уплотняющее поршневое кольцо;- the first sealing piston ring;

- третье уплотняющее поршневое кольцо;- the third sealing piston ring;

- дисковый элемент пробки.- a disk element of a stopper.

В общем случае ядерный реактор, упрощенно показанный на фиг. 3, включает корпус 1 реактора, в котором размещены нижняя камера 2, активная зона 3, горячая камера 4, верхняя камера 5 и теплообменники (парогенераторы) 6. Назначение каждого из указанных компонентов ЯР хорошо известно специалисту в данной области техники и не требует дополнительных пояснений, поэтому далее будут описаны только особенности исполнения отдельных компонентов ЯР, относящиеся к настоящему изобретению.In general, a nuclear reactor, simplified in FIG. 3, includes a reactor vessel 1, in which the lower chamber 2, the core 3, the hot chamber 4, the upper chamber 5 and the heat exchangers (steam generators) 6 are located. , therefore, only the features of the execution of individual components of the NR related to the present invention will be described below.

Стрелками на фигурах показаны направления потоков теплоносителя.The arrows in the figures show the directions of the coolant flows.

- 3 042249- 3 042249

Холодный теплоноситель посредством насоса 7 подается в нижнюю камеру 2, откуда по каналам 8 подачи теплоносителя поступает на вход в активную зону 3. В активной зоне 3 теплоноситель нагревается и поступает в горячую камеру 4, размещенную над активной зоной 3, с температурой выхода из активной зоны. Далее горячий теплоноситель направляется в патрубки 9 отвода горячего теплоносителя, которые обеспечивают подачу потока горячего теплоносителя в теплообменники (парогенераторы) 6.The cold coolant is fed through the pump 7 into the lower chamber 2, from where it enters the core 3 through the coolant supply channels 8. In the core 3, the coolant is heated and enters the hot chamber 4, located above the core 3, with the temperature of the exit from the core . Next, the hot coolant is sent to the hot coolant outlet pipes 9, which provide the hot coolant flow to the heat exchangers (steam generators) 6.

Горячая камера 4 (фиг. 2) содержит корпус 10 горячей камеры, по существу, цилиндрической формы с патрубками 9 отвода горячего теплоносителя, поступающего из активной зоны в теплообменники 6, и пробку 11.The hot chamber 4 (Fig. 2) contains a body 10 of the hot chamber, essentially cylindrical in shape with branch pipes 9 for the removal of the hot coolant coming from the core to the heat exchangers 6, and a plug 11.

Согласно изобретению, корпус 10 горячей камеры содержит внутреннюю обечайку 12 горячей камеры и по меньшей мере одну дополнительную обечайку 13 горячей камеры. Дополнительные обечайки 13 горячей камеры установлены с зазором снаружи от внутренней обечайки 12 горячей камеры и концентрично ей, таким образом формируя по меньшей мере один охлаждающий канал 14 горячей камеры.According to the invention, the hot cell body 10 comprises an inner hot cell shell 12 and at least one additional hot cell shell 13. The additional hot cell shells 13 are spaced outside and concentric to the inner hot cell shell 12, thus forming at least one hot cell cooling channel 14 .

Согласно изобретению, каждый патрубок 9 также содержит внутреннюю обечайку 15 патрубка и по меньшей мере одну дополнительную обечайку 16 патрубка, установленную с зазором снаружи и концентрично внутренней обечайке 15 патрубка и формирующую по меньшей мере один охлаждающий канал 17 патрубка.According to the invention, each nozzle 9 also contains an inner shell 15 of the nozzle and at least one additional shell 16 of the nozzle, installed with a gap outside and concentric with the inner shell 15 of the nozzle and forming at least one cooling channel 17 of the nozzle.

Охлаждающие каналы 14 горячей камеры и охлаждающие каналы 17 патрубка сообщаются с выходами 18 (фиг. 3) теплообменников для направления потока охлажденного теплоносителя в указанные охлаждающие каналы 14, 17.The cooling channels 14 of the hot chamber and the cooling channels 17 of the branch pipe communicate with the outlets 18 (Fig. 3) of the heat exchangers to direct the flow of the cooled coolant into these cooling channels 14, 17.

На фиг. 3 показано, что после входа горячего теплоносителя в теплообменник 6 поток разделяется на две части: Первая часть потока горячего теплоносителя, движущаяся вверх, охлаждается теплоносителем второго контура и поступает в верхнюю камеру 5. Вторая часть потока горячего теплоносителя, движущаяся вниз, также охлаждается теплоносителем второго контура и поступает на выход 18 теплообменника, где разворачивается и движется в направлении вверх по охлаждающим каналам 14, 17.In FIG. 3 shows that after the hot coolant enters the heat exchanger 6, the flow is divided into two parts: The first part of the hot coolant flow, moving upward, is cooled by the coolant of the second circuit and enters the upper chamber 5. The second part of the hot coolant flow, moving downward, is also cooled by the coolant of the second circuit and enters the outlet 18 of the heat exchanger, where it turns around and moves upward along the cooling channels 14, 17.

Такое движение теплоносителя, включающее его прохождение по охлаждающим каналам 14, 17, способствует выравниванию температуры по поперечному сечению корпуса 10 горячей камеры и патрубка, снижению на них тепловой нагрузки и возникающих термических напряжений, что сказывается на надежности работы и сроке службы данных конструкционных элементов ЯР.Such a movement of the coolant, including its passage through the cooling channels 14, 17, contributes to equalizing the temperature along the cross section of the body 10 of the hot chamber and the branch pipe, reducing the thermal load on them and the resulting thermal stresses, which affects the reliability of operation and the service life of these structural elements of the nuclear reactor.

Величину зазоров между внутренними обечайками 12, 15 и соответствующими дополнительными обечайками 13, 16, а также между соответствующими дополнительными обечайками 13, 16 подбирают таким образом, чтобы в результате температурных расширений и перемещений элементов конструкции ЯР не возникало прямого контакта между указанными обечайками, т.е. чтобы в любом случае между указанными обечайками оставался гарантированный зазор для циркуляции теплоносителя в охлаждающих каналах 14, 17.The size of the gaps between the inner shells 12, 15 and the corresponding additional shells 13, 16, as well as between the corresponding additional shells 13, 16, is selected in such a way that as a result of thermal expansions and movements of the structural elements of the nuclear reactor, there is no direct contact between these shells, i.e. . so that in any case a guaranteed gap remains between the said shells for the circulation of the coolant in the cooling channels 14, 17.

Расход теплоносителя, подаваемого в охлаждающие каналы 14, 17 рассчитывают таким образом, чтобы теплопередача вдоль охлаждающих каналов 14, 17 была существенно меньше теплопередачи между внутренними обечайками 12, 15 и соответствующими дополнительными обечайками 13, 16, а также между соответствующими дополнительными обечайками 13, 16.The flow rate of the coolant supplied to the cooling channels 14, 17 is calculated in such a way that the heat transfer along the cooling channels 14, 17 is significantly less than the heat transfer between the inner shells 12, 15 and the corresponding additional shells 13, 16, as well as between the respective additional shells 13, 16.

Кроме того, согласно настоящему изобретению, по меньшей мере в одной дополнительной обечайке 13 горячей камеры и/или по меньшей мере в одной дополнительной обечайке 16 патрубка (фиг. 5б, 5в) могут быть выполнены сквозные отверстия. Указанные сквозные отверстия обеспечивают проток горячего теплоносителя, как это показано стрелками на рисунках. Форма отверстий может быть произвольной и определяется только функциональным назначением этих отверстий. Интенсивность потока теплоносителя, проходящего по охлаждающим каналам 14, 17, регулируется, в том числе, и указанными сквозными отверстиями в дополнительных обечайках. Эта интенсивность подбирается таким образом, чтобы обеспечить равномерное распределение перепада температур между внутренней обечайкой 12, 15 и соответствующими дополнительными обечайками 13, 16, предпочтительно по линейному закону.In addition, according to the present invention, through holes can be made in at least one additional shell 13 of the hot chamber and/or in at least one additional shell 16 of the nozzle (Fig. 5b, 5c). These through holes provide hot coolant flow, as shown by arrows in the figures. The shape of the holes can be arbitrary and is determined only by the functional purpose of these holes. The intensity of the coolant flow passing through the cooling channels 14, 17 is regulated, among other things, by the indicated through holes in the additional shells. This intensity is selected in such a way as to ensure a uniform distribution of the temperature difference between the inner shell 12, 15 and the corresponding additional shells 13, 16, preferably in a linear fashion.

Для исключения возникновения больших напряжений при перемещениях конструкционных элементов ЯР в результате температурного расширения внутренние обечайки 12, 15 не имеют прочного соединения соответствующими ответными компонентами ЯР. При этом должны быть предусмотрены подвижные уплотнения, предпочтительным вариантом которых являются уплотнения типа поршневых колец.To avoid the occurrence of large stresses when moving the structural elements of the nuclear reactor as a result of thermal expansion, the inner shells 12, 15 do not have a strong connection with the corresponding mating components of the nuclear reactor. In this case, movable seals must be provided, the preferred option of which are seals of the piston ring type.

Так, между внутренней обечайкой 12 горячей камеры и пробкой 11 может размещено по меньшей мере одно первое уплотняющее поршневое кольцо 19; между внутренней обечайкой 13 горячей камеры и соседней с ней дополнительной обечайкой горячей камеры может быть размещено по меньшей мере одно второе уплотняющее поршневое кольцо (на фигурах не показано); между внутренней обечайкой 16 патрубка и соседней с ней дополнительной обечайкой патрубка может быть размещено по меньшей мере одно третье уплотняющее поршневое кольцо 20.So, between the inner shell 12 of the hot chamber and the plug 11 can be placed at least one first sealing piston ring 19; between the inner shell 13 of the hot chamber and the adjacent additional shell of the hot chamber can be placed at least one second sealing piston ring (not shown in the figures); between the inner shell 16 of the nozzle and the additional shell of the nozzle adjacent to it, at least one third sealing piston ring 20 can be placed.

Наиболее предпочтительным материалом указанных поршневых колец является высокопрочный и коррозионностойкий материал, в частности, серый чугун с пластинчатым графитом, легированный хромом и кремнием.The most preferred material for said piston rings is a high-strength and corrosion-resistant material, in particular chromium-silicon alloyed gray cast iron with lamellar graphite.

Пробка 11 ограничивает горячую камеру 4 в вертикальном направлении, выше активной зоны.The plug 11 limits the hot chamber 4 in the vertical direction, above the core.

- 4 042249- 4 042249

Предпочтительной формой пробки 11 является конусовидная трапеция, что позволяет сгладить направление потока горячего теплоносителя, выходящего из активной зоны 3, и повернуть поток ориентировочно на 90°, чтобы облегчить его прохождение из горячей камеры 4 в патрубок 9 отвода горячего теплоносителя, что положительно сказывается на распределении тепловой нагрузки, приходящейся на компоненты горячей камеры 4. В частности, пробка 11 может состоять по меньшей мере из двух дисковых элементов 21, установленных с зазором один над другим и выполненных из стали.The preferred shape of the plug 11 is a cone-shaped trapezoid, which makes it possible to smooth the direction of the hot coolant flow leaving the core 3 and rotate the flow by approximately 90° to facilitate its passage from the hot chamber 4 to the hot coolant outlet pipe 9, which has a positive effect on the distribution heat load on the components of the hot chamber 4. In particular, the plug 11 may consist of at least two disk elements 21, installed with a gap one above the other and made of steel.

Таким образом, настоящее изобретение позволяет сократить объем и площадь поверхностей внутрикорпусных конструкционных элементов ядерного реактора, контактирующих с потоком горячего теплоносителя, обеспечить теплоизоляцию горячей камеры и благоприятный температурный режим для указанных элементов, обеспечить удобство сборки и контроль протечек теплоносителя в разъемных соединениях. Как следствие, перепады температур в указанных элементах ограничены величинами, при которых температурные напряжения не превышают предел текучести, снижается тепловая нагрузка на них, прежде всего на корпус горячей камеры и патрубки отвода горячего теплоносителя, повышается срок их службы.Thus, the present invention makes it possible to reduce the volume and surface area of internal structural elements of a nuclear reactor in contact with the hot coolant flow, provide thermal insulation of the hot chamber and favorable temperature conditions for these elements, ensure ease of assembly and control of coolant leaks in detachable joints. As a result, temperature differences in these elements are limited to values at which thermal stresses do not exceed the yield strength, the thermal load on them decreases, primarily on the body of the hot chamber and hot coolant outlet pipes, and their service life increases.

Claims (6)

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯCLAIM 1. Ядерный реактор интегрального типа с жидкометаллическим теплоносителем, содержащий корпус реактора с нижней камерой, активной зоной, горячей камерой, верхней камерой и теплообменниками, причем горячая камера размещена над активной зоной и содержит корпус горячей камеры, по существу, цилиндрической формы с патрубками отвода горячего теплоносителя, поступающего из активной зоны в теплообменники, и пробку, а упомянутые патрубки омываются снаружи холодным теплоносителем с выхода теплообменников, отличающийся тем, что корпус горячей камеры содержит внутреннюю обечайку горячей камеры и по меньшей мере одну дополнительную обечайку горячей камеры, установленную с зазором снаружи и концентрично внутренней обечайке горячей камеры и формирующую по меньшей мере один канал горячей камеры, каждый патрубок содержит внутреннюю обечайку патрубка и по меньшей мере одну дополнительную обечайку патрубка, установленную с зазором снаружи и концентрично внутренней обечайке патрубка и формирующую по меньшей мере один канал патрубка, и по меньшей мере один канал горячей камеры и по меньшей мере один канал патрубка сообщаются с выходом теплообменников для направления потока холодного теплоносителя в указанные каналы.1. A nuclear reactor of an integral type with a liquid metal coolant, containing a reactor vessel with a lower chamber, an active zone, a hot chamber, an upper chamber and heat exchangers, the hot chamber being located above the active zone and containing a body of a hot chamber, essentially cylindrical in shape with hot outlet pipes coolant coming from the core to the heat exchangers and a plug, and said pipes are washed from the outside with cold coolant from the exit of the heat exchangers, characterized in that the hot chamber body contains an inner shell of the hot chamber and at least one additional shell of the hot chamber, installed with a gap on the outside and concentric to the inner shell of the hot chamber and forming at least one channel of the hot chamber, each nozzle contains an inner shell of the nozzle and at least one additional shell of the nozzle installed with a gap outside and concentric to the inner shell of the nozzle and forming at least at least one branch pipe channel, and at least one hot chamber channel and at least one branch pipe channel communicate with the outlet of the heat exchangers to direct the flow of cold heat carrier into these channels. 2. Ядерный реактор по п.1, в котором по меньшей мере в одной дополнительной обечайке горячей камеры и/или по меньшей мере в одной дополнительной обечайке патрубка выполнены сквозные отверстия.2. Nuclear reactor according to claim 1, in which at least one additional shell of the hot chamber and/or at least one additional shell of the branch pipe has through holes. 3. Ядерный реактор по п.1, в котором между внутренней обечайкой горячей камеры и пробкой размещено по меньшей мере одно первое уплотняющее поршневое кольцо, между внутренней обечайкой горячей камеры и соседней с ней дополнительной обечайкой горячей камеры размещено по меньшей мере одно второе уплотняющее поршневое кольцо, и между внутренней обечайкой патрубка и соседней с ней дополнительной обечайкой патрубка размещено по меньшей мере одно третье уплотняющее поршневое кольцо.3. The nuclear reactor according to claim 1, in which at least one first sealing piston ring is placed between the inner shell of the hot chamber and the plug, at least one second sealing piston ring is placed between the inner shell of the hot chamber and the additional shell of the hot chamber adjacent to it. , and between the inner shell of the branch pipe and the additional shell of the branch pipe adjacent to it, at least one third sealing piston ring is placed. 4. Ядерный реактор по п.3, в котором указанные уплотняющие поршневые кольца и/или пробка выполнены из высокопрочного и коррозионностойкого материала.4. Nuclear reactor according to claim 3, wherein said sealing piston rings and/or plug are made of high strength and corrosion resistant material. 5. Ядерный реактор по п.4, в котором указанным материалом является серый чугун с пластинчатым графитом легированный хромом и кремнием.5. Nuclear reactor according to claim 4, wherein said material is gray cast iron with lamellar graphite alloyed with chromium and silicon. 6. Ядерный реактор по любому из предыдущих пунктов, в котором пробка содержит по меньшей мере два дисковых элемента.6. A nuclear reactor according to any one of the preceding claims, wherein the plug contains at least two disk elements.
EA202291206 2021-03-15 2021-10-04 NUCLEAR REACTOR WITH LIQUID METAL COOLANT EA042249B1 (en)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2021106629 2021-03-15

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EA042249B1 true EA042249B1 (en) 2023-01-26

Family

ID=

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110178186A (en) The heat management of molten fuel nuclear reactor
KR20170128593A (en) Reactors, in particular, liquid metal-cooled compact reactors
US4001079A (en) Thermal baffle for fast-breeder reacton
RU2756231C1 (en) Nuclear reactor with liquid-metal coolant
EA042249B1 (en) NUCLEAR REACTOR WITH LIQUID METAL COOLANT
RU2545518C2 (en) Reactor with pressure water cooling
CN101977679A (en) Reactor vessel and liner
JPS627996B2 (en)
JPS5815754B2 (en) Ekita Kinzokurayakiyakugenshiro
JP2023538046A (en) Heat exchanger configuration for nuclear reactor
US3583429A (en) Reactor vessel supports
US3544425A (en) Gas cooled nuclear reactor
EP2257368B1 (en) Reactor vessel system with vessel liner for a coolant fluid
EP4060680A1 (en) Nuclear reactor of integral type (embodiments)
KR100647808B1 (en) Flow mixing header for an integrated reactor downcomer
JPS58203385A (en) Electric furnace
US7120219B2 (en) Reactor pressure vessel
US4398701A (en) Cooling installation for a blast furnace by means of stave coolers
JPH0222878B2 (en)
CN107658031B (en) Nested assembly of pressurized water nuclear reactor
WO2019146279A1 (en) Nuclear-reactor-pressure-vessel cooling apparatus
KR101525041B1 (en) Intermediate Heat Exchanger of Very High Temperature Gas-cooled Reactor for Hydrogen Production
RU2798478C1 (en) Integrated nuclear reactor with liquid metal coolant
JP7394041B2 (en) Reactor
CN212025271U (en) Total heat recovery gasification furnace