RU1127446C

RU1127446C - High-temperature nuclear reactor

Info

Publication number: RU1127446C
Application number: SU833636296A
Authority: RU
Inventors: И.Г. Белоусов; А.С. Доронин; Д.П. Крашенинников; В.С. Серый
Original assignee: Российский научный центр "Курчатовский институт"
Priority date: 1983-05-30
Filing date: 1983-05-30
Publication date: 1994-07-30

Description

Изобретение относится к области ядерной энергетики и может быть использовано для усовершенствования конструкции ядерных реакторов, в особенности с шаровыми тепловыделяющими элементами. The invention relates to the field of nuclear energy and can be used to improve the design of nuclear reactors, especially with spherical fuel elements.

Известны ядерные реакторы с принудительной циркуляцией жидкого теплоносителя в виде расплава соли, содержащего ядерное топливо, MSRE, MSBK и EBASCO, включающие активную зону, окруженную графитовыми отражателем, поглощающие стержни, теплообменник, насос и системы очистки и переработки жидкого топлива-теплоносителя. Эксплуатация указанных расплавно-солевых реактора. В отличие от твердо-топливных реакторов, радиоактивные материалы в этих реакторах находятся в жидкой или газовой фазе при высокой температуре и циркулируют в топливном контуре и контуре системы переработки топлива. Опасность утечки радиоактивности при нарушении герметичности топливного контура здесь значительно более высокая, чем у твердотопливных реакторов при разрушении тепловыделяющих элементов. В реакторах MSBR и EBASCO используются топливная расплавно-солевая композиция и сольпромежуточный теплоноситель, химически взаимодействующие как между собой, так и с водой, являющейся теплоносителем энергетического контура, поэтому химические реакции, возникающие при утечках расплавленных солей в теплообменниках топливного и промежуточного контура, могут вызвать такие нарушения герметичности этих контуров, которые могут привести к неконтролируемому выходу радиоактивности из реактора. Следует также отметить, что несмотря на то, что радиационная безопасность расплавно-солевых реакторов, в первую очередь, связана с надежной герметизацией топливного контура в условиях нормальной работы реактора и при аварийных ситуациях, наличие в этих реакторах радиоактивных материалов в жидкой фазе осложняет радиационную обстановку во время ремонтных работ. Known nuclear reactors with forced circulation of a liquid coolant in the form of a molten salt containing nuclear fuel, MSRE, MSBK and EBASCO, including an active zone surrounded by graphite reflector, absorbing rods, a heat exchanger, a pump and systems for cleaning and processing liquid fuel-coolant. Operation of said melt-salt reactor. Unlike solid fuel reactors, the radioactive materials in these reactors are in the liquid or gas phase at high temperature and circulate in the fuel circuit and the fuel processing system. The danger of radioactivity leakage due to a violation of the tightness of the fuel circuit is much higher than that of solid fuel reactors during the destruction of fuel elements. MSBR and EBASCO reactors use a fuel melt-salt composition and a salt-intermediate heat carrier chemically interacting both with each other and with water, which is the heat carrier of the energy circuit, therefore, chemical reactions that occur when molten salts leak in the heat exchangers of the fuel and intermediate circuit can cause such leakage of these circuits, which can lead to uncontrolled release of radioactivity from the reactor. It should also be noted that despite the fact that the radiation safety of melt-salt reactors is primarily associated with reliable sealing of the fuel circuit under normal reactor operation and in emergency situations, the presence of radioactive materials in the liquid phase in these reactors complicates the radiation situation during repair time.

Наиболее близкой по технической сущности к описываемому является высокотемпературный ядерный реактор (ВТГР), содержащий активную зону из шаровых тепловыделяющих элементов, через которую снизу вверх прокачивают теплоноситель, а внутри активной зоны размещены подвижные органы регулирования. The closest in technical essence to the described is a high-temperature nuclear reactor (HTGR), containing an active zone of spherical fuel elements, through which coolant is pumped from bottom to top, and mobile regulating bodies are placed inside the active zone.

Активная зона реактора представляет собой емкость, заполненную шаровыми тепловыделяющими элементами. Отражатель выполняется из графита, а замедлителем служит графит, находящийся непосредственно в тепловыделяющих элементах (твэлах). В качестве теплоносителя используется гелий, основной недостаток которого текучесть. Циркуляция теплоносителя в первом контуре при нормальной эксплуатации реактора и при аварийных режимах обеспечивается газодувками. Особенность реакторов этого типа состоит в том, что перегрузка шаровых твэлов может осуществляться непрерывно в процессе работы реактора. The reactor core is a tank filled with spherical fuel elements. The reflector is made of graphite, and the moderator is graphite, which is located directly in the fuel elements (fuel rods). Helium is used as a heat carrier, the main disadvantage of which is fluidity. The circulation of the coolant in the primary circuit during normal operation of the reactor and during emergency conditions is provided by gas blowers. A feature of reactors of this type is that the overload of ball fuel rods can be carried out continuously during operation of the reactor.

Важной особенностью ВТГР является применение гелия высокой чистоты, для чего необходима постоянно действующая система очистки от механических и химических примесей, а также радиоактивных продуктов деления. Использование сверхчистого гелия приводит к ряду проблем, требующих разрешения, таких как диффузионная сварка, потеря окисной пленки и др. Важным элементом, обеспечивающим безопасность реактора, является корпус из предварительно напряженного железобетона. Для предотвращения потер теплоносителя из первого контура проходки в корпусе снабжены двойными уплотнениями с постоянным контролем утечки. Гелиевая плотность корпуса обеспечивается стальной оболочкой, которая выстилает всю внутреннюю поверхность корпуса. An important feature of HTGR is the use of high-purity helium, which requires a permanent system for cleaning mechanical and chemical impurities, as well as radioactive fission products. The use of ultrapure helium leads to a number of problems that need to be resolved, such as diffusion welding, loss of oxide film, and others. An important element ensuring the safety of the reactor is a prestressed concrete casing. To prevent loss of coolant from the primary circuit, the penetrations in the housing are equipped with double seals with constant leakage control. The helium density of the case is provided by a steel shell that lines the entire inner surface of the case.

Следует также отметить, что органы регулирования, изолированные от теплоносителя 1-го контура специальными гильзами, основное достоинство которых возможность замены стержней и привода без разгерметизации 1-го контура, обладают и крупными недостатками: увеличенным содержанием конструкционных материалов в активной зоне за счет гильз, что ухудшает физические характеристики активной зоны, пониженной эффективностью стержней, которые экранируют гильзами, плохими условиями охлаждения стержней, что требует использования материалов с повышенной жаростойкостью для их изготовления и может привести к короблению или пережогу стержней. Введение поглощающих стержней непосредственно в засыпку твэлов с контактными усилиями между стержнями и твэлами может вызвать повреждение последних. It should also be noted that regulatory bodies isolated from the primary circuit coolant with special sleeves, the main advantage of which is the possibility of replacing the rods and the drive without depressurization of the primary circuit, also have major disadvantages: an increased content of structural materials in the core due to the sleeves, which degrades the physical characteristics of the core, the reduced efficiency of the rods that are shielded by sleeves, poor cooling conditions of the rods, which requires the use of materials with higher high heat resistance for their manufacture and can lead to warpage or burnout of the rods. The introduction of absorbing rods directly into the filling of the fuel rods with contact forces between the rods and the fuel rods can cause damage to the latter.

Целью изобретения является повышение безопасности. The aim of the invention is to increase safety.

Цель достигается тем, что в высокотемпературном ядерном реакторе, содержащем активную зону из шаровых тепловыделяющих элементов, через которую снизу вверх прокачивают теплоноситель, а внутри активной зоны размещены подвижные органы регулирования, в качестве теплоносителя использовано вещество в жидкой фазе с плотностью выше плотности шарового тепловыделяющего элемента, а под активной зоной выполнена полость, объем которой больше суммарного объема всех органов регулирования. The goal is achieved by the fact that in a high-temperature nuclear reactor containing an active zone of spherical fuel elements through which the coolant is pumped from bottom to top, and mobile regulating bodies are placed inside the active zone, a substance in the liquid phase with a density higher than the density of the spherical fuel element is used as the coolant, and under the active zone a cavity is made, the volume of which is greater than the total volume of all regulatory bodies.

Кроме того, в качестве теплоносителя применен расплав соли LiF-BeF₂-YrF₄, а шаровой тепловыделяющий элемент выполнен в виде графитовой матрицы с диспергированными в ней микро, твэлами, заключенной в герметичную графитовую оболочку.In addition, LiF-BeF ₂ -YrF ₄ salt melt was used as a heat carrier, and the spherical fuel element was made in the form of a graphite matrix with micro fuel elements dispersed in it enclosed in an airtight graphite shell.

На чертеже представлена конструктивная схема расплавно-солевого ядерного реактора. The drawing shows a structural diagram of a molten-salt nuclear reactor.

Расплавно-солевой ядерный реактор содержит гомогенную активную зону 1, заполненную шаровыми тепловыделяющими элементами 2 и жидким теплоносителем 3, плотность которого выше плотности твэлов, окруженную графитовым отражателем 4, снабженную перфорированной доской 5 и заключенную в герметичный корпус 6. Нижняя часть активной зоны 7 свободна от твэлов и заполнена только жидким теплоносителем. Шаровой твэл выполнен в виде графитовой матрицы с диспергированным в ней микротвэлами, заключенной в герметичную графитовую оболочку. В качестве жидкого теплоносителя используется расплав фтористых солей LiF-BeF₂-ZrF₄. Поглощающие стержни 8 обеспечивают управление реактором и аварийную защиту. Реактор-теплообменник 9 первого контура и насос 10 заключены в герметичный реакторный бокс. В контуре 11 жидкого телпоносителя предусмотрены баки для аварийного слива и хранения соли. Там же предусмотрены система очистки теплоносителя первого контура 12 и система 13 замены топлива, которая осуществляет перегрузку шаровых твэлов непрерывно в процессе работы реактора и снабжена специальными устройствами и шлюзовыми камерами, обеспечивающими загрузку и выгрузку твэлов.A molten-salt nuclear reactor contains a homogeneous core 1 filled with spherical fuel elements 2 and a liquid coolant 3, whose density is higher than the density of the fuel rods, surrounded by a graphite reflector 4, equipped with a perforated board 5 and enclosed in a sealed enclosure 6. The lower part of the core 7 is free from fuel rods and is filled only with liquid coolant. The spherical fuel element is made in the form of a graphite matrix with microfuel dispersed in it, enclosed in a sealed graphite shell. As a heat transfer fluid, molten fluoride salts LiF-BeF ₂ -ZrF _{4 are used} . Absorbing rods 8 provide reactor control and emergency protection. The primary heat exchanger reactor 9 and pump 10 are enclosed in a sealed reactor box. In the circuit 11 of the liquid body carrier tanks are provided for emergency discharge and storage of salt. There is also provided a system for cleaning the coolant of the primary circuit 12 and a fuel replacement system 13, which continuously reloads the fuel rods during the operation of the reactor and is equipped with special devices and lock chambers for loading and unloading fuel rods.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

Жидкий теплоноситель 3 циркулирует по замкнутому контуру 11. Теплоноситель поступает в свободный объем 7 нижней части активной зоны 1 и снизу вверх проходит через шаровую засыпку твэлов 2 и через перфорированную доску 5 по отводящей магистрали поступает в центробежный насос 10, откуда попадает в теплообменник 9, где охлаждается и поступает в подводящую магистраль. Часть жидкого теплоносителя постоянно отбирается в систему очистки теплоносителя первого контура 12, где путем продувки через соль гелия обеспечивается равновесное содержание окислов в соли, и поэтому осаждения окислов из соли не происходит. Кроме того, газообразные продукты деления, такие как Хе и Kr, попадающие в теплоноситель в случае разгерметизации защитных оболочек твэла, очень эффективно выводятся из расплава соли при продувке его гелием. Очищенный теплоноситель поступает в подводящую магистраль контура 11. The liquid coolant 3 circulates in a closed loop 11. The coolant enters the free volume 7 of the lower part of the active zone 1 and passes upward through the ball filling of the fuel rods 2 and through a perforated board 5 along the discharge line it enters the centrifugal pump 10, from where it enters the heat exchanger 9, where it cools down and enters the supply line. A part of the liquid coolant is constantly taken into the primary coolant purification system 12, where by purging through the helium salt the equilibrium content of oxides in the salt is ensured, and therefore no precipitation of oxides from the salt occurs. In addition, gaseous fission products, such as Xe and Kr, which enter the coolant in the event of depressurization of the fuel cladding, are very effectively removed from the molten salt when it is purged with helium. The cleaned coolant enters the supply line of circuit 11.

Шаровые тепловыделяющие элементы 2 за счет меньшей плотности, чем у расплавно - солевого теплоносителя 3, и напора соли прижаты к перфорированной доске 5. По мере их выгорания выводятся из активной зоны 1 и поступают в систему 13 замены топлива, откуда попадают в хранилище на переработку. Одновременно из системы 13 в нижнюю часть активной зоны 7 подаются свежие шаровые твэлы и та часть теплоносителя, которая до этого попала в систему вместе с выгоревшими твэлами. Движение шаровых твэлов происходит по контуру: свободный объем 7 - активная зона 1 - система 13. Таким образом осуществляется непрерывная перегрузка шаровых твэлов в процессе работы реактора. Spherical fuel elements 2 due to lower density than that of the molten-salt heat carrier 3, and the pressure of the salt are pressed to the perforated board 5. As they burn out, they are removed from the core 1 and fed to the fuel replacement system 13, from where they get to the storage for processing. At the same time, fresh spherical fuel rods and that part of the coolant that had previously entered the system together with the burned fuel rods are fed from the system 13 to the lower part of the core 7. The movement of ball fuel rods occurs along the contour: free volume 7 - active zone 1 - system 13. Thus, continuous overload of ball fuel rods during the operation of the reactor.

Для регулирования уровня распределения нейтронного потока или энерговыделения в активной зоне 1 реактора в нее вводятся поглощающие стержни 8 непосредственно в шаровую засыпку твэлов 2. Под давлением поглощающих стержней часть твэлов вытесняется в нижнюю часть активной зоны 7, в которой до этого находился только жидкий теплоноситель 3. To regulate the level of neutron flux distribution or energy release in the reactor core 1, absorbing rods 8 are introduced into it directly into the spherical filling of fuel rods 2. Under the pressure of the absorbing rods, a part of the fuel rods is forced into the lower part of the core 7, in which only liquid coolant 3 was previously located.

Данное устройство позволяет получить следующие преимущества по сравнению с известными ядерными реакторами с шаровыми тепловыделяющими элементами. This device allows you to obtain the following advantages compared with the known nuclear reactors with spherical fuel elements.

Размещение шаровых твэлов в жидком теплоносителе в виде расплава соли, плотность которого выше плотности твэлов, и циркуляция жидкого теплоносителя снизу вверх через активную зону, нижняя часть которой свободна от шаровых твэлов и заполнена только жидким теплоносителем, позволяет повысить безопасность эксплуатации реактора при нормальных условиях работы и в аварийных ситуациях; отказаться от строительства дорогостоящего корпуса высокого давления; отказаться от установки и эксплуатации неэкономичных газодувок и решения проблемы создания надежно работающих подшипников и уплотнений, связанной с их применением; уменьшить действующее усилие на приводе поглощающих стержней и контактные усилия между поглощающими стержня и твэлами, а также увеличить скорость ввода поглощающих стержней в активную зону реактора. Кроме того, утечка теплоносителя первого контура возможна только в аварийных ситуациях, а высокая температура плавления расплавленного солевого теплоносителя (400-600^оС) обуславливает задержание теплоносителя, содержащего радиоактивные продукты деления, защитными оболочками, а также их легкое обнаружение и удаление в твердой фазе.Placing spherical fuel rods in a liquid coolant in the form of a molten salt, the density of which is higher than the density of the fuel rods, and circulating the liquid coolant from bottom to top through the active zone, the lower part of which is free of spherical fuel rods and is filled only with liquid coolant, can improve the safety of reactor operation under normal operating conditions and in emergency situations; refuse to build an expensive high-pressure building; refuse to install and operate uneconomical gas blowers and solve the problem of creating reliably working bearings and seals associated with their use; to reduce the effective force on the drive of the absorbing rods and the contact forces between the absorbing rod and the fuel rods, as well as to increase the rate of entry of the absorbing rods into the reactor core. Furthermore, leakage of the primary coolant is only possible in emergency situations, and the high melting temperature of the molten salt heat transfer medium (400-600 ° ^C) causes arrest coolant containing radioactive fission products, protective coatings, as well as their easy detection and removal of the solid phase.

Claims

A HIGH-TEMPERATURE NUCLEAR REACTOR containing an active zone of spherical fuel elements through which coolant is pumped from bottom to top, and mobile regulating bodies are placed inside the active zone, characterized in that, in order to increase safety, a substance in a liquid phase with a density higher than density is used as a coolant spherical fuel element, and a cavity is made under the active zone, the volume of which is greater than the volume of all regulatory bodies.

2. The reactor according to claim 1, characterized in that the molten salt is used as a heat carrier, and the spherical fuel element is made in the form of a graphite matrix, with microfuel dispersed in it, enclosed in a sealed graphite shell.