RU2222062C2

RU2222062C2 - Nuclear reactor for space nuclear power plant

Info

Publication number: RU2222062C2
Application number: RU2001101514/06A
Authority: RU
Inventors: Ю.Д. Аристархов; А.Г. Еремин; Л.С. Коробков; А.П. Пышко; А.Л. Рыбко; В.Г. Сидоров
Original assignee: Федеральное государственное унитарное предприятие "Красная звезда"; Министерство Российской Федерации по атомной энергии
Priority date: 2001-01-15
Filing date: 2001-01-15
Publication date: 2004-01-20

Abstract

FIELD: power supplies for space vehicles. SUBSTANCE: proposed reactor for space nuclear power plant has fuel elements welded into coolant-passing tube sheets that form both inlet and outlet headers with gas cavities that separate them from environment at butt ends of reactor; it also has cylindrical shell with its external side deflector accommodating regulating cylinders provided with straps made of neutron absorbing material. Disposed outside of each regulating cylinder is cylindrical shell with two butt-end lids that form, together with regulating cylinder, pressurized cavity communicating on one end with outlet header of reactor through tubes and on other end, with branch connection for attaching liquid-metal pipeline of space nuclear power plant receiving tubes from annular cavity which is joined at the same time with reactor outlet header and with cylindrical shell of reactor vessel and thin-walled shell coaxially disposed on its external end. Gas space facing object protected against ionizing radiation of reactor houses disk of heavy radiation shielding component of uranium-238. Proposed reactor is distinguished by reduced temperature of regulating cylinders and temperature gradients in reactor vessel. EFFECT: enhanced service life of space power plant reactor and reduced energy of gamma-quanta escaping from reactor toward object shielded from ionizing radiation. 1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области ядерной энергетики для космических аппаратов, в частности к космическим ядерным энергетическим установкам (КЯЭУ), снабженным ядерным реактором. The invention relates to the field of nuclear energy for spacecraft, in particular to space nuclear power plants (Nuclear Power Plants) equipped with a nuclear reactor.

Известен ряд конструкций таких ядерных реакторов, в которых тепловыделяющие элементы помещены в цилиндрическую герметичную полость, снабженную входным и выходным патрубками для подвода и отвода теплоносителя, и окруженную с внешней стороны отражателем (см., например, описание конструкции реактора в книге Основы теории, конструкции и эксплуатации космических ЯЭУ / А. А. Куландин, С.В. Тимашев, В.Д. Атамасов и др. - Л.: Энергоатомиздат, Ленингр. отд-ние, 1987, 184 с.). A number of designs of such nuclear reactors are known in which the fuel elements are placed in a cylindrical sealed cavity equipped with inlet and outlet nozzles for supplying and discharging the coolant, and surrounded on the outside by a reflector (see, for example, a description of the design of the reactor in the book Fundamentals of theory, design, and operation of space nuclear power plants / A. A. Kulandin, S.V. Timashev, V.D. Atamasov et al. - L.: Energoatomizdat, Leningradsky Otdel, 1987, 184 pp.).

Наиболее близким техническим решением к заявленному является конструкция ядерного реактора, содержащего охлаждаемые теплоносителем тепловыделяющие элементы, вваренные в трубные доски, формирующие одновременно входной и выходной коллектора с газовыми полостями, отделяющими их по торцам реактора от внешней среды, и цилиндрическую оболочку, с наружи которой размещен боковой отражатель с помещенными в него регулирующими цилиндрами, снабженными накладками из нейтронопоглощающего материала (см. описание конструкции реактора в журнале Атомная энергия, 2000, т.88, вып. 2, с.98). The closest technical solution to the claimed one is the design of a nuclear reactor containing heat-generating elements cooled by a heat carrier, welded into tube boards, forming simultaneously an inlet and outlet manifold with gas cavities separating them at the ends of the reactor from the external environment, and a cylindrical shell, from the outside of which there is a side reflector with control cylinders placed in it, equipped with plates of neutron-absorbing material (see description of reactor design in journal A ohm energy, 2000, t.88, vol. 2, p.98).

Недостатком этой конструкции при высоких мощностях является перегрев регулирующих цилиндров вследствие поглощения нейтронов в нейтронопоглощающем материале, приводящее к снижению ресурса реактора и неравномерный нагрев корпуса, вызывающий в корпусе реактора недопустимые температурные напряжения. The disadvantage of this design at high powers is the overheating of the control cylinders due to neutron absorption in the neutron-absorbing material, which leads to a decrease in reactor life and uneven heating of the vessel, causing unacceptable temperature stresses in the reactor vessel.

Задача, на выполнение которой направлено заявленное изобретение, - увеличение ресурса реактора и космической энергетической установки в целом. The task to which the claimed invention is directed is to increase the resource of the reactor and the space power plant as a whole.

Технический результат - снижение температуры регулирующих цилиндров и температурных градиентов в корпусе реактора с одновременным уменьшением энергии гамма квантов, выходящих из реактора в сторону защищаемого от ионизирующего излучения объекта. The technical result is a decrease in the temperature of the control cylinders and temperature gradients in the reactor vessel with a simultaneous decrease in the energy of gamma quanta emerging from the reactor in the direction of the object being protected from ionizing radiation.

Этот результат достигается тем, что с внешней стороны каждого регулирующего цилиндра размещена цилиндрическая оболочка с двумя торцевыми крышками, образующими с регулирующим цилиндром кольцевую герметичную полость, соединенную с одной стороны трубами с выходным коллектором реактора, а с другой с патрубками трубопроводов жидкометаллического контура КЯЭУ, в которые входят трубки из кольцевой полости, соединенной одновременно с выходным коллектором реактора и образованной цилиндрической оболочкой корпуса реактора и размещенной с ее внешней стороны соосно-расположенной тонкостенной оболочкой, а на торцевой крышке корпуса реактора, обращенной в сторону защищаемого от ионизирующего излучения реактора объекта в герметичном от жидкометаллической полости отсеке размещен диск тяжелого компонента радиационной защиты из урана-238. This result is achieved by the fact that on the outside of each control cylinder there is a cylindrical shell with two end caps that form an annular tight cavity with the control cylinder, connected on one side by pipes to the outlet manifold of the reactor, and on the other hand, with pipes of pipelines of the liquid metal circuit of the nuclear power plant, into which tubes from an annular cavity are connected, connected simultaneously with the outlet manifold of the reactor and formed by a cylindrical shell of the reactor vessel and placed with it in the outer side of the coaxially located thin-walled shell, and on the end cover of the reactor vessel facing the object protected from ionizing radiation of the reactor, a disk of a heavy component of radiation protection from uranium-238 is placed in the compartment sealed from the liquid metal cavity.

Заявленное изобретение поясняется чертежом, на котором представлена конструктивная схема ядерного реактора. The claimed invention is illustrated in the drawing, which shows a structural diagram of a nuclear reactor.

Ядерный реактор содержит тепловыделяющие элементы 1, помещенные в цилиндрическую оболочку 2, ограниченную по торцам трубными досками 3 и 4, на которых выполнены коллекторы входной 5 и выходной 6. К выходному коллектору приварены трубы 7, соединяющие его с кольцевыми полостями, образованными каждым регулирующим цилиндром 8 и цилиндрической оболочкой 9 с двумя торцевыми крышками 10 и 11. Торцевая крышка 11 снабжена патрубком 12 для подсоединения к реактору трубопроводов под выходящий из него теплоноситель. Одновременно выходной коллектор 6 соединен с полостью, образованной цилиндрической оболочкой 2 и соосно-расположенной с внешней стороны тонкостенной оболочкой 13, которая, в свою очередь, посредством трубок 14 соединена с патрубками 12. The nuclear reactor contains fuel elements 1 placed in a cylindrical shell 2, limited at the ends by tube plates 3 and 4, on which input 5 and output 6 collectors are made. Pipes 7 are welded to the output collector, connecting it to the annular cavities formed by each control cylinder 8 and a cylindrical shell 9 with two end caps 10 and 11. The end cap 11 is equipped with a pipe 12 for connecting to the reactor pipelines under the coolant emerging from it. At the same time, the output manifold 6 is connected to the cavity formed by the cylindrical shell 2 and coaxially located on the outside of the thin-walled shell 13, which, in turn, is connected via pipes 14 to the nozzles 12.

В газовой полости 15, обращенной в сторону защищаемого от ионизирующего излучения реактора объекта, помещен диск 16 из урана-238, выполняющего функцию радиационной защиты. In the gas cavity 15, facing the object protected from the ionizing radiation of the reactor, a disk 16 of uranium-238 is placed, which performs the function of radiation protection.

Преимущества заявляемого ядерного реактора проявляются следующим образом. The advantages of the claimed nuclear reactor are as follows.

Нагретый в активной зоне реактора теплоноситель с температурой более низкой, чем температура, реализующаяся в материалах регулирующих цилиндров, в результате поглощения нейтронов в нейтронопоглощающих накладках, из выходного коллектора по трубам 7 поступает в кольцевые полости регулирующих цилиндров и, проходя по ним, снижает их температуру. После чего через патрубки 12 попадает в магистраль жидкометаллического контура КЯЭУ. Таким образом через все регулирующие цилиндры реактора прокачивается основная масса теплоносителя, что обеспечивает температуру материалов, входящих в состав их конструкции, позволяющую длительное ее функционирование в составе КЯЭУ. The coolant heated in the reactor core with a temperature lower than the temperature realized in the materials of the control cylinders as a result of neutron absorption in the neutron absorbing plates from the output collector through pipes 7 enters the annular cavities of the control cylinders and, passing through them, reduces their temperature. After that, through the nozzles 12 it enters the line of the liquid metal circuit of the nuclear power plant. Thus, the bulk of the coolant is pumped through all the control cylinders of the reactor, which ensures the temperature of the materials that make up their structure, allowing its long-term functioning as part of the nuclear power plant.

Остальная часть теплоносителя попадает в кольцевую полость, образованную цилиндрической оболочкой 2 и 13 и затем по трубкам 14 выходит в патрубки 12, где соединяется с основной частью теплоносителя. Проходя по кольцевой цилиндрической полости нагретый теплоноситель выравнивает, а на пусковом режиме и повышает температуру оболочки, снижая, тем самым, температурные напряжения в конструкции. Особенно этот положительный эффект проявляется при пуске реактора, когда в конструкции реализуются максимальные температурные градиенты. The rest of the coolant enters the annular cavity formed by the cylindrical shell 2 and 13 and then through the tubes 14 enters the nozzles 12, where it is connected to the main part of the coolant. Passing through the annular cylindrical cavity, the heated coolant equalizes, and at start-up, it increases the temperature of the shell, thereby reducing temperature stresses in the structure. This positive effect is especially evident when the reactor is started, when the maximum temperature gradients are realized in the design.

Другим положительным моментом в прокачке теплоносителя через регулирующие цилиндры и отвода его через патрубки, размещенные на реакторе со стороны защищаемого объекта, является отсутствие элементов трубопровода, служащими при теневом принципе построения радиационной защиты источниками вторичного рассеянного излучения. Another positive point in pumping the coolant through the control cylinders and removing it through the nozzles placed on the reactor from the side of the protected object is the absence of pipeline elements, which serve as a shadow principle for constructing radiation protection as sources of secondary scattered radiation.

Снижению температурных градиентов при функционировании реактора служит и размещенный в газовой полости 15 диск 16, выполненный из урана-238. За счет внутреннего энерговыделения, в результате взаимодействия нейтронов с находящимся в уране-238 изотопом урана-235 (порядка 0,2%). повышается температура торцевой крышки, снижая температурные напряжения между ней и цилиндрической оболочкой реактора. The temperature gradients during reactor operation are also reduced by a disk 16 made of uranium-238 placed in the gas cavity 15. Due to internal energy release, as a result of the interaction of neutrons with the isotope of uranium-235 in uranium-238 (about 0.2%). the temperature of the end cap rises, reducing the temperature stress between it and the cylindrical shell of the reactor.

Размещенный со стороны защищаемого от ионизирующего излучения объекта диск урана выполняет одновременно функцию тяжелого компонента радиационной защиты. При этом его эффективность намного выше, чем в случае размещения вне реактора, из-за максимального приближения к активной зоне и меньшего количества технологических отверстий, существенно снижающих защитные функции. Placed on the side of the object protected from ionizing radiation, a uranium disk simultaneously performs the function of a heavy component of radiation protection. Moreover, its efficiency is much higher than in the case of placement outside the reactor, due to the maximum proximity to the core and fewer technological holes, significantly reducing the protective function.

Помимо отмеченных достоинств, размещение диска урана-238 внутри реактора исключает необходимость помещения его в специальную герметичную оболочку, повышая технологичность конструкции, и снижает опасность его разгерметизации при аварии на старте ракетоносителя. In addition to the noted advantages, the placement of the uranium-238 disk inside the reactor eliminates the need to place it in a special sealed enclosure, increasing the manufacturability of the structure, and reduces the risk of its depressurization in the event of an accident at the launch of the launch vehicle.

Реализация предлагаемых технических решений позволит, как показали расчеты температуры и прочности конструкции, обеспечить необходимый температурный режим ядерного реактора и достичь заданных массогабаритных параметров КЯЭУ и ресурса ее функционирования. The implementation of the proposed technical solutions will allow, as shown by calculations of temperature and structural strength, to provide the necessary temperature regime of a nuclear reactor and achieve the specified mass-size parameters of the nuclear power plant and its operational life.

Claims

1. A nuclear reactor of a space nuclear power plant (KNEU), containing fuel elements cooled by a coolant, welded into tube boards, forming simultaneously an inlet and outlet manifold with gas cavities separating them at the ends of the reactor from the external medium, and a cylindrical shell, on the outside of which there is a side a reflector with control cylinders placed in it, provided with plates of neutron-absorbing material, characterized in that on the outside of each control cylinder A cylindrical shell with two end caps is placed, forming a sealed cavity with a control cylinder, connected on one side by pipes to the reactor outlet manifold, and on the other, by nozzles for connecting pipelines of the liquid metal circuit of the nuclear power plant, which include tubes from the annular cavity connected simultaneously with the outlet reactor manifold and formed cylindrical shell of the reactor vessel and placed on its outer side coaxially located thin-walled shell.

2. The nuclear reactor according to claim 1, characterized in that a disk of a heavy component of radiation protection from uranium-238 is placed in the gas cavity facing the object protected from the ionizing radiation of the reactor.