RU2408095C1 - High-temperature gas-cooled fast neutron nuclear reactor - Google Patents

High-temperature gas-cooled fast neutron nuclear reactor Download PDF

Info

Publication number
RU2408095C1
RU2408095C1 RU2009146703/07A RU2009146703A RU2408095C1 RU 2408095 C1 RU2408095 C1 RU 2408095C1 RU 2009146703/07 A RU2009146703/07 A RU 2009146703/07A RU 2009146703 A RU2009146703 A RU 2009146703A RU 2408095 C1 RU2408095 C1 RU 2408095C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
fuel rods
block
active zone
unit
fuel elements
Prior art date
Application number
RU2009146703/07A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Владимир Александрович Тарасов (RU)
Владимир Александрович Тарасов
Евгений Дмитриевич Яковлев (RU)
Евгений Дмитриевич Яковлев
Владимир Евгеньевич Жеребцов (RU)
Владимир Евгеньевич Жеребцов
Евгений Евгеньевич Ванюков (RU)
Евгений Евгеньевич Ванюков
Александр Кобович Лычагин (RU)
Александр Кобович Лычагин
Original Assignee
Российская Федерация, от имени которой выступает государственный заказчик - Государственная корпорация по атомной энергиии "Росатом"
Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский Федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики" - ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ"
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 Российская Федерация, от имени которой выступает государственный заказчик - Государственная корпорация по атомной энергиии "Росатом", Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский Федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики" - ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ" filed Critical Российская Федерация, от имени которой выступает государственный заказчик - Государственная корпорация по атомной энергиии "Росатом"
Priority to RU2009146703/07A priority Critical patent/RU2408095C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2408095C1 publication Critical patent/RU2408095C1/en

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/30Nuclear fission reactors

Abstract

FIELD: power industry. ^ SUBSTANCE: active zone of reactor includes vertical cylindrical unit with annular cavity for arrangement of fuel elements, which has radial through holes for passage of gas heat carrier. Holes provide connection of inlet and outlet headers to the space between fuel elements; at that, one of headers which is internal is formed with the walls of the unit and located along its axis, and the other one which is external is formed with its side surface and side surface of the unit. Axes of the unit and active zone coincide, fuel elements of pin type, which are arranged parallel to active zone axis, are used. Unit is made from heat-resistant stainless steel, and in its annular cavity there installed are transverse spacing partitions made from the same material and in which there are holes for arrangement of fuel elements; at that, distance between neighbouring partitions is comparable to diametre of fuel elements. ^ EFFECT: decreasing overall dimensions of reactor and increasing heat removal from active zone. ^ 2 dwg

Description

Изобретение относится к области ядерной техники и может применяться в атомной энергетике, преимущественно для энергетических или исследовательских установок с использованием высокотемпературного газоохлаждаемого ядерного реактора на быстрых нейтронах.The invention relates to the field of nuclear engineering and can be used in nuclear energy, mainly for power or research installations using a high-temperature gas-cooled nuclear reactor with fast neutrons.

Известны различные конструкции реакторов на быстрых нейтронах, в активной зоне (AЗ) которых размещены параллельно друг другу и оси AЗ тепловыделяющие элементы (твэлы) стерженькового типа. Для охлаждения этих твэлов используют жидкометаллический теплоноситель, чаще всего натриевый (например, патент РФ №2088981, опубл. 27.08.97 г.). Использование для таких типов реакторов стерженьковых твэлов с большой эффективной плотностью топливной композиции (загрузкой тяжелых атомов на единицу длины твэла) в настоящее время традиционно и достаточно хорошо отработано.Various designs of fast neutron reactors are known, in the active zone (AZ) of which the fuel elements (fuel rods) of the rod type are parallel to each other and the axis of the AZ. To cool these fuel rods, a liquid metal coolant is used, most often sodium (for example, RF patent No. 2088981, publ. 08.27.97). The use of rod fuel rods for such types of reactors with a high effective density of the fuel composition (loading heavy atoms per unit length of a fuel rod) is currently traditionally and fairly well developed.

Специфической проблемой таких реакторов является большое положительное значение натриевого пустотного эффекта реактивности. Эта проблема требует больших затрат в усовершенствовании конструкции, например изменение конструкции активной зоны, размещение натриевой полости над активной зоной или внутри нее, организацию газовых объемов и т.д. Следует также отметить, что большой объем жидкометаллического теплоносителя, сосредоточенного в объеме корпуса реактора, создает повышенную сейсмическую опасность и повышенную пожарооопасность при повреждении корпуса.A specific problem of such reactors is the great positive value of the sodium void reactivity effect. This problem requires large expenditures in improving the design, for example, changing the design of the active zone, placing the sodium cavity above or inside the active zone, organizing gas volumes, etc. It should also be noted that a large volume of liquid metal coolant concentrated in the volume of the reactor vessel creates an increased seismic hazard and increased fire hazard in case of damage to the vessel.

Известен высокотемпературный газоохлаждаемый ядерный реактор на быстрых нейтронах (патент РФ №2236047, опубл. 20.10.03 г.), включающий активную зону с тепловыделяющими сборками, каждая их которых состоит из вертикальных цилиндрических графитовых блоков, установленных один над другим, входной и выходной коллекторы. Каждый блок содержит твэлы, и в нем выполнены радиальные сквозные отверстия для прохода газового теплоносителя. Блок имеет внутреннюю полость в виде кольцевого канала, образованную боковыми стенками блока, в этой полости и размещены микротвэлы свободной засыпкой. Один из коллекторов выполнен - внутренним и расположен по оси блока, а другой - наружным и образован его боковой поверхностью и боковой наружной поверхностью блока. Коллекторы сообщаются с пространством между твэлами через радиальные сквозные отверстия блоков. Каждый из коллекторов может быть либо входным, либо выходным. Блоки могут иметь форму усеченной пирамиды или опрокинутой усеченной пирамиды с чередованием через один по высоте сборки. Данная конструкция реактора по наибольшему количеству сходных признаков с заявляемым решением и общей с ним решаемой задачей выбрана в качестве прототипа.Known high-temperature gas-cooled nuclear reactor with fast neutrons (RF patent No. 2236047, publ. 20.10.03), comprising an active zone with fuel assemblies, each of which consists of vertical cylindrical graphite blocks mounted one above the other, input and output collectors. Each block contains fuel elements, and radial through holes are made in it for the passage of the gas coolant. The block has an internal cavity in the form of an annular channel formed by the side walls of the block in this cavity and microfuel elements are placed free of charge. One of the collectors is made - internal and located along the axis of the block, and the other - external and is formed by its lateral surface and lateral outer surface of the block. The collectors communicate with the space between the fuel rods through the radial through holes of the blocks. Each of the collectors can be either input or output. The blocks may take the form of a truncated pyramid or an overturned truncated pyramid with alternating through one at the height of the assembly. This design of the reactor for the largest number of similar features with the claimed solution and the overall problem to be solved with it is selected as a prototype.

Недостатком известной конструкции является низкая эффективность теплообмена в тепловыделяющих сборках из-за возникающего при передаче тепла от микротвэлов теплоносителю термического сопротивления. К тому же, конструкция твэлов, большие размеры A3, наличие монтажных зазоров и графитового блока увеличивают количество требуемого теплоносителя, а следовательно, и габариты реактора.A disadvantage of the known design is the low efficiency of heat transfer in fuel assemblies due to thermal resistance arising from the transfer of heat from microfuel to the heat transfer medium. In addition, the design of the fuel rods, the large size of A3, the presence of mounting gaps and a graphite block increase the amount of coolant required and, consequently, the dimensions of the reactor.

Задачей данной области техники является создание малогабаритного ядерного реактора с повышенными технико-экономическими показателями. Для решения указанной задачи предлагается в реакторе на быстрых нейтронах использовать газовый теплоноситель и твэлы стерженькового типа. Компоновка активной зоны реактора с твэлами стерженькового типа широко используется в конструкциях быстрых реакторов с жидкометаллическим теплоносителем, а при использовании газового теплоносителя применяют шариковые твэлы или микротвэлы. Для быстрых реакторов с газовым теплоносителем компоновка активной зоны с применением стерженьковых твэлов не использовалась.The objective of this technical field is to create a small-sized nuclear reactor with improved technical and economic indicators. To solve this problem, it is proposed to use a gas coolant and rod type fuel rods in a fast neutron reactor. The layout of the reactor core with rod-type fuel rods is widely used in the design of fast reactors with a liquid metal coolant, and when using a gas coolant, ball fuel rods or microfuel are used. For fast reactors with a gas coolant, the layout of the core using rod rods was not used.

Техническим результатом заявляемого решения является уменьшение габаритов реактора и увеличение теплосъема с активной зоны.The technical result of the proposed solution is to reduce the size of the reactor and increase the heat removal from the core.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в высокотемпературном газоохлаждаемом ядерном реакторе на быстрых нейтронах, включающем общие признаки с прототипом, а именно:The specified technical result is achieved due to the fact that in a high-temperature gas-cooled fast neutron reactor, which includes common features with the prototype, namely:

активная зона включает вертикальный цилиндрический блок с кольцевой полостью для размещения твэлов, выполненный с радиальными сквозными отверстиями для прохода газового теплоносителя, обеспечивающими соединение входного и выходного коллекторов с пространством между твэлами, при этом один из коллекторов выполнен - внутренним, образован внутренней боковой поверхностью блока и расположен по его оси, а другой - наружным и образован его боковой поверхностью и боковой наружной поверхностью блока, содержатся отличительные признаки, а именно:the active zone includes a vertical cylindrical block with an annular cavity for the placement of fuel rods, made with radial through holes for the passage of the gas coolant, providing the connection of the input and output collectors with the space between the fuel rods, while one of the collectors is made - internal, formed by the inner side surface of the block and is located along its axis, and the other is outer and is formed by its lateral surface and lateral outer surface of the block, there are distinctive signs, and about:

оси блока и активной зоны совпадают, в качестве твэлов использованы твэлы стерженькового типа, которые размещены параллельно друг другу и оси активной зоны, а блок выполнен из жаропрочной нержавеющей стали и внутри него установлены из того же материала поперечные дистанцирующие перегородки, в которых выполнены отверстия для размещения твэлов, при этом расстояние между соседними перегородками соответствует диаметру твэлов.the axes of the block and the core coincide, rod type fuel rods are used as fuel rods, which are placed parallel to each other and the axis of the core, and the block is made of heat-resistant stainless steel and transverse distance baffles are installed inside the same material, in which holes are made for placement fuel rods, while the distance between adjacent baffles corresponds to the diameter of the fuel rods.

Применение твэлов стерженькового типа, которые размещают параллельно друг другу и оси активной зоны, дает возможность выполнить оптимальной компоновку активной зоны, сделать активную зону более гетерогенной и увеличить эффективную плотность топливной композиции (загрузку топлива, например, урана).The use of rod-type fuel rods, which are placed parallel to each other and to the axis of the core, makes it possible to optimally layout the core, make the core more heterogeneous and increase the effective density of the fuel composition (fuel loading, for example, uranium).

Выполнение блока из стали упрощает конструкцию, позволяет устранить недостатки, присущие прототипу и связанные с использованием графита в AЗ, уменьшает ее габариты и увеличивает теплосъем.The implementation of the block of steel simplifies the design, eliminates the disadvantages inherent in the prototype and associated with the use of graphite in AZ, reduces its dimensions and increases heat removal.

Наличие перегородок позволяет оптимизировать конструкцию и придать поперечное направление потоку теплоносителя через твэлы по всей высоте активной зоны.The presence of partitions allows you to optimize the design and give a transverse direction to the flow of coolant through the fuel rods along the entire height of the active zone.

Выбор расстояния между перегородками связан с обеспечением максимального теплосъема.The choice of the distance between the partitions is associated with ensuring maximum heat removal.

На фиг.1 схематично представлена конструкция заявляемого устройства (вид сбоку),Figure 1 schematically shows the design of the claimed device (side view),

на фиг.2 - вид сверху, где:figure 2 is a top view where:

1 - блок активной зоны;1 - core block;

2 - входной коллектор;2 - input collector;

3 - выходной коллектор;3 - output collector;

4 - твэлы.4 - fuel elements.

Ядерный реактор содержит активную зону, по оси которой установлен блок из жаропрочной нержавеющей стали. Блок содержит кольцевую полость для размещения стерженьковых твэлов, образованную наружной и внутренней цилиндрическими боковыми поверхностями. Каждый твэл представляет собой стержень с сердечником из двуокиси урана, диаметром около 1 см, заключенный в стальную оболочку. Стержни сверху и снизу закреплены в трубных досках. В блоке выполнены радиальные отверстия для прохода теплоносителя. Вокруг наружной боковой поверхности блока размещен наружный коллектор, который является входным и образован собственной поверхностью и поверхностью блока, а выходной коллектор размещен внутри блока и образован его внутренней боковой поверхностью. Блок выполнен из жаропрочной нержавеющей стали, и внутри него установлены из того же материала поперечные дистанцирующие перегородки, в которых выполнены отверстия для размещения твэлов, при этом расстояние между соседними перегородками соизмеримо с диаметром твэлов. Возможно также применение реактора с измененным направлением потока теплоносителя, при этом внутренний коллектор будет входным, а наружный - выходным. Такая схема потребует выполнение корпуса реактора из жаропрочной стали. В качестве теплоносителя возможно применение воздуха или инертного газа.A nuclear reactor contains an active zone along the axis of which a block of heat-resistant stainless steel is installed. The block contains an annular cavity for accommodating rod fuel elements formed by the outer and inner cylindrical side surfaces. Each fuel rod is a rod with a core of uranium dioxide, with a diameter of about 1 cm, enclosed in a steel sheath. The rods above and below are fixed in the tube plates. The block has radial openings for the passage of coolant. Around the outer side surface of the block is placed an external collector, which is the input and is formed by its own surface and the surface of the block, and the output collector is placed inside the block and is formed by its inner side surface. The block is made of heat-resistant stainless steel, and inside it there are transverse spacing baffles made of the same material, in which holes are made for placing fuel rods, the distance between adjacent baffles being comparable with the diameter of the fuel rods. It is also possible to use a reactor with a changed flow direction of the coolant, while the internal collector will be inlet and the external one will be output. Such a scheme will require the implementation of a reactor vessel made of heat-resistant steel. It is possible to use air or an inert gas as a heat carrier.

Реактор работает следующим образом.The reactor operates as follows.

Холодный теплоноситель поступает во входной коллектор 2, далее через отверстия блока 1 поступает в пространство между твэлами 4, где контактирует с ними и нагревается за счет реакции деления в ядерном топливе. Поперечные дистанцирующие перегородки, установленные по высоте блока, придают потоку теплоносителя поперечное истечение через стерженьковые твэлы 4, что увеличивает теплосъем с активной зоны. Далее нагретый теплоноситель поступает в выходной коллектор 3 и покидает активную зону. При выполнении наружного коллектора 2 входным при прокачке через него холодного теплоносителя он формирует вокруг активной зоны газовую полость и выполняет дополнительную функцию - отделяет активную зону от внешней среды. Применение в качестве теплоносителя газа, являющегося слабопоглощающей нейтроны средой, позволяет упростить конструкцию активной зоны и уменьшить ее габариты, а компоновка твэлов и поперечное обтекание их теплоносителем позволяет увеличить теплосъем. Таким образом, предложенная конструкция реактора позволяет изготовить его компактным с повышенными технико-экономическими показателями.Cold coolant enters the inlet manifold 2, then through the holes of block 1 it enters the space between the fuel rods 4, where it contacts them and is heated by the fission reaction in nuclear fuel. The transverse spacing partitions, installed along the height of the block, give the coolant flow transverse flow through the rod rods 4, which increases the heat removal from the core. Next, the heated coolant enters the output manifold 3 and leaves the active zone. When the external collector 2 is inlet when the cold coolant is pumped through it, it forms a gas cavity around the active zone and performs an additional function - it separates the active zone from the external environment. The use of a gas, which is a low-absorbing neutron medium, makes it possible to simplify the design of the core and reduce its size, and the layout of the fuel rods and the transverse flow around their coolant can increase heat transfer. Thus, the proposed design of the reactor allows you to make it compact with improved technical and economic indicators.

Claims (1)

Высокотемпературный газоохлаждаемый ядерный реактор на быстрых нейтронах, активная зона которого включает вертикальный цилиндрический блок с кольцевой полостью для размещения твэлов, выполненный с радиальными сквозными отверстиями для прохода газового теплоносителя, обеспечивающими соединение входного и выходного коллекторов с пространством между твэлами, при этом один из коллекторов - внутренний, образован стенками блока и расположен по его оси, а другой - наружный, образован его боковой поверхностью и боковой поверхностью блока, отличающийся тем, что блок установлен соосно с активной зоной, в качестве твэлов использованы твэлы стержневого типа, которые размещены параллельно друг другу и оси активной зоны, а блок выполнен из жаропрочной нержавеющей стали и внутри него установлены из того же материала поперечные дистанцирующие перегородки с отверстиями для размещения твэлов, при этом расстояние между соседними перегородками соизмеримо с диаметром твэлов. A high-temperature gas-cooled fast neutron nuclear reactor, the active zone of which includes a vertical cylindrical block with an annular cavity for placing fuel rods, made with radial through holes for the passage of the gas coolant, connecting the input and output collectors with the space between the fuel rods, one of the collectors being internal , formed by the walls of the block and located on its axis, and the other is the outer one, formed by its lateral surface and the lateral surface of the block, about characterized in that the unit is installed coaxially with the core, rod type fuel rods are used as fuel rods, which are placed parallel to each other and the axis of the core, and the block is made of heat-resistant stainless steel and transverse spacing baffles with holes for the placement of the fuel rods, while the distance between adjacent baffles is commensurate with the diameter of the fuel rods.
RU2009146703/07A 2009-12-15 2009-12-15 High-temperature gas-cooled fast neutron nuclear reactor RU2408095C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2009146703/07A RU2408095C1 (en) 2009-12-15 2009-12-15 High-temperature gas-cooled fast neutron nuclear reactor

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2009146703/07A RU2408095C1 (en) 2009-12-15 2009-12-15 High-temperature gas-cooled fast neutron nuclear reactor

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2408095C1 true RU2408095C1 (en) 2010-12-27

Family

ID=44055894

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2009146703/07A RU2408095C1 (en) 2009-12-15 2009-12-15 High-temperature gas-cooled fast neutron nuclear reactor

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2408095C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113436758A (en) * 2021-07-19 2021-09-24 西安交通大学 Radial flow high-temperature gas cooled reactor fuel assembly for space propulsion and working method

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Ядерная энергетика. Проблемы и перспективы. Экспертные оценки. - М.: ИАЭ им. И.В.Курчатова, 1989, с.114-117. *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113436758A (en) * 2021-07-19 2021-09-24 西安交通大学 Radial flow high-temperature gas cooled reactor fuel assembly for space propulsion and working method
CN113436758B (en) * 2021-07-19 2023-03-07 西安交通大学 Radial flow high-temperature gas cooled reactor fuel assembly for space propulsion and working method

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN108648834B (en) Honeycomb briquet type fuel assembly and the cooling fast reactor reactor core of small size long-life lead bismuth
US10910116B2 (en) Nuclear reactors including heat exchangers and heat pipes extending from a core of the nuclear reactor into the heat exchanger and related methods
US11183311B2 (en) Fuel channel assembly and fuel bundle for a nuclear reactor
CN109256222B (en) Sodium-cooled fast neutron nuclear reactor system
KR102428565B1 (en) nuclear reactor core
EP3306618B1 (en) Nuclear reactor
RU2668230C1 (en) Fast neutron nuclear reactor with liquid metal coolant
US4309252A (en) Nuclear reactor constructions
CN109509563A (en) A kind of cooling high temperature nuclear reactor reactor core of small-sized villiaumite
CN103390434A (en) Novel rod tight-lattice nuclear-reactor core
RU2408095C1 (en) High-temperature gas-cooled fast neutron nuclear reactor
US3398051A (en) Heterogeneous atomic reactor
JPH0151798B2 (en)
CN113130099A (en) Compact-structure high-flux small-sized multipurpose lead-cooled fast reactor
RU2510652C1 (en) Nuclear reactor
CN215265592U (en) Compact-structure high-flux small-sized multipurpose lead-cooled fast reactor
RU2757160C2 (en) Nuclear reactor
CN109036591B (en) Nuclear reactor core
FI129308B (en) A nuclear reactor module and a nuclear district heating reactor comprising and method of operating the same
US20240127975A1 (en) Serial high-temperature gas-cooled reactor nuclear systems and operating methods thereof
US20150325317A1 (en) Nuclear reactor
RU2178595C2 (en) Nuclear reactor fuel element
RU2634307C1 (en) Device for researching thermohydraulic characteristics of liquid-metallic blanket of tyar
Gao et al. Thermal-Hydraulics Design of Water-Cooled Pressure Tube Blanket for a Fusion Driven Subcritical Reactor
RU2236047C1 (en) Nuclear reactor