RU2694812C1 - Гетерогенный канальный ядерный реактор на тепловых нейтронах - Google Patents

Гетерогенный канальный ядерный реактор на тепловых нейтронах Download PDF

Info

Publication number
RU2694812C1
RU2694812C1 RU2018135925A RU2018135925A RU2694812C1 RU 2694812 C1 RU2694812 C1 RU 2694812C1 RU 2018135925 A RU2018135925 A RU 2018135925A RU 2018135925 A RU2018135925 A RU 2018135925A RU 2694812 C1 RU2694812 C1 RU 2694812C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
channel
moderator
neutron
technological
local
Prior art date
Application number
RU2018135925A
Other languages
English (en)
Inventor
Владимир Ильич Наумов
Анатолий Николаевич Шмелёв
Владимир Юрьевич Ждамиров
Original Assignee
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский ядерный университет МИФИ" (НИЯУ МИФИ)
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 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский ядерный университет МИФИ" (НИЯУ МИФИ) filed Critical федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский ядерный университет МИФИ" (НИЯУ МИФИ)
Priority to RU2018135925A priority Critical patent/RU2694812C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2694812C1 publication Critical patent/RU2694812C1/ru

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G21NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21CNUCLEAR REACTORS
    • G21C1/00Reactor types
    • G21C1/02Fast fission reactors, i.e. reactors not using a moderator ; Metal cooled reactors; Fast breeders
    • 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

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • High Energy & Nuclear Physics (AREA)
  • Monitoring And Testing Of Nuclear Reactors (AREA)

Abstract

Изобретение относится к конструкции энергетических гетерогенных канальных реакторов на тепловых нейтронах. Активная зона реактора состоит из технологических каналов с ядерным топливом, теплоносителем и слоем теплоизолирующего материала, прилегающим к внутренней поверхности трубы технологического канала, расположен комбинированный замедлитель, состоящий из слоев твердых компонентов. При этом жидкий замедлитель, имеет более низкую температуру по сравнению с температурой теплоносителя, примыкает к внешней поверхности трубы технологического канала и имеет переменную толщину, последовательно увеличивающуюся вдоль канала по мере падения плотности теплоносителя от входа к выходу из канала. предусмотрена возможность управления составом жидкого замедлителя за счет использования легкой и тяжелой воды и изменения их пропорций в смеси. В твердом замедлителе предусмотрены отдельные дополнительные каналы для размещения твердых замедляющих материалов, обладающих замедляющими свойствами в широком диапазоне. Техническим результатом изобретения является снижение чувствительности локального коэффициента размножения нейтронов к случайным флуктуациям плотности теплоносителя по длине технологического канала, в том числе - при переходах на альтернативные топливные циклы с использованием плутония и тория, при обеспечении возможности управления локальным спектром нейтронов в широком диапазоне. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

Description

Изобретение относится к области ядерной энергетики, а именно к конструкциям энергетических гетерогенных канальных реакторов на тепловых нейтронах.
Как правило, активная зона гетерогенных канальных реакторов на тепловых нейтронах формируется из идентичных ячеек, содержащих в центре технологический канал в виде цилиндрической трубы, несущей давление, внутри которой расположены тепловыделяющие сборки (ТВС), состоящие из тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ), содержащих ядерное топливо в виде смеси делящихся и воспроизводящих материалов, и жидкий теплоноситель (вода под давлением, кипящая вода), протекающий вдоль канала и обеспечивающий теплоотвод от ТВЭЛ. Технологический канал окружен замедляющими нейтроны материалами в твердом, жидком состоянии, либо их комбинацией. Назначение замедляющих материалов состоит в формировании спектра нейтронов, обеспечивающего благоприятные условия для цепной реакции деления, эффективного использования ядерного топлива и безопасности. Теплоноситель (вода, кипящая вода), предназначенный для отвода тепла, генерируемого в ТВЭЛ, обладает большой замедляющей способностью и также участвует в формировании спектра нейтронов. Вклад теплоносителя в формирование локального спектра нейтронов по длине технологического канала зависит от его плотности и меняется по мере роста температуры или паросодержания при его движении вдоль технологического канала. Локальная плотность теплоносителя в технологическом канале может претерпевать случайные изменения из-за флуктуаций давления в технологических каналах, расхода и температуры теплоносителя на входе в канал. Поскольку локальный коэффициент размножения, в силу зависимости от спектра нейтронов, прямо зависит от плотности теплоносителя, случайные изменения плотности могут быть причиной локальных изменений коэффициента размножения с соответствующими локальными изменениями плотности энерговыделения в ядерном топливе, что может отразиться на безопасности реактора.
Применительно к канальным реакторам с кипящим теплоносителем в действующих Правилах ядерной безопасности реакторных установок атомных станций (НП-082-07) [1] сформулировано требование, состоящее в том, чтобы значения парового коэффициента реактивности при нормальной эксплуатации и при нарушениях нормальной эксплуатации были близки к нулю.
Известен усовершенствованный канадский реактор ACR-700 с охлаждением водой сверхкритических параметров [2], принятый в качестве прототипа, содержащий активную зону, которая состоит из ячеек, в центре симметрии каждой из которых расположен технологический канал под давлением, внутри которого находится тепловыделяющие элементы с ядерным топливом, жидкий теплоноситель - легкая вода, имеющий возможность циркуляции для отвода тепла, генерируемого в ядерном топливе, тепловая изоляция, примыкающая к внутренней поверхности трубы под давлением, а снаружи технологического канала расположены замедляющие нейтроны материалы в виде тяжелой воды при атмосферном давлении и температуре ниже температуры кипения и имеющей возможность циркуляции для отвода тепла, генерируемого в замедлителе.
Недостатком данного реактора является чувствительность локального коэффициента размножения нейтронов к случайным флуктуациям плотности теплоносителя по длине технологического канала, возникающая при работе реактора на мощности и способная привести к неустойчивости поля энерговыделения и локальному перегреву ядерного топлива.
Техническим результатом изобретения является снижение чувствительности локального коэффициента размножения нейтронов к случайным флуктуациям плотности теплоносителя по длине технологического канала, в том числе - при переходах на альтернативные топливные циклы с использованием плутония и тория.
Технический результат достигается за счет того, что в гетерогенном ядерном реакторе на тепловых нейтронах, содержащим активную зону которая состоит из ячеек, в центре симметрии каждой из которых расположен технологический канал в виде трубы под давлением, внутри которого находятся тепловыделяющие элементы с ядерным топливом, жидкий теплоноситель, имеющий возможность циркуляции для отвода тепла, генерируемого в ядерном топливе, тепловая изоляция, примыкающая к внутренней поверхности трубы под давлением, а снаружи технологического канала расположены замедляющие нейтроны материалы в виде твердого замедлителя с массой А≥10 и жидкого водородосодержащего замедлителя, имеющего возможность циркуляции для отвода тепла, генерируемого в твердом замедлителе, окружающие технологический канал замедляющие нейтроны материалы размещены в виде по меньшей мере двух радиальных слоев, при этом слой, примыкающий к наружной поверхности технологического канала, состоит из жидкого водородосодержащего замедлителя и имеет переменную последовательно увеличивающуюся толщину по длине канала, минимальное значение которой соответствует максимальной плотности теплоносителя на входе в технологический канал и выбрана из условия создания необходимого проходного сечения для обеспечения циркуляции жидкого замедлителя, максимальная толщина соответствует минимальной плотности теплоносителя на выходе из технологического канала, при этом толщина слоя вдоль канала выбрана из условия минимальной чувствительности локального коэффициента размножения нейтронов к локальным изменениям плотности теплоносителя по всей длине технологического канала.
Локальный коэффициент размножения, в силу зависимости от спектра нейтронов, прямо зависит от плотности теплоносителя, случайные изменения плотности могут быть причиной локальных изменений коэффициента размножения с соответствующими локальными изменениями плотности энерговыделения в ядерном топливе. Организация переменной толщины радиального слоя, примыкающего к наружной поверхности технологического канала, состоящего из жидкого водородосодержащего замедлителя, позволяет компенсировать уменьшение замедляющей способности теплоносителя, находящегося внутри технологического канала и имеющего переменную плотность по его длине, тем самым осуществить управление спектром нейтронов и чувствительностью локальных и полного коэффициента размножения, что в свою очередь что приводит к уменьшению коэффициента реактивности по плотности теплоносителя (или паросодержания) в целом по реактору и повышению его безопасности.
В частном случае толщина слоя, примыкающего к наружной поверхности технологического канала, состоящего из жидкого водородосодержащего замедлителя и имеющего переменную последовательно увеличивающуюся толщину по длине канала, изменяется непрерывным образом.
В другом частном случае толщина слоя, примыкающего к наружной поверхности технологического канала, состоящего из жидкого водородосодержащего замедлителя и имеющего переменную последовательно увеличивающуюся толщину по длине канала, изменяется дискретным образом.
Кроме того, в активной зоне в слое твердого замедлителя введены дополнительные каналы, для управления локальным спектром нейтронов и размещения в них замедляющих нейтроны материалов, обладающих малым захватом нейтронов и различающихся по величине замедляющей способности.
Ниже приводится описание конкретного примера выполнения изобретения.
На фиг. 1 представлена ячейка активной зоны гетерогенного канального ядерного реактора с дискретно изменяющимся радиальным слоем жидкого водородосодержащего замедлителя, выполненного в соответствии с данным изобретением и состоит из радиального слоя твердого компонента замедлителя 1, радиального слоя жидкого компонента замедлителя 2, циркониевой трубы, несущей стенку канала 3, радиального слой тепловой изоляции 4 и тепловыделяющую сборку, состоящую из тепловыделяющих элементов 5.
На фиг. 2 представлена ячейка активной зоны гетерогенного канального ядерного реактора с непрерывно изменяющимся радиальным слоем жидкого водородосодержащего замедлителя, выполненного в соответствии с данным изобретением и состоит из радиального слоя твердого компонента замедлителя 1, радиального слоя жидкого компонента замедлителя 2, циркониевой трубы, несущей стенку канала 3, радиального слой тепловой изоляции 4 и тепловыделяющую сборку, состоящую из тепловыделяющих элементов 5.
Были проведены расчетные исследования, которые показали, что организация переменной толщины радиального слоя, примыкающего к наружной поверхности технологического канала, состоящего из жидкого водородосодержащего замедлителя, как непрерывным, так и дискретным образом в совокупности с возможностью выбора состава топлива, режима теплоотвода и состава жидкого замедлителя (легкая вода, тяжелая вода, смесь легкой и тяжелой воды) позволяет компенсировать уменьшение замедляющей способности теплоносителя, находящегося внутри технологического канала и имеющего переменную плотность по его длине, тем самым осуществить управление спектром нейтронов и чувствительностью локальных и полного коэффициента размножения. Слабая чувствительность локального коэффициента размножения нейтронов по длине канала, а вследствие этого - и по объему активной зоны, способствует устойчивости поля энерговыделения в аксиальном направлении и безопасности реактора. В качестве возможных твердых материалов могут быть предложены оксиды легких металлов с атомной массой ≥10 (ВеО, MgO), либо композитные материалы, например, на основе аморфного углерода. В качестве жидкого материала может быть использована легкая вода, тяжелая вода, либо их смесь.
На фиг. 3 представлена совокупность ячеек активной зоны гетерогенного канального ядерного реактора с дополнительными каналами для управления локальными замедляющими свойствами комбинированного замедлителя, выполненная в соответствии с данным изобретением и состоящая из дополнительных каналов 6 и ячеек активной зоны 7.
Были проведены расчетные исследования, которые показали, что диапазон управления локальными замедляющими свойствами комбинированного замедлителя может быть расширен за счет введения в слое твердого замедлителя отдельных дополнительных каналов, предназначенных для помещения в них взаимозаменяемых материалов, обладающих малым захватом нейтронов и обладающих разной замедляющей способностью, как меньшей, так и большей по отношению к основному твердому замедлителю, в том числе соединения, содержащие в своем составе водород и обладающие наибольшей замедляющей способностью (гидрид циркония), оксиды металлов (оксид бериллия, оксид магния), радиогенный свинец, обладающий наименьшей замедляющей способностью, что приведет к достижению минимальной чувствительности коэффициента размножения к флуктуациям плотности теплоносителя по длине технологического канала при различных вариантах используемого топлива, от традиционного слабо обогащенного урана до перспективных вариантов, базирующихся на использовании плутония и тория.
Таким образом достигается основной результат - снижение чувствительности локального коэффициента размножения нейтронов к случайным флуктуациям плотности теплоносителя по длине технологического канала, а также реализуются следующие преимущества:
1. Минимизация количества жидкого замедляющего материала (воды) в активной зоне приводит к уменьшению образования гремучей смеси в результате радиолиза.
2. Низкая температура замедлителя исключает накопление в активной зоне большого количества аккумулированного тепла.
3. Отсутствие контакта труб технологических каналов с твердым замедлителем и контактных механических напряжений, а также их охлаждение жидким замедляющим материалом с низкой температурой повышают их надежность и безопасность реактора.
Изобретение может быть использовано при разработке проектов перспективных канальных ядерных реакторов на тепловых нейтронах, включая реакторы со сверхкритическими параметрами теплоносителя.
Список литературы
1. Правила ядерной безопасности реакторных установок атомных станций НП-082-07 (Официальный документ).
2. Кириллов П.Л. Усовершенствованный канадский ядерный реактор ACR-700 с охлаждением водой сверхкритических параметров. «Атомная техника за рубежом» №1 2005, стр 11.

Claims (4)

1. Гетерогенный канальный ядерный реактор на тепловых нейтронах, содержащий активную зону, которая состоит из ячеек, в центре симметрии каждой из которых расположен технологический канал в виде трубы под давлением, внутри которого находятся тепловыделяющие элементы с ядерным топливом, жидкий теплоноситель, имеющий возможность циркуляции для отвода тепла, генерируемого в ядерном топливе, тепловая изоляция, примыкающая к внутренней поверхности трубы под давлением, а снаружи технологического канала расположены замедляющие нейтроны материалы в виде твердого замедлителя с массой А≥10 и жидкого водородсодержащего замедлителя, имеющего возможность циркуляции для отвода тепла, генерируемого в твердом замедлителе, отличающийся тем, что окружающие технологический канал замедляющие нейтроны материалы размещены в виде по меньшей мере двух радиальных слоев, при этом слой, примыкающий к наружной поверхности технологического канала, состоит из жидкого водородсодержащего замедлителя и имеет переменную последовательно увеличивающуюся толщину по длине канала, минимальное значение которой соответствует максимальной плотности теплоносителя на входе в технологический канал и выбрана из условия создания необходимого проходного сечения для обеспечения циркуляции жидкого замедлителя, максимальная толщина соответствует минимальной плотности теплоносителя на выходе из технологического канала, при этом толщина слоя вдоль канала выбрана из условия минимальной чувствительности локального коэффициента размножения нейтронов к локальным изменениям плотности теплоносителя по всей длине технологического канала.
2. Гетерогенный ядерный реактор на тепловых нейтронах по п. 1, отличающийся тем, что толщина слоя, примыкающего к наружной поверхности технологического канала, состоящего из жидкого водородсодержащего замедлителя и имеющего переменную последовательно увеличивающуюся толщину по длине канала, изменяется непрерывным образом.
3. Гетерогенный ядерный реактор на тепловых нейтронах по п. 1, отличающийся тем, что толщина слоя, примыкающего к наружной поверхности технологического канала, состоящего из жидкого водородсодержащего замедлителя и имеющего переменную последовательно увеличивающуюся толщину по длине канала, изменяется дискретным образом.
4. Гетерогенный ядерный реактор на тепловых нейтронах по п. 1, отличающийся тем, что в активной зоне в слое твердого замедлителя введены дополнительные каналы для управления локальным спектром нейтронов и размещения в них замедляющих нейтроны материалов, обладающих малым захватом нейтронов и различающихся по величине замедляющей способности.
RU2018135925A 2018-10-10 2018-10-10 Гетерогенный канальный ядерный реактор на тепловых нейтронах RU2694812C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018135925A RU2694812C1 (ru) 2018-10-10 2018-10-10 Гетерогенный канальный ядерный реактор на тепловых нейтронах

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018135925A RU2694812C1 (ru) 2018-10-10 2018-10-10 Гетерогенный канальный ядерный реактор на тепловых нейтронах

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2694812C1 true RU2694812C1 (ru) 2019-07-17

Family

ID=67309188

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2018135925A RU2694812C1 (ru) 2018-10-10 2018-10-10 Гетерогенный канальный ядерный реактор на тепловых нейтронах

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2694812C1 (ru)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6141397A (en) * 1998-06-19 2000-10-31 Hitachi, Ltd. Boiling water reactor core, boiling water reactor, and method of operating boiling water reactor
RU2241263C1 (ru) * 2003-03-11 2004-11-27 Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский и конструкторский институт энерготехники им. Н.А. Доллежаля" Активная зона ядерного реактора на тепловых нейтронах
RU2601963C1 (ru) * 2015-11-23 2016-11-10 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский ядерный университет МИФИ" (НИЯУ МИФИ) Ядерный реактор канального типа
RU2660942C1 (ru) * 2017-12-05 2018-07-11 Акционерное общество "Государственный научный центр Российской Федерации - Физико-энергетический институт имени А.И. Лейпунского" Активная зона ядерного реактора

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6141397A (en) * 1998-06-19 2000-10-31 Hitachi, Ltd. Boiling water reactor core, boiling water reactor, and method of operating boiling water reactor
RU2241263C1 (ru) * 2003-03-11 2004-11-27 Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский и конструкторский институт энерготехники им. Н.А. Доллежаля" Активная зона ядерного реактора на тепловых нейтронах
RU2601963C1 (ru) * 2015-11-23 2016-11-10 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский ядерный университет МИФИ" (НИЯУ МИФИ) Ядерный реактор канального типа
RU2660942C1 (ru) * 2017-12-05 2018-07-11 Акционерное общество "Государственный научный центр Российской Федерации - Физико-энергетический институт имени А.И. Лейпунского" Активная зона ядерного реактора

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US2998367A (en) Boiling reactors
Oka et al. Concept and design of a supercritical-pressure, direct-cycle light water reactor
CN106683720B (zh) 一种管壳式铅基合金冷却反应堆
RU2549369C2 (ru) Модульный реактор, преобразующий отходы деления ядерных материалов
Csom et al. Thorium as an alternative fuel for SCWRs
Rouben CANDU Fuel Management Course
Liu et al. Pre-conceptual core design of a small modular fast reactor cooled by supercritical CO2
Wang et al. Neutron physics of the liquid‐fuel heat‐pipe reactor concept with molten salt fuel—Static calculations
RU2694812C1 (ru) Гетерогенный канальный ядерный реактор на тепловых нейтронах
El-Sahlamy et al. Comparison between standard solid fuel and a new annular fuel performance in the core of a PWR
Baranaev et al. Supercritical-pressure water nuclear reactors
Pon Candu-Blw-250
Shaposhnik et al. Shutdown margin for high conversion BWRs operating in Th-233U fuel cycle
Wang et al. Preliminary study on physical characteristics of single‐pass super‐critical water‐cooled reactor core
JP2005207819A (ja) 沸騰水型原子炉
Fischer et al. Mechanical design of core components for a High Performance Light Water Reactor with a three pass core
Koo et al. Status of Dual Cooled Annular Fuel Development in KAERI
Zhdamirov et al. Boiling Water Reactor with a Combined Moderator for Utilization of Reactor Grade Plutonium
Alekseev et al. A Concept of VVER-SCP reactor with fast neutron spectrum and self-provision by secondary fuel
Tang et al. Conceptual design features for a passive light water cooled and moderated pressure tube reactor (PLPTR)
Zhao et al. Study on neutronics calculation method of SCWR with annular fuel assembly-26804
Hejzlar et al. Large passive pressure tube light water reactor with voided calandria
JP2016176719A (ja) 正方形沸騰水型原子炉
Keller et al. Passive cooling to cold shutdown
Takahashi et al. Design concepts of LFRs and related studies in CRINES of Tokyo Tech