RU2699229C1 - Low-power fast neutron modular nuclear reactor with liquid metal heat carrier and reactor core (versions) - Google Patents

Low-power fast neutron modular nuclear reactor with liquid metal heat carrier and reactor core (versions) Download PDF

Info

Publication number
RU2699229C1
RU2699229C1 RU2019102743A RU2019102743A RU2699229C1 RU 2699229 C1 RU2699229 C1 RU 2699229C1 RU 2019102743 A RU2019102743 A RU 2019102743A RU 2019102743 A RU2019102743 A RU 2019102743A RU 2699229 C1 RU2699229 C1 RU 2699229C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
fuel
reactor
reproducing
rods
core
Prior art date
Application number
RU2019102743A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Ярослав Александрович Котов
Павел Николаевич Алексеев
Евгений Иванович Гришанин
Александр Львович Шимкевич
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт"
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 бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт"
Priority to RU2019102743A priority Critical patent/RU2699229C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2699229C1 publication Critical patent/RU2699229C1/en

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

Abstract

FIELD: nuclear equipment.
SUBSTANCE: invention relates to modular nuclear reactor of fast neutrons with liquid metal heat carrier. Reactor comprises housing with cover, core zone located inside it, intermediate circuit heat exchangers, circulation pumps with pressure manifold, CPS system, wherein housing is made with double walls with inner gas cavity, with inserts installed in upper part of housing inner wall by fusions, and external wall of housing is made with finning. There are versions of the reactor core design formed by vertically installed canless fuel assemblies (FA), including heterogeneous canless fuel assemblies, in which fuel elements with MOFC fuel are used and reproducing fuel elements with reproducing material of U-Zr alloy or uranium metal oxide with oxide coating. Reproducing fuel elements are evenly distributed between fuel elements and their amount is in ratio 1 to 2, respectively, and diameter of reproducing fuel elements is more than diameter of fuel elements.
EFFECT: high radiation and fire safety of the reactor in severe accident conditions with loss of core cooling, internal self-protection, possibility of flexible control of the value of core characteristics and operation with a wide range of isotopic composition and types of fuel and reproducing materials.
9 cl, 3 tbl, 9 dwg

Description

Изобретение относится к области атомной энергии и может быть использовано в проектах атомных станций с быстрыми реакторами малой мощности - под которой в современной энергетике понимают значения менее 300 МВт(э), согласно классификации МАГАТЭ.The invention relates to the field of atomic energy and can be used in projects of nuclear power plants with fast low-power reactors - by which in modern energy we mean values less than 300 MW (e), according to the IAEA classification.

Список сокращений, используемых в данном тексте:List of abbreviations used in this text:

ТВС - тепловыделяющая сборка;TVS - fuel assembly;

ТВЭЛ - тепловыделяющий элемент;TVEL - fuel element;

СУЗ - система управления и защиты реактора;CPS - reactor control and protection system;

KB - коэффициент воспроизводства;KB - reproduction rate;

КВА - коэффициент воспроизводства топлива в активной зоне;KVA - fuel reproduction coefficient in the core;

РАО - радиоактивные отходы;RAO - radioactive waste;

ВКГ - внутрикассетная гетерогенность;VKG - intracassette heterogeneity;

ОЯТ - отработавшее ядерное топливо;SNF - spent nuclear fuel;

АЗ - активная зона;AZ - active zone;

БР - быстрый реактор;BR - fast reactor;

ОР - органы регулирования;OR - regulatory authorities;

ЯЭС - ядерная энергетическая система;NES - nuclear power system;

ВВЭР - водо-водяной энергетический реактор;VVER - water-water power reactor;

ВТГР - высокотемпературный газоохлаждаемый реактор;VTGR - a high-temperature gas-cooled reactor;

ALMR PRISM - реактор на быстрых нейтронах с натриевым теплоносителем.ALMR PRISM - fast neutron reactor with sodium coolant.

Уровень техникиState of the art

Известен ядерный реактор ALMR PRISM (D.C. WADE and Y.I. CHANG, «The Integral Fast Reactor Concept: Physics of Operation and Safety», Nucl. Sci. Eng., 100, 507 ~1988., L.N. SALERNO, R.C. BERGLUND, G.L. GYOREY, F.E. TIPPETS, and P.M. TSCHAMPER «PRISM Concept, Modular LMR Reactors», Nucl. Eng. Des., 109, 79 ~1988., General Electric ML082880369. GEFR-00793, «PRISM - Preliminary Safety Information Document, Volume 1, Chapters 1-4»., 401 page(s), 12/31/1987., General Electric ML082880396 - Submittal of PRISM - Preliminary Safety Information Document, Volume III, Chapters 9-14, 519 page(s), 5/26/1993) с интегральной компоновкой, с быстрым спектром нейтронов, с натриевым теплоносителем, с активной зоной с плотным смешанным топливом и с электрической мощностью 145 МВт. В качестве топлива в активной зоне используется металлический сплав U-Pu-Zr с несколькими вариантами изотопного состава и доли плутония. Жидкий натрий выступает в качестве теплоносителя I и II контура, температура его на входе в активную зону составляет 360°С, на выходе 499°С (General Electric ML082880369. GEFR-00793, «PRISM - Preliminary Safety Information Document, Volume 1, Chapters 1-4», 401 page(s), 12/31/1987). Активная зона состоит из чехловых тепловыделяющих сборок (ТВС) с топливом и воспроизводящих кассет, которые используются для выравнивания тепловыделения, и окружают активную зону для обеспечения расширенного воспроизводства топлива. Для контроля реактивности используются 9 органов регулирования, в качестве аварийной защиты используются 3 стержня большого веса. Также, используется 6 модулей расширения газа для пассивной защиты в авариях с потерей расхода. В проекте реактора предусмотрена дополнительная система аварийного расхолаживания, которая работает за счет притока атмосферного воздуха вдоль внешнего корпуса блока. Сам воздух доставляется с помощью концентрических труб забора, тепло между внутренним корпусом реактора и страховочным кожухом переносится конвекцией и излучением. Атомная станция на основе такого модульного реактора предусматривает установку нескольких блоков на одну турбину для получения электрической мощности в 290 МВт или более (D.C. WADE and Y.I. CHANG, «The Integral Fast Reactor Concept: Physics of Operation and Safety», Nucl. Sci. Eng., 100, 507 ~1988).Known nuclear reactor ALMR PRISM (DC WADE and YI CHANG, "The Integral Fast Reactor Concept: Physics of Operation and Safety", Nucl. Sci. Eng., 100, 507 ~ 1988., LN SALERNO, RC BERGLUND, GL GYOREY, FE TIPPETS, and PM TSCHAMPER "PRISM Concept, Modular LMR Reactors", Nucl. Eng. Des., 109, 79 ~ 1988., General Electric ML082880369. GEFR-00793, "PRISM - Preliminary Safety Information Document, Volume 1, Chapters 1- 4 "., 401 page (s), 12/31/1987., General Electric ML082880396 - Submittal of PRISM - Preliminary Safety Information Document, Volume III, Chapters 9-14, 519 page (s), 5/26/1993) with an integrated layout, with a fast neutron spectrum, with a sodium coolant, with an active zone with dense mixed fuel and with an electric power of 145 MW. U-Pu-Zr metal alloy with several variants of isotopic composition and plutonium fraction is used as fuel in the core. Liquid sodium acts as a coolant of the I and II circuits, its temperature at the inlet to the active zone is 360 ° С, at the outlet 499 ° С (General Electric ML082880369. GEFR-00793, “PRISM - Preliminary Safety Information Document, Volume 1, Chapters 1 -4 ", 401 page (s), 12/31/1987). The active zone consists of fuel-filled sheath assemblies (FAs) and reproducing cassettes, which are used to equalize heat generation, and surround the active zone to provide enhanced fuel reproduction. To control the reactivity, 9 regulatory bodies are used; 3 rods of large weight are used as emergency protection. Also, 6 gas expansion modules are used for passive protection in accidents with loss of flow. The reactor design provides for an additional emergency cooling system, which operates due to the influx of atmospheric air along the outer casing of the unit. The air itself is delivered using concentric intake pipes, the heat between the inner reactor vessel and the safety casing is carried by convection and radiation. A nuclear plant based on such a modular reactor provides for the installation of several units on one turbine to obtain electric power of 290 MW or more (DC WADE and YI CHANG, “The Integral Fast Reactor Concept: Physics of Operation and Safety”, Nucl. Sci. Eng. 100, 507 ~ 1988).

Недостатками известного реактора является низкая эффективность расширенного воспроизводства ядерного горючего (КВ=1.12) из-за отсутствия нижнего и верхнего торцевых воспроизводящих экранов, его общей конфигурации и малой толщины боковых воспроизводящих экранов и, связанная с этим, большая утечка нейтронов из активной зоны, приводящая к дополнительной активации материалов (увеличение количества РАО) и сокращению срока службы оборудования первого контура. Согласно установленным для устойчивого развития ядерной энергетики системным требованиям (О стратегии ядерной энергетики России до 2050 года// П.Н. Алексеев, В.Г. Асмолов, А.Ю. Гагаринский, Н.Е. Кухаркин, Ю.М. Семченков, В.А. Сидоренко, С.А. Субботин, В.Ф. Цибульский, Я.И. Штромбах, М., НИЦ КИ, 2012, 143 с, «Энергетическая стратегия России на период до 2030 года», утверждена распоряжением Правительства Российской Федерации от 13 ноября 2009 г.), быстрый реактор должен иметь определенный уровень начальной загрузки и избыточной наработки топлива. Активная зона быстрого реактора малого размера имеет большую утечку и жесткий спектр нейтронов, из-за чего обладает высоким потенциалом для расширенного воспроизводства делящихся изотопов, однако в прототипе ALMR PRISM он не реализуется полностью.The disadvantages of the known reactor are the low efficiency of the expanded reproduction of nuclear fuel (KV = 1.12) due to the lack of lower and upper end reproduction screens, its general configuration and the small thickness of the side reproduction screens and, associated with this, a large neutron leak from the core, leading to additional activation of materials (increase in the amount of radioactive waste) and reduction of the service life of primary equipment. According to the system requirements established for the sustainable development of nuclear energy (On the strategy of nuclear energy in Russia until 2050 // P.N. Alekseev, V.G. Asmolov, A.Yu. Gagarinsky, N.E. Kukharkin, Yu.M. Semchenkov, V.A. Sidorenko, S.A. Subbotin, V.F. Tsibulsky, Ya.I. Shtrombakh, M., SIC KI, 2012, 143 s, “Energy Strategy of Russia for the Period until 2030”, approved by order of the Russian Government Federation of November 13, 2009), a fast reactor should have a certain level of initial loading and excess fuel production. The active zone of a small-sized fast reactor has a large leakage and a hard neutron spectrum, which is why it has a high potential for expanded reproduction of fissile isotopes, but it is not fully implemented in the ALMR PRISM prototype.

В активной зоне известного реактора используется традиционная компоновка активной зоны с большим уплощением (D/H=2), что в сочетании с малым размером, приводит к большой удельной загрузке по делящимся изотопам, которая составляет 8000 кг/ГВт(эл). Это значение превышает рекомендованное в (О стратегии ядерной энергетики России до 2050 года// П.Н. Алексеев, В.Г. Асмолов, А.Ю. Гагаринский, Н.Е. Кухаркин, Ю.М. Семченков, В.А. Сидоренко, С.А. Субботин, В.Ф. Цибульский, Я.И. Штромбах, М., НИЦ КИ, 2012, 143 с., «Энергетическая стратегия России на период до 2030 года», утверждена распоряжением Правительства Российской Федерации от 13 ноября 2009 г.) ограничение на величину начальной загрузки топлива быстрого реактора.In the reactor core of the known reactor, the traditional core arrangement with large flattening (D / H = 2) is used, which, combined with the small size, leads to a large specific loading of fissile isotopes, which is 8000 kg / GW (e). This value exceeds the recommended value in (On the Strategy of Nuclear Energy of Russia until 2050 // P.N. Alekseev, V.G. Asmolov, A.Yu. Gagarinsky, N.E. Kukharkin, Yu.M. Semchenkov, V.A. Sidorenko, S. A. Subbotin, V. F. Tsibulsky, Ya. I. Shtrombakh, M., SIC KI, 2012, 143 pp., “Energy Strategy of Russia for the Period until 2030”, approved by order of the Government of the Russian Federation of 13 November 2009) a restriction on the initial fuel load of a fast reactor.

Суммарно, на органы регулирования, защиты и нейтронный источник приходится 19 ячеек активной зоны (остальные ячейки активной зоны заняты ТВС). Это занимает более 10% от площади базовой активной зоны. Подобный вариант компоновки активной зоны приводит к тому, что большое количество ячеек в активной зоне малого содержания (обогащения) топлива замещено технологическими каналами, что ухудшает баланс нейтронов и также повышает удельную загрузку. Также, это повышает утечку нейтронов и количество дополнительных РАО за счет активации материалов в активной зоне.In total, the regulatory, protective, and neutron sources account for 19 core cells (the remaining core cells are occupied by fuel assemblies). This occupies more than 10% of the area of the core core. Such an arrangement of the active zone leads to the fact that a large number of cells in the active zone of low fuel content (enrichment) are replaced by technological channels, which affects the neutron balance and also increases the specific load. Also, this increases the neutron leakage and the number of additional radioactive waste due to the activation of materials in the core.

В качестве тепловыделяющих сборок используются традиционные чехловые шестигранные кассеты с треугольной решеткой стержневых твэлов (относительный шаг твэл ~1.20), в которых для дистанционирования твэлов применена металлическая проволочная навивка на твэлы. Такая решетка, с учетом метода дистанционирования твэлов, имеет высокое гидравлическое сопротивление активной зоны, что усложняет установление естественной циркуляции и ухудшает условия охлаждения активной зоны в аварийных ситуациях, связанных с отказом насосов. Также, подобная конструкция повышает долю стали в активной зоне до (~25%), что ухудшает баланс нейтронов.As fuel assemblies, traditional hexagonal cassette tapes with a triangular lattice of rod fuel rods (relative pitch of fuel rods ~ 1.20) are used, in which metal wire winding on the fuel rods is used for spacing fuel rods. Such a lattice, taking into account the method of spacing the fuel rods, has a high hydraulic resistance of the core, which complicates the establishment of natural circulation and worsens the cooling conditions of the core in emergency situations associated with pump failure. Also, such a design increases the proportion of steel in the core to (~ 25%), which affects the neutron balance.

В качестве топлива в активной зоне используется металлический сплав U-Pu-10%Zr, в качестве воспроизводящего материала используется слав U-10%Zr из обедненного урана. Такое топливо имеет ряд преимуществ, в первую очередь, это высокая (с учетом заданной пористости в активной зоне) массовая плотность ~13,0 г/см3 тяжелых ядер (при теоретической плотности металлического топлива ~17.0 г/см3 тяжелых ядер), что повышает интенсивность взаимодействий в активной зоне, отсутствие легких ядер - замедлителей нейтронов, высокая теплопроводность и возможность эффективной переработки методами пирометаллургии. Основной недостаток данного топлива -возможное взаимодействие с оболочкой и формирование эвтектики при высоких температурах. В рабочих режимах температура контакта топливо-оболочка не должна превышать 704°С (General Electric ML082880369. GEFR-00793, «PRISM - Preliminary Safety Information Document, Volume 1, Chapters 1-4», 401 page(s), 12/31/1987 и Status and Trends of Nuclear Fuels Technology for Sodium Cooled Fast Reactors, IAEA Technical Reports, Nuclear Energy Series, No. NF-T-4.1, 113 pp, 76 figures, Vienna, 2011). Для случаев коротких переходных процессов это ограничение по температуре контакта может быть превышено, поскольку сам процесс взаимодействия с образованием эвтектики имеет низкую скорость.U-Pu-10% Zr metal alloy is used as fuel in the core; U-10% Zr glory from depleted uranium is used as a reproducing material. Such a fuel has a number of advantages, first of all, it is high (taking into account the specified porosity in the core) mass density ~ 13.0 g / cm 3 of heavy nuclei (with a theoretical density of metallic fuel ~ 17.0 g / cm 3 of heavy nuclei), which increases the intensity of interactions in the core, the absence of light nuclei - neutron moderators, high thermal conductivity and the possibility of efficient processing by pyrometallurgy methods. The main disadvantage of this fuel is the possible interaction with the shell and the formation of a eutectic at high temperatures. In operating conditions, the fuel-shell contact temperature should not exceed 704 ° С (General Electric ML082880369. GEFR-00793, “PRISM - Preliminary Safety Information Document, Volume 1, Chapters 1-4”, 401 page (s), 12/31 / 1987 and Status and Trends of Nuclear Fuels Technology for Sodium Cooled Fast Reactors, IAEA Technical Reports, Nuclear Energy Series, No. NF-T-4.1, 113 pp, 76 figures, Vienna, 2011). For cases of short transients, this limit on the contact temperature can be exceeded, since the interaction process itself with the formation of a eutectic has a low speed.

Практическая эксплуатация такого топлива проводилась в реакторе EBR-II (General Electric ML082880369. GEFR-00793, «PRISM - Preliminary Safety Information Document, Volume 1, Chapters 1-4»., 401 page(s), 12/31/1987., General Electric ML082880396 - Submittal of PRISM - Preliminary Safety Information Document, Volume III, Chapters 9-14, 519 page(s), 5/26/1993). В результате облучения нескольких тысяч твэлов не было замечено разгерметизации, при этом, более 800 топливных стержней имели выгорание выше 10% т.а., для 30 твэлов было получено выгорание ~18.5% т.а. Также, была освоена фабрикация и переработка циркониевого сплава.The practical operation of such fuel was carried out in the EBR-II reactor (General Electric ML082880369. GEFR-00793, "PRISM - Preliminary Safety Information Document, Volume 1, Chapters 1-4.", 401 page (s), 12/31/1987., General Electric ML082880396 - Submittal of PRISM - Preliminary Safety Information Document, Volume III, Chapters 9-14, 519 page (s), 5/26/1993). As a result of the irradiation of several thousand fuel rods, depressurization was not noticed, and more than 800 fuel rods burned out above 10%, i.e., burnup of ~ 18.5% so obtained for 30 fuel rods. Also, the fabrication and processing of zirconium alloy was mastered.

Рабочие температуры теплоносителя выбраны ниже возможных (Твх./Твых.=360°С /499°С). Выбор входной температуры меньше 400°С приводит к развитию холодного радиационного охрупчивания сталей в нижней части активной зоны, а понижение выходной температуры снижает общий КПД цикла.Operating temperatures of the heat carrier are selected below possible (Th / Th. = 360 ° С / 499 ° С). Selecting an inlet temperature of less than 400 ° C leads to the development of cold radiation embrittlement of steels in the lower part of the core, and lowering the outlet temperature reduces the overall cycle efficiency.

Недостатком используемого натриевого теплоносителя является его высокая химическая активность при взаимодействии с водой и с воздухом, что делает необходимым введение дополнительных мер для обеспечения безопасности, надежного контроля и герметичности натриевого контура (Ядерные реакторы повышенной безопасности (анализ концептуальных разработок)//В.М. Новиков, И.С. Слесарев, П.Н. Алексеев, В.В. Игнатьев, С.А. Субботин, М., Энергоатомиздат, 1993, 384 с.).The disadvantage of the sodium coolant used is its high chemical activity when interacting with water and air, which makes it necessary to introduce additional measures to ensure safety, reliable control and tightness of the sodium circuit (High Security Nuclear Reactors (analysis of conceptual developments) // V.M. Novikov , I.S.Slesarev, P.N. Alekseev, V.V. Ignatiev, S.A. Subbotin, M., Energoatomizdat, 1993, 384 p.).

Предложенная пассивная система аварийного расхолаживания прежде всего нацелена на сохранение целостности защитного кожуха, тогда как во время переходных процессов в тяжелых авариях температуры внутренних компонентов могут превышать допустимые значения (L.N. SALERNO, R.C. BERGLUND, G.L. GYOREY, F.E. TIPPETS, and P.M. TSCHAMPER «PRISM Concept, Modular LMR Reactors», Nucl. Eng. Des., 109, 79 ~1988).The proposed passive emergency cooling system is primarily aimed at preserving the integrity of the protective casing, while during transient processes in severe accidents the temperatures of internal components can exceed permissible values (LN SALERNO, RC BERGLUND, GL GYOREY, FE TIPPETS, and PM TSCHAMPER “PRISM Concept, Modular LMR Reactors ", Nucl. Eng. Des. 109, 79 ~ 1988).

Также известен ядерный реактор БН-800 с быстрым спектром, натриевым теплоносителем, активной зоной с диоксидным урановым и уран - плутониевым топливом и электрической мощностью 880 МВт (Борис Васильев, «Освоение МОКС топлива в БН-800» РОСЭНЕРГОАТОМ, №11, 2014, с. 18-23 и Техническая физика быстрых реакторов с натриевым теплоносителем: учебное пособие / В.И. Матвеев, Ю.С.Хомяков; под ред. чл.-корр. РАН В.И. Рачкова - М.: Издательский дом МЭИ, 2012. - 356 с,: ил.). Его активная зона составлена из чехловых ТВС с тремя вариантами обогащения (содержания) топлива для выравнивания радиального распределения энерговыделения, и окружена воспроизводящими экранами по бокам и снизу. Верхняя зона воспроизводства была убрана в БН-800 для снижения риска возможной реализации положительного пустотного эффекта реактивности. Жидкий натрий выступает в качестве теплоносителя, температура его на входе составляет 350°С, на выходе 540°С. Для контроля реактивности и защиты используются 12 органов регулирования. В реакторе БН-800 предусмотрена система аварийного расхолаживания, которая основана на дополнительных встроенных аварийных теплообменниках.A BN-800 nuclear reactor with a fast spectrum, a sodium coolant, an active zone with uranium dioxide and uranium-plutonium fuel and an electric power of 880 MW is also known (Boris Vasiliev, “Mastering MOX fuel in BN-800” by ROSENERGOATOM, No. 11, 2014, p. 18-23 and Technical Physics of Fast Reactors with Sodium Fluid: A Training Manual / V.I. Matveev, Yu.S. Khomyakov; Edited by Corresponding Member of the Russian Academy of Sciences V.I. Rachkov - M .: MEI Publishing House, 2012 .-- 356 s., Ill.). Its core is composed of case-type fuel assemblies with three options for fuel enrichment (content) to even out the radial distribution of energy release, and is surrounded by reproducing screens on the sides and bottom. The upper reproduction zone was removed in BN-800 to reduce the risk of the possible realization of a positive void reactivity effect. Liquid sodium acts as a coolant, its inlet temperature is 350 ° C, at the outlet 540 ° C. To control reactivity and protection, 12 regulatory bodies are used. The BN-800 reactor has an emergency cooling system, which is based on additional built-in emergency heat exchangers.

Недостатком известного реактора является низкий уровень избыточного воспроизводства ядерного топлива из-за использования в активной зоне диоксидного топлива, которое также содержит легкие ядра кислорода, и отсутствия верхней зоны воспроизводства. В БН-800 коэффициент воспроизводства ядерного топлива в активной зоне меньше 1,0, что повышает требуемый запас реактивности на выгорание.A disadvantage of the known reactor is the low level of excessive reproduction of nuclear fuel due to the use of dioxide fuel in the active zone, which also contains light oxygen nuclei, and the absence of an upper reproduction zone. In BN-800, the nuclear fuel reproduction rate in the core is less than 1.0, which increases the required burnup reactivity margin.

Как и в случае ALMR PRISM, в БН-800 в качестве тепловыделяющих сборок используются традиционные чехловые шестигранные кассеты с треугольной решеткой стержневых твэлов, для дистанционирования которых применена металлическая проволока. Недостатки такой конструкции ТВС указаны выше.As in the case of ALMR PRISM, in the BN-800, traditional heat-insulated hexagonal cartridges with a triangular lattice of rod fuel elements are used as fuel assemblies, for the spacing of which a metal wire is used. The disadvantages of this design of fuel assemblies are indicated above.

Раскрытие сущности изобретенияDisclosure of the invention

Техническим результатом изобретения является:The technical result of the invention is:

- повышение безопасности реактора на быстрых нейтронах в режимах тяжелых аварий с потерей охлаждения активной зоны;- improving the safety of a fast neutron reactor in severe accident conditions with loss of core cooling;

- удовлетворение системным требованиям устойчивого развития атомной энергетики по удельной начальной загрузке и избыточной наработке топлива;- meeting the system requirements for the sustainable development of nuclear energy in terms of specific initial loading and excess fuel production;

- повышение внутренней самозащищенности и снижение стоимости строительства АЭС с данным(и) модульными реакторами;- increasing internal self-protection and reducing the cost of building nuclear power plants with given (and) modular reactors;

- повышение радиационной и пожарной безопасности реактора на быстрых нейтронах в режимах тяжелых аварий с протечками теплоносителя;- increasing the radiation and fire safety of a fast neutron reactor in severe accident modes with coolant leaks;

- существенное улучшение параметров топливоиспользования и топливного цикла;- a significant improvement in fuel use and fuel cycle parameters;

- возможность гибкого управления величиной характеристик активной зоны и работы с широким спектром изотопного состава и типов топлива и воспроизводящих материалов;- the ability to flexibly control the magnitude of the characteristics of the active zone and work with a wide range of isotopic composition and types of fuel and reproducing materials;

- расширение области применения энергоблока.- expansion of the scope of the power unit.

Для достижения указанного результата предложен модульный ядерный реактор малой мощности на быстрых нейтронах с жидкометаллическим теплоносителем, содержащий корпус с крышкой, с расположенными внутри него активной зоной, теплообменниками промежуточного контура, циркуляционными насосами с напорным коллектором, системой СУЗ, при этом корпус выполнен с двойными стенками с внутренней газовой полостью, с установленными в верхней части внутренней стенки корпуса плавками вставками, а наружная стенка корпуса выполнена с оребрением.To achieve this result, a modular low-power fast neutron nuclear reactor with a liquid metal coolant is proposed, comprising a housing with a lid, an active zone located inside it, intermediate circuit heat exchangers, circulation pumps with a pressure header, and a CPS system, while the housing is made with double walls with internal gas cavity, with inserts installed in the upper part of the inner wall of the casing, and the outer wall of the casing is made with fins.

Кроме того, в качестве жидкометаллического теплоносителя используют натрий или эвтектику Na-Tl 92.9 и 7.1 атомных % соответственно.In addition, sodium or eutectic Na-Tl 92.9 and 7.1 atomic%, respectively, are used as the liquid metal coolant.

Также для достижения указанного результата предложена активная зона модульного ядерного реактора на быстрых нейтронах с жидкометаллическим теплоносителем, сформированная вертикально установленными бесчехловыми тепловыделяющими сборками (ТВС) с силовыми элементами и расположенными в верхней части дистанционирующими поясками, с треугольной решеткой цилиндрических тепловыделящих элементах с дистанционирующими решетками со смешанным U-Pu-Zr топливом, с нижней и верхней торцевыми зонами воспроизводства сформированными за счет помещения над и под U-Pu-Zr топливом в тепловыделящих элементах воспроизводящего материала из металлического обедненного уран/тория или диоксида обедненного урана/тория, и боковой зоны воспроизводства с чехловыми тепловыделяющими сборками (ТВС) с цилиндрическими тепловыделящими элементами большого диаметра, в которых размещен воспроизводящий материал из диоксида обедненного урана/тория или металлического обедненного урана/тория.Also, to achieve this result, a core of a modular fast neutron nuclear reactor with a liquid metal coolant is proposed, formed by vertically mounted case-free fuel assemblies (FAs) with power elements and spacing belts located in the upper part, with a triangular lattice of cylindrical fuel elements with spacer grids with mixed U -Pu-Zr fuels, with lower and upper end areas of reproduction formed by placed I am above and below U-Pu-Zr fuel in the fuel elements of the reproducing material from depleted uranium / thorium metal or depleted uranium / thorium dioxide, and the lateral reproduction zone with fuel case assemblies (FAs) with large diameter cylindrical fuel elements, in which the reproducing depleted uranium / thorium dioxide material or depleted uranium / thorium metal material.

Кроме того:Besides:

- силовые элементы представляют собой размещенные в углах ТВС шесть стальных стержней, прикрепленных к хвостовикам и головкам ТВС.- power elements are six steel rods located in the corners of the fuel assemblies attached to the shanks and heads of the fuel assemblies.

- часть ТВС выполнена с центральной полостью для размещения органов регулирования СУЗ с установленным в ней силовым элементом в виде стального чехла- part of the fuel assembly is made with a central cavity for the placement of the CPS regulation bodies with a power element installed in it in the form of a steel cover

Также для достижения указанного результата предложена активная зона модульного ядерного реактора на быстрых нейтронах с жидкометаллическим теплоносителем, сформирована вертикально установленными гетерогенными бесчехловыми тепловыделяющими сборками (ТВС) с силовыми элементами и расположенными в верхней части дистанционирующими поясками, с треугольной решеткой цилиндрических тепловыделящих элементов (твэлов) с дистанционирующими решетками, при этом твэлы в гетерогенных ТВС выполнены в виде топливных твэлов с МОКС - топливом и воспроизводящих твэлов с воспроизводящим материалом из сплава U-Zr или металлического урана с оксидным покрытием, при этом воспроизводящие твэлы равномерно распределены между топливными твэлами и их количество находится в соотношении 1 к 2 соответственно, а диаметр воспроизводящих твэлов больше диаметра топливных твэлов, а нижняя и верхняя торцевые зоны воспроизводства сформированы из металлического обедненного уран/тория или диоксида обедненного урана/тория, а боковая зона воспроизводства сформирована чехловыми тепловыделяющими сборками (ТВС) с цилиндрическими тепловыделящими элементами большого диаметра, в которых размещен воспроизводящий материал из диоксида обедненного урана/тория или металлического обедненного урана/тория.Also, to achieve this result, a core of a modular fast neutron nuclear reactor with a liquid metal coolant is proposed, formed by vertically mounted heterogeneous caseless fuel assemblies (fuel assemblies) with power elements and spacing belts located in the upper part, with a triangular lattice of cylindrical fuel elements (fuel rods) with distance lattices, while the fuel rods in heterogeneous fuel assemblies are made in the form of fuel fuel rods with MOX fuel and producing fuel rods with reproducing material from an U-Zr alloy or an oxide-coated metal uranium, while the reproducing fuel rods are evenly distributed between the fuel rods and their number is in the ratio of 1 to 2, respectively, and the diameter of the reproducing fuel rods is larger than the diameter of the fuel rods, and the lower and upper reproduction end zones are formed from depleted uranium / thorium metal or depleted uranium / thorium dioxide, and the lateral reproduction zone is formed by sheath fuel assemblies (FA) with cylindrical fuel element of large diameter, in which is placed a reproducing material dioxide depleted uranium / thorium metal or depleted uranium / thorium.

В указанной активной зоне силовые элементы представляют собой размещенные в углах ТВС шесть стальных стержней, прикрепленных к хвостовикам и головкам ТВС,In this active zone, the power elements are six steel rods located in the corners of the fuel assemblies attached to the shanks and heads of the fuel assemblies,

а часть ТВС выполнена с центральной полостью для размещения органов регулирования СУЗ с установленным в ней силовым элементом в виде стального чехлаand a part of the fuel assembly is made with a central cavity for accommodating the CPS regulatory bodies with a power element installed in it in the form of a steel cover

Заявляемый модульный ядерный реактор на быстрых нейтронах с жидкометаллическим теплоносителем выполнен с электрической мощностью (180-250) МВт. Конструкцией блока обеспечивается проток холодного теплоносителя после теплообменника вдоль стенки корпуса в бассейн холодного теплоносителя. Между двойными стенками корпуса реактора находится полость, заполненная инертным газом. По сравнению с реактором ALMR PRISM, в верхней части корпуса выше уровня теплоносителя находятся плавкие вставки. Данная схема позволяет при потере теплосъема организовать залив жидкого металла в полость на пассивных принципах за счет теплового расширения теплоносителя с ростом его температуры. При этом организуется эффективный перенос тепла от твэлов активной зоны на корпус реактора при работе насосов или путем естественной циркуляции теплоносителя.The inventive modular nuclear fast-neutron reactor with liquid metal coolant is made with an electric power of (180-250) MW. The design of the unit provides a flow of cold coolant after the heat exchanger along the wall of the housing into the pool of cold coolant. Between the double walls of the reactor vessel is a cavity filled with inert gas. Compared to the ALMR PRISM reactor, fuses are located in the upper part of the vessel above the coolant level. This scheme allows the loss of heat removal to organize the filling of liquid metal into the cavity on passive principles due to thermal expansion of the coolant with increasing temperature. At the same time, effective heat transfer from the fuel rods of the core to the reactor vessel is organized during the operation of the pumps or through the natural circulation of the coolant.

По сравнению с реактором ALMR PRISM для интенсификации теплообмена на боковую стенку корпуса реактора добавлено оребрение, а также произведено чернение его поверхности. Боковая стенка с оребрением окружена черненым металлическим листом ширмообразной формы. К данной конструкции обеспечен приток атмосферного воздуха, который по системе труб пассивно подается к основанию реактора, после чего по системе каналов передается в выходную трубу высотой 5-15 метров, в зависимости от конфигурации.Compared with the ALMR PRISM reactor, fins were added to intensify heat transfer on the side wall of the reactor vessel, and its surface was blackened. The side wall with ribbing is surrounded by a blackened metal sheet of a shield-like shape. To this design, an influx of atmospheric air is provided, which is passively supplied through the pipe system to the base of the reactor, after which it is transmitted through the channel system to the outlet pipe 5-15 meters high, depending on the configuration.

Эта система позволяет эффективно отводить тепло от разогретого в аварийных ситуациях корпуса блока с использованием естественной конвекции и теплового излучения. При этом, при работе энергоблока на полной мощности, в случае возникновения аварий с потерей принудительного штатного теплосъема, обеспечиваются допустимые температуры конструкционных элементов, включая корпус реактора, и сохраняется дальнейшая работоспособность основных систем реактора.This system makes it possible to efficiently remove heat from a block body using emergency convection and thermal radiation. At the same time, when the power unit is operating at full power, in case of accidents with the loss of forced standard heat removal, the permissible temperatures of structural elements, including the reactor vessel, are ensured, and the further operability of the main reactor systems is maintained.

Активная зона сформирована безчехловыми тепловыделяющими сборками (ТВС) со смешанным уран-плутониевым металлическим топливом для активной зоны и чехловыми ТВС с воспроизводящим материалом для боковой зоны воспроизводства. Геометрия активной зоны отличается от традиционной геометрии, применяемой для быстрых реакторов: используется меньшее уплощение по сравнению с реакторами ALMR PRISM, БН-800, ее эффективный диаметр составляет 140 см при высоте в 80 см, что находится ближе к оптимальному значению с точки зрения минимизации утечки нейтронов.The active zone is formed by case-free fuel assemblies (FAs) with mixed uranium-plutonium metal fuel for the active zone and sheathed fuel assemblies with reproducing material for the lateral reproduction zone. The geometry of the core differs from the traditional geometry used for fast reactors: less flattening is used compared to ALMR PRISM, BN-800 reactors, its effective diameter is 140 cm at a height of 80 cm, which is closer to the optimal value in terms of minimizing leakage neutrons.

В базовом варианте загрузки активной зоны используются ТВС с треугольной решеткой твэлов одного диаметра с относительным шагом (1,16) со смешанным топливом из сплава U-Pu-Zr, обладающего высокой массовой плотностью и теплопроводностью, с начальной пористостью 25%. Изотопный состав плутония соответствует энергетическому плутонию, выделенному при переработке отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) тепловых реакторов. Доля топлива, конструкционных материалов и теплоносителя в активной зоне составляет 51.5%; 12.4%; 36.1% соответственно. Диаметр твэлов в активной зоне (8.100 мм) увеличен по сравнению с реактором ALMR PRISM, в котором диаметр твэлов в активной зоне (7.366 мм) (General Electric ML082880369. GEFR-00793, "PRISM -Preliminary Safety Information Document, Volume 1, Chapters 1-4." 401 page(s), 12/31/1987), а для дистанционирования используются дистанционирующие решетки. Чехол у ТВС отсутствует, для дистанционирования ТВС по ее краям добавлены пояски, силовую нагрузку берут на себя 6 стальных стержней с уголками, которые замещают часть твэлов, расположенных в углах ТВС. Они прикреплены к хвостовикам и головкам ТВС, на них держатся дистанционирующие решетки и дистанцинирующие пояски.In the basic version of core loading, fuel assemblies with a triangular lattice of fuel rods of the same diameter with a relative pitch of (1.16) are used with mixed fuel from the U-Pu-Zr alloy, which has a high mass density and thermal conductivity, with an initial porosity of 25%. The plutonium isotopic composition corresponds to the energy plutonium released during the processing of spent nuclear fuel (SNF) from thermal reactors. The share of fuel, structural materials and coolant in the core is 51.5%; 12.4%; 36.1% respectively. The diameter of the fuel rods in the core (8.100 mm) is increased compared to the ALMR PRISM reactor, in which the diameter of the fuel rods in the core (7.366 mm) (General Electric ML082880369. GEFR-00793, "PRISM-Preliminary Safety Information Document, Volume 1, Chapters 1 -4. "401 page (s), 12/31/1987), and spacers are used for spacing. There is no cover for the fuel assemblies, belts have been added to span the fuel assemblies along its edges, 6 steel rods with corners that replace part of the fuel rods located in the corners of the fuel assemblies take the load. They are attached to the shanks and heads of the fuel assemblies; spacer grids and spacer belts are held on them.

Данные изменения по сравнению с ALMR PRISM и БН-800 позволили снизить утечку нейтронов из активной зоны, повысить плотность топлива и интенсивность взаимодействий в нем, снизить поглощение нейтронов конструкционными материалами, а также ужесточить нейтронный спектр. Это привело к снижению удельной начальной загрузки по делящимся материалам в активной зоне до значения (~3990 кг/ГВт(эл)), удовлетворяющего системным требованиям. При этом, несмотря на малый размер АЗ, в ней достигается высокий коэффициент воспроизводства вплоть до 1,0 при применении энергетического плутония, начиная с определенной доли Pu-240 в изотопном составе, или при использовании гетерогенной компоновки активной зоны, и соответственно минимизируется запас реактивности на выгорание.These changes compared to ALMR PRISM and BN-800 allowed to reduce neutron leakage from the core, increase fuel density and the intensity of interactions in it, reduce neutron absorption by structural materials, and also tighten the neutron spectrum. This led to a decrease in the specific initial charge for fissile materials in the core to a value (~ 3990 kg / GW (e)) that satisfies the system requirements. At the same time, despite the small size of the AZ, it achieves a high reproduction rate up to 1.0 when using energy plutonium, starting with a certain proportion of Pu-240 in the isotopic composition, or when using a heterogeneous arrangement of the core, and accordingly, the reactivity margin is minimized burnout.

В качестве альтернативы, в нашем варианте возможно формирование активной зоны на основе ТВС с внутрикассетной гетерогенностью, в которых присутствуют топливные твэлы (обычного или меньшего диаметра) с МОКС - топливом, а также воспроизводящие твэлы (большего диаметра) со сплавом U-Zr или металлическим ураном с оксидным покрытием. Воспроизводящие твэлы равномерно распределены среди топливных твэлов и находятся в треугольной решетке в соотношении 1 к 2 соответственно.As an alternative, in our embodiment, it is possible to form an active zone based on fuel assemblies with intasset heterogeneity, in which there are fuel rods (of a regular or smaller diameter) with MOX fuel, as well as reproducing fuel rods (of a larger diameter) with U-Zr alloy or metal uranium with oxide coating. Reproducing fuel rods are evenly distributed among the fuel rods and are in a triangular lattice in a ratio of 1 to 2, respectively.

Такой комбинированный вариант компоновки ТВС позволяет сохранить количество тяжелых ядер в активной зоне без применения U-Pu-Zr топлива, а с использованием только отработанного МОКС топлива и сплава U-Zr или отработанного в бланкетах быстрых реакторов металлического урана, что также повышает коэффициент воспроизводства активной зоны до 1 при использовании плутония из ОЯТ с малым выгоранием или из бланкетов БР. При облучении топлива в воспроизводящих твэлах нарабатывается количество плутония, достаточное для поддержания критичности реактора, а при извлечении отработавшей гетерогенной ТВС из бассейна выдержки, воспроизводящие твэлы могут быть отсортированы, например, по весу, и переработаны с коротким циклом выдержки, в связи с их низким выгоранием.This combined arrangement of fuel assemblies allows you to save the number of heavy nuclei in the core without using U-Pu-Zr fuel, but using only spent MOX fuel and U-Zr alloy or spent on blanks of fast uranium metal reactors, which also increases the core reproduction rate up to 1 when using plutonium from SNF with low burnup or from blanks of the BR. When fuel is irradiated in the replicating fuel rods, enough plutonium is generated to maintain criticality of the reactor, and when the spent heterogeneous fuel assemblies are removed from the holding pool, the replicating fuel rods can be sorted, for example, by weight, and processed with a short exposure cycle due to their low burnup .

Для минимизации запаса реактивности на выгорание (получения оптимального коэффициента воспроизводства в АЗ), в случае использования ТВС с внутрикассетной гетерогенностью можно варьировать диаметр воспроизводящего твэла в небольших пределах. Такая мера не оказывает заметного влияния на остальные характеристики блока и может быть легко реализована, в отличие от альтернативных методик управления параметрами топлива, например, за счет варьирования высоты топливного столба в твэлах.To minimize the burnup reactivity margin (to obtain the optimal reproduction coefficient in AZ), in the case of using fuel assemblies with intasset heterogeneity, the diameter of the reproducing fuel element can be varied to a small extent. Such a measure does not have a noticeable effect on the remaining characteristics of the unit and can be easily implemented, in contrast to alternative methods of controlling fuel parameters, for example, by varying the height of the fuel column in the fuel rods.

Одно из основных преимуществ ТВС с внутрикассетной гетерогенностью - распределение мощности между типами твэлов по кампании. В начале кампании МОКС топливо в топливном твэле имеет хорошие свойства топливных таблеток, что позволяет увеличить их линейную нагрузку с сохранением в нем допустимых температур. По мере выгорания, вместе с деградацией тепловых свойств диоксидных топливных таблеток, снижается и их линейная мощность. Это обеспечивает возможность выбора более высокой линейной нагрузки для свежего топлива, чем в случае использования традиционной гомогенной компоновки ТВС.One of the main advantages of fuel assemblies with cassette heterogeneity is the distribution of power between the types of fuel elements over the campaign. At the beginning of the MOX campaign, fuel in a fuel rod has good fuel pellet properties, which makes it possible to increase their linear load while maintaining acceptable temperatures in it. As it burns out, along with the degradation of the thermal properties of the dioxide fuel pellets, their linear power decreases. This provides the possibility of choosing a higher linear load for fresh fuel than in the case of using a traditional homogeneous assembly of fuel assemblies.

Для управления реактивностью и аварийной защиты применены комбинированные ТВС с органами СУЗ (ТВС-СУЗ), в которых вместо 4 центральных рядов твэлов в штатной топливной ТВС ставится шестигранный чехол. Через приводы в крышке реактора в этих чехлах ТВС-СУЗ обеспечивается движение поглотителей нейтронов шестигранной или круглой формы из очехлованного карбида бора. Основное количество ТВС-СУЗ сосредоточено ближе к центру активной зоны.To control reactivity and emergency protection, combined fuel assemblies with CPS bodies (TVS-CPS) are used, in which instead of 4 central rows of fuel elements in a standard fuel assembly, a six-sided cover is placed. Through the drives in the reactor cover in these covers of the TVS-CPS, the movement of hexagonal or circular neutron absorbers from shell-coated boron carbide is ensured. The bulk of the fuel assembly-control system is concentrated closer to the center of the core.

Подобная компоновка позволяет на один стержень СУЗ извлекать из активной зоны почти в 4 раза меньше топлива, чем в активной зоне БН-800, тем самым сохраняя его в активной зоне, снижая за счет этого содержание плутония и повышая воспроизводство ядерного топлива в активной зоне. Расположение ТВС-СУЗ по радиусу активной зоны дополнительно используется для выравнивания поля энерговыделения.Such an arrangement allows one CPS rod to extract almost 4 times less fuel from the core than in the BN-800 core, thereby maintaining it in the core, thereby reducing plutonium content and increasing nuclear fuel reproduction in the core. The location of the TVS-CPS along the radius of the active zone is additionally used to align the energy release field.

Активная зона окружена воспроизводящими чехловыми сборками с твэлами большого диаметра, в которых могут быть размещены таблетки, например, с металлическим обедненным ураном или торием, либо с диоксидом обедненного урана или тория. Воспроизводящие ТВС формируют боковую зону воспроизводства. Также таблетки с металлическим обедненным ураном/торием, либо с диоксидом обедненного урана/тория помещены в оболочки твэл под и над топливными таблетками активной зоны. Они формируют нижнюю и верхнюю торцевые зоны воспроизводства ядерного топлива.The active zone is surrounded by reproducing cover assemblies with large-diameter fuel rods in which tablets can be placed, for example, with depleted metal uranium or thorium, or with depleted uranium or thorium dioxide. Reproducing fuel assemblies form a lateral zone of reproduction. Also, tablets with depleted uranium / thorium metal or with depleted uranium / thorium dioxide are placed in the fuel cladding under and above the core fuel pellets. They form the lower and upper end zones of nuclear fuel reproduction.

Применение тория в бланкетах позволяет эффективно вести наработку U-233 для подпитки топливом тепловых реакторов. При таком размещении тория практически отсутствует негативное влияние протактиниевого эффекта реактивности, а из-за высокой утечки нейтронов из активной зоны и их жесткого спектра, темп избыточного воспроизводства соответствует системным требованиям. Если для формирования подпитки активной зоны реактора не будет хватать плутония, то возможна частичная или полная замена ториевых экранов на урановые экраны для увеличения воспроизводства плутония.The use of thorium in blankets makes it possible to efficiently run U-233 for fueling thermal reactors. With this arrangement of thorium, the negative effect of the protactinium reactivity effect is practically absent, and due to the high leakage of neutrons from the core and their hard spectrum, the rate of excessive reproduction corresponds to system requirements. If plutonium is not enough for the formation of a reactor core, then partial or complete replacement of thorium screens with uranium screens is possible to increase the reproduction of plutonium.

Для повышения внутренней самозащищенности реактора в качестве теплоносителя предлагается применить эвтектику Na-Tl (92.9 и 7.1 атомных % соответственно).To increase the internal self-protection of the reactor, it is proposed to use the Na-Tl eutectic (92.9 and 7.1 atomic%, respectively) as a coolant.

При этом:Wherein:

- значительно снижается химическая активность теплоносителя;- significantly reduces the chemical activity of the coolant;

- исключается бурная реакция с водой, паром и атмосферным воздухом, сопровождаемая возгоранием или взрывом;- excludes violent reaction with water, steam and atmospheric air, accompanied by fire or explosion;

- значительно снижается образование радиоактивных аэрозолей при авариях с утечкой теплоносителя;- significantly reduces the formation of radioactive aerosols in accidents with a coolant leak;

- повышается температура кипения теплоносителя;- the boiling point of the coolant rises;

- снижается температура плавления теплоносителя;- decreases the melting temperature of the coolant;

- упрощается технология очистки модифицированного теплоносителя от кислорода и потенциально допускается исключение холодной ловушки.- the technology of purification of the modified heat carrier from oxygen is simplified and the exclusion of a cold trap is potentially allowed.

С целью повышения нейтронно-физических характеристик реактора, можно применить изотопное обогащение таллия по изотопу Т1-205.In order to increase the neutron-physical characteristics of the reactor, thallium isotope enrichment using the T1-205 isotope can be applied.

В случае возникновения технических или экономических ограничений с использованием натрий-таллиевого теплоносителя, возможно сохранить в промежуточном контуре применение чистого натрия.In the event of technical or economic limitations using sodium thallium coolant, it is possible to maintain the use of pure sodium in the intermediate circuit.

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

Сущность изобретения иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1-9.The invention is illustrated by the drawings shown in FIG. 1-9.

На фиг. 1 приведена принципиальная конструкция корпуса реактора с системой пассивного теплоотвода.In FIG. 1 shows the basic design of the reactor vessel with a passive heat sink system.

На фиг. 2 приведена принципиальная конструкция системы аварийного расхолаживания с использованием естественной конвекции воздуха.In FIG. 2 shows the basic design of the emergency cooling system using natural air convection.

На фиг. 3 приведена расчетная область допустимых размеров модульного реактора, в которой удовлетворяются поставленные требования по его характеристикам.In FIG. Figure 3 shows the calculated area of permissible dimensions of a modular reactor, in which the set requirements for its characteristics are satisfied.

На фиг. 4 приведена картограмма модульного реактора.In FIG. 4 shows a cartogram of a modular reactor.

На фиг. 5 приведено изменение с выгоранием топливного твэла линейной нагрузки топливных и воспроизводящих твэлов в ТВС с внутрикассетной гетерогенностью.In FIG. Figure 5 shows the change in burnup of a fuel rod of a linear load of fuel and reproducing fuel rods in fuel assemblies with intasset heterogeneity.

На фиг. 6 приведена фазовая диаграмма состояния сплава натрий-таллий.In FIG. Figure 6 shows the phase diagram of the state of the sodium-thallium alloy.

На фиг. 7 приведены изменения температуры теплоносителя и конструкционных материалов в аварии с потерей принудительного теплоотвода.In FIG. Figure 7 shows changes in the temperature of the coolant and structural materials in an accident with the loss of forced heat removal.

На фиг. 8 приведена конструкция штатной ТВС активной зоны и ТВС-СУЗ.In FIG. 8 shows the design of the standard fuel assemblies of the core and fuel assemblies-CPS.

На фиг. 9 приведена конструкция штатной ТВС активной зоны с внутрикассетной гетерогенностью и ТВС-СУЗ.In FIG. Figure 9 shows the design of a standard fuel assembly of an active zone with cassette heterogeneity and a fuel assembly-control system.

Позициями на фигурах обозначеныThe positions in the figures indicated

1 - активная зона1 - active zone

2 - напорный коллектор2 - pressure header

3 - бассейн холодного теплоносителя3 - cold coolant pool

4 - теплообменник промежуточного контура4 - intermediate circuit heat exchanger

5 - бассейн горячего теплоносителя5 - pool of hot heat carrier

6 - циркуляционный насос6 - circulation pump

7 - плавкие вставки7 - fusible inserts

8 - газовая полость между стенками корпуса8 - gas cavity between the walls of the housing

9 - приток атмосферного воздуха9 - the influx of atmospheric air

10 - выход нагретого воздуха10 - heated air outlet

11 - оребрение на боковой стенке корпуса11 - ribbing on the side wall of the housing

12 - ширмообразный лист - тепловой экран12 - screen-shaped sheet - heat shield

13 - тепловая изоляция13 - thermal insulation

14- хвостовик со спиральным уплотнением14- shank with spiral seal

15 - отверстия для входа теплоносителя15 - holes for the coolant inlet

16 - опорная решетка16 - support grid

17 - пучок твэлов17 - a bunch of fuel rods

18 - дистанционирующие решетки18 - spacer grids

19 - пояски для дистанционирования ТВС19 - belts for spacing fuel assemblies

20 - верхняя опорная решетка20 - upper support grill

21 - головка21 - head

22 - ухват22 - grip

23 - шесть утолщенных стальных стержней23 - six thickened steel rods

24 - твэлы с топливом24 - fuel rods

25 - внутренний стальной чехол - канал ОР СУЗ25 - inner steel cover - channel OR SUZ

26 - утолщенные стальные стержни для гетерогенной ТВС26 - thickened steel rods for heterogeneous fuel assemblies

27 - воспроизводящие твэлы27 - reproducing fuel elements

28 - топливные твэлы28 - fuel rods

29 - внутренний стальной чехол - канал ОР СУЗ для гетерогенной ТВС29 - internal steel cover - channel OR CPS for heterogeneous fuel assemblies

Осуществление изобретенияThe implementation of the invention

На фиг.1 представлена схема организации пассивной системы аварийного расхолаживания в корпусе без дополнительных теплообменников. Она основана на пассивных принципах, является технологичной и не сложной в реализации. Для устранения отрицательного влияния на преобразование энергии (КПД) в номинальном режиме работы, корпус реактора выполнен с двойными стенками, между которых находится газовая полость 8. В нормальном режиме она заполнена аргоном (или другим инертным газом). При потере возможности теплосъема через теплообменники 4, средняя температура внутрикорпусного натрия в бассейнах 3 и 5 возрастает, что приводит к его расширению. Таким образом, становится возможным организовать уровень, при подъеме до которого, натрий войдет в контакт с плавкими вставками 7 и попадет в эту межкорпусную газовую полость, при этом, резко снижается ее тепловое сопротивление. После устранения неполадок, натрий из полости можно слить или вытеснить газом под давлением. В номинальном режиме, при тепловой мощности блока в 400 МВт, постоянные потери тепла через межкорпусное пространство, заполненное газом, по предварительным расчетам, составляют менее 100 кВт, что может быть допустимо для пассивного теплоотвода. В ходе исследования рассеивающей способности стенки корпуса, было установлено, что ее недостаточно для сохранения температур компонентов первого контура в допустимых пределах.Figure 1 presents the organization diagram of the passive emergency cooling system in the housing without additional heat exchangers. It is based on passive principles, is technological and not difficult to implement. To eliminate the negative effect on energy conversion (Efficiency) in the nominal operating mode, the reactor vessel is made with double walls, between which there is a gas cavity 8. In normal mode, it is filled with argon (or other inert gas). If you lose the possibility of heat removal through heat exchangers 4, the average temperature of the internal sodium in pools 3 and 5 increases, which leads to its expansion. Thus, it becomes possible to organize a level, upon rising to which, sodium will come into contact with the fusible inserts 7 and fall into this inter-shell gas cavity, while its thermal resistance sharply decreases. After troubleshooting, the sodium from the cavity can be drained or displaced by gas under pressure. In the nominal mode, with a block thermal power of 400 MW, constant heat loss through the inter-shell space filled with gas, according to preliminary calculations, is less than 100 kW, which may be acceptable for passive heat removal. In the course of the study of the scattering ability of the body wall, it was found that it is not enough to maintain the temperatures of the components of the primary circuit within acceptable limits.

На фиг. 2 представлена схема установки корпуса реактора и шахты для организации системы пассивного расхолаживания через корпус. На боковую стенку реактора, вдоль которой создана возможность протекания воздуха, добавлено оребрение 11, также производится чернение поверхности. На некоторой дистанции от стенки, вокруг нее расположен тепловой экран 12 - металлический лист ширмового типа. Такая форма позволяет достичь большей площади поверхности, эффективно поглощать тепловое излучение от стенки реактора, и рассеивать его с помощью естественной конвекции. За тепловым экраном расположен лист тепловой изоляции 13, который отражает тепловое излучение, а также выполняет роль тепловой защиты шахты реактора. Через сеть труб производится забор атмосферного воздуха, который по коммуникациям 9 опускается вдоль листа теплового экрана 12, затем распределяется на 3 потока: вдоль оребренной стенки реактора 11 и с каждой стороны ширмового листа 12 и выходит через сеть выпускных каналов нагретого воздуха 10. В них предусмотрена система радиационного контроля и заслонки на случай утечки натрия. Также, размеры шахты подобраны таким образом, что в случае разгерметизации корпуса и образовании течи, активная зона находилась под слоем теплоносителя.In FIG. 2 shows the installation diagram of the reactor vessel and the shaft for organizing a passive cooling system through the vessel. On the side wall of the reactor, along which the possibility of air flow is created, ribbing 11 is added, and the surface is blackened. At a certain distance from the wall, around it there is a heat shield 12 — a screen-type metal sheet. This form allows you to achieve a larger surface area, effectively absorb thermal radiation from the wall of the reactor, and scatter it using natural convection. Behind the heat shield is a sheet of thermal insulation 13, which reflects thermal radiation, and also serves as the thermal protection of the reactor shaft. Through a network of pipes, atmospheric air is drawn, which is lowered along communications 9 along the sheet of the heat shield 12, then distributed into 3 streams: along the ribbed wall of the reactor 11 and on each side of the screen sheet 12 and exits through the network of exhaust channels of heated air 10. They are provided radiation monitoring system and dampers in case of sodium leakage. Also, the dimensions of the shaft are selected in such a way that in case of depressurization of the housing and the formation of a leak, the active zone was under a layer of coolant.

Конфигурация активной зоны реактора может быть изменена путем перехода от трехзонного выравнивания по радиусу активной зоны поля энерговыделения к двузонному при размещении ТВС-СУЗ в центральной части реактора. Картограмма с двузонным радиальным выравниванием поля энерговыделения в активной зоне приведена на фиг. 4.The configuration of the reactor core can be changed by moving from a three-zone alignment along the radius of the active zone of the energy release field to a two-zone when placing the fuel assembly-control system in the central part of the reactor. A cartogram with two-band radial alignment of the energy release field in the core is shown in FIG. four.

Общие характеристики реактора и исходные данные для расчета представлены в таблице

Figure 00000001
The general characteristics of the reactor and the initial data for the calculation are presented in the table
Figure 00000001

Figure 00000002
Figure 00000002

Для снижения в активной зоне доли конструкционных материалов, повышения доли топлива и получения других преимуществ применяются безчехловые ТВС. Конструкция такой сборки представлена на фиг. 8. Она представляет из себя хвостовик 14 со спиральным уплотнением и отверстиями 15 для входа теплоносителя, далее идет опорная решетка 16, пучок твэлов 17, которые удерживаются на месте дистанционирующими решетками 18. Сверху расположены пояски для дистанционирования 19, верхняя опорная решетка 20 и головка 21, через которую выходит теплоноситель. В верхней части ТВС предусмотрен ухват 22 для ее установки и перемещения.To reduce the share of structural materials in the core, increase the share of fuel and obtain other advantages, case-free fuel assemblies are used. The design of such an assembly is shown in FIG. 8. It is a shank 14 with a spiral seal and openings 15 for the coolant inlet, then comes the support grid 16, a bunch of fuel rods 17, which are held in place by the spacer grids 18. The spacing belts 19 are located above, the upper support grid 20 and the head 21 through which the heat carrier leaves. In the upper part of the fuel assembly there is a grip 22 for its installation and movement.

Сечение топливных стержней стандартной касеты представлено на фиг. 8 б. Среди решетки твэлов предусмотрены шесть утолщенных стальных стержней 23, которые выполняют роль силовой конструкции, и к которым крепятся дистанционирующие решетки 18, удерживающие твэлы с топливом 24.The cross section of the fuel rods of a standard cartridge is shown in FIG. 8 b Among the lattice of the fuel rods there are six thickened steel rods 23, which act as a power structure, and to which the spacer grids 18 are fastened holding the fuel rods 24.

В варианте исполнения ТВС с полостью под органы регулирования, общая конструкция аналогична. Отличия в сечении твэлов представлены на фиг. 8 в. Центральные 4 ряда твэлов с топливом 24 извлечены, а вместо них установлен стальной чехол 25. Он выполняет роль силового элемента вместо стержней.In the embodiment of the fuel assembly with a cavity under the regulatory bodies, the overall design is similar. Differences in the cross section of the fuel elements are shown in FIG. 8 c. The central 4 rows of fuel rods with fuel 24 are removed, and instead of them a steel cover 25 is installed. It acts as a power element instead of rods.

При использовании внутрикассетной гетерогенности ВКГ, конструкция ТВС представлена ни фиг. 9. Основные элементы повторяют вышеописанную стандартную кассету, отличия присутствуют в твэлах. Сечение топливных стержней касеты с ВКГ представлено на фиг. 9 б. Среди решетки твэлов предусмотрены шесть утолщенных стальных стержней 26, которые выполняют роль силовой конструкции, и к которым крепятся дистанционирующие решетки 18, удерживающие твэлы с топливом 24. Используются стержни двух типов -топливные 28, которые содержат смешанное оксидное топливо, и воспроизводящие 27, содержащие металлическое топливное из отвального урана и имеющие больших диаметр.When using cassette heterogeneity of the VKG, the design of the fuel assembly is shown in FIG. 9. The main elements repeat the standard cassette described above, the differences are present in the fuel rods. The cross section of the fuel rods of the VKG cassette is shown in FIG. 9 b Among the lattice of the fuel rods, there are six thickened steel rods 26, which act as a power structure, and to which spacer grids 18 are mounted that hold the fuel rods 24. Two types of rods are used - fuel 28, which contain mixed oxide fuel, and reproducing 27, containing metallic fuel from dump uranium and having large diameter.

В варианте исполнения ТВС с ВКГ сполостью под органы регулирования, общая конструкция аналогична. Отличия в сечении твэлов представлены на фиг. 9 в. Центральные 4 ряда твэлов с топливом 27-28 извлечены, а вместо них установлен стальной чехол 29. Он выполняет роль силового элемента вместо стержней.In the embodiment of a fuel assembly with a VKG with a hollow under the regulatory bodies, the general design is similar. Differences in the cross section of the fuel elements are shown in FIG. 9 c. The central 4 rows of fuel rods with fuel 27-28 are removed, and instead of them a steel cover 29 is installed. It acts as a power element instead of rods.

Примеры конкретного расчетаExamples of specific calculation

Для расчета нейтронно-физических характеристик использовались программы JARFR (Ярославцева Л.Н. Комплекс программ JARB для расчета нейтронно-физических характеристик ядерных реакторов. ВАНТ, сер. ФТЯР, вып. 8 (37), 1983, с. 41-43) на основе диффузионного приближения и SERPENT 2 (

Figure 00000003
, J., et al. (2015) «The Serpent Monte Carlo code: Status, development and applications in 2013». Ann. Nucl. Energy, 82 (2015) 142-150) на основе метода Монте-Карло.To calculate the neutron-physical characteristics, the JARFR programs were used (Yaroslavtseva L.N. The JARB program package for calculating the neutron-physical characteristics of nuclear reactors. diffusion approximation and SERPENT 2 (
Figure 00000003
, J., et al. (2015) “The Serpent Monte Carlo code: Status, development and applications in 2013”. Ann. Nucl. Energy, 82 (2015) 142-150) based on the Monte Carlo method.

Пример поливариантного расчета с варьированием мощности блока и уплощения активной зоны представлен на фиг. 3. Видно, что уплощение, при котором обеспечивается минимальная загрузка делящихся изотопов, отличается от применяемого в реакторе ALMR PRISM. В предлагаемом реакторе оно находится ближе к оптимальному значению по величине утечки нейтронов, что обеспечивает более благоприятные нейтронно-физические характеристики.An example of a multivariate calculation with varying block power and core flattening is shown in FIG. 3. It can be seen that the flattening, which ensures the minimum loading of fissile isotopes, differs from that used in the ALMR PRISM reactor. In the proposed reactor, it is closer to the optimal value for neutron leakage, which provides more favorable neutron-physical characteristics.

На фиг. 4 представлена картограмма активной зоны. В таблице 1 представлены общие характеристики модуля и исходные данные для расчета. Результаты нейтронно-физического расчета блока для вариантов загрузки активной зоны плутонием с различным изотопным составом представлены в таблице 2.In FIG. 4 presents a cartogram of the core. Table 1 presents the general characteristics of the module and the initial data for the calculation. The results of the neutron-physical calculation of the block for options for loading the core with plutonium with different isotopic composition are presented in table 2.

Figure 00000004
Figure 00000004

Figure 00000005
Figure 00000005

Как видно, практически все представленные варианты удовлетворяют системным требованиям по удельной начальной загрузке и избыточной наработке ядерного топлива. Удельная загрузка по делящимся изотопам не превышает значения 4.0 т/ГВт(эл), удельное воспроизводство в зонах воспроизводства находится выше 250 кг/ГВт(эл)*год. Использование плутония с высокой долей Pu240 более предпочтительно, поскольку повышает КB в активной зоне и снижает запас реактивности на выгорание. Добавление верхнего и нижнего воспроизводящих торцевых экранов не привело к значительному росту пустотного эффекта реактивности в сравнении с ALMR PRISM, в котором заложена меньшая высота активной зоны. В случае использования ТВС с внутрикассетной гетерогенностью, возможно получить малый запас реактивности на выгорание с практически любым составом плутония, обеспечивая нужные параметры небольшим варьированием диаметра воспроизводящего твэла.As you can see, almost all of the options presented satisfy the system requirements for specific initial loading and excess operating time of nuclear fuel. The specific load for fissile isotopes does not exceed 4.0 t / GW (e), the specific reproduction in the reproduction zones is above 250 kg / GW (e) * year. The use of plutonium with a high proportion of Pu240 is more preferable, since it increases the KB in the core and reduces the burnup reactivity margin. The addition of the upper and lower reproducing end screens did not lead to a significant increase in the void effect of reactivity in comparison with ALMR PRISM, which contains a lower core height. In the case of using fuel assemblies with intracassette heterogeneity, it is possible to obtain a small burnup reactivity margin with virtually any composition of plutonium, providing the required parameters with a small variation in the diameter of the reproducing fuel element.

На фиг. 5 представлено изменение линейной мощности топливного и воспроизводящего твэлов в зависимости от выгорания топливного твэла. Видно, что в течение кампании топлива мощность топливного стержня снижается и максимальная нагрузка на него приходится только в начале кампании, когда теплофизические параметры топливной таблетки наилучшие. Также, что важно, такая компоновка кассет, помимо наработки топлива в зонах воспроизводства, позволяет получать в воспроизводящих твэлах более 400 кг/ГВт(эл)*год Pu с высоким содержанием Pu-239. Воспроизводящие твэлы имеют низкое выгорание, могут быть отделены от топливных твэлов и переработаны с меньшей выдержкой существующими методами переработки отработавшего топлива реакторов ВВЭР.In FIG. 5 shows the change in the linear power of the fuel and reproducing fuel rods depending on the burnup of the fuel rod. It can be seen that during the fuel campaign the power of the fuel rod decreases and the maximum load on it occurs only at the beginning of the campaign, when the thermophysical parameters of the fuel pellet are the best. Also, importantly, this arrangement of cassettes, in addition to fuel production in the reproduction areas, allows producing more than 400 kg / GW (el) * year Pu with high Pu-239 content in the reproducing fuel rods. Reproducing fuel rods have low burnup, can be separated from fuel rods and processed with less exposure by existing methods for reprocessing spent fuel from VVER reactors.

На фиг. 6 представлена фазовая диаграмма состояния системы Na-Tl. В точке с атомной долей таллия 7.1% образуется устойчивая эвтектика (Алексеев П.Н., Шимкевич А.Л. Целесообразность эвтектической модификации жидкометаллических теплоносителей. Атомная энергия. 2015. т. 119. №3. с. 178-179). С помощью описанных программных средств проведен расчет влияния добавления таллия на нейтронно-физические характеристики реактора. Результаты влияния добавления таллия на основные характеристики реактора в относительных единицах представлены в таблице 3. В таблице 3 показаны отличия характеристик реактора с теплоносителем Na+Tl от характеристик реактора с натриевым теплоносителем для различных вариантов изотопного состава таллия в теплоносителе Na+Tl.In FIG. 6 is a phase diagram of the state of the Na-Tl system. A stable eutectic is formed at a point with an atomic fraction of thallium of 7.1% (Alekseev PN, Shimkevich AL. Expediency of eutectic modification of liquid metal coolants. Atomic energy. 2015. Vol. 119. No. 3. P. 178-179). Using the described software, the effect of the addition of thallium on the neutron-physical characteristics of the reactor was calculated. The results of the effect of thallium addition on the main characteristics of the reactor in relative units are presented in table 3. Table 3 shows the differences between the characteristics of the reactor with the Na + Tl coolant and the characteristics of the reactor with the sodium coolant for different variants of the isotopic composition of thallium in the Na + Tl coolant.

В различных столбцах представлены результаты: для природной смеси изотопов Т1; для смеси изотопов Т1 с обогащением по изотопу Т1-205 до 90% и для смеси изотопов Т1 с обогащением по изотопу Т1-205 до 99% соответственно. Значению ρDopler соответствует коэффициент Доплера, ρvoid1 - реактивность пустотного эффекта, которая реализуется при опустошении верхней части активной зоны и торцевого экрана, ρvoid2 - реактивность, которая реализуется при опустошении области активной зоны, которая имеет максимальный положительный локальный пустотный эффект реактивности и ρvoid3 - реактивность, которая реализуется при опустошении всей активной зоны и верхнего торцевого экрана соответственно.The results are presented in various columns: for a natural mixture of T1 isotopes; for a mixture of T1 isotopes with enrichment in the T1-205 isotope to 90% and for a mixture of T1 isotopes with enrichment in the T1-205 isotope to 99%, respectively. The ρ Dopler value corresponds to the Doppler coefficient, ρ void1 is the void effect reactivity, which is realized when the upper part of the active zone and the end shield are empty , ρ void2 is the reactivity, which is realized when the region of the active zone is empty, which has the maximum positive local void reactivity effect and ρ void3 - reactivity, which is realized when the entire core and the upper end shield are emptied, respectively.

Figure 00000006
Figure 00000006

Видно, что общее влияние добавления таллия на нейтронно-физические характеристики реактора невелико и также позволяет удовлетворять системные требования устойчивого развития атомной энергетики. Изотопное обогащение Т1 по изотопу Т1-205 позволяет снизить негативное влияние таллия и целесообразно к применению в случае экономической оправданности. Что касается активации теплоносителя и радиационной нагрузки от него, под облучением образуются очень малые количества гамма-активных изотопов таллия, и он вносит незначительный вклад в общую интенсивность гамма источников в теплоносителе. Вместе с большим эффектом самоэкранировки NaTl по сравнению с чистым Na, это приводит к уменьшению эквивалентной дозы от облученного теплоносителя.It can be seen that the overall effect of the addition of thallium on the neutron-physical characteristics of the reactor is small and also allows satisfying the system requirements for the sustainable development of nuclear energy. Isotope enrichment of T1 by the isotope T1-205 allows to reduce the negative impact of thallium and is suitable for use in the case of economic justification. As for the activation of the coolant and the radiation load from it, very small amounts of gamma-active thallium isotopes are formed under irradiation, and it makes an insignificant contribution to the total intensity of gamma sources in the coolant. Together with the greater self-shielding effect of NaTl compared to pure Na, this leads to a decrease in the equivalent dose from the irradiated coolant.

Для оценки эффективности теплосъема остаточного тепловыделения через корпус, была создана квазидинамическая модель реактора и окружающего пространства, которая учитывает характер теплообмена между его элементами, их теплоемкость и характер тепловыделения от топлива после остановки блока. Результаты моделирования температур элементов в зависимости от времени для случая полной потери теплосъема и сброса аварийной защиты при работе на полной мощности представлены на фиг. 7. TNa - температура натрия, Тст1 - температура внутренней стенки корпуса, Тст2 - температура внешней стенки корпуса с оребрением. Температуры оболочек твэлов и топлива отличаются от температуры натрия первого контура незначительно и поэтому не представлены. Как видно, после потери теплосъема и остановки реактора температура элементов растет, и переходной процесс сглаживается за счет теплоемкости теплоносителя. Далее, спустя 50 минут происходит плавление плавких вставок и перелив теплоносителя в полость между частями корпуса. Это приводит к интенсификации теплообмена между стенками корпуса и нагреву всех остальных частей. Далее происходит рост температуры теплоносителя первого контура до значения 680°С, после чего остаточное тепловыделение от топлива сравнивается с отводимой мощностью, и происходит спад температур. Такая система может работать неограниченное время, а в ходе переходного процесса температуры элементов не превысили критические значения по допустимой температуре оболочки и по образованию эвтектики между сталью и топливом.To assess the efficiency of heat removal of residual heat through the casing, a quasi-dynamic model of the reactor and the surrounding space was created, which takes into account the nature of the heat exchange between its elements, their heat capacity and the nature of the heat released from the fuel after the unit is stopped. The results of modeling the temperatures of the elements as a function of time for the case of complete loss of heat removal and resetting of emergency protection when operating at full power are presented in FIG. 7. T Na is the temperature of sodium, T st1 is the temperature of the inner wall of the body, T st2 is the temperature of the outer wall of the body with fins. The temperatures of the claddings of fuel rods and fuel differ slightly from the temperature of the primary circuit sodium and therefore are not represented. As you can see, after the loss of heat removal and shutdown of the reactor, the temperature of the elements increases, and the transition process is smoothed due to the heat capacity of the coolant. Further, after 50 minutes, the fusibles melt and the coolant overflows into the cavity between the parts of the body. This leads to the intensification of heat transfer between the walls of the housing and the heating of all other parts. Then, the primary coolant temperature rises to 680 ° C, after which the residual heat from the fuel is compared with the power taken off, and the temperature drops. Such a system can work for an unlimited time, and during the transition process the temperature of the elements did not exceed the critical values for the permissible shell temperature and for the formation of the eutectic between steel and fuel.

Таким образом, предложен модульный реактор на быстрых нейтронах с жидкометаллическим теплоносителем, конструкция которого обеспечивает высокую внутреннюю самозащищенность, в котором реализуется минимальный запас реактивности на выгорание, специальным выбором соотношения величин максимального пустотного и доплеровского эффектов реактивности исключается разгон реактора на мгновенных нейтронов при аварийном снижении плотности теплоносителя, для уменьшения химической активности при взаимодействии с водой и воздухом натриевый теплоноситель заменяется на эвтектику Na-Tl (92.9 и 7.1 атомных % соответственно), для обеспечения безопасности в случае аварий с потерей теплоотвода организована пассивная воздушная система аварийного расхолаживания через корпус реактора без дополнительных теплообменников. Она основана на пассивных принципах, является технологичной и не сложной в реализации. Показано, что, не смотря на малый размер предлагаемого модульного быстрого реактора и высокой утечки нейтронов, за счет выбора топлива, минимизации доли конструкционных материалов в активной зоне, наличия торцевых и бокового воспроизводящих экранов, его характеристики удовлетворяют системным требованиям развития ядерной энергетической системы (ЯЭС) по величине удельной начальной загрузки и избыточной наработке ядерного топлива.Thus, a modular fast neutron reactor with a liquid metal coolant is proposed, the design of which provides high internal self-protection, in which a minimum burnup reactivity margin is realized, a special choice of the ratio of the maximum void and Doppler reactivity effects eliminates instantaneous neutron acceleration of the reactor with an emergency decrease in coolant density , to reduce chemical activity when interacting with water and air, sodium heat the carrier is replaced with a Na-Tl eutectic (92.9 and 7.1 atomic%, respectively), to ensure safety in case of accidents with loss of heat sink, a passive air emergency emergency cooling system is organized through the reactor vessel without additional heat exchangers. It is based on passive principles, is technological and not difficult to implement. It is shown that, despite the small size of the proposed modular fast reactor and high neutron leakage, due to the choice of fuel, minimization of the fraction of structural materials in the core, the presence of end and side reproduction screens, its characteristics satisfy the system requirements for the development of a nuclear energy system (NES) by the value of the specific initial load and the excess operating time of nuclear fuel.

Актуальность предложения связана с тем, что согласно энергетической стратегии в ядерной энергетике России, наряду с наращиванием количества энергоблоков с перспективными тепловыми реакторами ВВЭР (и ВТГР) и переходом к замкнутому топливному циклу, должны появиться быстрые реакторы (БР) с высокой внутренней самозащищенностью, с расширенным воспроизводством топлива, предназначенные для эффективного вовлечения U-238 и Th-232 в энергопроизводство, минимизации объема ОЯТ и топливообеспечения новых и существующих реакторов, а также блоки малой и средней мощности.The relevance of the proposal is due to the fact that, according to the energy strategy in Russian nuclear energy, along with increasing the number of power units with promising VVER (and VTGR) thermal reactors and the transition to a closed fuel cycle, fast reactors (BR) with high internal self-protection, with expanded reproduction of fuels intended for the effective involvement of U-238 and Th-232 in energy production, minimizing the amount of spent fuel and fuel supply for new and existing reactors, as well as small units and average power.

Claims (9)

1. Модульный ядерный реактор на быстрых нейтронах с жидкометаллическим теплоносителем, содержащий корпус с крышкой, с расположенными внутри него активной зоной, теплообменниками промежуточного контура, циркуляционными насосами с напорным коллектором, системой СУЗ, при этом корпус выполнен с двойными стенками с внутренней газовой полостью, с установленными в верхней части внутренней стенки корпуса плавками вставками, а наружная стенка корпуса выполнена с оребрением.1. A modular fast neutron nuclear reactor with a liquid metal coolant, comprising a casing with a lid, an active zone located inside it, intermediate-circuit heat exchangers, circulation pumps with a pressure header, CPS system, and the casing is made of double walls with an internal gas cavity, with inserts installed in the upper part of the inner wall of the housing, and the outer wall of the housing is made with fins. 2. Ядерный реактор по п. 1, отличающийся тем, что в качестве жидкометаллического теплоносителя используют натрий.2. A nuclear reactor according to claim 1, characterized in that sodium is used as the liquid metal coolant. 3. Ядерный реактор по п. 1, отличающийся тем, что в качестве жидкометаллического теплоносителя используют эвтектику Na-Tl 92.9 и 7.1 атомных % соответственно.3. A nuclear reactor according to claim 1, characterized in that a Na-Tl eutectic of 92.9 and 7.1 atomic%, respectively, is used as the liquid metal coolant. 4. Активная зона модульного ядерного реактора на быстрых нейтронах с жидкометаллическим теплоносителем, сформированная вертикально установленными бесчехловыми тепловыделяющими сборками (ТВС) с силовыми элементами и расположенными в верхней части дистанционирующими поясками, с треугольной решеткой цилиндрических тепловыделящих элементах с дистанционирующими решетками со смешанным U-Pu-Zr топливом, с нижней и верхней торцевыми зонами воспроизводства, сформированными за счет помещения над и под U-Pu-Zr топливом в тепловыделящих элементах воспроизводящего материала из металлического обедненного уран/тория или диоксида обедненного урана/тория, и боковой зоны воспроизводства с чехловыми тепловыделяющими сборками (ТВС) с цилиндрическими тепловыделящими элементами большого диаметра, в которых размещен воспроизводящий материал из диоксида обедненного урана/тория или металлического обедненного урана/тория.4. The active zone of a modular fast neutron nuclear reactor with a liquid metal coolant, formed by vertically mounted case-free fuel assemblies (FAs) with power elements and spacing belts located in the upper part, with a triangular lattice of cylindrical fuel elements with spacer grids with mixed U-Pu-Zr fuel, with the lower and upper end zones of reproduction, formed by placing above and below the U-Pu-Zr fuel in the fuel elements material producing depleted uranium / thorium metal or depleted uranium / thorium dioxide, and a lateral reproduction zone with case fuel assemblies (FAs) with large diameter cylindrical fuel elements in which reproduction material is made of depleted uranium / thorium dioxide or depleted uranium / thorium metal . 5. Активная зона по п. 4, отличающаяся тем, что силовые элементы представляют собой размещенные в углах ТВС шесть стальных стержней, прикрепленных к хвостовикам и головкам ТВС.5. The active zone according to claim 4, characterized in that the power elements are six steel rods located in the corners of the fuel assemblies attached to the shanks and heads of the fuel assemblies. 6. Активная зона по п. 4, отличающаяся тем, что часть ТВС выполнена с центральной полостью для размещения органов регулирования СУЗ с установленным в ней силовым элементом в виде стального чехла.6. The active zone according to claim 4, characterized in that a part of the fuel assembly is made with a central cavity for accommodating the CPS regulation bodies with a power element installed in it in the form of a steel cover. 7. Активная зона модульного ядерного реактора на быстрых нейтронах с жидкометаллическим теплоносителем сформирована вертикально установленными гетерогенными бесчехловыми тепловыделяющими сборками (ТВС) с силовыми элементами и расположенными в верхней части дистанционирующими поясками, с треугольной решеткой цилиндрических тепловыделящих элементов (твэлов) с дистанционирующими решетками, при этом твэлы в гетерогенных ТВС выполнены в виде топливных твэлов с МОКС - топливом и воспроизводящих твэлов с воспроизводящим материалом из сплава U-Zr или металлического урана с оксидным покрытием, при этом воспроизводящие твэлы равномерно распределены между топливными твэлами и их количество находится в соотношении 1 к 2 соответственно, а диаметр воспроизводящих твэлов больше диаметра топливных твэлов, а нижняя и верхняя торцевые зоны воспроизводства сформированы из металлического обедненного уран/тория или диоксида обедненного урана/тория, а боковая зона воспроизводства сформирована чехловыми тепловыделяющими сборками (ТВС) с цилиндрическими тепловыделящими элементами большого диаметра, в которых размещен воспроизводящий материал из диоксида обедненного урана/тория или металлического обедненного урана/тория.7. The active zone of a modular fast neutron nuclear reactor with a liquid metal coolant is formed by vertically mounted heterogeneous caseless fuel assemblies (fuel assemblies) with power elements and spacing belts located in the upper part, with a triangular lattice of cylindrical fuel elements (fuel rods) with spacer grids, in heterogeneous fuel assemblies made in the form of fuel rods with MOX fuel and reproducing fuel rods with reproducing material from sp Ava U-Zr or oxide-coated metal uranium, while the reproducing fuel rods are evenly distributed between the fuel rods and their number is 1 to 2, respectively, and the diameter of the reproducing fuel rods is larger than the diameter of the fuel rods, and the lower and upper end zones of reproduction are formed of metal depleted uranium / thorium or depleted uranium / thorium dioxide, and the lateral reproduction zone is formed by sheath fuel assemblies (FAs) with cylindrical fuel elements b lshogo diameter, which is placed in a reproducing material dioxide depleted uranium / thorium metal or depleted uranium / thorium. 8. Активная зона по п. 7 отличающаяся тем, что силовые элементы представляют собой размещенные в углах ТВС шесть стальных стержней, прикрепленных к хвостовикам и головкам ТВС.8. The active zone according to claim 7, characterized in that the power elements are six steel rods located in the corners of the fuel assemblies attached to the shanks and heads of the fuel assemblies. 9. Активная зона по п. 7 отличающаяся тем, что часть ТВС выполнена с центральной полостью для размещения органов регулирования СУЗ с установленным в ней силовым элементом в виде стального чехла.9. The active zone according to claim 7, characterized in that a part of the fuel assembly is made with a central cavity for accommodating the CPS regulation bodies with a power element installed in it in the form of a steel cover.
RU2019102743A 2019-01-31 2019-01-31 Low-power fast neutron modular nuclear reactor with liquid metal heat carrier and reactor core (versions) RU2699229C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019102743A RU2699229C1 (en) 2019-01-31 2019-01-31 Low-power fast neutron modular nuclear reactor with liquid metal heat carrier and reactor core (versions)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019102743A RU2699229C1 (en) 2019-01-31 2019-01-31 Low-power fast neutron modular nuclear reactor with liquid metal heat carrier and reactor core (versions)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2699229C1 true RU2699229C1 (en) 2019-09-04

Family

ID=67851537

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2019102743A RU2699229C1 (en) 2019-01-31 2019-01-31 Low-power fast neutron modular nuclear reactor with liquid metal heat carrier and reactor core (versions)

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2699229C1 (en)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112599259A (en) * 2020-11-27 2021-04-02 中国核电工程有限公司 Fusion-fission hybrid reactor transmutation fuel assembly
RU2757160C2 (en) * 2019-11-11 2021-10-11 Вячеслав Иванович Беляев Nuclear reactor
RU2761857C1 (en) * 2021-07-29 2021-12-13 Акционерное общество «АКМЭ-инжиниринг» Nuclear reactor core
RU2766322C1 (en) * 2021-07-23 2022-03-15 Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" Autonomous nuclear power plant
RU2798480C1 (en) * 2022-12-27 2023-06-23 Акционерное Общество "Акмэ-Инжиниринг" Method for controlling and protecting a fast neutron nuclear reactor and a system for its implementation

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2549371C1 (en) * 2014-01-31 2015-04-27 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" Active zone, fuel elements and fuel assembly of fast neutron reactors with lead heat carrier
EA026547B1 (en) * 2013-11-19 2017-04-28 Открытое Акционерное Общество "Акмэ-Инжиниринг" Fuel rod cladding, fuel rod and fuel assembly
KR20180021326A (en) * 2016-08-19 2018-03-02 한국원자력연구원 Nuclear fuel pellets comprising closed internal void at its center and nuclear fuel rods comprising thereof
RU2668230C1 (en) * 2018-03-05 2018-09-27 Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" Fast neutron nuclear reactor with liquid metal coolant

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EA026547B1 (en) * 2013-11-19 2017-04-28 Открытое Акционерное Общество "Акмэ-Инжиниринг" Fuel rod cladding, fuel rod and fuel assembly
RU2549371C1 (en) * 2014-01-31 2015-04-27 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" Active zone, fuel elements and fuel assembly of fast neutron reactors with lead heat carrier
KR20180021326A (en) * 2016-08-19 2018-03-02 한국원자력연구원 Nuclear fuel pellets comprising closed internal void at its center and nuclear fuel rods comprising thereof
RU2668230C1 (en) * 2018-03-05 2018-09-27 Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" Fast neutron nuclear reactor with liquid metal coolant

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2757160C2 (en) * 2019-11-11 2021-10-11 Вячеслав Иванович Беляев Nuclear reactor
CN112599259A (en) * 2020-11-27 2021-04-02 中国核电工程有限公司 Fusion-fission hybrid reactor transmutation fuel assembly
CN112599259B (en) * 2020-11-27 2023-11-24 中国核电工程有限公司 Fusion-fission hybrid reactor transmutation fuel assembly
RU2766322C1 (en) * 2021-07-23 2022-03-15 Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" Autonomous nuclear power plant
RU2761857C1 (en) * 2021-07-29 2021-12-13 Акционерное общество «АКМЭ-инжиниринг» Nuclear reactor core
WO2023009024A1 (en) * 2021-07-29 2023-02-02 Акционерное Общество "Акмэ-Инжиниринг" Nuclear reactor core
RU2798480C1 (en) * 2022-12-27 2023-06-23 Акционерное Общество "Акмэ-Инжиниринг" Method for controlling and protecting a fast neutron nuclear reactor and a system for its implementation
RU224035U1 (en) * 2023-09-13 2024-03-13 Юрий Яковлевич Головачев Adjustable heat exchanger with intermediate liquid metal coolant

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2699229C1 (en) Low-power fast neutron modular nuclear reactor with liquid metal heat carrier and reactor core (versions)
Choi et al. PASCAR: Long burning small modular reactor based on natural circulation
CA2869561C (en) Molten salt nuclear reactor
US20170040069A1 (en) Dispersion Ceramic Micro-encapsulated (DCM) Nuclear Fuel and Related Methods
Holcomb et al. Core and refueling design studies for the advanced high temperature reactor
RU2549369C2 (en) Modular reactor for converting nuclear fission wastes
JPS5844237B2 (en) Nuclear reactor core fuel loading and operation method
RU2668230C1 (en) Fast neutron nuclear reactor with liquid metal coolant
Van Rooijen Gas-cooled fast reactor: A historical overview and future outlook
Alameri A coupled nuclear reactor thermal energy storage system for enhanced load following operation
Xiong et al. Preliminary conceptual design of a small high-flux multi-purpose LBE cooled fast reactor
Chang et al. Thorium-based fuel cycles in the modular high temperature reactor
van Rooijen Improving fuel cycle design and safety characteristics of a gas cooled fast reactor
Tran et al. An optimal loading principle of burnable poisons for an OTTO refueling scheme in pebble bed HTGR cores
JP2002303692A (en) Fuel assembly for light water reactor, the light water reactor and its core
Cammi et al. The multi-physics modelling approach oriented to safety analysis of innovative nuclear reactors
RU2088981C1 (en) Fast reactor using liquid-metal coolant
Southworth et al. Next generation nuclear plant (NGNP) project–preliminary assessment of two possible designs
US20150348654A1 (en) Organically Cooled Nuclear Reactor for Enhanced Economics and Safety
Greenspan STAR: The Secure Transportable Autonomous Reactor System-Encapsulated Fission Heat Source
Zhu et al. Neutronic design and fuel cycle analysis of a fluoride salt-cooled High Temperature Reactor (FHR)
Wu et al. Neutronics Design of Advanced Fission Systems
Leer et al. Fast modular reactor nuclear design parameters of fuel cycle and power distributions
Pham et al. The current status of DALAT nuclear research reactor and proposed core conversion studies
Feng et al. A Concept of Online Refueling TRISO-Fueled and Salt-Cooled Reactor