RU2755261C1 - Nuclear power plant with ceramic fast neutron reactor - Google Patents

Nuclear power plant with ceramic fast neutron reactor Download PDF

Info

Publication number
RU2755261C1
RU2755261C1 RU2021106146A RU2021106146A RU2755261C1 RU 2755261 C1 RU2755261 C1 RU 2755261C1 RU 2021106146 A RU2021106146 A RU 2021106146A RU 2021106146 A RU2021106146 A RU 2021106146A RU 2755261 C1 RU2755261 C1 RU 2755261C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
fuel
nuclear power
power plant
lithium
reactor
Prior art date
Application number
RU2021106146A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Игорь Леонидович Шкарупа
Анатолий Казимирович Хмельницкий
Original Assignee
Акционерное общество "Обнинское научно-производственное предприятие "Технология" им. А.Г.Ромашина"
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 Акционерное общество "Обнинское научно-производственное предприятие "Технология" им. А.Г.Ромашина" filed Critical Акционерное общество "Обнинское научно-производственное предприятие "Технология" им. А.Г.Ромашина"
Priority to RU2021106146A priority Critical patent/RU2755261C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2755261C1 publication Critical patent/RU2755261C1/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G21NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21DNUCLEAR POWER PLANT
    • G21D1/00Details of nuclear power plant
    • 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

Landscapes

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

Abstract

FIELD: nuclear power plant.
SUBSTANCE: invention relates to a nuclear power plant. A nuclear power plant with a ceramic fast neutron reactor includes a nuclear reactor with fuel, fuel elements with casings, heat exchangers, pumps for circulating the coolant through heat exchangers with pipelines of the first, second and third circuits, and a generator. The reactor vessel, fuel element casings, internals, primary circuit pipelines, hot part of the secondary circuit pipelines, lithium-argon heat exchanger are made of inhibited composite ceramic material based on C-SiC or inhibited ceramic material based on SiC-SiC, argon-water heat exchanger is made of metal. Lithium (Li7) is used as a liquid heat carrier in the first loop, argon is used as a heat carrier in the second loop; uranium nitride or a mixture of uranium nitride with nitride and plutonium oxide in the form of tablets with a diameter of 10 to 40 mm and a height of 5 up to 100 mm.
EFFECT: comprehensive provision of safety enhancement in the event of a beyond design basis accident at a reactor, creation of a closed fuel cycle, an increase in the fuel reproduction ratio, a decrease in the specific metal consumption of a nuclear power plant, an increase in the nuclear power plant's operating life, an increase in the efficiency of a nuclear power plant, as well as the optimal choice of materials and structures of components and assemblies of a nuclear power plant.
1 cl, 1 dwg, 8 tbl

Description

Настоящее изобретение относится к энергетике и может быть применяться для производства электроэнергии и тепла на основе использования в качестве энергоносителя ядерного топлива. Изобретение относится к атомным электростанциям (АЭС). The present invention relates to power engineering and can be used for the production of electricity and heat based on the use of nuclear fuel as an energy carrier. The invention relates to nuclear power plants (NPP).

Наиболее эффективные в настоящее время являются реакторы на быстрых нейтронах. АЭС на быстрых нейтронах включает в себя ядерный реактор, насос для обеспечения циркуляции жидкого теплоносителя через теплообменник, трубопроводы 1-го, 2-го и 3-го контуров, турбину, генератор и другое оборудование.The most efficient at present are fast reactors. A fast neutron power plant includes a nuclear reactor, a pump for circulating a liquid coolant through a heat exchanger, pipelines of the 1st, 2nd and 3rd circuits, a turbine, a generator and other equipment.

Из существующего уровня техники известны АЭС с водо-водяными реакторами на тепловых нейтронах (Маргулова Т.Х. Электрические станции. 5 изд. М.: МЭИ, 1994, стр. 21). АЭС такого типа не могут вырабатывать пар с высокой температурой и давлением, близкими к параметрам, достигнутыми в традиционной энергетике на органическом топливе. Параметры таких АЭС обычно не превышают 330°С и 7,0 МПа. КПД у водо-водяных АЭС доходит до 35%. Недостатками АЭС с водо-водяными реакторами на тепловых нейтронах (ВВЭР) являются: неблагоприятные последствия в случае запроектной аварии (с учётом вступления в реакцию циркония с водой, т.к. в процессе реакции выделяется водород и огромное количество тепла); невозможность поднятия температуры топливной таблетки, изготовленной из оксида урана, в связи с малым коэффициентом её теплопроводности (будет происходить перегрев центра таблетки до недопустимых температур); невозможность осуществления замкнутого топливного цикла (сжигание в реакторе только изотопа U235); низкий КПД АЭС. Nuclear power plants with pressurized water reactors on thermal neutrons are known from the state of the art (Margulova T.Kh. Electric stations. 5th ed. M .: MPEI, 1994, p. 21). NPPs of this type cannot generate steam with a high temperature and pressure close to the parameters achieved in traditional fossil fuel power generation. The parameters of such NPPs usually do not exceed 330 ° C and 7.0 MPa. The efficiency of water-moderated nuclear power plants reaches 35%. The disadvantages of NPPs with pressurized water reactors using thermal neutrons (VVER) are: adverse consequences in the event of a beyond design basis accident (taking into account the reaction of zirconium with water, since hydrogen and a huge amount of heat are released during the reaction); the impossibility of raising the temperature of the fuel pellet made of uranium oxide, due to the low coefficient of its thermal conductivity (the center of the pellet will overheat to unacceptable temperatures); the impossibility of implementing a closed fuel cycle (combustion in the reactor of only the isotope U 235 ); low efficiency of the NPP.

Известно, что оболочки твэлов в ВВЭР изготавливаются из сплава циркония с ниобием. При температуре 1200°С, которая достигается в процессе остаточного тепловыделения в случае запроектной аварии, произойдет экзотермическая реакция между цирконием и водой:It is known that the cladding of fuel elements in VVER is made of an alloy of zirconium with niobium. At a temperature of 1200 ° C, which is reached in the process of residual heat release in the event of a beyond design basis accident, an exothermic reaction will occur between zirconium and water:

Zr+2H2O= ZrO2+2H2 ↑ + 6530 кДж /кг. Zr + 2H 2 O = ZrO 2 + 2H 2 ↑ + 6530 kJ / kg.

Для расчета выбран ВВЭР-1000. С учетом массы циркония 22 600 кг, находящимся в реакторе, выделится 993 кг водорода, 148 ГДж тепла за счет реакции замещения и 140 ГДж тепла за счет сгорания водорода в воздухе. Выделившаяся энергия эквивалентна энергии взрыва 69 тонн тротила. В случае запроектной аварии будет разрушена защитная оболочка реакторного цеха и произойдет значительное заражение местности продуктами расщепления ядерного топлива. Частично сценарий реализовался на АЭС в городах Фукусима (Япония), Чернобыль (СССР) и Три-Майл Айленд (США).VVER-1000 was selected for the calculation. Taking into account the mass of zirconium 22,600 kg in the reactor, 993 kg of hydrogen will be released, 148 GJ of heat due to the substitution reaction and 140 GJ of heat due to the combustion of hydrogen in air. The released energy is equivalent to the explosion energy of 69 tons of TNT. In the event of a beyond design basis accident, the containment shell of the reactor shop will be destroyed and the area will be significantly contaminated with fission products. The scenario was partially realized at nuclear power plants in the cities of Fukushima (Japan), Chernobyl (USSR) and Three Mile Island (USA).

Наиболее близким к заявленному техническому решению является реактор БН-800 (четвёртый блок Белоярской АЭС). Его характеристики: КПД 39,4%, давление в 1-м и 2-м контурах близкое к атмосферному, теплоносители первого и второго контуров – натрий, температура на входе в теплообменник первого контура 547 °С, температура на выходе из теплообменника второго контура 505°С, давление в третьем контуре 140 атм, теплоноситель третьего контура – вода. Внутрикорпусные детали реактора БН-800 изготавливаются из нержавеющей стали и циркония. Реактор работает на быстрых нейтронах, следовательно, возможно сжигание в реакторе, в том числе и изотопа U238; появляется возможность осуществления замкнутого топливного цикла. (Википедия, сайт Росатома, Учебник для студентов «Реакторы на быстрых нейтронах» Г.Б. Усынин, Е.В. Кусманцев. Указана АЭС – 4- блок Белоярской АЭС). The closest to the declared technical solution is the BN-800 reactor (the fourth unit of the Beloyarsk NPP). Its characteristics: efficiency 39.4%, pressure in the 1st and 2nd circuits close to atmospheric, coolants of the first and second circuits - sodium, temperature at the inlet to the heat exchanger of the primary circuit 547 ° С, temperature at the exit from the heat exchanger of the second circuit 505 ° С, pressure in the third circuit is 140 atm, the coolant of the third circuit is water. Internals of the BN-800 reactor are made of stainless steel and zirconium. The reactor operates on fast neutrons, therefore, combustion in the reactor, including the isotope U 238 , is possible; it becomes possible to implement a closed fuel cycle. (Wikipedia, Rosatom website, Textbook for students "Fast neutron reactors" GB Usynin, EV Kusmantsev. NPP is indicated - unit 4 of the Beloyarsk NPP).

Недостатки данного технического решения: использование натрия в качестве теплоносителя первого и второго контуров, являющегося пожароопасным металлом (металл очень агрессивный, при взаимодействии с водой выделяется водород, и происходит самовозгорание); невозможность увеличения температуры первого контура до высоких температур, так как температура кипения натрия равна 883°С; проблема сохранения целостности твэлов при больших флюинсах, что приводит к невозможности большого выжигания топлива при существующей конструкции; низкий процент выгорания ядерного топлива, содержащего несколько видов оксидов делящихся материалов Mixed-Oxide fuel (МОКС) топлива; низкий коэффициент воспроизводства; высокий удельный показатель металлоёмкости; ограниченный ресурс работы АЭС; низкий КПД АЭС.Disadvantages of this technical solution: the use of sodium as a heat carrier of the first and second circuits, which is a fire hazardous metal (the metal is very aggressive, when it interacts with water, hydrogen is released, and spontaneous combustion occurs); the impossibility of increasing the temperature of the primary circuit to high temperatures, since the boiling point of sodium is 883 ° C; the problem of maintaining the integrity of fuel elements in the presence of large fluins, which leads to the impossibility of large combustion of fuel with the existing design; low burn-up percentage of nuclear fuel containing several types of oxides of fissile materials Mixed-Oxide fuel (MOX) fuel; low reproduction rate; high specific indicator of metal consumption; limited service life of the NPP; low efficiency of the NPP.

Задачи, на решение которых направлено заявленное изобретение, заключаются в повышении безопасности в случае запроектной аварии на реакторе; в создании замкнутого топливного цикла; с повышенным коэффициентом воспроизводства топлива; в уменьшении удельной металлоёмкости АЭС; в увеличении ресурса работы АЭС; в повышении коэффициента полезного действия АЭС.The tasks to be solved by the claimed invention are to improve safety in the event of a beyond design basis accident at a reactor; in creating a closed fuel cycle; with increased fuel reproduction ratio; in reducing the specific metal consumption of nuclear power plants; in increasing the service life of nuclear power plants; in increasing the efficiency of nuclear power plants.

Указанные задачи решаются предлагаемым изобретением.These tasks are solved by the proposed invention.

Атомная электростанция с керамическим реактором на быстрых нейтронах, включающая  ядерный реактор с топливом, корпус реактора, твэлы с чехлами, теплообменники, насосы для обеспечения циркуляции жидкого теплоносителя через теплообменники с трубопроводами первого, второго и третьего контуров, генератор, отличающаяся тем, что корпус реактора, чехлы твэлов, внутрикорпусные детали, трубопроводы первого контура, горячая часть трубопроводов второго контура, литий-аргонный теплообменник изготовлены из ингибированного композиционного керамического материала на основе C-SiC или ингибированного керамического материала на основе SiC-SiC, аргонно-водяной теплообменник изготовлен из металла; в качестве жидкого теплоносителя  в первом контуре используют литий (Li7),   во  втором контуре в качестве теплоносителя используют аргон, в качестве топлива используют нитрид урана или смесь нитрида урана с нитридом и оксидом плутония  в виде таблеток диаметром от 10 до 40 мм и высотой от 5 до 100 мм.A nuclear power plant with a ceramic fast neutron reactor, including a nuclear reactor with fuel, a reactor vessel, fuel elements with jackets, heat exchangers, pumps for circulating a coolant through heat exchangers with pipelines of the first, second and third circuits, a generator, characterized in that the reactor vessel, covers of fuel elements, internals, primary circuit pipelines, hot part of secondary circuit pipelines, lithium-argon heat exchanger are made of inhibited composite ceramic material based on C-SiC or inhibited ceramic material based on SiC-SiC, argon-water heat exchanger is made of metal; lithium (Li 7 ) is used as a liquid heat carrier in the first loop, argon is used as a heat carrier in the second loop; uranium nitride or a mixture of uranium nitride with nitride and plutonium oxide in the form of tablets with a diameter of 10 to 40 mm and a height of 5 to 100 mm.

Предлагаемый керамический реактор на быстрых нейтронах (КРБН) имеет ряд преимуществ по сравнению с атомными реакторами на быстрых нейтронах, использующими в качестве топлива оксид и карбид урана, в качестве теплоносителя 1-го контура - натрий и свинец, а в качестве стенок твэлов – нержавеющую сталь.The proposed ceramic fast neutron reactor (KRBN) has a number of advantages over atomic fast neutron reactors using uranium oxide and carbide as fuel, sodium and lead as the primary coolant, and stainless steel as the walls of the fuel elements. ...

В целях повышения энергетической безопасности мира в ядерной энергетике должны использоваться технологии нового поколения и замкнутый топливный цикл с реакторами на быстрых нейтронах с расширенным воспроизводством. Это обеспечит неограниченность ресурса ядерного топлива за счет перехода от использования изотопа U235 к использованию естественного урана, тория и плутония. Известно, что на земном шаре U238 в 143 раза больше, чем U235. Огромное количество обеднённого урана ждёт своего часа вовлечения в хозяйственный оборот. In order to increase the world's energy security, nuclear power should use new generation technologies and a closed fuel cycle with fast breeder reactors. This will ensure the unlimited resource of nuclear fuel due to the transition from the use of the U 235 isotope to the use of natural uranium, thorium and plutonium. It is known that on the globe U 238 is 143 times more than U 235 . A huge amount of depleted uranium is waiting for its time to be involved in economic circulation.

Реакторы на быстрых нейтронах в процессе работы вырабатывают не только энергию, но и плутоний для ядерного оружия.Fast neutron reactors in the process generate not only energy, but also plutonium for nuclear weapons.

Реакторы на быстрых нейтронах могут вырабатывать электроэнергию, тепло для обогрева зданий и сооружений, а также могут уничтожать долгоживущие высокоактивные отходы и нарабатывать материалы для воспроизводства топлива. Fast reactors can generate electricity, heat for heating buildings and structures, and can also destroy long-lived high-level waste and produce materials for fuel reproduction.

Наиболее оптимальное направление развития атомной энергетики - создание КРБН. При переходе от быстрых реакторов с натриевым теплоносителем (БН) к керамическим реакторам на быстрых нейтронах (КРБН) можно добиться улучшенных технико-экономических показателей. The most optimal direction for the development of nuclear energy is the creation of a KRBN. With the transition from fast reactors with a sodium coolant (BN) to ceramic fast reactors (KRBN), it is possible to achieve improved technical and economic indicators.

Поставленные задачи решаются за счет того, что «керамизация» реактора позволит поднять температуру защитного чехла твэла с 720°С до 1250°С, а температуру теплоносителя на выходе из реактора – с 540°С до 1200°С. Температура аргона при выходе из теплообменника составит около 1150°С, что приведет к повышению КПД КРБН с 40% до 75%.The set tasks are solved due to the fact that the "ceramization" of the reactor will raise the temperature of the protective cover of the fuel element from 720 ° C to 1250 ° C, and the temperature of the coolant at the outlet of the reactor - from 540 ° C to 1200 ° C. The argon temperature at the exit from the heat exchanger will be about 1150 ° C, which will lead to an increase in the KRBN efficiency from 40% to 75%.

Конструкция КРБН позволит удешевить строительство, повысить единичную мощность реактора и основных компонентов энергоблока. The design of the KRBN will make it possible to reduce the cost of construction, increase the unit capacity of the reactor and the main components of the power unit.

Исключение циркония, натрия, свинца и воды из внутриреакторного пространства повысит безопасность АЭС. В качестве ядерного топлива вместо оксида или карбида урана предлагается топливо на основе нитридов урана или нитрида урана и плутония. Вместо пожароопасного натрия и высокотемпературно-расплавляемого свинца в качестве теплоносителя первого контура предлагается Li7. Разделяя природный литий на Li6 и Li7, первый изотоп целесообразно будет использовать в термоядерной энергетике и в оборонных целях, а второй изотоп - в атомной энергетике. The elimination of zirconium, sodium, lead and water from the inside of the reactor space will increase the safety of the nuclear power plant. As a nuclear fuel instead of uranium oxide or carbide, fuel based on uranium nitrides or uranium and plutonium nitride is proposed. Instead of fire hazardous sodium and high-temperature-molten lead, Li 7 is proposed as the primary coolant. By dividing natural lithium into Li 6 and Li 7 , the first isotope will be expediently used in thermonuclear power engineering and for defense purposes, and the second isotope - in nuclear power engineering.

Высокая ядерная плотность нитрида урана (UN) при его использовании имеет преимущество перед топливом из карбида и оксида урана. При использовании UN повышается эффективность использования первичного топлива и коэффициент воспроизводства вторичного топлива. The high nuclear density of uranium nitride (UN), when used, has an advantage over uranium carbide and uranium oxide fuels. The use of UN increases the efficiency of the primary fuel and the breeding ratio of the secondary fuel.

Высокий коэффициент теплопроводности UN позволит увеличить тепловые нагрузки в твэлах, а также размер топливных таблеток, что будет способствовать более низкой стоимости изготовления твэлов и уменьшит потери нейтронов в конструкционных материалах. A high thermal conductivity UN will allow increasing the thermal loads in the fuel elements, as well as the size of the fuel pellets, which will contribute to a lower cost of manufacturing fuel elements and reduce the loss of neutrons in structural materials.

Мононитрид урана и смешанные мононитриды урана и плутония, обладающие рядом благоприятных физических свойств, являются потенциально важными видами ядерного топлива и воспроизводящими материалами. Они имеют высокую размерную стабильность при облучении, и их использование в ядерных реакторах позволяет достигнуть глубокого выгорания и, следовательно, снизить стоимость ядерного топливного цикла. Характерными особенностями простых и смешанных нитридов урана и плутония являются: высокая, по сравнению с оксидами, теплопроводность; повышенная плотность и лучшая способность к удержанию газообразных продуктов деления (ГПД). Uranium mononitride and mixed uranium and plutonium mononitrides, which have a number of favorable physical properties, are potentially important types of nuclear fuel and fertile materials. They have high dimensional stability during irradiation, and their use in nuclear reactors allows deep burnup to be achieved and, therefore, reduce the cost of the nuclear fuel cycle. The characteristic features of simple and mixed nitrides of uranium and plutonium are: high, in comparison with oxides, thermal conductivity; increased density and better ability to retain gaseous fission products (GPG).

Температура топлива из UN является более низкой по сравнению с температурой оксидного топлива при одинаковом объемном энерговыделении, что позволяет уменьшить выделение ГПД в процессе облучения. The temperature of the UN fuel is lower than the temperature of the oxide fuel at the same volumetric energy release, which makes it possible to reduce the release of GPE during irradiation.

Рабочая температура нитридного топлива существенно ниже его допустимой предельной температуры эксплуатации, что приводит к потенциальному увеличению уровня безопасной работы из-за более низкого значения отрицательного эффекта Доплера. The operating temperature of nitride fuel is well below its permissible operating temperature limit, which leads to a potential increase in the level of safe operation due to the lower value of the negative Doppler effect.

Лучшее удержание ГПД топлива из UN уменьшает количество ГПД в зазоре топливо-оболочка и снижает давление газа под оболочкой твэла. Better retention of the HPA of the UN fuel reduces the amount of HPA in the fuel-cladding gap and reduces the gas pressure under the cladding of the fuel element.

Более высокая плотность топлива из UN по сравнению с оксидным и карбидным топливом может при более низком обогащении приводить к большим скоростям расширенного воспроизводства, более короткому времени удвоения и большей длительности кампании топлива. The higher density of UN fuels as compared to oxide and carbide fuels, at lower enrichment, can lead to faster expanded breeding rates, shorter doubling times, and longer fuel campaign times.

Совместимость топлива из UN с литиевым теплоносителем повышает безопасность работы КРБН. The compatibility of UN fuel with a lithium coolant increases the safety of the KRBN operation.

Существует возможность изготовления не цилиндрических твэлов, а изготовление твэлов, например, шестигранной формы, при этом возможно увеличения соотношения «топливо: теплоноситель», а это в свою очередь приведёт к созданию в реакторе более жёсткого спектра нейтронов и соответственно меньшего их «нецелевого» использования, следовательно, коэффициент воспроизводства будет максимальным. There is a possibility of manufacturing not cylindrical fuel rods, but manufacturing fuel rods, for example, of a hexagonal shape, while it is possible to increase the fuel: coolant ratio, and this, in turn, will lead to the creation of a harder neutron spectrum in the reactor and, accordingly, their less “inappropriate” use. therefore, the reproduction rate will be maximum.

Физико-механические свойства оксида, нитрида и карбида урана приведены в таблице 1. The physical and mechanical properties of uranium oxide, nitride and carbide are shown in Table 1.

Таблица 1 Table 1

Виды топливаFuel types Плотность, г/см3 Density, g / cm 3 Теплопроводность, Вт /м*КThermal conductivity, W / m * K Прочность, МПаStrength, MPa Температура плавления, °СMelting point, ° С α
10-6 C-1
α
10 -6 C -1
Оксид урана
UO2
Uranium oxide
UO 2
10,910.9 8,4 при 45 °С
2,6 при 1400 °С
8.4 at 45 ° C
2.6 at 1400 ° C
8 – на растяжение8 - tensile 27502750 10ten
Нитрид урана
UN
Uranium nitride
UN
14,3214.32 24 при 1200 °С24 at 1200 ° C 15 – на растяжение15 - tensile 28502850 10ten
Карбид урана UCUranium carbide UC 13,6313.63 32,7 при 45 °С
23,6 при 2300 °С
32.7 at 45 ° C
23.6 at 2300 ° C
13 – на растяжение13 - tensile 24002400 10ten

Исключается реакция взаимодействия циркония с водой в связи с отсутствием этих веществ в активной зоне. Использование карбида кремния в качестве материала стенки чехла твэла позволит избавиться от сплава циркония во внутриреакторном пространстве. The reaction of interaction of zirconium with water is excluded due to the absence of these substances in the core. The use of silicon carbide as a material for the wall of the fuel element cover will make it possible to get rid of the zirconium alloy in the interior of the reactor space.

Изготавливаемые в настоящее время из сплава циркония оболочки твэлов и внутрикорпусные детали в реакторах (концевики твэлов и твэгов, дистанционные решётки тепловыделяющих сборок (ТВС), труба под сборку внутриреакторных детекторов (СВРД), труба центрального и канал направляющих) предлагается изготовить из материала на основе ингибированных материалов систем C-SiC и SiC-SiC. Fuel-element claddings and internals in reactors (fuel rod and fuel rod ends, spacer grids of fuel assemblies (FA), a tube for the assembly of in-core detectors (SVRD), a central tube and a guide channel) are proposed to be made from a material based on inhibited materials of the C-SiC and SiC-SiC systems.

Достигаемый технический результат заключается в том, что нитрид урана UN характеризуется гораздо меньшим радиационным распуханием при температурах 1200-1700°С, чем карбид урана (UC) и оксид урана (UO2). Газовыделение продуктов деления из топливных таблеток UN на порядок меньше, чем из UC таблеток. UN не пирофорный материал, в отличии от UC.The technical result achieved is that uranium nitride UN is characterized by a much lower radiation swelling at temperatures of 1200-1700 ° C than uranium carbide (UC) and uranium oxide (UO 2 ). The outgassing of fission products from UN fuel pellets is an order of magnitude less than from UC pellets. UN is not a pyrophoric material, unlike UC.

Топливо из нитрида урана технологично при переработке, так как UN полностью растворяется в азотной кислоте. Конструкция твэлов изменяется – увеличивается диаметр топливных таблеток и их высоты, что приведёт к их меньшему количеству, следовательно, к удешевлению изготовления, а также повышению коэффициента воспроизводства топлива. Uranium nitride fuel is technologically advanced during processing, since UN is completely soluble in nitric acid. The design of the fuel elements changes - the diameter of the fuel pellets and their height increase, which will lead to a smaller number of them, therefore, to a cheaper manufacture, as well as an increase in the fuel reproduction ratio.

За счёт увеличения температуры периферийной поверхности таблетки из нитрида урана по сравнению с температурой периферийной поверхности таблетки из оксида урана из-за резкого увеличения световой составляющей передача тепла к оболочке твэла существенно увеличится, несмотря на увеличение зазора между периферийной поверхностью таблетки и внутренней стенкой чехла твэла. Это позволит без потери тепловой эффективности резко увеличить объём для накопления газов, образующихся при расщеплении ядерного топлива, и не позволит создать большое давление газов внутри твэла. Также сохранится возможность распухания топлива без возможности контакта его с защитным чехлом. Увеличение диаметра топливных таблеток и, следовательно, изменение пропорции «топливо-теплоноситель» при применении Li7 в качестве теплоносителя, сохранит «быстрый» спектр нейтронов в реакторе. Оптимальная высота таблеток лежит в диапазоне 5-100 мм. Если высота меньше 5 мм, то это приведет к увеличению количества таблеток, а таблетки высотой более 100 мм не технологичны. Оптимальный диаметр таблетки составляет 10-40 мм. Если диаметр меньше 10 мм, это приведет к увеличению количества таблеток, а в таблетках с диаметром более 40 мм будет перегреваться центр таблетки. Due to an increase in the temperature of the peripheral surface of the uranium nitride pellet in comparison with the temperature of the peripheral surface of the pellet made of uranium oxide, due to a sharp increase in the light component, the heat transfer to the fuel element cladding will significantly increase, despite an increase in the gap between the peripheral surface of the pellet and the inner wall of the fuel element cladding. This will allow, without loss of thermal efficiency, to sharply increase the volume for the accumulation of gases formed during the fission of nuclear fuel, and will not allow creating a high pressure of gases inside the fuel element. The possibility of swelling of the fuel without the possibility of contact with the protective cover will also remain. An increase in the diameter of fuel pellets and, consequently, a change in the "fuel-coolant" proportion when using Li 7 as a coolant, will preserve the "fast" spectrum of neutrons in the reactor. The optimum tablet height is in the range of 5-100 mm. If the height is less than 5 mm, then this will lead to an increase in the number of tablets, and tablets with a height of more than 100 mm are not feasible. The optimum tablet diameter is 10-40 mm. If the diameter is less than 10 mm, this will lead to an increase in the number of tablets, and in tablets with a diameter of more than 40 mm, the center of the tablet will overheat.

Предлагаемые материалы в качестве корпуса реактора, чехлов твэлов, внутрикорпусных деталей, трубопроводов первого контура, горячей части трубопроводов второго контура, теплообменника изготовлены из материалов на основе ингибированных систем C-SiC и SiC-SiC. The proposed materials as a reactor vessel, fuel element covers, internals, primary piping, hot part of secondary piping, heat exchanger are made of materials based on inhibited C-SiC and SiC-SiC systems.

Ингибированные материалы применяются с целью увеличить ресурс работы. Эти материалы имеет высокую химическую стойкость к Н2О, Na, K, Pb, Li и др.; высокую радиационную; сохраняют высокую прочность вплоть до температуры 1500°С; из них возможно изготовить газонепроницаемые оболочки твэлов; SiC имеет высокую температуру плавления 2730°С. Inhibited materials are used to increase the service life. These materials have high chemical resistance to H 2 O, Na, K, Pb, Li, etc .; high radiation; retain high strength up to a temperature of 1500 ° C; it is possible to make gas-tight cladding of fuel elements from them; SiC has a high melting point of 2730 ° C.

Сечение захвата нейтронов у карбида кремния на порядки меньше, чем сечение захвата нейтронов у циркония, указанных в таблице 2. The neutron capture cross section for silicon carbide is orders of magnitude smaller than the neutron capture cross section for zirconium indicated in Table 2.

Таблица 2table 2

ЭлементElement Сечение захвата нейтронов,
барн
Neutron capture cross section,
barn
ЦирконийZirconium 55 КремнийSilicon 0,130.13 УглеродCarbon 0,0030.003

Эффективность использования нейтронов в КРБН резко возрастает.The efficiency of the use of neutrons in KRBN sharply increases.

Создание замкнутого топливного цикла позволит использовать U238, находящийся в отработанном ядерном топливе и в обедненном гексафториде урана, оставшимся после обогащения. Обедненного уже произведённого урана хватит на много сотен лет.The creation of a closed fuel cycle will make it possible to use U 238 in spent nuclear fuel and in depleted uranium hexafluoride remaining after enrichment. Depleted uranium already produced will last for many hundreds of years.

Использование КРБН позволит увеличить глубину выгорания ядерного топлива и довести коэффициент воспроизводства до 1,45. The use of KRBN will make it possible to increase the depth of nuclear fuel burnup and bring the breeding ratio to 1.45.

КРБН обеспечит новый уровень экологической безопасности за счет многократного снижения объемов отработавшего ядерного топлива и радиоактивных отходов. Отходы будут «сжигаться» в КРБН. КРБН позволит увеличить срок службы АЭС до 100 лет, так как керамические композиционные материалы не ржавеют и практически не деградируют при облучении.KRBN will provide a new level of environmental safety due to a multiple reduction in the volume of spent nuclear fuel and radioactive waste. The waste will be “incinerated” in the KRBN. KRBN will increase the service life of nuclear power plants up to 100 years, since ceramic composite materials do not rust and practically do not degrade during irradiation.

Использование Li7 в качестве теплоносителя первого контура позволит поднять температуру теплоносителя на выходе из реактора до 1200°С (температура кипения лития 1330°С). Ртуть, калий и натрий имеют температуру кипения существенно ниже 1200°С, соответственно, эти материалы невозможно использовать в КРБН при высоких температурах. The use of Li 7 as the primary coolant will allow raising the coolant temperature at the reactor outlet to 1200 ° C (the boiling point of lithium is 1330 ° C). Mercury, potassium and sodium have a boiling point significantly below 1200 ° C, respectively, these materials cannot be used in KRBN at high temperatures.

Свинцово-висмутовая эвтектика имеет недостаток из-за превращения висмута при взаимодействии с нейтронами в высокорадиоактивный полоний. Свинец требует высоких энергозатрат для его перекачки в первом контуре. Оксиды свинца активно взаимодействуют со многими материалами, в том числе с керамическими, что затрудняет использование свинца в качестве теплоносителя 1-го контура. Lead-bismuth eutectic has a disadvantage due to the conversion of bismuth when interacting with neutrons into highly radioactive polonium. Lead requires high energy consumption for its pumping in the primary circuit. Lead oxides actively interact with many materials, including ceramic, which makes it difficult to use lead as a primary coolant.

Li7 имеет маленькое сечение захвата нейтронов, что положительно влияет на ядерные характеристики реактора. Li6, оставшийся после изотопного разделения лития, целесообразно использовать в оборонных целях и в термоядерной энергетики будущего. Li 7 has a small neutron capture cross-section, which has a positive effect on the nuclear characteristics of the reactor. Li 6 remaining after the isotopic separation of lithium is expedient to be used for defense purposes and in thermonuclear power engineering of the future.

Низкая температура плавления лития (180°С) и его высокая температура кипения (1330°С), малая упругость паров положительно влияют на безопасность реактора. The low melting point of lithium (180 ° C) and its high boiling point (1330 ° C), low vapor pressure have a positive effect on the safety of the reactor.

Проблема разогрева большого количества свинца для его плавления перед пуском реактора является сложной технической задачей (температура плавления свинца 327°С). The problem of heating a large amount of lead to melt it before starting the reactor is a complex technical problem (the melting point of lead is 327 ° C).

Допустимые тепловые потоки за счёт высокого коэффициента теплопроводности лития практически не ограничивают критические тепловые нагрузки.Due to the high thermal conductivity of lithium, the permissible heat fluxes practically do not limit the critical heat loads.

Литий является одноатомным металлом, поэтому проблем радиационных нарушений в теплоносителе не возникает. Li7 в реакторе не активируется. Литий более инертный материал и менее пожароопасный чем натрий и калий. Высокая электрическая проводимость лития позволяет использовать герметичные электронасосы постоянного и переменного тока. Литий – относительно дешевый металл. Теплопроводность лития в 3,5 раза больше теплопроводности свинца, его теплоемкость в 27 раз больше теплоемкости свинца, к тому же литий более распространен в земной коре чем свинец, что является преимуществами при использовании лития в качестве теплоносителя первого контура. Литий обладает исключительно высокой, в сравнении с другими жидкометаллическими теплоносителями, весовой теплоемкостью. Ориентировочно теплоемкость лития равна:Lithium is a monoatomic metal, so there are no problems with radiation damage in the coolant. Li 7 in the reactor is not activated. Lithium is a more inert material and less fire hazardous than sodium and potassium. The high electrical conductivity of lithium allows the use of hermetically sealed AC and DC electric pumps. Lithium is a relatively cheap metal. The thermal conductivity of lithium is 3.5 times higher than the thermal conductivity of lead, its heat capacity is 27 times that of lead, besides, lithium is more widespread in the earth's crust than lead, which is an advantage when using lithium as a primary coolant. Lithium has an exceptionally high heat capacity by weight in comparison with other liquid metal coolants. The approximate heat capacity of lithium is:

t⁰C – 180+427 Cρ=1,224 ккал/кг⁰Ct⁰C - 180 + 427 Cρ = 1.224 kcal / kg⁰C

t⁰C – 180+1227 Cρ=1,045 ккал/кг⁰Ct⁰C - 180 + 1227 Cρ = 1.045 kcal / kg⁰C

и соответственно литий обладает более высокой объемной теплоемкостью. and, accordingly, lithium has a higher volumetric heat capacity.

Объемная теплоемкость расплавленных металлов представлена в таблице 3. The volumetric heat capacity of molten metals is presented in Table 3.

Таблица 3Table 3

ТеплоносительHeat carrier Cργ [ккал/м3 °C]C ργ [kcal / m 3 ° C] t=300°Ct = 300 ° C t=500°Ct = 500 ° C ЛитийLithium 618618 505505 НатрийSodium 274274 250250 Сплав Na-KAlloy Na-K 169169 157157 Сплав Pb-BiPb-Bi alloy 366366 354354

При одинаковом гидравлическом сопротивлении контура, учитывая малую плотность лития, скорость лития примерно равна скорости Na или Na-K и примерно в 4 раза выше, чем расплава эвтектики Pb-Bi. With the same hydraulic resistance of the circuit, taking into account the low density of lithium, the lithium velocity is approximately equal to the Na or Na-K velocity and is approximately 4 times higher than that of the Pb-Bi eutectic melt.

Литий имеет большую по сравнению с другими теплоносителями величину Cργ·W, где (Cργ –теплоёмкость, W - скорость), приведенную в таблице 4. Lithium has a large value of C ργ · W in comparison with other heat transfer fluids, where (C ργ is the heat capacity, W is the speed), given in Table 4.

Таблица 4 Table 4

ТеплоносительHeat carrier Cργ·W [ккал/м* сек °C] C ργ · W [kcal / m * s ° C] t=500°Ct = 500 ° C ЛитийLithium 35303530 НатрийSodium 17501750 Сплав Na-KAlloy Na-K 11001100 Сплав Pb-BiPb-Bi alloy 620620

Величина Cργ·W имеет исключительно большое значение при конструировании ядерных энергетических транспортных установок в силу следующих обстоятельств:The value of C ργ W is extremely important in the design of nuclear power transport installations due to the following circumstances:

а) пропорционально величине Cργ·W имеется возможность снизить проходные сечения всего тракта первичного теплоносителя и, следовательно, сократить габарит и вес, а также упростить компоновку оборудования.a) in proportion to the value of C ργ · W, it is possible to reduce the flow cross-sections of the entire primary coolant path and, therefore, to reduce the size and weight, as well as to simplify the layout of the equipment.

Литий позволяет сократить проходное сечение первичного контура при одинаковой мощности реактора и одинаковом подогреве ориентировочно по сравнению с натрием в 2,2 раза, со сплавом Na-K в 3,6 раза, эвтектикой Pb-Bi в 6,7 раза.Lithium makes it possible to reduce the flow area of the primary circuit with the same reactor power and the same heating approximately 2.2 times compared to sodium, 3.6 times with Na-K alloy, 6.7 times with Pb-Bi eutectic.

Большая для лития объёмная теплоемкость позволяет снизить пропорционально расход теплоносителя и снизить в затраты энергии на перекачивание теплоносителя в первом контуре;A large volumetric heat capacity for lithium allows one to proportionally reduce the flow rate of the coolant and reduce the energy consumption for pumping the coolant in the primary circuit;

б) большая для Li величина Cργ·W особенно большое значение имеет для теплосъёма непосредственно в реакторе, поскольку прямо пропорционально Cργ·W может быть уменьшено проходное сечение для теплоносителя в активной зоне при одинаковом подогреве теплоносителя и, следовательно, увеличена доля объема активной зоны, занимаемой замедлителем. Переход к литиевому теплоносителю даст, очевидно, за счет этого большую экономию в загрузке U235 по сравнению с натриевым или свинцово-висмутовым теплоносителем.b) the large value of C ργ W for Li is especially important for heat removal directly in the reactor, since the flow area for the coolant in the core can be directly proportional to C ργ occupied by the moderator. The transition to a lithium coolant will, obviously, due to this, large savings in the loading of U 235 in comparison with sodium or lead-bismuth coolant.

Уменьшение проходного сечения для теплоносителя в торцевых экранах (характерно практически для всех конструкций реакторов наличие потока теплоносителя в торцевых экранах) даёт улучшение торцевых экранов, что благоприятно скажется на величине загрузки по U235, а также на равномерности поля тепловыделения в активной зоне;A decrease in the flow area for the coolant in the end screens (the presence of a coolant flow in the end screens is characteristic of almost all reactor designs) gives an improvement in the end screens, which will have a favorable effect on the U 235 loading, as well as on the uniformity of the heat release field in the core;

в) при сохранении для различных жидкометаллических теплоносителей одинакового проходного сечения в активной зоне реактора в случае применения литиевого теплоносителя, возможно, уменьшить температурный перепад между входом и выходом теплоносителя пропорционально Cργ·W (в 2,2 раза по сравнению с Na, в 6,7 раза по сравнению с Pb-Bi). При одинаковой средней выходной температуре теплоносителя указанное значительно увеличивает среднелогарифмические температурные перепады между первичным и вторичным теплоносителями. Это позволяет существенно уменьшить теплообменную аппаратуру, т.е. существенно уменьшить габариты и вес установки; c) while maintaining the same flow area in the reactor core for various liquid metal coolants in the case of using a lithium coolant, it is possible to reduce the temperature difference between the coolant inlet and outlet in proportion to C ργ W (2.2 times compared to Na, 6, 7 times compared to Pb-Bi). At the same average outlet temperature of the coolant, this significantly increases the mean log temperature differences between the primary and secondary coolants. This makes it possible to significantly reduce the heat exchange equipment, i.e. significantly reduce the dimensions and weight of the installation;

г) одновременно снижение температурного перепада теплоносителя между входом и выходом приводит к снижению максимальной температуры на стенке тепловыделяющего элемента при одинаковой средней температуре на выходе, поскольку превышение максимальной температуры теплоносителя на выходе над средней пропорционально ∆t°C. Это обстоятельство имеет большое значение, поскольку хорошее выравнивание поля энерговыделения, особенно для малогабаритных гомогенных энергетических аппаратов весьма актуально;d) at the same time, a decrease in the temperature difference of the coolant between the inlet and outlet leads to a decrease in the maximum temperature on the wall of the fuel element at the same average outlet temperature, since the excess of the maximum outlet temperature over the average is proportional to ∆t ° C. This circumstance is of great importance, since a good leveling of the energy release field, especially for small-sized homogeneous power devices, is very important;

д) большое значение Cργ·W для лития дает больший, чем для других жидких металлов, простор при конструировании тепловыделяющих элементов, поскольку позволяет рассматривать тепловыделяющие элементы фильдовского типа.e) a large value of C ργ · W for lithium gives more space in the design of fuel elements than for other liquid metals, since it allows one to consider fuel elements of the Field type.

Литий обладает высокой теплопроводностью в интересном для проектирования реакторов температурном интервале. Высокая теплопроводность лития в сочетании с высокой весовой теплоемкостью обеспечивает хорошие коэффициенты теплоотдачи к литию. В таблице 5 приводится сравнение для коэффициента теплоотдачи по отношению к литию, натрию и Pb-Bi при скоростях Li и Na W = 7 м/сек и скорости Pb-Bi W = 2 м/сек в ккал/м·час·°C.Lithium has a high thermal conductivity in a temperature range of interest for reactor design. The high thermal conductivity of lithium in combination with a high heat capacity by weight provides good heat transfer coefficients to lithium. Table 5 provides a comparison for the heat transfer coefficient in relation to lithium, sodium and Pb-Bi at speeds of Li and Na W = 7 m / s and a speed of Pb-Bi W = 2 m / s in kcal / m · h · ° C.

Таблица 5 Table 5

ТеплоносителиHeat carriers t=300°Ct = 300 ° C t=500°Ct = 500 ° C d2=5·10-3мd 2 = 5 · 10 -3 m 10·10-3м10 · 10 -3 m 5·10-3м5 · 10 -3 m 10·10-3м10 · 10 -3 m ЛитийLithium 6310063100 48,30048,300 61,70061,700 45,60045,600 НатрийSodium 5820058200 39,20039,200 49,20049,200 33,40033,400 Эвтектика Pb·BiEutectic Pb Bi 1520015200 11,00011,000 17,30017,300 1210012100

Большие коэффициенты теплоотдачи для Li обеспечивают малые перепады температур между поверхностью тепловыделяющего элемента и теплоносителем и ведут к снижению максимальной температуры ТВЭЛ. Большие коэффициенты теплоотдачи для лития дают возможность уменьшить перепад между температурой оболочек тепловыделяющих элементов и литием.Large heat transfer coefficients for Li provide small temperature differences between the surface of the fuel element and the coolant and lead to a decrease in the maximum temperature of the fuel element. Large heat transfer coefficients for lithium make it possible to reduce the difference between the temperature of the cladding of fuel elements and lithium.

Литий обладает достаточно хорошей электропроводностью и для лития, как и для натрия, могут быть созданы электромагнитные насосы с достаточно высоким КПД. Учитывая меньшие необходимые расходы для заданной установки, электромагнитный насос для лития окажется более простым.Lithium has a fairly good electrical conductivity, and for lithium, as well as for sodium, electromagnetic pumps with a sufficiently high efficiency can be created. Considering the lower required costs for a given installation, an electromagnetic pump for lithium will be simpler.

Литий выгодно отличается от натрия тем, что Li7, на применение которого в качестве теплоносителя необходимо ориентироваться, не дает γ-активности при облучении его нейтронами. В результате этого литиевый контур не требует мощной защиты, которая необходима в случае использования натрия, значительно увеличивающего вес всей энергетической установки.Lithium compares favorably with sodium in that Li 7 , the use of which as a coolant must be guided by, does not give γ-activity when it is irradiated with neutrons. As a result, the lithium circuit does not require the powerful protection required in the case of sodium, which significantly increases the weight of the entire power plant.

Литий, обладая малым удельным весом, даже при применении значительных объемов его, не дает заметного увеличения веса установки. Этот факт имеет немаловажное значение, в сравнении с применением в качестве теплоносителя Pb-Bi. Lithium, having a low specific gravity, even when using large volumes of it, does not give a noticeable increase in the weight of the installation. This fact is of no small importance in comparison with the use of Pb-Bi as a heat carrier.

Литий является самым неактивным элементом из всех щелочных металлов. «Литиевая» энергетическая установка будет более надежной и безопасной, чем при применении натрия или Na-K в качестве теплоносителя.Lithium is the most inactive element of all alkali metals. A "lithium" power plant will be more reliable and safe than using sodium or Na-K as a heat carrier.

Литий в отличие от Pb-Bi сплава не даст α-активных аэрозолей, что позволяет упростить конструирование и эксплуатацию установки. Литий не взаимодействует с ингибированным карбидом кремния при температуре до 1300 °С. Литий обладает очень высокой скрытой теплотой испарения, это показано в таблице 6.Lithium, unlike Pb-Bi alloy, will not give α-active aerosols, which makes it possible to simplify the design and operation of the installation. Lithium does not interact with inhibited silicon carbide at temperatures up to 1300 ° C. Lithium has a very high latent heat of vaporization, as shown in Table 6.

Таблица 6Table 6

t, °Сt, ° С Давление, атм
Р
Pressure, atm
R
Скрытая теплота испарения 1 кг лития,
r ккал/кг
Latent heat of vaporization of 1 kg of lithium,
r kcal / kg
13361336 11 46804680 15401540 10ten 41004100 16201620 2525 38003800 16821682 5050 35003500 17181718 7575 33003300

Для испарения лития требуется значительное количество энергии, это также повышает безопасность АЭС. A significant amount of energy is required to vaporize lithium, which also increases the safety of nuclear power plants.

Физические свойства жидкометаллических теплоносителей натрия, свинца и лития приведены в таблице 7.The physical properties of liquid metal coolants sodium, lead and lithium are shown in Table 7.

Таблица 7 Table 7

ПараметрыOptions НатрийSodium СвинецLead Литий
при 527°С
Lithium
at 527 ° C
Плотность при 450 °С, кг/м3Density at 450 ° С, kg / m3 845845 1047010470 483483 Температура, °С
плавления
кипения
Temperature, ° С
melting
boiling
97,8
883
97.8
883
327,4
1737
327.4
1737
180
1330
180
1330
Теплопроводность при 450 °С, Вт/(м·К)Thermal conductivity at 450 ° C, W / (m K) 68,968.9 15,715.7 54,454.4 Теплоемкость при 450 °С, кДж/(кг·К)Heat capacity at 450 ° C, kJ / (kg K) 1,2721.272 0,1550.155 4,1814.181 Распространение в земной коре, %Distribution in the earth's crust,% 2,852.85 1,6·10-3 1.6 · 10 -3 2,1 ·10 -3 2.1 · 10 -3

Использование в качестве теплоносителя второго контура аргона позволит увеличить безопасность АЭС, так как исключена возможность контакта щелочного металла с водой в отличие от реактора на быстрых нейтронах с натриевым теплоносителем с электрической мощностью 880 МВт (БН-800). The use of argon as a coolant in the secondary circuit will increase the safety of nuclear power plants, since the possibility of contact of an alkali metal with water is excluded, in contrast to a fast neutron reactor with a sodium coolant with an electric power of 880 MW (BN-800).

Использование газовой турбины по сравнению с паровой турбиной позволит уменьшить габариты турбины; производить более быстрый запуск турбины; увеличить долговечность турбины за счет меньшей вибрации, а также меньшего количества трущихся деталей; уменьшить металлоемкость; повысить КПД. The use of a gas turbine in comparison with a steam turbine will reduce the size of the turbine; make a faster start of the turbine; increase the durability of the turbine due to less vibration, as well as fewer rubbing parts; reduce metal consumption; increase efficiency.

Керамический композиционный материал на основе ингибированных С-SiC и SiC-SiC сохраняют высокую прочность при температурах до 1500°С, радиационно-стойкие, инертные к расплаву лития, аргона и другим материалам. Ceramic composite material based on inhibited C-SiC and SiC-SiC retains high strength at temperatures up to 1500 ° C, radiation-resistant, inert to the melt of lithium, argon and other materials.

Для повышения эффективности АЭС предусматривается возможность отопления зданий и сооружений третьим контуром, в качестве теплоносителя которого используется вода. To increase the efficiency of the nuclear power plant, it is possible to heat buildings and structures with a third circuit, which uses water as a heat carrier.

Поток нейтронов высокой энергии в КРБН способен эффективно «сжигать» наиболее опасные долгоживущие радионуклиды, образующиеся в отработанном ядерном топливе. Применив замкнутый топливный цикл с выжиганием актинидов и трансмутацией долгоживущих продуктов деления в короткоживущие, можно радикально решить проблему обезвреживания отходов ядерной энергетики и многократно уменьшить объем радиоактивных отходов, подлежащих захоронению. The high-energy neutron flux in the KRBN is able to effectively “burn” the most dangerous long-lived radionuclides formed in the spent nuclear fuel. By using a closed fuel cycle with actinide burning and transmutation of long-lived fission products into short-lived ones, it is possible to radically solve the problem of nuclear power waste disposal and greatly reduce the volume of radioactive waste to be buried.

Переход к быстрым реакторам-бридерам наряду с тепловыми реакторами, а также переход на замкнутый топливный цикл позволит создать безопасную технологию получения энергии, в полной мере отвечающую требованиям устойчивого развития человеческого общества. The transition to fast breeder reactors along with thermal reactors, as well as the transition to a closed fuel cycle, will make it possible to create a safe energy production technology that fully meets the requirements of sustainable development of human society.

Технико-экономические показатели реакторов БН-1200 и КРБН-1000 приведены в таблице 8. The technical and economic indicators of the BN-1200 and KRBN-1000 reactors are shown in Table 8.

Таблица 8 Table 8

Технико-экономические показателиTechnical and economic indicators Реактор БН-1200Reactor BN-1200 Реактор КРБН-1000
(расчётные)
Reactor KRBN-1000
(calculated)
Коэффициент использования установленной мощностиInstalled capacity utilization factor 0,90.9 0,950.95 КПДEfficiency 4545 75 75 Поэтапное повышение выгорания МОКС-топлива с достигнутого уровняGradual increase in MOX fuel burnup from the achieved level 20%twenty% 40%40% Коэффициент воспроизводстваReproduction rate 1,21,2 1,451.45 Снижение удельных показателей металлоемкостиDecrease in specific indicators of metal consumption 1,7 раза1.7 times 3 раз3 times Срок службы реактораReactor life 6060 100100

Разработка КРБН приведет к решению поставленных целей. The development of the KRBN will lead to the solution of the set goals.

На фигуре приводится общая схема АЭС, которая состоит из реактора 1, твэлов 2, электрического насоса 3, литий-аргонного теплообменника 4, корпуса реактора 5, внутрикорпусных деталей 6, трубопроводов первого контура 7, горячей части трубопровода второго контура 8, газовой турбины 9, генератора 10, холодной части трубопровода второго контура 11, аргонно-водяного теплообменника 12, электрического насоса второго контура 13, трубопровода третьего контура 14, насоса для циркуляции воды в третьем контуре 15.The figure shows a general diagram of a nuclear power plant, which consists of a reactor 1, fuel elements 2, an electric pump 3, a lithium-argon heat exchanger 4, a reactor vessel 5, internals 6, primary circuit pipelines 7, a hot part of a secondary circuit pipeline 8, a gas turbine 9, generator 10, cold part of the pipeline of the second circuit 11, argon-water heat exchanger 12, electric pump of the second circuit 13, pipeline of the third circuit 14, pump for water circulation in the third circuit 15.

Работает АЭС с керамическим реактором на быстрых нейтронах (1) следующим образом. Уран 238 и плутоний расщепляются при поглощении быстрых нейтронов в таблетках из нитрида урана или смеси нитрида урана с нитридом и оксидом плутония, при этом выделяется энергия (температура таблеток около 1500 °С в центре и 1300°С на периферии). Затем нагреваются стенки твэлов (2), изготовленные из материала на основе ингибированного композиционного керамического материала на основе С-SiC или ингибированного керамического материала на основе SiC-SiC, их температура около 1250 °С. Далее тепло передаётся к жидкому Li7 теплоносителю первого контура, который нагревается до 1200°С, Li7 и перекачивается электрическим насосом (3) к литий-аргонному теплообменнику (4) и обратно в реактор; корпус реактора (5), чехлы твэлов, внутрикорпусные детали (6), трубопроводы первого контура (7), горячая часть трубопровода второго контура (8), литий-аргонный теплообменник изготовлены из материалов на основе ингибированного композиционного керамического материала на основе С-SiC или ингибированного керамического материала на основе SiC-SiC. В литий-аргонном теплообменнике литий передаёт тепло аргону, который нагревается до температуры 1150°С и по трубопроводам горячей части второго контура подаётся в газовую турбину (9), где он отдаёт энергию турбине, при этом генератором (10) вырабатывается электроэнергия. Затем аргон по холодной части трубопровода второго контура (11) направляется в аргонно-водяной теплообменник (12), где он нагревает воду до 90°С; далее аргон перекачивается электрическим насосом (13) снова попадает в литий-аргонный теплообменник, где он снова нагревается, а нагретая вода по трубопроводам третьего контура (14) подаётся на отопление зданий и сооружений; аргонно-водяной теплообменник и трубопроводы третьего контура изготавливаются из металла; далее вода, после передачи тепла зданиям и сооружениям вода с помощью электрического насоса (15) возвращается в аргонно-водяной теплообменник для повторного нагрева, при необходимости, возможно, добавлять воду в третий контур для компенсации её потерь. The NPP operates with a ceramic fast neutron reactor (1) as follows. Uranium 238 and plutonium fission when fast neutrons are absorbed in tablets of uranium nitride or a mixture of uranium nitride with nitride and plutonium oxide, while energy is released (the temperature of the tablets is about 1500 ° C in the center and 1300 ° C at the periphery). Then, the walls of the fuel elements (2), made of a material based on an inhibited composite ceramic material based on C-SiC or an inhibited ceramic material based on SiC-SiC, are heated; their temperature is about 1250 ° C. Then the heat is transferred to the liquid Li 7 coolant of the primary circuit, which heats up to 1200 ° C, Li 7 and is pumped by an electric pump (3) to the lithium-argon heat exchanger (4) and back to the reactor; the reactor vessel (5), fuel element covers, internals (6), primary circuit pipelines (7), hot part of the secondary circuit pipeline (8), lithium-argon heat exchanger are made of materials based on inhibited composite ceramic material based on C-SiC or inhibited ceramic material based on SiC-SiC. In a lithium-argon heat exchanger, lithium transfers heat to argon, which heats up to a temperature of 1150 ° C and is fed through the pipelines of the hot part of the secondary circuit to the gas turbine (9), where it gives energy to the turbine, while the generator (10) generates electricity. Then argon is directed through the cold part of the secondary circuit pipeline (11) to an argon-water heat exchanger (12), where it heats water to 90 ° C; then, argon is pumped over by an electric pump (13) again enters the lithium-argon heat exchanger, where it heats up again, and the heated water is supplied through the third circuit pipelines (14) to heat buildings and structures; argon-water heat exchanger and pipelines of the third circuit are made of metal; then water, after transferring heat to buildings and structures, the water is returned to the argon-water heat exchanger by means of an electric pump (15) for reheating; if necessary, it is possible to add water to the third circuit to compensate for its losses.

Таким образом, оптимальное сочетание референтных и новых решений и возможность расширенного воспроизводства топлива позволяют отнести проект КРБН-1000 к ядерным технологиям четвертого поколения.Thus, the optimal combination of reference and new solutions and the possibility of expanded reproduction of fuel make it possible to classify the KRBN-1000 project as a fourth-generation nuclear technology.

Claims (1)

Атомная электростанция с керамическим реактором на быстрых нейтронах, включающая ядерный реактор с топливом, корпус реактора, твэлы с чехлами, теплообменники, насосы для обеспечения циркуляции жидкого теплоносителя через теплообменники с трубопроводами первого, второго и третьего контуров, генератор, отличающаяся тем, что корпус реактора, чехлы твэлов, внутрикорпусные детали, трубопроводы первого контура, горячая часть трубопроводов второго контура, литий–аргонный теплообменник изготовлены из ингибированного композиционного керамического материала на основе C-SiC или ингибированного керамического материала на основе SiC-SiC, аргонно-водяной теплообменник изготовлен из металла; в качестве жидкого теплоносителя в первом контуре используют литий (Li7), во втором контуре в качестве теплоносителя используют аргон, в качестве топлива используют нитрид урана или смесь нитрида урана с нитридом и оксидом плутония в виде таблеток диаметром от 10 до 40 мм и высотой от 5 до 100 мм.A nuclear power plant with a ceramic fast neutron reactor, including a nuclear reactor with fuel, a reactor vessel, fuel elements with jackets, heat exchangers, pumps for circulating a coolant through heat exchangers with pipelines of the first, second and third circuits, a generator, characterized in that the reactor vessel, casings of fuel elements, internals, primary piping, hot part of secondary piping, lithium-argon heat exchanger are made of inhibited composite ceramic material based on C-SiC or inhibited ceramic material based on SiC-SiC, argon-water heat exchanger is made of metal; lithium (Li 7 ) is used as a liquid heat carrier in the first loop, argon is used as a heat carrier in the second loop; uranium nitride or a mixture of uranium nitride with nitride and plutonium oxide in the form of tablets with a diameter of 10 to 40 mm and a height of 5 to 100 mm.
RU2021106146A 2021-03-10 2021-03-10 Nuclear power plant with ceramic fast neutron reactor RU2755261C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2021106146A RU2755261C1 (en) 2021-03-10 2021-03-10 Nuclear power plant with ceramic fast neutron reactor

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2021106146A RU2755261C1 (en) 2021-03-10 2021-03-10 Nuclear power plant with ceramic fast neutron reactor

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2755261C1 true RU2755261C1 (en) 2021-09-14

Family

ID=77745619

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2021106146A RU2755261C1 (en) 2021-03-10 2021-03-10 Nuclear power plant with ceramic fast neutron reactor

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2755261C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2778548C1 (en) * 2020-12-01 2022-08-22 Стэйт Пауэр Инвестмент Корпорейшн Ресёарч Инститьют Nuclear reactor

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE1467294A1 (en) * 1962-10-10 1969-01-23 Atomic Energy Of Canada Ltd Nuclear reactor fuel
JP2003159347A (en) * 2001-11-26 2003-06-03 Nohmi Bosai Ltd Open valve
RU2260862C1 (en) * 2004-01-20 2005-09-20 Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт Научно-производственное объединение "ЛУЧ" (ФГУП "НИИ НПО "ЛУЧ") Method for formation of the microstructure of a fuel element core
RU2394291C2 (en) * 2007-08-15 2010-07-10 Селиванов Николай Павлович Nuclear power plant and fuel element of nuclear reactor
EP2372717A1 (en) * 2008-12-25 2011-10-05 Thorium Power, Inc. Fuel assembly for a light-water nuclear reactor (embodiments), light-water nuclear reactor and fuel element of the fuel assembly
WO2011143293A1 (en) * 2010-05-11 2011-11-17 Thorium Power, Inc. Fuel assembly
RU2648687C2 (en) * 2012-12-28 2018-03-28 ТерраПауэр, ЭлЭлСи Fuel assembly
RU2684645C2 (en) * 2014-04-14 2019-04-11 Эдвансед Реактор Консептс Ллк Ceramic nuclear fuel dispersed in metallic alloy matrix
EA033439B1 (en) * 2013-05-10 2019-10-31 Thorium Power Inc Fuel assembly

Patent Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE1467294A1 (en) * 1962-10-10 1969-01-23 Atomic Energy Of Canada Ltd Nuclear reactor fuel
JP2003159347A (en) * 2001-11-26 2003-06-03 Nohmi Bosai Ltd Open valve
RU2260862C1 (en) * 2004-01-20 2005-09-20 Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт Научно-производственное объединение "ЛУЧ" (ФГУП "НИИ НПО "ЛУЧ") Method for formation of the microstructure of a fuel element core
RU2394291C2 (en) * 2007-08-15 2010-07-10 Селиванов Николай Павлович Nuclear power plant and fuel element of nuclear reactor
EP2372717A1 (en) * 2008-12-25 2011-10-05 Thorium Power, Inc. Fuel assembly for a light-water nuclear reactor (embodiments), light-water nuclear reactor and fuel element of the fuel assembly
WO2011143293A1 (en) * 2010-05-11 2011-11-17 Thorium Power, Inc. Fuel assembly
EA023017B1 (en) * 2010-05-11 2016-04-29 Ториум Пауэр, Инк. Fuel assembly
RU2648687C2 (en) * 2012-12-28 2018-03-28 ТерраПауэр, ЭлЭлСи Fuel assembly
EA033439B1 (en) * 2013-05-10 2019-10-31 Thorium Power Inc Fuel assembly
EA036359B1 (en) * 2013-05-10 2020-10-30 Ториум Пауэр, Инк. Fuel assembly
RU2684645C2 (en) * 2014-04-14 2019-04-11 Эдвансед Реактор Консептс Ллк Ceramic nuclear fuel dispersed in metallic alloy matrix

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Маргулова Т.Х. Электрические станции. 5 изд. М.: МЭИ, 1994, стр. 21. *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2778548C1 (en) * 2020-12-01 2022-08-22 Стэйт Пауэр Инвестмент Корпорейшн Ресёарч Инститьют Nuclear reactor
RU2782232C1 (en) * 2022-02-03 2022-10-25 Акционерное общество "Обнинское научно-производственное предприятие "Технология" им. А.Г.Ромашина" Nuclear power plant with ceramic fast neutron reactor

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Loewen et al. Status of research and development of the lead-alloy-cooled fast reactor
Shin et al. Advanced passive design of small modular reactor cooled by heavy liquid metal natural circulation
Pioro et al. Generation IV nuclear reactors as a basis for future electricity production in the world
Chen et al. Preliminary design of a medium‐power modular lead‐cooled fast reactor with the application of optimization methods
Pioro et al. Current status of electricity generation at nuclear power plants
Someya et al. Progress in design and engineering issues on JA DEMO
Chang et al. Thorium-based fuel cycles in the modular high temperature reactor
Ebrahimgol et al. Evaluation of ATFs in core degradation of a PWR in unmitigated SBLOCA
RU2755261C1 (en) Nuclear power plant with ceramic fast neutron reactor
van Rooijen Improving fuel cycle design and safety characteristics of a gas cooled fast reactor
Poullikkas An overview of future sustainable nuclear power reactors.
JP2002303692A (en) Fuel assembly for light water reactor, the light water reactor and its core
Saraf et al. Molten salt reactors and their development over the years-a review
Dolan Molten Salt Reactors
Kazimi Safety aspects of fusion
Adamov et al. Project Proryv (Breakthrough)
RU2782232C1 (en) Nuclear power plant with ceramic fast neutron reactor
Wydler Liquid metal cooled reactors
Ragheb Fourth generation reactor concepts
Gromov et al. Inherently safe lead-bismuth-cooled reactors
Webb et al. Advanced Reactor Fragility Considerations
Yan et al. Comprehensive Comparison and Analysis for Fast Reactors
Carlsson Inherent safety features and passive prevention approaches for pb/bi-cooled accelerator-driven systems
Siefken et al. Transient Analysis Needs for Generation IV Reactor Concepts
Goto et al. Development of Security and Safety Fuel for Pu-Burner HTGR: Part 2—Design Study of Fuel and Reactor Core