MIKHEEV ALEKSANDR SERGEEVICH (RU)
KROTOV ALEKSEY DMITRIEVICH (RU)
JOINT STOCK COMPANY SCIENCE AND INNOVATIONS (RU)
| US20160027536A1 | 2016-01-28 | |||
| RU2328042C2 | 2008-06-27 | |||
| US20160027536A1 | 2016-01-28 |
M.S. EL-GENKJ-M.P. TOURNIER: "SAIRS'' - Scalable AMTEC Integrated Reactor Space Power System", PROGRESS IN NUCLEAR ENERGY, vol. 45, no. l, 2004, pages 25 - 34
| Формула изобретения 1.Активная зона ядерного реактора, включающая по меньшей мере один модуль, по меньшей мере одну тепловую трубу, содержащую корпус, фитиль и теплоноситель, и по меньшей мере один тепловыделяющий элемент, состоящий из ядерного топлива и обо- лочки, отличающаяся тем, что активная зона дополнительно снабжена твёрдым замедли- телем нейтронов с по меньшей мере одним отверстием, в котором размещён по меньшей мере один модуль, снабжённый корпусом, тепловая труба помещена внутри корпуса мо- дуля, тепловыделяющий элемент выполнен из ядерного топлива, расположенного в зоне испарения тепловой трубы вокруг её корпуса в тепловом контакте с ним, и заключённого в оболочку, между оболочкой и корпусом модуля помещена теплоизоляция, а простран- ство между корпусом модуля и твёрдым замедлителем нейтронов заполнено жидким за- медлителем нейтронов. 2. Активная зона ядерного реактора по п. 1 , отличающаяся тем, что в корпусе мо- дуля создан вакуум. 3. Активная зона ядерного реактора по п. 1, отличающаяся тем, что корпус модуля заполнен инертным газом с низкой теплопроводностью, например, ксеноном. 4. Активная зона ядерного реактора по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве теп- лоносителя тепловой трубы используют легкоплавкие металлы с высокой температурой кипения, например, литий, кальций, свинец, серебро. 5. Активная зона ядерного реактора по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве жид- кого замедлителя нейтронов используют воду. 6. Активная зона ядерного реактора по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве жид- кого замедлителя нейтронов используют жидкости не замерзающие, по крайней мере, до минус 40°С, например, водный раствор спирт 8 ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) |
Изобретение относится к области ядерной энергетики и может быть использовано в реакторах с прямым преобразованием тепловой энергии в электрическую за пределами активной зоны, в частности, с термо фотоэлектрическим.
Известна активная зона с тепловыми трубами [Заявка на изобретение США «Мо- бильный быстрый реактор, охлаждаемый тепловыми трубами» US N° 2016/0027536 А1, опубликована 22.01.2016].
Активная зона реактора по указанной заявке содержит массивы стержневых тепло- выделяюхцих элементов и тепловых труб, заключенных в металлический блок. Тепловы- деляющие элементы содержат ядерное топливо, верхний и нижний отражатели нейтронов и газовые полости, расположенные выше и ниже отражателей. Тепловые трубы содержат герметичный корпус, заполненный испаряющимся теплоносителем, и фитиль. Тепловые трубы расположены так, чтобы передавать тепло за пределы активной зоны газообразному теплоносителю - рабочему телу газовой турбины (воздух, или С0 2 ). Максимальная тем- пература рабочего тела (воздух) на входе в турбину около 1 100 К.
Недостатком указанного технического решения является относительно низкая тем- пература теплоносителя на выходе из активной зоны, не позволяющая использовать пря- мое преобразование тепловой энергии в электрическую.
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому техническому решению является активная зона быстрого реактора SAIRS [M.S. El-Genk, J-M.P. Tournier,“SAIRS” - Scalable АМТЕС Integrated Reactor Space Power System// Progress in Nuclear Energy, Vol. 45, No.l , pp. 25-34, 2004].
Активная зона включает 60 модулей, состоящих из тепловой трубы и 3-х тепловыде- ляющих элементов. Модули расположены вплотную друг к другу и образуют треуголь- ную упаковку. Оболочки тепловыделяющих элементов припаяны к корпусу тепловой тру- бы через рениевые трехгранные вкладыши, передающие тепло к тепловой трубе за счёт теплопроводности. Каждый тепловыделяющий элемент имеет газовую полость с одного конца. В качестве топлива используются таблетки нитрида урана с обогащением 83,7%.
Недостатком этого технического решения является относительно низкая температура теплоносителя (1200К) на выходе из активной зоны, что не позволяет эффективно исполь- зовать термоэлектрические, термоэмиссионные и термофотоэлектрические преобразова- тели энергии. Задача изобретения состоит в исключении указанного недостатка, а именно, в повы- шении температуры теплоносителя на выходе из активной зоны.
Технический результат - повышение коэффициента полезного действия ядерных энергетических установок и расширение области применения активной зоны, в частности, для реакторов с термофотоэлектрическим преобразованием энергии.
Для исключения указанного недостатка в активной зоне ядерного реактора, включа- ющей автономные модули, тепловыделяющие элементы и тепловые трубы, предлагается:
- активную зону ядерного реактора дополнительно снабдить твёрдым замедлителем нейтронов с отверстиями;
- модули активной зоны снабдить корпусами и расположить в отверстиях твёрдого замедлителя нейтронов;
- тепловые трубы и тепловыделяющие элементы расположить внутри корпусов модулей;
- тепловыделяющий элемент выполнить из ядерного топлива, расположенного в зоне ис- парения тепловой трубы вокруг её корпуса в тепловом контакте с ним, и заключённого в оболочку;
- в пространстве между оболочкой тепловыделяющего элемента и корпусом модуля поме- стить теплоизоляцию;
- пространство между модулями и твёрдым замедлителем нейтронов дополнительно за- полнить жидким замедлителем нейтронов.
В частных случаях исполнения активной зоны ядерного реактора предлагается:
- во-первых, в корпусе модуля создать вакуум;
- во-вторых, в другом частном случае, заполнить модуль инертным газом с низкой тепло- проводностью, например, ксеноном;
- в-третьих, в качестве жидкого замедлителя нейтронов использовать воду;
- в-четвёртых, в другом частном случае, в качестве жидкого замедлителя нейтронов ис- пользовать жидкость не замерзающую, по крайней мере до -40°С, например, водный рас- твор спирта;
- в-пятых, качестве теплоносителя тепловой трубы использовать легкоплавкие металлы с высокой температурой кипения, например, литий, кальций, свинец, серебро.
Сущность изобретения поясняется на чертежах, где на фиг. 1 представлено попереч- ное сечение одного из вариантов исполнения активной зоны ядерного реактора, на фиг. 2
- продольный разрез одного из вариантов исполнения модуля активной зоны ядерного реактора, на фиг. 3 - поперечное сечение одного из вариантов исполнения модуля актив- ной зоны ядерного реактора. На фигурах приняты следующие позиционные обозначения: 1— корпус модуля; 2— корпус тепловой трубы; 3— оболочка тепловыделяющего элемента; 4 - твёрдый замедлитель нейтронов; 5 - теплоизоляция; 6 - фитиль тепловой трубы; 7 - чехол твёрдого замедлителя; 8 - ядерное топливо.
Сущность изобретения состоит в следующем.
Активная зона ядерного реактора, включает по меньшей мере один модуль активной зоны, твёрдый замедлитель 4 нейтронов и жидкий замедлитель нейтронов.
Модуль активной зоны содержит по меньшей мере одну тепловую трубу, по мень- шей мере один тепловыделяющий элемент и теплоизоляцию 5.
Модуль активной зоны выполнен в виде корпуса 1 из слабо поглощающего нейтро- ны материала, например, циркониевого сплава. В частном случае исполнения в корпусе 1 модуля активной зоны создан вакуум. В другом частном случае он заполнен инертным газом, имеющим низкую теплопроводность, например, ксеноном.
Вакуум или инертный газ обеспечивают защиту от коррозии материалов корпуса 1 модуля активной зоны, корпуса 2 тепловой трубы и теплоизоляции 5.
Тепловая труба выполнена в виде корпуса 2, снабжённого фитилём 6, и содержит теплоноситель - легкоплавкий металл с высокой температурой кипения.
В частных случаях исполнения в качестве теплоносителя тепловой трубы использу- ют литий, кальций, свинец, серебро.
Корпус 2 и фитиль 6 тепловой трубы изготовлены из тугоплавкого материала, например, молибдена.
Тепловая труба предназначена для отвода тепла, образующегося в тепловыделяю- щих элементах, за пределы активной зоны ядерного реактора.
Тепловыделяющий элемент выполнен из ядерного топлива 8, расположенного в зоне испарения тепловой трубы вокруг её корпуса 2 в тепловом контакте с ним, и заключённо- го в оболочку 3;
Оболочка 3 тепловыделяющего элемента выполнена из тугоплавкого материала, например, молибдена.
В качестве делящегося материала ядерного топлива 8 используются изотопы урана или плутония в виде оксидов, нитридов, карбидов с содержанием делящегося изотопа не более 20%.
Назначение тепловыделяющих элементов - получение тепла за счёт ядерных реак- ций, протекающих в ядерном топливе 8. Теплоизоляция 5 помещена внутри модуля активной зоны между его корпусом 1 и оболочкой 3 тепловыделяющего элемента. Теплоизоляция 5 выполнена в виде многослой- ного теплового экрана из фольги тугоплавких металлов, например, молибдена.
Назначение теплоизоляции 5 - предотвращение утечки тепла через корпус 1 модуля активной зоны в жидкий замедлитель нейтронов.
Твёрдый замедлитель 4 нейтронов выполнен из замедляющего нейтроны материала, например, бериллия, в виде цилиндра или многогранника с отверстиями. Весь замедляю- щий нейтроны материал заключён в чехол 7 твёрдого замедлителя 4. В отверстиях твёрдо- го замедлителя 4 нейтронов помещены модули активной зоны. Пространство между мо- дулями активной зоны и твёрдым замедлителем 4 нейтронов заполнено жидким замедли- телем нейтронов.
В частных случаях в качестве жидкого замедлителя нейтронов используют воду или жидкости не замерзающие при понижении температуры по меньшей мере до минус 40°С, например, растворы спиртов.
Твёрдый замедлитель 4 нейтронов и жидкий замедлитель предназначены для полу- чения теплового спектра нейтронов. Кроме того, жидкий замедлитель нейтронов выпол- няег функцию теплоносителя, охлаждающего твёрдый замедлитель 4 нейтронов и корпус 1 модуля.
Чехол 7 твёрдого замедлителя предназначен для защиты твёрдого замедлителя 4 нейтронов от коррозионного воздействия жидкого замедлителя нейтронов.
Активная зона ядерного реактора работает следующим образом.
В ядерном топливе 8 тепловыделяющих элементов происходит реакция деления с выделением тепла. Образующееся тепло передаётся через корпус 2 тепловой трубы к теп- лоносителю, заполняющему фитиль 6 тепловой трубы. Теплоноситель испаряется из фи- тиля 6, пар теплоносителя заполняет внутреннее пространство корпуса 2 тепловой трубы, уносит теплоту парообразования за пределы активной зоны ядерного реактора к преобра- зователю энергии, конденсируется там и возвращается по фитилю 6 в зону испарения теп- ловой трубы. Перенос тепла испаряющимся теплоносителем происходит практически без перепада температуры между источником тепла и его потребителем, что позволяет полу- чить относительно высокую (1500-1800К) температуру теплоносителя не только на выхо- де из активной зоны ядерного реактора, но и на входе в преобразователи энергии. Это обеспечивает более высокий коэффициент полезного действия ядерной энергетической установки и расширяет область применения таких установок.
Твёрдый замедлитель 4 нейтронов совместно с жидким замедлителем нейтронов обеспечивают возможность ядерной реакции деления на тепловых нейтронах в низкообо- гащённом ядерном топливе 8. Жидкий замедлитель нейтронов дополняет функцию твёр- дого замедлителя 4 и выполняет также функцию теплоносителя, охлаждающего твёрдый замедлитель 4 нейтронов.
Благодаря теплоизоляции 5 утечки тепла через корпус модуля 1 сводятся к мини- муму, поэтому жидкий замедлитель нейтронов имеет низкую температуру. Это позволяет использовать в качестве жидкого замедлителя воду или водные растворы спирта при ат- мосферном давлении.
Конкретный вариант исполнения активной зоны ядерного реактора.
Твёрдый замедлитель 4 нейтронов выполнен из нескольких бериллиевых дисков диаметром 760 мм и суммарной высотой около 700 мм с 217 отверстиями диаметром 40 мм. Бериллиевые диски полностью окружены чехлом 7, изготовленным из циркониевого сплава Э110. В отверстиях твёрдого замедлителя 4 нейтронов размещены модули актив- ной зоны. В качестве жидкого замедлителя нейтронов используется вода. Отверстия в твёрдом замедлителе 4 нейтронов с модулями расположены по концентрическим окруж- ностям с минимальным расстоянием между центрами модулей 42 мм.
Модуль активной зоны ядерного реактора выполнен в виде цилиндрического кор- пуса 1 с диаметром около 35 мм и толщиной стенки 1,5 мм, изготовленного из цирконие- вого сплава Э110. Внутри корпуса 1 модуля расположена тепловая труба.
Корпус 2 тепловой трубы с внешним диаметром около 14 мм, выполнен из молиб- дена. На внутренней поверхности корпуса 2 тепловой трубы смонтирован фитиль 6 тепло- вой трубы, изготовленный из двух слоёв молибденовой сетки с размером квадратной ячейки около 40 мкм. Фитиль 6 тепловой трубы заполнен жидким литием. Зона испарения тепловой трубы вместе с ядерным топливом 8 заключена в наружную оболочку 3 тепло- выделяюгцего элемента. Между оболочкой 3 тепловыделяющего элемента и корпусом мо- дуля 1 помещена теплоизоляция 5, выполненная в виде многослойного теплового экрана изготовленного из четырёх слоёв молибденовой и пяти слоёв циркониевой фольги. В кор- пусе 1 модуля создан вакуу с давлением остаточных газов не более 10 ' Па.
Внешняя оболочка 3 тепловыделяющего элемента с наружным диаметром 20 мм и толщиной стенки 1 мм, изготовлена из молибдена, заполнена таблетками ядерного топли- ва 8 из диоксида урана с обогащением 19,75 %. Высота топливного столба около 500 мм.
Между топливными таблетками и оболочкой 3 тепловыделяющего элемента создан коль- цевой зазор (на рисунке не показан) для отвода газообразных продуктов деления в распо- ложенную над ядерным топливом 8 полость. Общее число тепловыделяющих элементов в активной зоне равно числу модулей. При тепловой мощности активной зоны 1200 кВт средняя мощность одного тепловыделяющего элемента составляет около 5,7 кВт. Расчёт- ная температура внешней оболочки 3 тепловыделяющего элемента составляет 1525 К. В качестве теплоносителя тепловых труб используется Li 7 , в качестве жидкого замедлителя - вода при атмосферном давлении.
Преимущества предлагаемой активной зоны ядерного реактора по сравнению с наиболее близким техническим решением заключаются в повышении температуры тепло- носителя на выходе из активной зоны с 1200 К до 1500 К и выше, что приводит к повыше- нию коэффициента полезного действия ядерных энергетических установок. Кроме того, это позволяет расширить область применения активной зоны, в частности, для реакторов с термофотоэлектрическим преобразованием энергии.
Список терминов
Активная зона ядерного реактора
1. Корпус модуля
2. Корпус тепловой трубы
3. Оболочка тепловыделяющего элемента
4. Твердый замедлитель нейтронов
5. Т еплоизо ляция
6. Фитиль тепловой трубы
7. Чехол твердого замедлителя
8. Ядерное топливо
+ Вода (на рис не нумеруются)
+ Жидкий теплоноситель
+ пар теплоносителя
+ жидкий замедлитель нейтронов
Активная зона = твёрдый замедлитель нейтронов + модуль а.з.+ жидкий замедлитель нейтронов.
Модуль а.з.= корпус модуля + тепловая труба + твэлы + теплоизоляция
Тепловая труба = корпус тепловой трубы + фитиль тепловой трубы + теплоноситель. Твэл = топливо + оболочка
7
ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26)