Ядерный реактор и способ очистки тепловыделяющих сборок ядерного реактора

 

Использоваие: в атомной энергетике, конструкция реакторов на тепловых и промежуточных нейтронах, а также при проектировании водо-водяных, кипящих и охлаждаемых высокотемпературным органическим теплоносителем реакторов повышенной безопастности. Ядерный реактор содержит корпус, в котором размещена активная зона, набранная из тепловыделяемых сборок, чехлы и оболочки твэлов которых изготовлены из нержавеющей стали. Для охлаждения активной зоны используют смесь воды с высокотемпературным органическим соединением гидротерфенилом в количестве 45-50 об.%. Эквивалентный диаметр тепловыделяющей сборки равен 1,2-1,5 от величины капиллярной постоянной высокотемпературного органического соединения. Под активной зоной соосно тепловыделяющим сборкам расположены секции для снятия фаулинга, в которые периодически опускают тепловыделяющие сборки. В качестве очищающего средства используют углекислый газ, нагретый до 500-600 ^oС. 2 с.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к атомной энергетике, в особенности к конструкции реакторов на тепловых и промежуточных нейтронах, охлаждаемых, например, водой, паром и т.п. и может быть использовано при проектировании водо-водяных, кипящих, охлаждаемых высокотемпературным органическим теплоносителем (ВОТ), и пароохлаждаемых тепловых и промежуточных реакторов повышенной безопасности.

Известен ядерный реактор [2] принятый в качестве прототипа устройства, имеющий корпус, в котором размещена активная зона, и соединенный с основным теплопередающим контуром теплоносителя. Активная зона его состоит из тепловыделяющих сборок (ТВС), набранных из твэлов с ядерным горючим, чехлы и оболочка которых изготовлены из нержавеющей стали. Верхним цилиндрическим концевиком ТВС крепится в опорной плите, а нижним центрируется в нижней опорной решетке. В качестве горючего используют двуокись (UO₂) и теплоноситель органическое соединение трифенил, очищаемый в специальном контуре, подверженный пиролизу и радиолизу, что обусловливает образование фаулинга на поверхностях твэлов.

Известен способ очистки поверхностей оболочек твэлов и чехлов ТВС от фаулинга [1] принятый в качестве прототипа способа, в котором в остановленном реакторе выгруженные из него ТВС помещают в специальную камеру и продувают кислородом, нагретым до 400-500^оС, обеспечивая протекание реакции О₂ + С ->> СО₂. Эта реакция является экзотермической и может привести к пережогу оболочек твэлов и чехлов ТВС.

Известные реактор и способ очистки поверхностей твэлов и ТВС сложны из-за необходимости остановки реактора, выгрузки из него активной зоны или ТВС, наличия отдельной специальной камеры. Эти недостатки устраняются предлагаемым решением.

Целью изобретения является повышение эксплуатационной надежности, безопасности реактора, улучшение радиационной обстановки на АЭС и, следовательно, экологичности, а также расширение возможности применения указанной конструкции реактора для энергетических водо-водяных (ВВЭР) и кипящих реакторов (ВВРК).

Цель повышение технологичности, надежности и безопасности ядерного реактора и АЭС.

Цель достигается тем, что в ядерном реакторе, содержащем корпус, активную зону из тепловыделяющих сборок (ТВС), набранных из твэлов с ядерным горючим, чехлы и оболочки которых изготовлены из нержавеющей стали, основной теплопередающий контур циркуляции теплоносителя, под активной зоной соосно ТВС расположены секции для снятии фаулинга, в качестве теплоносителя использована смесь воды с высокотемпературным органическим соединением гидротерфенилом в количестве 45-50 об. а эквивалентный диаметр ТВС равен 1,2-1,5 от величины капиллярной постоянной высокотемпературного органического соединения, входящего в состав теплоносителя.

Цель достигается также, что в способе очистки ТВС ядерного реактора, включающем обработку их очищающим средством, ТВС периодически опускают в секции для снятия фаулинга, а в качестве очищающего средства используют углекислый газ, нагретый до 500-600^оС.

Техническими средствами достижения поставленной цели являются: применение в качестве теплоносителя, охлаждающего активную зону реактора, двухкомпонентной смеси в виде воды и органического соединения, гидротерфенила (ГТФ-1), содержащегося в смеси 45-50 об. наличие секций в нижней части реактора, величина эквивалентного диаметра ТВС, равного 1,2-1,5 от величины капиллярной постоянной.

Использование нового теплоносителя (а также и замедлитель) в виде водно-органической смеси в значительной степени определяет тип, схему, конструктивное исполнение реактора и делает целесообразным и возможным применение указанной конструкции ядерного реактора, контура очистки и метода очистки от фаулинга ТВС, твэлов для водо-водяных (ВВЭР, ВВРД) реакторов без кипения, с кипением теплоносителя (ВВРК) и пароохлаждаемых тепловых и промежуточных реакторов с улучшением радиационной безопасности, например, на АЭС как при ее нормальной, так и аварийной эксплуатации. Следовательно, расширяется также возможность применения указанной конструкции для водо-водяных реакторов (ВВЭР, ВВРД), кипящих (ВВРК) и пароохлаждаемых реакторов. При использовании водо-органического теплоносителя снижается расход электроэнергии на собственные нужды по сравнению с реактором, охлаждаемым ВОТ. Расслоение потока двухкомпонентной смеси приводит к тому, что ВОТ, имеющая большую плотность, чем вода, течет в ТВС у поверхности оболочек твэлов, чехлов ТВС, а вода или пар являются вторым слоем. Следовательно, в межтвэльном пространстве ТВС (проходное сечение ТВС для теплоносителя) образуется два слоя органическое соединение у оболочек твэлов, чехлов ТВС, а вода и пар протекают в центре потока смеси. В результате у поверхности оболочек твэлов, чехлов ТВС образуется слой ВОТ, являющийся барьерным слоем. Этот слой ВОТ позволяет использовать в заявляемой конструкции также достоинства органического теплоносителя-замедлителя, как низкое давление (3-7 кгс/см²), инертность пo отношению к широко применяемым видам ядерного горючего в указанных типах реакторов (ВВЭР, ВВРК), незначительные наведенная активность и коррозионная агрессивность к конструкционным материалам и др. Так, в водо-водяном (ВВЭР), (ВВРД) и кипящем (ВВРК) пароохлаждаемых реакторах благодаря образованию барьерного слоя ВОТ предотвращается попадание воды, пара через те или иные неплотности в оболочках твэлов, идет залечивание, экспериментально подтвержденное авторами, микротрещин и других разрушений в оболочках твэлов, чехлов ТВС продуктами коксовых отложений на них (фаулинг), исключается возможность взаимодействия ядерного горючего в твэлах с водой, паром, а также значительно снижается наведенная и газовая активности воды, пара, особенно при применении ядерного горючего кермента, сводящего к минимуму образование и выход газообразных продуктов деления (ГПД). При этом уменьшена радиоактивность пара, выбрасываемого в атмосферу при выходе из строя трубной системы парогенератора (ПГ) в случае двухконтурной тепловой схемы с ВВЭР, ВВРД или улучшена радиационная обстановка на АЭС при нормальной и аварийной работе ВВРК (одноконтурная тепловая схема) и, значит, при прямой подаче пара из реактора на турбину с сепарацией пара, например, внутри корпуса реактора. Кроме этого низкие коррозионная и эрозионная агрессивности ВОТ позволяют для уменьшения фаулинга увеличить скорость теплоносителя до оптимального значения 10 м/с, а также использовать для оболочек твэлов материалы с малым сечением поглощения нейтронов, например, алюминиевые сплавы типа САВ, САП или циркониевые, которые покрываются пиролитическим хромом, интенсифицировать процесс теплообмена и формировать тепловую мощность реактора. Для уменьшения процесса фаулинга целесообразно снижение теплонапряженности поверхности теплосъема применением конструкций твэлов с развитой поверхностью нагрева, например, кольцевых, пластинчатых, квадратных и др. с оребрением оболочек, а также необходима очистка поверхности оболочек твэлов в ТВС в процессе работы реактора. В заявленной конструкции реактора важным также является наличие секций, размещенных под активной зоной соосно ТВС, и то, что применены специальная конструкция контура, тип рабочей среды и способ очистки ТВС, твэлов от фаулинга.

На чертеже дана схема ядерного реактора, в котором реализуется предлагаемый способ.

Реактор содержит активную зону, набранную из ТВС 1, к верхним концевикам 2 которых присоединены штанги 3. ТВС с подсоединенными к ним штангами 3 подвешены к опорным балкам 4, которые отстоят друг от друга на расстоянии, достаточном для прохода между ними ТВС 1. К опорной балке 4 прикреплены два ряда ТВС активной зоны. Опорные балки 4 разнесены в горизонтальной плоскости за габариты активной зоны на расстояние, обеспечивающее удобство перегрузки любой ТВС, расслабление ТВС с фаулингом при ее выгрузке и загрузке. Подвеска ТВС осуществлена таким образом, что они могут во время работы реактора опускаться в секции, расположенные в нижней части корпуса ЯР и соосно ТВС для их очистки от фаулинга, а затем возвращаться на прежнее место. В ТВС размещены термометры сопротивления, подающие сигналы на вторичные приборы. В качестве индикатора фаулинга, химического состава двухкомпонентного теплоносителя используется фаулинговый потенциал, являющийся основным показателем, определяющим пригодность режима работы реактора. Секции, установленные под активной зоной и соосно ТВС, состоят из системы патрубков, расположенных снизу под активной зоной на расстоянии не менее 0,5 высоты ТВС, служат для снятия фаулинга с ТВС, твэлов. Патрубки 5 соединены параллельно включенными трубами 6 с напорным коллектором с клапанами 8 и коллектором 9 отвода СО₂. На трубах 6 с коллекторами 7 установлены дистанционно управляемые клапаны 8. Чехлы ТВС и оболочки твэлов, изготовленные, например из циркониевого сплава, имеют защитное покрытие из пиролитического хрома, который обеспечивает образование непрочных и легко снимаемых продуктов фаулинга. В конструкции реактора показан коллектор 9 выхода, сепаратор 10, патрубок 11 труба в трубе для подачи и отвода теплоносителя из реактора, соединенный с теплопередающим контуром. Особое внимание уделяется конструкции ТВС 1, которые выполнены с эквивалентным диаметром d_экв (1,2-1,6) К₁, зависящим от капиллярной постоянной (К₁) высокотемпературного органического соединения, входящего в состав двухкомпонентного теплоносителя, что определяет шаг расположения твэлов, площадь проходного сечения теплоносителя ТВС. При значении d_экв > 1,5К₁ увеличивается шаг решетки твэлов, а, следовательно, ухудшаются теплофизические, конструктивные характеристики реактора, а также создаются условия, не обеспечивающие необходимого эффекта расслоения потока двухкомпонентного теплоносителя в виде смеси воды с ВОТ типа водо-органического теплоносителя гид- ротерфенила (ГТФ-1), содержащегося в ней в количестве 45-50 об. При d_экв < 1,2 К₁ площадь проходного сечения для теплоносителя в ТВС может оказаться недостаточной и привести к закупорке его выходящими пузырьками при кипении теплоносителя, например, в случае ВВРК и пароохлаждающего реактора, что может вызвать увеличение гидравлического сопротивления ТВС, ухудшение теплоотдачи от твэлов и пережог ТВС и выход из строя активной зоны реактора. Если ВОТ меньше 45 об. в теплоносителе, то получается фаулинг небольшой толщины и увеличивается активность воды, циркулирующей через реактор и в теплопередающем контуре. Следовательно, снижается безопасность работы реактора. Если ВОТ больше 50 об. то увеличивается толщина фаулинга, что может привести к прережогу оболочек твэлов и к выходу из строя активной зоны. Оптимальное же значение толщины фаулинга, снижающей активность теплоносителя и максимальную температуру оболочки, не приводящие к пережогу твэлов, достигается при содержании в теплоносителе ВОТ 50 об. В качестве ядерного горючего в ТВС 1 введен высокотемпературный кермет типа РuO₂ + U или UO₂ + U для значительного уменьшения образования ГПД, увеличения плотности до 15 г/см², а, следовательно, ресурса твэлов, выгорания и кампании, надежности, безопасности и коэффициента воспроизводства реактора.

Обслуживание реактора осуществляется следующим образом.

При монтаже реактора устанавливают ТВС 1, заранее набранную из твэлов, содержащих топливный сердечник из высокотемпературного кермета. Теплопередающий контур заполняют двухкомпонентным теплоносителем в виде эмульсии вода + ВОТ, который подают в реактор через патрубок 11. Циркуляция теплоносителя в данном контуре осуществляется с помощью электронасоса. В процессе работы происходит пиролиз и радиолиз ВОТ, а, следовательно, образование отложений (фаулинг) их продуктов на поверхностях оболочек твэлов, чехлов ТВС. Для увеличения кампании реактора целесообразно производить очистку этих поверхностей от фаулинга в случае превышения оптимального значения его толщины. Для этого используют углекислый газ (СО₂), подаваемый из специальных баллонов через электроподогреватель по коллекторам 7 в секции. Для очистки от фаулинга ТВС 1 погружают в каналы секций. Происходит реакция между продуктами отложений, основным элементом которых является углерод (С), и подаваемым углекислым газом: СО₂ + С 2СО. Наиболее эффективно снятие фаулинга происходит при температуре СО₂, равной 580-600^оС, не приводящей к пережогу оболочек твэлов в данном процессе, так как эта реакция эндотермическая. Продукты фаулинга, практически не обладающие активностью, удаляются через трубы 6 и клапаны 8, коллектор 9 в специальные цистерны.

П р и м е р. Эксперименты по проверке предлагаемого решения проводились на петлевых реакторных установках. Проверена возможность получения указанной гидродинамики потока двухкомпонентной смеси в ТВС с эквивалентным диаметром (1,2-1,5) К₁. Проверена возможность залечивания микротрещин в оболочках твэлов продуктами фаулинга ВОТ. В качестве двухкомпонентной смеси использовали воду + гидротерфенил (ГТФ-1) в указанном соотношении 1:1. В качестве горючего использовали кермет UO₂ + U, прошедший реакторные испытания в опытных ТВС реактора БОР-60. Возможность очистки оболочек твэлов, чехлов ТВС, покрытых пиролитическим хромом, от фаулинга с помощью СО₂ проведена в условиях реактора АРБУС. Предложенное решение увеличивает ресурсы, надежность твэлов и повышает надежность, безопасность и экологичность ядерного реактора и АЭС в целом.

Использованием в качестве теплоносителя смеси воды и до 50 об. ВОТ, конструкции реактора, ядерного горючего кермета и других рассмотренных технических решений достигается: повышение эксплуатационной надежности, кампании реактора; снижение наведенной, газовой активности и давления теплоносителя, а, следовательно улучшение радиационной обстановки на АЭС при ее нормальной или аварийной работе; повышение экологической безопасности реактора и АЭС; возможность применения такой конструкции для ВВЭР, ВВРК и пароохлаждаемого реактора. Таким образом открывается возможность создания реактора повышенной экологической безопасности.

Формула изобретения

1. Ядерный реактор, содержащий корпус, активную зону из тепловыделяющих сборок, набранных из твэлов с ядерным горючим, чехлы и оболочки которых изготовлены из нержавеющей стали, основной теплопередающий контур циркуляции теплоносителя, отличающийся тем, что под активной зоной соосно с тепловыделяющими сборками расположены секции для снятия фаулинга, в качестве теплоносителя использована смесь воды с высокотемпературным органическим соединением гидротерфенилом в количестве 45 50 об. а эквивалентный диаметр тепловыделяющей сборки равен 1,2 1,5 величинам капиллярной постоянной высокотемпературного органического соединения, входящего в состав теплоносителя.

2. Способ очистки тепловыделяющих сборок ядерного реактора, включающий обработку их очищающим средством, отличающийся тем, что тепловыделяющие сборки периодически опускают в секции для снятия фаулинга, а в качестве очищающего средства используют углекислый газ, нагретый до 500 600^oС.

РИСУНКИ

Рисунок 1