Реактор с перегревом пара

 

Использование: изобретение относится к атомным энергетическим установкам. Сущность изобретения: реактор с перегревом пара содержит отделенную от корпуса обечайкой активную зону с проходящей через нее центральной вертикальной трубой, в которой установлены твэлы перегрева пара. Труба соединяет полость сухого пара, расположенную в верхней части внутри корпуса, с расположенной в нижней части полостью перегретого пара, образованной внутренней поверхностью сферического днища корпуса и отделенной от вышерасположенной водяной полости перегородкой. В кольцевой полости, образованной между корпусом и обечайкой, установлены вертикальные трубы, концы которых закреплены в кольцевых поясках, размещенных у верхнего и нижнего торцов обечайки. В нижней части корпуса реактора над перегородкой размещен патрубок для подачи питательной воды. 8 з.п.ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к атомным энергетическим устройствам и может быть успешно реализовано в стационарной теплоэнергетике и как элемент силовых установок на транспорте (морском, водном) суда речные, озерные, смешанного плавания типа река-море (железнодорожном).

Известные атомные энергетические установки с водоводными реакторами [1] сложны по конструкции, тяжелы, имеют низкий КПД. При высоких параметрах в первичном контуре не достигаются достаточно высокие параметры пара во вторичном контуре установки.

Частично отмеченные недостатки устраняются в реакторах с перегревом пара в активной зоне, [2] прототип содержащих размещенную внутри цилиндрического корпуса со сферическим днищем и отделенную от него обечайкой с образованием кольцевой полости активную зону с проходящей через нее центральной вертикальной трубой, в которой установлены ТВЭЛы перегрева пара, соединяющей размещенную в верхней части внутри корпуса полость сухого пара с расположенной в нижней части внутри корпуса полостью перегретого пара, образованной внутренней поверхностью сферического днища корпуса и отделенной от вышерасположенной водяной полости перегородкой, а также содержащий расположенный над уровнем жидкости сепаратор пара.

В известном устройстве не достигается надежная циркуляция пароводяной смеси, что повышает энергозатраты на собственные нужды и усложняет конструкцию реактора.

Положительный технический результат по устранению отмеченных недостатков достигается тем, что в кольцевой полости установлены вертикальные трубы, концы которых закреплены в кольцевых поясках, размещенных у верхнего и нижнего торцов обечайки, причем в нижней части корпуса над перегородкой размещен патрубок для подачи питательной воды.

Проходящая через активную зону центральная труба (вертикальная, тонкостенная) расположена внутри прочного корпуса. Верхняя полость сухого пара внутри прочного корпуса сообщается с нижней полостью перегретого пара, образованной внутренней поверхностью сферического днища корпуса и отделенной от водяной полости перегородкой, причем днище и перегородка крепятся разъемно к одному и тому же фланцу прочного корпуса.

Внутри прочного корпуса у наружной цилиндрической поверхности имеется кольцевая камера, отделенная от активной зоны цилиндрической поверхностью с кольцевыми поясами со стороны верхнего и нижнего торцов, где закреплены концы вертикальных труб. Вертикальные трубы кольцевой полости между собой соединены цельнорешетчатыми прямоугольными полосами из просечно-вытяжных листов. Полосы к трубам присоединены продольными сварными швами. ТВЭЛ в кассетах нагрева воды и перегрева пара одинаковы по форме и размерам. Вертикальные трубы кольцевой полости охлаждаются снаружи питательной водой, возвращающейся в виде конденсата от потребителей пара первичного контура реактора.

Кольцевая полость соединена перепускными каналами с нижней водяной полостью корпуса реактора. Кольцевая полость с вертикальными трубами расположена в водяной полости корпуса реактора выше и ниже активной зоны. Тонкостенная труба с кассетами ТВЭЛ перегрева пара внутри выполнена из материала, слабо поглощающего нейтроны (типа, например, циркалоя). Верхний и нижний дырчатые щиты с активной зоной закреплены на кольцевой полости с трубами. Часть перепускных каналов кольцевой полости выполнена в виде продольных и поперечных отверстий в цилиндрической стенке прочного корпуса. Эти отверстия подкреплены вставными трубчатыми элементами.

На фиг. 1 показан схематический продольный разрез реактора; на фиг. 2 - поперечное сечение одного тепловыделяющего элемента /ТВЭЛ/ (увеличено); на фиг. 3 поперечный разрез кольцевой полости; на фиг. 4 продольный вид части кольцевой полости в разрезе; на фиг. 5 перепускной канал в стенке прочного корпуса реактора, продольный разрез.

Реактор с перегревом пара в активной зоне включает расположенные внутри корпуса ураносодержащие тепловыделяющие элементы /ТВЭЛ/, часть из которых сообщается с паровыми полостями корпуса.

Цилиндрический корпус 1имеет съемную сферическую крышку 2 с фланцевым соединением 3 в верхней части. Внутри корпуса в центральной части размещается вертикальная тонкостенная труба 4, соединяющая верхнюю полость сухого пара с нижней полостью перегретого пара. Пар перегревается в кассетах с ТВЭЛ перегрева пара внутри трубы 4 (по высоте активной зоны 5 реактора). Нижний 6 и верхний 7 дырчатые щиты ограничивают активную зону по высоте. Кассеты 8 и 9 содержат по нескольку ТВЭЛ. Они загружаются сверху при снятой крышке 2.

Нижняя полость 10 перегретого пара образована внутренней поверхностью сферического днища и отделенной от водяной полости перегородкой 11. Днище и перегородка крепятся разъемно к одному и тому же фланцу прочного корпуса 12.

ТВЭЛ в кассетах нагрева 8 воды и перегрева 9 пара одинаковы по форме и размерам. ТВЭЛ активной зоны выполнены в виде урановых труб 13 (из смеси двух изотопов: уран-238 и уран-235, например), облицованных снаружи и внутри тонкостенными цилиндрическими защитными оболочками 14 и 15.

Внутри корпуса установлен сепаратор 16 с криволинейными каналами для пропускания вверх пара и стекания вниз частиц влаги. Сепаратор установлен выше границы 17 раздела между водой и паром. Регулирующие и аварийные стержни 18 выполнены из материала, способного интенсивно поглощать нейтроны (кадмий, бор и т. п. ); для уменьшения мощности и остановки реактора эти стержни вводятся (опускаются) в активную зону.

Через патрубок 19 относительно холодный конденсат пара поступает в кольцевую полость внутри прочного корпуса реактора. Через патрубок 20 предварительно подогретая вода переливается в нижнюю водяную полость внутри корпуса реактора.

Через патрубок 21 перегретый пар направляется к потребителям. Кольцевая полость соединена перепускными каналами 22 с нижней водяной полостью корпуса реактора. Часть перепускных каналов выполнена в виде продольных и поперечных отверстий в цилиндрической стенке прочного корпуса ( фиг. 5); эти каналы усилены вставными трубчатыми элементами. Нижний конец перепускного канала 22 присоединен к патрубку 23.

Кольцевая полость внутри прочного корпуса у наружной поверхности корпуса 1 отделена от активной зоны цилиндрической поверхностью 24. Кольцевые пояски 25 установлены со стороны верхнего и нижнего торцов кольцевой полости, где закреплены концы вертикальных труб 26 и 27. Последние между собой соединены цельнорешетчатыми прямоугольными полосами 28 из просечно-вытяжных листов. Полосы 28 к трубам 26 и 27 присоединены продольными сварными швами.

Реактор работает следующим образом: Через патрубок 19 питательный насос подает конденсат в кольцевую полость прочного корпуса между трубами 26 и 27. Питательная вода конденсат предварительно нагревается, забирая часть тепла от пароводяной смеси внутри труб 26, 27. Полосы 28 значительно повышают поверхность нагрева труб. Подогретая вода по каналам 22 опускается в нижнюю полость через патрубок 23. Дополнительные каналы в стенках прочного корпуса повышают (фиг. 5) общую (суммарную) площадь сечения каналов (для прохода подогретой воды).

Проходя через активную зону и омывая внутренние и наружные стенки ТВЭЛ в кассетах 8, вода нагревается с образованием пароводяной смеси. Последняя поднимается вверх. Частицы воды попадают внутрь труб 26 и 27. а влажный пар поднимается вверх. Проходя через сепаратор 16, пар становится близким к сухому, поскольку частицы захваченной паром влаги стекают вниз. Проходя через ТВЭЛ в кассетах 9 внутри трубы 4, сухой пар получает дополнительное количество тепловой энергии и становится перегретым. Перегретый пар через патрубок 21 направляется к потребителям.

Наличие кольцевой полости с трубами 26 и 27 и полос 28, и охлаждение их питательной водой в виде конденсата пара создают надежную циркуляцию пароводяной смеси через активную зону реактора с тепловыделяющими элементами /ТВЭЛ/ в кассетах 8. При этом циркуляция смеси является естественной (без помощи специального циркуляционного насоса первичного контура реактора).

Перегретый пар можно получить относительно высоких параметров, не повышая значительно давления внутри прочного корпуса реактора, что упрощает конструкцию и позволяет снизить его массу (вес). Значительно снижается вес (масса) биологической защиты вокруг реактора, так как его габариты по высоте уменьшаются, а диаметр не отличается от обычных водоводяных реакторов.

Возможен и вариант применения и по двухконтурной схеме с парогенератором, в котором греющей средой служит перегретый пар, полученный в реакторе.

Преимущество относительно высокая температура греющего пара парогенератора вторичного контура при умеренных давлениях. Все элементы вторичного контура, кроме его парогенератора, в биологической защите не нуждаются.

Формула изобретения

1. Реактор с перегревом пара, содержащий размещенную внутри прочного цилиндрического корпуса со сферическим днищем и отделенную от него обечайкой с образованием кольцевой полости активную зону с проходящей через нее центральной вертикальной трубой, в которой установлены твэлы перегрева пара, соединяющей размещенную в верхней части внутри корпуса полость сухого пара с расположенной в нижней части внутри корпуса полостью перегретого пара, образованной внутренней поверхностью сферического днища корпуса и отделенной от вышерасположенной водяной полости перегородкой, а также содержащий расположенный над уровнем жидкости сепаратор пара, отличающийся тем, что в кольцевой полости установлены вертикальные трубы, концы которых закреплены в кольцевых поясках, размещенных у верхнего и нижнего торцов обечайки, причем в нижней части корпуса реактора над перегородкой размещен патрубок для подачи питательной воды.

2. Реактор по п.1, отличающийся тем, что вертикальные трубы кольцевой полости соединены между собой цельнорешетчатыми прямоугольными полосами из просечно-вытяжных листов.

3. Реактор по пп.1 и 2, отличающийся тем, что полосы к трубам присоединены продольными сварными швами.

4. Реактор по п. 1, отличающийся тем, что твэлы активной зоны и твэлы перегрева пара одинаковы по форме и размерам.

5. Реактор по п.1, отличающийся тем, что верхняя часть кольцевой полости соединена перепускными каналами с водяной полостью.

6. Реактор по п.1, отличающийся тем, что центральная вертикальная труба выполнена из материала, слабо поглощающего нейтроны, например из циркалоя.

7. Реактор по п.1, отличающийся тем, что на обечайке активной зоны размещены дырчатые щиты.

8. Реактор по п.5, отличающийся тем, что часть перепускных каналов выполнена в цилиндрической стенке корпуса реактора.

9. Реактор по п.7, отличающийся тем, что каналы в цилиндрической стенке корпуса усилены вставными трубчатыми элементами.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5