Ядерный реактор
Предложен ядерный реактор, конструкция которого позволяет отказаться от использования установок для монтажа, управления и направления стержней управления внутри и снаружи бака и избежать выполнения путей прохождения через верхнюю внутреннюю деталь. В нем используют верхнюю внутреннюю деталь, установленную вблизи активной зоны реактора и выступающую из бака наружу сбоку. Все переходные системы управления и циркуляции текучей среды проходят через эту внутреннюю деталь и для каждого пучка стержней управления благодаря наличию подвижной соединительной детали выходят на соединительную головку, содержащую резервуары жидкого поглотителя нейтронов и контуры подачи в нагнетательные каналы, установленные между топливными стержнями. Изобретение может применяться для всех типов ядерных реакторов. Техническим результатом изобретения является контроль мощности реактора во время работы, корректировка изменений потока внутри активной зоны, изменение нейтронного спектра внутри активной зоны, экстренная остановка реактора благодаря быстрому введению жидкого поглотителя нейтронов. 23 з.п. ф-лы, 15 ил.
Область изобретения
Настоящее изобретение относится к ядерным реакторам и, в частности, к средствам введения поглотителя нейтронов, такого как жидкий поглотитель нейтронов, в случае его использования, для управления и мгновенного модулирования мощности ядерного реактора.
В частности, оно позволяет осуществить экстренную остановку ядерного реактора, модулировать поток нейтронов для модулирования ядерной энергии без существенной деформации активной зоны, воспроизводства ядерного топлива в ходе работы и для последующего использования этого ядерного топлива, не прибегая к его выгрузке.
Настоящее изобретение может быть применено для любых типов ядерных реакторов, будь то ядерные реакторы на воде под давлением, на кипящей воде, на газообразном теплоносителе, на жидких металлах и даже на тяжелой воде.
Предшествующий уровень техники и поставленная задача
На фиг.1 в вертикальном разрезе показан первый тип ядерного реактора, охлаждаемый водой под давлением, согласно предшествующему уровню техники. Позицией 1, как и на других фигурах, обозначен бак реактора, а позицией 2 обозначены топливные стержни, образующие комплекс, называемый активной зоной 50. На фигуре под позицией 10А показана внутренняя деталь для удержания на месте активной зоны, называемая в дальнейшем в настоящей патентной заявке внутренней деталью или внутренним узлом. Ее устанавливают над активной зоной 50, содержащей топливо 2, и она удерживает эту активную зону на месте в нижней части бака 1, не давая ей подниматься под действием мощного восходящего водяного потока, проходящего сквозь активную зону. Следовательно, эта внутренняя деталь или внутренний узел 10 выполняет механическую функцию.
На фиг.3 показан реактор, охлаждаемый кипящей водой, согласно предшествующему уровню техники. В нем активная зона 50, содержащая топливо 2, тоже находится под внутренней деталью 10А внутри бака 1. Что же касается паросушитилей 36, то их устанавливают над внутренней деталью 10А.
Отмечается, что в реакторах предшествующего уровня техники внутренние детали или внутренние узлы 10А не входят в контакт с наружньм пространством бака 2.
В этих двух типах ядерных реакторов использованы жесткие стержни 51 управления, которые приводятся в действие снаружи бака 2. В случае реактора, охлаждаемого водой под давлением, показанного на фиг.1, стержни 51 управления проходят в бак 2 через верхнюю крышку и через внутреннюю деталь 10А. Их системы управления и направления, наряду с другими элементами, загромождают верхнюю часть крышки бака 1. В случае реактора, охлаждаемого кипящей водой, показанного на фиг.3, стержни 51 управления проходят в бак через его основание, и их системы направления и управления находятся под баком.
Следует также указать, что в этих реакторах, охлаждаемых водой под давлением, используют поглотитель нейтронов, в частности борную кислоту, растворенную в потоке теплоносителя, для равномерного изменения реакционности. С другой стороны, используют изменение скорости насосов для изменения, хотя и в меньшей степени, реакционности в ядерных реакторах на кипящей воде.
Таким образом, можно отметить, что установка, предназначенная для управления и регулирования активной зоны, занимает большие габариты по причине использования стержней управления, находящихся либо над активной зоной, либо под ней и проходящих через бак, и требует наличия габаритных дополнительных химических или механических средств.
В связи с этим главной задачей настоящего изобретения является устранение этих недостатков путем нового типа управления ядерной реакцией внутри активной зоны реактора.
Сущность изобретения
Таким образом, главным объектом настоящего изобретения является ядерный реактор, содержащий:
- бак;
- активную зону, расположенную в баке и содержащую сборки топливных стержней;
- по меньшей мере, одну внутреннюю деталь, установленную в активной зоне внутри бака;
- средства введения жидкого поглотителя нейтронов в сборки топливных стержней.
В соответствии с настоящим изобретением упомянутая, по меньшей мере, одна внутренняя деталь выступает снаружи бака для соединения устройств управления, находящихся снаружи бака реактора, со средствами введения, находящимися внутри бака. Предпочтительно она выступает наружу сбоку, но может также выступать и в другом месте на баке реактора. Средства введения содержат переходные элементы, частично находящиеся в каналах, выполненных во внутренней детали, и выходящие, с одной стороны, наружу бака и соединенные, с другой стороны, со средствами введения жидкого поглотителя нейтронов.
Предпочтительно упомянутая, по меньшей мере, одна внутренняя деталь находится над баком и выходит сбоку наружу бака.
Согласно предпочтительному варианту выполнения настоящего изобретения эти средства введения жидкого поглотителя нейтронов являются средствами нагнетания и распределения жидкого поглотителя нейтронов в нагнетательные каналы, расположенные внутри сборок топливных стержней.
Предусмотрена установка в упомянутой, по меньшей мере, одной внутренней детали резервуара гелия, входящего в состав переходных средств.
В первом варианте выполнения настоящего изобретения упомянутая, по меньшей мере, одна внутренняя деталь находится над баком и состоит из верхней внутренней детали, выходящей наружу бака, и из нижней внутренней детали, находящейся под ней внутри бака.
Во втором варианте выполнения настоящего изобретения внутренняя деталь состоит только из одной детали, выходящей наружу сбоку.
Предпочтительно данную конструкцию ядерного реактора в соответствии с настоящим изобретением дополняют, по меньшей мере, одним соединительным рычагом, связанным с боковым выходом, соединяющим внутреннюю деталь с наружными устройствами управления, при этом соединительный рычаг выполнен шарнирным с возможностью перемещения в два положения, каковыми являются:
- развернутое соединительное положение, в котором первый конец соединительного рычага выходит за пределы бассейна, в котором погружен ядерный реактор; и
- сложенное соединительное положение, в котором рычаг находится внутри внутренней детали, при этом переходные элементы находятся внутри соединительного рычага. Это позволяет трубкам и кабелям, образующим переходные элементы, находящимся внутри рычага, избежать соединения между внутренней деталью и наружным пространством бассейна.
В предпочтительном варианте выполнения нагнетательного контура введения жидкого поглотителя нейтронов этот контур содержит, по меньшей мере, один резервуар для жидкого поглотителя нейтронов, установленный внутри или под внутренней деталью.
Кроме того, предпочтительно использовать соединительную головку, обеспечивающую соединение между внутренней деталью и каналами нагнетания жидкого поглотителя нейтронов, расположенными под внутренней деталью, при этом ее верхний участок заходит или, в случае необходимости, проходит через внутреннюю деталь.
Каждый из трубопроводов для жидкого поглотителя нейтронов имеет на конце С-образный участок, заходящий в резервуары и предпочтительно дополняющий соединительную головку.
Для обеспечения сообщения между трубопроводами, находящимися во внутренней детали, и средствами нагнетания жидкого поглотителя нейтронов предпочтительно используют подвижную соединительную деталь, установленную над внутренней деталью, при этом трубопроводы внутренней детали выходят на верхний участок внутренней детали, а подвижная соединительная деталь содержит пространство над трубопроводами внутренней детали, и используют каналы, соединяющие трубопроводы внутренней детали с резервуарами для жидкого поглотителя нейтронов нагнетательных средств, управляемых средствами управления, находящимися снаружи бака.
В этом случае предпочтительно использовать подвижный колокол, установленный в подвижной соединительной детали над местом, куда выходят трубопроводы внутренней детали, и дополненный уплотнительными прокладками, что позволяет герметизировать различные узлы в реакторе.
Возможны различные варианты выполнения нагнетательных каналов. Действительно, в первом варианте выполнения для каждого из них используют наружную трубу, внутри которой устанавливают, по меньшей мере, одну капиллярную трубку. Чтобы компенсировать отдельные проявления реакционности реактора по высоте активной зоны, наружная труба предпочтительно может иметь переменное сечение по высоте этой активной зоны, предпочтительно в верхнем участке наружной трубы.
Используя несколько параллельных капиллярных трубок, можно обеспечить очень быстрое нагнетание поглотителя нейтронов. Такая специальная конструкция позволяет реализовать систему экстренной остановки, совместимую с условиями работы реактора.
Другой вариант выполнения состоит в дополнении этого комплекса колоколом, предназначенным для изменения нейтронного спектра. Этот колокол можно установить вокруг наружной трубы и ее капиллярной трубки или капиллярных трубок. Этот вариант выполнения позволяет обеспечить изменение нейтронного спектра в активной зоне реактора, произвольно заполняя или опорожняя этот колокол, сообщенный с жидкостью реактора, газом, поступающим по внутренним трубопроводам. Изменение нейтронного спектра позволяет также модифицировать излучаемые ядра некоторых радиоактивных материалов, таких как отходы с длительным периодом распада, для их утилизации и хранения.
Что касается пневматического контура распределения, то, поскольку загрузка реактора происходит под водой, подвижную соединительную деталь снабжают крышками в основании подвижного колокола для обеспечения герметичности этой детали перед соединением с трубопроводами внутренней детали, каналами соединительной головки и каналом подвижной соединительной детали.
Во время затягивания подвижной соединительной детали на соединительной головке происходит перфорация крышек.
В предпочтительном варианте выполнения настоящего изобретения каналы нагнетания и распределения поглотителя нейтронов между резервуарами и нагнетательные каналы, находящиеся в топливных сборках, выполняют в соединительной головке на нескольких соответствующих ступенях в зависимости от функции, которую должно обеспечить нагнетание поглотителя нейтронов в выбранные каналы.
Что касается электрической распределительной сети, то для герметизации перед подсоединением к внутренней детали подвижную соединительную деталь снабжают крышками в основании подвижного колокола, в котором устанавливают монтажную соединительную деталь, обладающую некоторой степенью подвижности, с обеспечением герметичности при помощи прокладки, и выполненную с возможностью установки в ней клапана с шаровым затвором на конце кабеля, выходящего из внутренней детали в пространство подвижной соединительной детали.
Таким образом, получают систему электрических и оптических соединений, выполненную с возможностью подсоединения под водой и с возможностью работы в жидкой среде под сверхвысоким давлением.
В варианте выполнения настоящего изобретения трубопроводы во внутренней детали имеют возможность соединения с приводными поршнями жестких стержней управления.
В другом варианте выполнения настоящего изобретения эта внутренняя деталь может быть снабжена электрическими проводниками для управления электромагнитными или электрическими устройствами, также соединенными с жесткими стержнями управления.
Благодаря соответствующей дополняющей друг друга форме подвижные соединительные детали могут автоматически стопориться.
Наконец, их водяные отверстия частично могут иметь геликоидальный профиль для создания вращения реакторной жидкости с целью гомогенизации температуры выходящей жидкости.
Перечень фигур
Настоящее изобретение и его различные технические отличительные признаки будут более очевидны из нижеследующего описания со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг.1 - ядерный реактор, охлаждаемый водой под давлением, предшествующего уровня техники, вид спереди;
фиг.2 - ядерный реактор, охлаждаемый водой под давлением, в соответствии с настоящим изобретением, вид спереди;
фиг.3 - ядерный реактор, охлаждаемый кипящей водой, предшествующего уровня техники, вид спереди;
фиг.4 - ядерный реактор, охлаждаемый кипящей водой, в соответствии с настоящим изобретением, вид спереди;
фиг.5А и 5В - теоретические схемы установок ядерного реактора в соответствии с настоящим изобретением;
фиг.6А - подвижная соединительная деталь в соответствии с настоящим изобретением, вид сверху;
фиг.6В - разрез по линии 6В-6В фиг.6А;
фиг.6С - разрез по линии 6С-6С фиг.6А, вид спереди;
фиг.7А - второй вариант выполнения подвижной соединительной детали в соответствии с настоящим изобретением, вид сверху;
фиг.7В - разрез по линии 7В-7В фиг.7А;
фиг.8 - разрез нагнетательного канала первого варианта выполнения, вид спереди;
фиг.9 - разрез нагнетательного канала реактора в соответствии с настоящим изобретением второго варианта выполнения, вид спереди;
фиг.9А, 9В, 9С и 9D - две формы нагнетательного канала в соответствии с настоящим изобретением, показанного на фиг.9, используемые во втором варианте выполнения;
фиг.10А - третий вариант выполнения нагнетательного канала в соответствии с настоящим изобретением, вид в разрезе;
фиг.10В - применение вариантов, показанных на фиг.8, 9 и 10А;
фиг.11 - вид в разрезе участка подвижной соединительной детали реактора в соответствии с настоящим изобретением в варианте выполнения;
фиг.12 - вид в разрезе другого участка подвижной соединительной детали реактора в соответствии с настоящим изобретением в варианте выполнения;
фиг.13 - вид подвижных соединительных деталей специальной формы;
фиг.14 - разрез реактора в соответствии с настоящим изобретением в варианте выполнения, вид спереди;
фиг.15 - вариант дополнения реактора в соответствии с настоящим изобретением.
Подробное описание нескольких вариантов выполнения настоящего изобретения
На фиг.5А показана принципиальная схема работы реактора в соответствии с настоящим изобретением в варианте выполнения, когда средства введения поглотителя нейтронов являются средствами нагнетания и распределения жидкого поглотителя нейтронов, применяемая в сборках топливных стержней.
Схематически показан бак 1 ядерного реактора, содержащий активную зону 50, содержащую большой пучок топливных стержней 2. Управление реакционностью в активной зоне 50 обеспечивают при помощи жидкого поглотителя нейтронов, нагнетаемого в каналы 7, стационарно расположенные между топливными стержнями 2. Над активной зоной находится один или несколько резервуаров 4 для жидкого поглотителя нейтронов, от которых отходят нагнетательные каналы 7. Все это находится под внутренней деталью 10 (или внутренним комплексом, если она состоит из нескольких частей), которую используют в каждом ядерном реакторе для удержания на месте активной зоны 50, то есть в нижней зоне бака 1.
На фиг.5 видна роль части переходных средств, то есть системы питания газом и, в частности гелием, обеспечивающих перемещение жидкого поглотителя нейтронов. Действительно, во внутренней детали 10 или в ее эквиваленте находится, по меньшей мере, один резервуар 5 гелия (показанный в данном случае снаружи). Управление его заполнением и опорожнением осуществляется распределительным электрическим вентилем 8, снабженным разгрузочной диафрагмой 6. Обратный трубопровод 7R, начинающийся от основания каждого нагнетательного канала 7 и заканчивающийся на входе диафрагмы 6, позволяет во взаимодействии с последней создавать перепад давления между двумя ветвями нагнетательного канала 7 жидкого поглотителя нейтронов. На входе эта установка дополнительно содержит разгрузочный резервуар 3, управляемый электрическим вентилем 9 создания давления.
Необходимо отметить, что внутренняя деталь 10 или ее эквивалент выступает наружу бака 1 сбоку и содержит на этом уровне боковые соединители 17. Она может выступать и в другом месте, например в дне бака вместе с другими внутренними соединительными деталями.
Таким образом, различные трубопроводы, контуры управления и питания средств введения поглотителя нейтронов, в частности питания гелием, могут соединяться на этой внутренней детали 10 снаружи бака со средствами управления, находящимися снаружи бака 1. Так, через эту внутреннюю деталь проходят все средства регулирования ядерной энергией, не проходя при этом через бак или крышку бака, как это происходит со стержнями управления, используемыми в ядерных реакторах обычной конструкции. Это позволяет ограничить опасность утечки, так как каналы подачи пневматических и гидравлических текучих сред, электрические или оптические проводники вмонтированы в массу этой детали 10.
На фиг.2 и 4 для сравнения с фиг.1 и 3 показаны возможные изменения, усовершенствования и преимущества устройства в соответствии с настоящим изобретением. Действительно, внутренняя деталь 10, выступающая из бака наружу, обеспечивает полное управление активной зоной 50 реактора. Таким образом, верхнее пространство внутри бака 1 освобождается для реактора, охлаждаемого водой под давлением, показанного на фиг.2, а также освобождается пространство под баком 1 реактора, охлаждаемого кипящей водой, показанного на фиг.3.
Действительно, если обратиться к фиг.6А и 6В, то можно отметить, что подвижная соединительная деталь 11 установлена над внутренней деталью, которая в данном случае состоит из двух элементов: первого верхнего элемента 10S и второго нижнего элемента 10I. Первый верхний элемент 10S содержит каналы или трубопроводы 100, обеспечивающие энергопитание средств введения поглотителя нейтронов. Второй элемент 101, который является нижним, географически и функционально соответствует традиционной внутренней детали 10А (фиг.1 и 3), закрепленной на баке 1. Она также выполняет функцию места установки некоторого оборудования средств хранения, в частности резервуаров 4 для жидкого поглотителя нейтронов, например верхнего резервуара 4А и нижнего резервуара 4В.
На фиг.6В показан трубопровод в разрезе, установленный внутри верхней внутренней детали 10S. Он выходит в полость 38А подвижной соединительной детали 11, вокруг соединительного колокола 38. По сути дела подвижная соединительная деталь 11 установлена над внутренней деталью 10, 10А или аналогичным узлом с возможностью легкого демонтажа для ее обслуживания или замены прокладок или соединительных органов. Она закреплена при помощи винта 26 и стопора, выполненного, например, в виде стопорной шайбы 27 с отгибаемыми концами. Подвижная соединительная деталь 11 тоже содержит трубопровод 110, соединяющий внутреннее пространство соединительного колокола 38 с верхним участком соединительной головки 12, которая, в свою очередь, содержит трубопроводы 120, сообщенные с резервуарами 4А и 4В для жидкого поглотителя нейтронов.
Эти различные трубопроводы 100, 110 и 120 относятся к системе распределения газа для выталкивания жидкого поглотителя нейтронов в активную зону реактора. Необходимо учитывать, что во внутренней детали или внутренних деталях и в подвижной соединительной детали 11 находятся и другие распределительные сети. Тот же самый верхний внутренний элемент 10S используют для размещения электрических кабелей для передачи наружу показаний датчиков или средств контроля, находящихся в реакторе. Среди прочих речь может идти об электрических или оптических сетях контроля или управления и о любых других трубопроводах, предназначенных для циркуляции текучей среды, или об элементах, предназначенных для передачи сигналов.
На фиг.6А показана подвижная соединительная деталь 11 на виде сверху и, в частности, ее полость 38А.
Можно отметить, что на фиг.6А показаны и другие полости 38В и 38С. Они соответствуют пространствам для сообщения между различными каналами, обеспечивающими соединение, то есть гидравлическими, пневматическими или другими трубопроводами или каналами, относящимися к другим органам управления или контроля активной зоны реактора.
Нижний участок соединительной головки содержит несколько ступеней 13. Можно отметить, что к верхней ступени подходит трубопровод 121 жидкого поглотителя нейтронов, выходящий из резервуара 4А жидкого поглотителя нейтронов, установленного в нижнем внутреннем участке 10I. На нагнетательных каналах 7 используют С-образные загибы 39, чтобы не допустить несвоевременного нагнетания жидкого поглотителя нейтронов. Нетрудно понять, что при помощи пневматического контура управления, заходящего в резервуар 4А жидкого поглотителя нейтронов, в первые нагнетательные каналы 7, заходящие в верхнюю ступень 13S, можно нагнетать определенное количество жидкого поглотителя нейтронов, необходимое для получения требуемого результата в плане снижения рабочей мощности активной зоны реактора.
Располагая несколькими ступенями 13 и 13S, можно использовать несколько контуров питания жидким поглотителем нейтронов, которые управляются по-разному и независимо друг от друга при помощи разных каналов. Так, используя разные контуры, можно модулировать рабочую мощность активной зоны, осуществлять экстренную остановку или влиять на географическое распределение реакции деления внутри активной зоны (смещение), то есть на осевое вертикальное распределение ядерной активности в активной зоне. Для этого используют устройство, аналогичное устройству, показанному на фиг.5В, в котором убрали диафрагму и отделили участок 7 от участка 7R. На каждой из ветвей в этом случае устанавливают вентиль 8, резервуар 3 и регулировочный вентиль 9, который позволяет регулировать высоту жидкого поглотителя нейтронов в нагнетательном канале 7.
Вторая линия управления давлением выполнена в виде обратного трубопровода 120R, сообщенного со вторым концом нагнетательных каналов через обратную ступень 13R, продолженную трубопроводом 110R и подвижным колоколом 38R подвижной соединительной детали 11 и трубопроводом 100R внутренней детали 10S.
Вокруг резервуаров 4А и 4В жидкого поглотителя нейтронов выполнен канал 102 для воды. Параллельно в подвижной соединительной детали 11 (см. фиг.6А) выполнены отверстия 101. Эти отверстия и объем воды 102 образуют водяной канал в этих элементах управления и внутренних деталях 10S и 10I. Действительно, необходимо все время помнить, что через активную зону реактора проходит большой объем жидкости и должен проходить в верхнюю зону бака, то есть проходить через внутренние детали 10, 10I и 10S.
На фиг.6С комплекс показан в разрезе по линии 6С-6С фиг.6А. Так, на этой фигуре можно отметить отверстия 101 во внутренней детали 10 и трубопровод 120С, заходящий в нижний резервуар 4В жидкого поглотителя нейтронов.
На фиг.7А и 7В показан другой вариант выполнения элементов, описанных выше со ссылками на фиг.6А и 6В. В этом варианте внутренний комплекс, образованный двумя внутренними деталями, нижней 101 и верхней 10S, заменен одной деталью 10, форма которой может соответствовать форме уже существующих деталей. Соединение при помощи трубопровода 100 и подвижная соединительная деталь 11 выполнены аналогично. Последняя также установлена на верхней поверхности внутренней детали 10 при помощи винта 26. Однако в этом варианте центральный канал 112 обеспечивает циркуляцию воды.
Под внутренней деталью 10 находится резервуарный отсек 4, состоящий из двух резервуаров 4А и 4В жидкого поглотителя нейтронов. Принцип работы в этом варианте аналогичен. При этом давление поступает в резервуары 4А и 4В жидкого поглотителя нейтронов через трубопровод 120 верхнего участка соединительной головки 12S. Жидкий поглотитель нейтронов опускается в одну или несколько ступеней 13 нижнего участка 12I соединительной головки через С-образный загиб 39, продолженный трубопроводом 121 питания.
На фиг.7А показана циркуляция воды через подвижную соединительную деталь 11А, то есть через центральный канал 112. На этой фигуре также показаны винты 26 и пространства 39В подвижной соединительной детали 11А и начало трубопроводов 120.
На фиг.8 показан первый вариант выполнения нагнетательных каналов, предусмотренный для экстренной остановки реактора. В данном случае первостепенную роль играет скорость нагнетания жидкого поглотителя нейтронов. Для обеспечения этого быстрого нагнетания используют наружную трубу 80, внутри которой установлены несколько капиллярных трубок 82, при этом остающееся пространство 81 позволяет начать быстрое нагнетание жидкого поглотителя нейтронов в этот комплекс за счет изменения давления при помощи гелия, воздействующего на резервуары жидкого поглотителя нейтронов. Во время подачи команды на экстренную остановку реактора во все капиллярные трубки 82, установленные параллельно, подается жидкий поглотитель нейтронов, который быстро заполняет всю наружную трубу 80.
На фиг.9 показан узел, используемый для регулирования мощности активной зоны реактора. Наружная труба 90 содержит только одну капиллярную трубку 92. Это объясняется тем, что нет необходимости в быстром получении большого количества жидкого поглотителя нейтронов. Тем не менее, этот канал может использоваться для выполнения других функций, кроме экстренной остановки.
На фиг.9А, 9В, 9С и 9D показаны варианты выполнения трубы 90, показанной на фиг.9, с переменным сечением по высоте. Действительно, на фиг.9А наружная труба 900 имеет сечение, большее в ее верхнем участке. На фиг.9В показано, что форма может быть цилиндрической, при этом сечение капиллярной трубки 92 остается постоянным. Это позволяет аккумулировать большее количество жидкого поглотителя нейтронов в верхнем участке рабочей зоны активной зоны реактора, чтобы в более значительной степени влиять на его реакционность.
На фиг.9С и 9D показана вторая возможная форма выполнения наружной трубы 901, сечение которой равномерно меняется, начиная с определенной высоты, и принимает расширяющуюся форму во фронтальном разрезе. На фиг.9D показано, что сечение трубы может иметь крестообразную форму.
Следует отметить, что можно предусмотреть и другие формы наружных труб. Можно также предусмотреть трубу, закручивающуюся вокруг себя самой.
На фиг.10А показан узел, предназначенный для замедления потока непосредственно внутри активной зоны реактора. Узел, показанный на фиг.8, содержащий наружную трубу 80 и нагнетательные каналы 82, дополнен колоколом 18 спектрального изменения, охватывающим узел. Когда колокол 18 давления является пустым, нейтронный спектр позволяет осуществлять воспроизводство топлива. Когда колокол 18 давления заполнен теплоносителем, поток замедляется быстрее, что позволяет расходовать топливо реактора. Эти изменения нейтронного потока внутри реактора можно также использовать в качестве средств изменения реакционности.
Предпочтительно колокол 18 спектрального изменения выполняют в виде трубы из циркония или любого другого материала, проницаемого по отношению к нейтронам. Когда он заполнен жидким замедлителем, например водой реактора, то он обладает такой же способностью замедления нейтронов, что и вода, циркулирующая за пределами этой трубы. Когда он заполнен гелием или любым другим газом или жидкостью с таким же влиянием на нейтроны, то в этом случае колокол 18 спектрального изменения создает эффект вакуума, который нейтроны не замедляет, и поэтому нейтроны, излучаемые топливными стержнями, могут воспроизводить делящийся атом, например, плутония, при помощи бомбардировки делящего ядра, которое может быть, например, ядром урана, плутония, тория.
На фиг.10В показано, как можно использовать различные нагнетательные каналы, показанные на фиг.8, 9 и 10А, а также колокол 18, показанный на фиг.10А. Действительно, на этой фигуре в горизонтальном разрезе показан пучок топливных стержней активной зоны реактора. Капиллярные трубки, каждая из которых находится в центре колокола 18, являются нагнетательными трубками быстрой или экстренной остановки. Действительно, они могут подавать большее количество гелия за заданный отрезок времени. Капиллярные трубки 92, установленные в центре пучков топливных стержней 2, предназначены для регулирования реакционности реактора. Колокол 18 имеет форму креста, концы и внутреннее пространство ветвей которого могут иметь вогнутую форму, чтобы охватывать цилиндрическую форму топливных стержней 2.
Необходимо отметить, что при производстве электроэнергии топливные стержни расходуются в течение определенного периода времени. В другом варианте применения ядерного реактора можно устанавливать модифицированные стержни из радиоактивного материала, такие как отработанное топливо (в частности, речь может идти об америции, нептунии и кюрии). Действительно, такие материалы могут стать менее радиоактивными в результате их прохождения через ядерный реактор такого типа, при этом превращение этих элементов позволяет даже уничтожать такие радиоактивные отходы. Другими словами, вариантом специального применения ядерного реактора такого типа может быть сжигание радиоактивных отходов длительного распада.
Этот тип колокола спектрального изменения позволяет регулировать при помощи давления газа в трубках соотношение между объемом, занимаемым средой-замедлителем нейтронов в постоянном объеме бака, и объемом, занимаемым топливом. Это соотношение называют "вакуумным коэффициентом".
Этот вакуумный эффект влияет также на степень замедления и за счет этой степени замедления изменяется мощность реактора. Следовательно, мощность реактора можно также изменять путем изменения в нем вакуумного коэффициента.
Работа давления внутри каналов может управляться двоично, то есть по принципу "полное-нулевое", или может использоваться для компенсации деформаций потока, называемых "осевым смещением". Принцип остается тем же, но уровень жидкого поглотителя нейтронов в нагнетательном канале регулируют за счет перепада давления на концах этого нагнетательного канала. Каждый его конец соединен с находящимся под давлением шаром. Давление каждого шара регулируют при помощи разгрузочного электрического вентиля и электрического вентиля заполнения.
На фиг.11 показан вариант выполнения подвижной соединительной детали 11, касающийся соединений пневматического контура. На ней показан трубопровод 100, проходящий через внутреннюю деталь 10 и выходящий в пространство 38В соединительного колокола 38. Для этого используют крышки 19, через каждую из которых проходит клапан 40 с шаровым затвором, оборудованный иглой 41. Соединительный колокол 38 оборудован нижней прокладкой 21 и боковой прокладкой 22. Для регулирования положения этого соединительного колокола 38 и его упора в верхнюю подвижную соединительную деталь 11 используют винт 24, действующий на гибкую уплотнительную мембрану, установленную над подвижным соединительным колоколом 38.
Пример электрического соединения, которое должно быть герметичным по отношению к газу под сверхвысоким давлением на уровне этой соединительной детали 11, показан на фиг.12, при этом разрез сделан по другому диаметру подвижной соединительной детали 11.
На фигуре показан подвижный соединительный колокол 38 и его пространство 38В, различные прокладки и приспособления, предназначенные для его удержания на месте. В канал 100А внутренней детали 10В заходит кабель 30А. При этом кабель 30А может не занимать полностью весь объем этого канала 100А. Действительно, могут применяться и другие электрические или оптические средства передачи сигналов. Можно отметить, что клапан 40 с шаровым затвором содержит центральный канал 37, позволяющий газу, поступающему снаружи бака, проходить через изолирующую деталь 31. Своей иглой 41 клапан 40 с шаровым затвором прокалывает крышку 19, при этом находящийся под давлением газ препятствует среде-теплоносителю реактора заполнять внутренний объем подвижного соединительного колокола 38 и, в частности, соединительную деталь 34, установленную в поршне 29, выполненном с возможностью скольжения внутри подвижного соединительного колокола 38. При этом на его уровне герметичность обеспечивается прокладкой 28. Для этого пружина 32 действует усилием на крышку 33 для обеспечения хорошего соединительного контакта.
Таким образом, различные проводники, например 35А первого кабеля 30А, могут входить в контакт с проводниками 35В, находящимися на выходе, внутри подвижной соединительной детали 11. Упругость прокладки 28 на уровне поршня 29 способствует центровке клапана 40 с шаровым затвором в монтажной соединительной детали 34.
При таком монтаже соединение между различными электрическими или оптическими проводниками, такими как оптические волокна, может быть осуществлено в атмосфере газа и вне жидкости. Действительно, прокладка 28 поршня 29 обеспечивает для последнего небольшой зазор, позволяющий центрировать клапан 40 с шаровым затвором при помощи центровочной детали 20.
Как показано на фиг.13, подвижные соединительные детали 11А могут иметь соответствующую форму, позволяющую им взаимодействовать друг с другом и обеспечивающую им возможность самоблокировки. Кроме того, водяные отверстия 101А могут иметь профиль, способствующий созданию вращения жидкости, которое смешивает и гомогенизирует температуру воды, выходящей из сборок.
На фиг.14 показан вариант, в котором применяются стержни управления. Средства 203 передачи, которые могут быть выполнены в виде электрических кабелей, а также в виде трубок питания, проходят через внутреннюю или внутренние детали 10с и обеспечивают сообщение с окружающим бак пространством для приводных средств перемещения или других средств 201, приводимых в действие за счет пневматической или гидравлической энергии и управляющих осями 202, жестко соединенными со стержнями управления. В этом случае приводные средства 201 перемещения устанавливают над внутренней деталью 10с.
Эта система, будучи менее эффективной, все же также позволяет управлять ядерным реактором, не проходя через крышку бака или через сам бак.
При этом отмечается, что во всех версиях системы в соответствии с настоящим изобретением можно использовать внутреннюю деталь 10 или ее эквивалент, то есть детали 10I и 10S, для установки в ней трубок или каналов, предназначенных для питания колоколов давления, сообщенных со средой-теплоносителем реактора и расположенных внутри или между топливными сборками. В этом случае изменение давления позволяет менять уровень среды-теплоносителя в колоколе давления вокруг нагнетательных каналов.
Во всех вариантах в соответствии с настоящим изобретением внутренние детали 10, 10S и 10I могут использоваться для обеспечения прохождения любого проводника, предназначенного для передачи сигналов, передаваемых средствами измерения или визуального контроля, такими как камеры деления или детекторы нейтронов, например, типа "коллектрона" или камеры деления, для измерения нейтронного потока и определения таблицы потока, а также термопары, оптические волокна или камеры. Их также используют для передачи наружу показаний измерительных датчиков или средств контроля, находящихся в реакторе. В этом случае используют соединение, показанное на фиг.12, где кабели проходят через изолирующую деталь 31 и через крышку 19.
Внутренняя или внутренние детали 10, 10S и 10I, содержащие переходные элементы, не обязательно должны устанавливаться над активной зоной. Их можно устанавливать, например, под активной зоной.
Как показано на фиг.15, трубопроводы 100, установленные во внутренней или внутренних деталях 10, выходят сбоку к боковому выходу 217. Предпочтительно они могут быть продолжены кабелями или идентичными трубопроводами 152, установленными на шарнирном рычаге 300. Действительно, этот рычаг может быть закреплен на конце внутренней детали 10 при помощи основания 153. Каждый шарнирный рычаг содержит несколько участков, которые могут быть развернуты, чтобы достичь борта бассейна 150, в котором установлен реактор. Это развернутое положение показано в виде участков 151А. Таким образом, все трубы, необходимые для создания давления в каждом из резервуаров, содержащих жидкий поглотитель нейтронов, могут проходить "без соединения" от борта бассейна, где находятся устройства управления, до внутреннего пространства внутренней детали. В этом случае можно отказаться от боковых соединителей 17, показанных на фиг.5А и 5В.
Другими словами, в предпочтительном варианте применения настоящего изобретения трубопровод 100 может быть выполнен в виде сплошной трубки, выходящей изнутри внутренней детали 10 реактора и проходящей до конца рычага 300 реактора. Соединение с другими приборами является принципиальной схемой, необходимой для работы реактора.
Другая возможность состоит в соединении при помощи сварного шва, соединителя или другого средства трубки или шланга с выходом верхней внутренней детали 10S. С другой стороны, эта же трубка или шланг могут быть соединены с одной из трубок, находящихся в участках 151А рычага 300, таким же образом (сварной шов, соединитель или другое средство). Однако в этом последнем способе на каждую трубу добавляется отдельное соединение, поэтому оно является менее надежным.
Шарнирное выполнение рычага позволяет его складывать, как показано на примере положения участков 151В. Действительно, эти участки оказываются внутри внутренней детали 10. Использование этого положения предусмотрено для случая выгрузки топлива внутри активной зоны 50 ядерного реактора, для чего необходимо снять внутреннюю деталь 10. Эту деталь можно положить за пределами бассейна, при этом она не занимает много места, так как шарнирный рычаг находится внутри нее.
Таким образом, после развертывания шарнирный рычаг позволяет переместить точки электрического, пневматического или другого соединения за пределы бассейна. Шарнирное соединение можно выполнять, соединяя сваркой трубки, которые могут быть выполнены из нержавеющей стали, с шарнирами или, используя соединение, называемое "проводник крючком" или "гибкая дуга", то есть петлю на трубке, которая может деформироваться.
Таким образом, можно развернуть более 10 м шарнирного рычага (высота воды в бассейне) над внутренней деталью.
Шарнирный рычаг или шарнирные рычаги могут управляться при помощи электрических двигателей или силовых цилиндров.
Преимущества изобретения
Изобретение позволяет избежать соединений, которые должны проходить через крышку бака или через дно бака и которые должны обеспечивать все функции соединения, измерения, контроля или управления внутри реактора.
Описанная в настоящей заявке внутренняя деталь или внутренние детали вполне могут обеспечивать механическую функцию предотвращения подъема активной зоны реактора и топливных сборок потоком среды-теплоносителя.
Настоящее изобретение может применяться для всех типов реакторов, то есть для реакторов на воде под давлением, на кипящей воде, на газообразном теплоносителе, на расплавленном металле и даже на тяжелой воде. Оно позволяет отказаться от использования стержней управления, вставляемых между топливными стержнями и всеми их направляющими устройствами, находящимися над активной зоной и внутри бака.
Оно позволяет заполнять каналы жидкими поглотителями нейтронов разных типов, такими как металлы или металлические сплавы, в которые, в случае необходимости, можно добавлять частицы твердого поглотителя нейтронов такой же плотности, что и металл или сплав. Жидкие поглотители нейтронов остаются жидкими при любой рабочей температуре ядерного реактора, в том числе в случае возникновения непредвиденных температур.
Поскольку узел устройства, включающий в себя соединительную головку, резервуары жидкого поглотителя нейтронов и нагнетательные каналы, поставляется одновременно с топливными сборками и при температуре ниже рабочей температуры реактора, то нагнетательные каналы заполняют смесью поглотителя нейтронов, который в данном случае находится в твердом виде. Это является существенным преимуществом, в частности, на всех этапах транспортировки и перемещения топлива. Устройство благодаря этому получает дополнительный уровень защиты.
Возможность размещать резервуар гелия внутри верхней внутренней детали обеспечивает в нем стабильность температуры, при этом он является пассивной системой, полностью находящейся внутри реактора. Действительно, в случае разрыва трубопроводов снаружи бака все равно происходит нагнетание поглотителя нейтронов.
Колокол, используемый для спектрального изменения, может менять нейтронный спектр, что позволяет воспроизводить топливо. Когда его заполняют теплоносителем, то достигают более быстрого замедления потока, которое позволяет расходовать воспроизведенное топливо, что продлевает цикл использования топлива.
Другие преимущества связаны с загрузкой активной зоны реактора, оборудованной устройством управления в соответствии с настоящим изобретением.
Действительно, как только топливо оказывается внутри бака реактора, над баком устанавливают внутреннюю деталь 10А или 10В или эквивалентный узел. После этого устанавливают подвижную соединительную деталь 11, при этом соединители, связанные с наружным пространством, соединяются также с контуром сжатого газа, препятствующего прохождению воды. Действительно, поскольку подвижная соединительная деталь 11 выполнена съемной и содержит крышки 19, вода не может попадать внутрь этой подвижной соединительной детали 11.
При затягивании подвижной соединительной детали 11 на внутренней детали 10, 10S и, в случае необходимости, на верхней части 12S соединительной головки происходит перемещение иглы 41 клапана 40 с шаровым затвором, которая прокалывает крышку 19.
Затягивание винта 14 позволяет обеспечить идеальную герметичность на внутренней детали 10 или 10S. Устанавливают сообщение между колоколом 38 и трубками и каналами в подвижной соединительной детали 11. Таким образом, обеспечивается надежное соединение между контуром подачи газа и резервуарами 4А и 4В жидкого поглотителя нейтронов и нагнетательными каналами 7, при этом в контур вода не попадает. К тому же такое соединение можно контролировать путем измерения утечек газа, обнаруженных в реакторе. В случае плохого затягивания операцию можно повторить и заменить подвижную соединительную деталь 11, не снимая внутренних деталей, которые удерживают топливо и активную зону реактора. Это повышает надежность и дает возможность обслуживания и осмотра ядерного реактора.
Изобретение обеспечивает доступ к одному или нескольким устройствам управления, связанным с одной или несколькими топливными сборками.
С другой стороны, настоящее изобретение выполняет четыре разные функции во время работы реакторов, а именно:
- экстренная остановка реактора благодаря быстрому введению жидкого поглотителя нейтронов;
- контроль мощности реактора во время работы;
- корректировка изменений потока внутри активной зоны;
- изменение нейтронного спектра внутри активной зоны.
Необходимо отметить, что экстренная остановка является остановкой пассивного типа.
Настоящее изобретение позволяет также отделять среду-теплоноситель от веществ, применяемых для управления реактором. Благодаря этому можно отказаться от химического управления теплоносителем и избежать недостатков, связанных с присутствием борной кислоты в контурах теплоносителя (коррозия).
Само собой разумеется, что на подвижной соединительной детали 11 можно проводить любые подготовительные работы, связанные с соединением топливных сборок, не снимая деталей, удерживающих топливо на месте, то есть внутренних деталей.
Настоящее изобретение позволяет увеличить число устройств управления, не увеличивая число проходов в стенке камеры реактора или внутренних деталей. Такое увеличение элементов управления позволяет уменьшить асимметрию нейтронного потока в работающем реакторе.
Использование диафрагмы 6 в пневматическом контуре позволяет отказаться от использования двух контуров за счет создания разности давления между двумя ветвями трубы 7.
Использование одного или нескольких шарнирных рычагов позволяет переносить точку соединения каналов, связывающих активную зону с наружным пространством бассейна.
1. Ядерный реактор, содержащий:
бак (1);
активную зону (50), расположенную в баке (1) и содержащую сборки топливных стержней (2);
внутреннюю деталь (10, 10S, 10I), установленную внутри бака (1);
средства введения жидкого поглотителя нейтронов в сборки топливных стержней (2),
отличающийся тем, что упомянутая внутренняя деталь (10, 10S, 10I) выступает снаружи бака (1) для обеспечения сообщения между внутренним и наружным пространствами, соединяя наружные устройства управления со средствами введения жидкого поглотителя нейтронов, находящимися внутри бака, и тем, что средства введения жидкого поглотителя содержат переходные элементы, частично находящиеся в трубопроводах (100), выполненных в упомянутой внутренней детали и соединенные с другой стороны со средствами введения жидкого поглотителя нейтронов.
2. Ядерный реактор по п.1, отличающийся тем, что упомянутая внутренняя деталь находится над баком и выходит сбоку наружу бака (1).
3. Ядерный реактор по п.1 или 2, отличающийся тем, что содержит, по меньшей мере, один соединительный рычаг (300), соединенный с боковым соединительным выходом (17) упомянутой внутренней детали (10, 10S) и с наружными устройствами управления, при этом соединительный рычаг (300) выполнен шарнирным, чтобы занимать два положения:
развернутое положение соединения, в котором первый конец соединительного рычага (300) находится за пределами бассейна; и
сложенное положение, в котором соединительный рычаг (300) сложен внутри упомянутой внутренней детали (10, 10S), при этом переходные элементы находятся внутри соединительного рычага (300).
4. Ядерный реактор по п.1, отличающийся тем, что средства введения выполнены в виде средств нагнетания жидкого поглотителя нейтронов в нагнетательные каналы (7), выполненные внутри сборок топливных стержней.
5. Ядерный реактор по п.1, отличающийся тем, что переходные средства содержат, среди прочего, резервуар (5) гелия, установленный в упомянутой внутренней детали (10, 10S).
6. Ядерный реактор по п.1, отличающийся тем, что упомянутая внутренняя деталь состоит из двух внутренних деталей: верхней внутренней детали (10S), выступающей наружу, и нижней внутренней детали (10I), установленной под верхней внутренней деталью (10S) внутри бака (1).
7. Ядерный реактор по п.1, отличающийся тем, что упомянутая внутренняя деталь выполнена в виде только одной внутренней детали (10), выступающей наружу бака (1).
8. Ядерный реактор по п.4, отличающийся тем, что контур нагнетания жидкого поглотителя нейтронов содержит для каждой сборки топливных стержней, по меньшей мере, один резервуар (4А, 4В) жидкого поглотителя нейтронов, установленный внутри или под упомянутой внутренней деталью (10, 10S, 10I).
9. Ядерный реактор по п.8, отличающийся тем, что содержит соединительную головку (12, 12S, 12I), обеспечивающую соединение между внутренней деталью (10) и каналами нагнетания жидкого поглотителя нейтронов, установленную под внутренней деталью, при этом верхний участок (12S) заходит или, в случае необходимости, проходит через внутреннюю деталь.
10. Ядерный реактор по п.9, отличающийся тем, что соединение резервуаров (4А, 4В) с нагнетательными каналами (7) осуществлено при помощи трубопроводов (121) жидкого поглотителя нейтронов, каждый из которых продолжен загибом (39) С-образной формы.
11. Ядерный реактор по п.4, отличающийся тем, что содержит для каждой сборки топливных стержней подвижную соединительную деталь (11, 11А), установленную над упомянутой внутренней деталью (10, 10S) для осуществления соединения между трубопроводами (100), установленными во внутренней детали (10), и средствами нагнетания жидкого поглотителя нейтронов, при этом подвижная соединительная деталь (11) содержит пространство (38В), выходящее над трубопроводами внутренней детали (10, 10S), и содержит также каналы (11А), соединяющие трубопроводы (100) внутренней детали (10, 10S) с резервуарами (4А, 4В) жидкого поглотителя нейтронов средств нагнетания, управляемых средствами управления, установленными снаружи бака (1).
12. Ядерный реактор по п.11, отличающийся тем, что для каждой сборки топливных стержней в пространстве (38В) подвижной соединительной детали (11) устанавливают подвижный колокол (38) над местом, куда выходят трубопроводы (100) внутренней детали (10, 10S), снабженный уплотнительными прокладками (21, 22).
13. Ядерный реактор по п.11, отличающийся тем, что содержит для каждой сборки топливных стержней, среди прочего, пневматический распределительный контур, при этом подвижная соединительная деталь (11) снабжена крышками (19) в основании подвижных колоколов (38) для обеспечения перед затягиванием подвижной детали на внутренних деталях герметичности соединения между различными трубопроводами (100) внутренней детали (10, 10S), каналами (11А) подвижной соединительной детали (11) и трубопроводами соединительной головки.
14. Ядерный реактор по п.11, отличающийся тем, что содержит для каждой сборки топливных стержней электрический распределительный контур, при этом подвижная соединительная деталь (11) снабжена крышками (19) в основании подвижного колокола (38), внутри которого устанавливают монтажную соединительную деталь (34), которая выполнена с возможностью незначительного перемещения и герметично при помощи прокладки (28) и в которой может быть установлен клапан (40) с шаровым затвором, размещенный на конце кабеля (30А), выходящего из внутренней детали (10, 10S) в пространство (38В) подвижной соединительной детали (11).
15. Ядерный реактор по п.4, отличающийся тем, что для каждой сборки топливных стержней в соединительной головке (12) на нескольких соответствующих ступенях (13, 13S) в зависимости от типа нагнетания выполнены каналы (120) нагнетания и распределения жидкого поглотителя нейтронов между резервуарами и нагнетательными каналами (7).
16. Ядерный реактор по п.4, отличающийся тем, что каждый из нагнетательных каналов (7) частично выполнен в виде наружной трубы (80, 90, 900, 902), внутри которой установлена, по меньшей мере, одна капиллярная трубка (82, 92).
17. Ядерный реактор по п.16, отличающийся тем, что наружная труба (900, 902) имеет переменное сечение по ее высоте.
18. Ядерный реактор по п.17, отличающийся тем, что переменное сечение выполнено на верхнем участке наружной трубы (900, 902).
19. Ядерный реактор по п.13, отличающийся тем, что часть нагнетательных каналов (7) содержит колокол (18), внутри которого установлены наружная труба (80, 90) и, по меньшей мере, одна капиллярная трубка (82, 92).
20. Ядерный реактор по п.16, отличающийся тем, что нагнетательные каналы (7) установлены параллельно.
21. Ядерный реактор по п.1, отличающийся тем, что содержит поршни, приводящие в движение жесткие стержни управления, размещенные между топливными стержнями и управляемые при помощи трубопроводов, по меньшей мере, одной внутренней детали.
22. Ядерный реактор по п.1, отличающийся тем, что содержит электрические и/или электромагнитные устройства для приведения в движение стержней управления, размещенных между топливными стержнями, управляемые при помощи трубопроводов, по меньшей мере, одной внутренней детали.
23. Ядерный реактор по п.10, отличающийся тем, что подвижные соединительные детали (11А) имеют соответствующие дополняющие друг друга формы, обеспечивающие их самоблокировку.
24. Ядерный реактор по п.10, отличающийся тем, что подвижные соединительные детали (11А) содержат водяные отверстия (101А), частично имеющие геликоидальный профиль.
Приоритет по пунктам:
04.02.2003 по пп.1, 2, 4, 5, 7-16, 19-24;
06.05.2003 по пп.3, 6, 17, 18.
