Ядерный реактор, в частности ядерный реактор с жидкометаллическим охлаждением
Изобретение относится к ядерным реакторам, в частности к реакторам с жидкометаллическим охлаждением (например со свинцовой или свинцово-висмутовой эвтектикой). Реактор имеет цилиндрический внутренний резервуар (15), отделяющий горячий коллектор (6), расположенный над активной зоной (4) от по существу цилиндрического холодного коллектора (7), окружающего горячий коллектор. В холодном коллекторе (7) расположены интегрированные сборки (20) циркуляции и теплообмена. Каждая сборка содержит насос (9), два теплообменника (10), расположенные по бокам от насоса, и конвейерную конструкцию (21), через которую первичная текучая среда (8) проходит от насоса к теплообменнику, которые прочно соединены друг с другом для образования единой конструкции. Причем каждая интегрированная сборка имеет впускное отверстие (26), присоединенное к горячему коллектору (6), и две выпускные секции (34) в холодном коллекторе (7). Технический результат - уменьшение габаритного объема реактора и упрощение его конструкции. 13 з.п. ф-лы, 5 ил.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИЧЕСКОГО ПРИМЕНЕНИЯ
Настоящее изобретение касается ядерного реактора, в частности ядерного реактора с жидкометаллическим охлаждением, предпочтительно типа с цилиндрическим внутренним резервуаром.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Известно, что в быстрых ядерных реакторах, у которых теплообменники размещены внутри оболочки («наружного резервуара») реактора, существует потребность отделить гидравлическим способом горячий коллектор от холодного коллектора, чтобы создать закрытую цепь для охлаждения активной зоны.
В решениях, принятых в настоящее время, конструкция гидравлического разделения образована подходящей формы металлической оболочкой, также упоминающейся как «внутренний резервуар», имеющей, в общем, сложную форму и снабженной некоторым количеством проходок для размещения насосов и теплообменников.
Большая часть основных теплообменников для энергии реактора погружена в горячий коллектор, в котором также размещают теплообменники вспомогательных цепей для удаления остаточной энергии.
Вышеупомянутые решения представляют ряд затруднений, в частности, касающихся скорости инициирования естественной циркуляции первичной текучей среды для охлаждения активной зоны, касающихся объема холодного коллектора и, следовательно, теплоемкости и тепловой инерции первичной текучей среды, и касающихся также конструктивной сложности.
Для преодоления этих недостатков предложены ядерные реакторы с цилиндрическим внутренним резервуаром, типа раскрытого, например, в патентной заявке No. EP-A-0362156. Предложенное в ней решение, подобно другим аналогичным известным решениям, соединяющим вместе различными способами активную зону реактора, теплообменники и циркуляционные насосы, не является, однако, в свою очередь, полностью удовлетворительным касательно габаритных размеров и конструктивной сложности, в частности, из-за препятствия и конструкции систем для направления первичной текучей среды.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Целью настоящего изобретения, следовательно, является создание ядерного реактора, который бы преодолел ранее указанные недостатки известных решений.
Настоящее изобретение относится к ядерному реактору согласно пункту 1 формулы изобретения и для его вспомогательных характеристик - по прилагаемым зависимым пунктам формулы изобретения.
Согласно настоящему изобретению используют интегрированную сборку циркуляции и теплообмена, предпочтительно образуемую циркуляционным насосом и двумя теплообменниками, соединенными вместе гидравлически и механически для формирования исключительно компактной единой конструкции.
Таким образом можно достичь всех преимуществ, связанных с применением цилиндрического внутреннего резервуара, но дополнительно приобретая значительное сокращение (приблизительно 30%) габаритного объема реактора и, следовательно, количества первичной текучей среды, требуемой для работы реактора. Фактически, система герметизации текучей среды между горячим коллектором и холодным коллектором совсем не громоздка, принимая во внимание, что она ограничена областью впускного отверстия интегрированной сборки и нет необходимости расширять ее также до области проходки теплообменников через внутренний резервуар. Кроме того, применение интегрированной сборки, объединяющей множество компонентов (насос и один или более теплообменников), ведет к меньшему занимаемому объему на уровне проходок на крышке реактора по сравнению с использованием независимых компонентов (насосов и теплообменников). К тому же, решение согласно настоящему изобретению позволяет просто и быстро, в случае необходимости, удалить интегрированную сборку из реактора.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Далее настоящее изобретение будет описано с помощью следующего, не ограничивающего формулу изобретения примера воплощения, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
На Фиг.1 представлено в разрезе схематическое изображение ядерного реактора согласно настоящему изобретению;
На Фиг.2 представлен схематически вид сверху реактора из Фиг.1 с удаленными, для лучшего понимания, частями;
На Фиг.3 представлен схематически вид спереди интегрированной сборки циркуляции и теплообмена, образующей часть реактора из Фиг.1;
На Фиг.4 представлено схематическое изображение, частично в поперечном разрезе, интегрированной сборки из Фиг.3;
На Фиг.5 представлено изображение в разрезе по линии V-V из Фиг.4.
ЛУЧШИЙ СПОСОБ ВЫПОЛНЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Ядерный реактор 1, представленный на Фиг.1 и 2, включает оболочку или наружный резервуар 2, покрытый крышкой 3 и содержащий внутри активную зону 4 и разделяющую конструкцию 5, определяющую горячий коллектор 6 и холодный коллектор 7, где циркулирует первичная текучая среда 8 для охлаждения активной зоны 4. Далее, внутри наружного резервуара 2 размещены насосы 9 для циркуляции первичной текучей среды 8 и теплообменники 10, предпочтительно парогенераторы, через которые проходит первичная текучая среда 8 и передает энергию, сгенерированную в активной зоне 4, теплоносителю второго контура, циркулирующему во вторичной внешней цепи (известной и непоказанной).
Предпочтительно, первичной текучей средой 8 является жидкий металл, в частности тяжелый жидкий металл, например свинцовая эвтектика или свинцово-висмутовая эвтектика.
Далее, внутри наружного резервуара 2 размещены различные вспомогательные устройства 12, среди которых, например, механизмы для доставки топлива, конструкция для поддержания аппаратуры и контрольные панели, вспомогательные теплообменники для удаления остаточной энергии и т.д., показанные лишь схематически и для простоты подробно не описанные, поскольку они известны и не принадлежат настоящему изобретению.
Разделяющая конструкция 5 содержит по существу цилиндрический внутренний резервуар 15, установленный над активной зоной 4. Горячий коллектор 6 определен в пределах внутреннего резервуара 15 и, следовательно, размещен центрально над активной зоной 4. Холодный коллектор 7 определен кольцевой областью 16, расположенной между наружным резервуаром 2 и внутренним резервуаром 15, и, следовательно, размещенной вокруг горячего коллектора 6.
Реактор 1 содержит одну или, предпочтительно, более интегрированных сборок 20 циркуляции и теплообмена, помещенных полностью в холодном коллекторе 7. В показанном на прилагаемых чертежах примере реактор 1 включает множество (четыре) интегрированных сборок 20, размещенных на некотором расстоянии друг от друга вдоль окружности вокруг внутреннего резервуара 15.
Каждая интегрированная сборка 20, показанная на Фиг.3-5, содержит насос 9 для циркуляции первичной текучей среды 8, один или более теплообменников 10, сквозь которые проходит первичная текучая среда 8, установленных вблизи насоса 9, конвейерную конструкцию 21, все прочно связанные друг с другом для формирования единой механической конструкции. В показанном предпочтительном воплощении каждая интегрированная сборка 20 содержит насос 9 и два теплообменника 10, установленные на противоположных сторонах от насоса 9. Насос 9 и теплообменники 10 вытянуты вдоль соответствующих фактически вертикальных, параллельных осей.
Насос 9 имеет рабочее колесо 22, запускаемое двигателем 23 через вал 24 (все упомянутые компоненты по существу известны). Рабочее колесо 22 помещено в по существу цилиндрический трубообразный элемент 25 с по существу вертикальными осями, имеющий впускное отверстие 26 и выпускное отверстие 27 для первичной текучей среды 8, заданные соответствующими размещенными противоположно относительно оси торцевыми краями 28, 29 трубообразного элемента 25.
Каждый из теплообменников 10 имеет по существу цилиндрическую оболочку 32, внутри которой проходит первичная текучая среда 8, и имеет впускную секцию 33 для впуска первичной текучей среды 8, сообщающуюся посредством конвейерной конструкции 21 с выпускным отверстием 27 насоса 9, и выпускную секцию 34, установленную в нижнем конце 35 оболочки 32.
Теплообменники 10 могут быть выполнены в соответствии с различными известными решениями. В показанном примере, каждый теплообменник 10 имеет набор труб 36 для прохода теплоносителя второго контура, имеющего соответствующие отрезки поставки 37, прямолинейные и пересекающие вертикально и центрально теплообменник 10, и соединенные с впускным коллектором 38 для впуска теплоносителя второго контура, соответствующие изогнутые соединительные участки 39, соответствующие спиральные основные трубы 40 и прямолинейные возвратные трубы 41, присоединенные к выпускному коллектору 42. В любом случае понятно, что геометрия теплообменников 10 может отличаться от той, которая описана здесь просто в качестве примера.
Конвейерная конструкция 21 включает кожух 44, гидравлически соединяющий выпускное отверстие 27 насоса 9 с впускной секцией 33 теплообменника 10. Кожух 44 имеет, в горизонтальной проекции, изогнутую форму - в частности, по существу форму боба - чтобы быть помещенным в кольцевой области 16 и закрываться снизу торцевой стенкой 45, через которую проходит насос 9 и теплообменники 10. В частности, из торцевой стенки 45 вниз выступают трубообразный элемент 25 насоса 9 и соответствующие контактные площадки 46 теплообменников 10, внизу которых предусмотрены отверстия 47, задающие выпускные секции 34. Выпускное отверстие 27 насоса 9 сообщается с внутренней частью кожуха 44, и впускные секции 33 теплообменников 10 сформированы в пределах кожуха 44 в положении, соответствующем торцевой стенке 45. Сверху кожух 44 имеет закрывающую пластину 48, поверх которой установлен двигатель 23 и впускной и выпускной коллекторы 38, 42. Верхняя область кожуха 44, кроме того, снабжена выпускными отверстиями 49, сформированными на высоте, превышающей уровень первичной текучей среды 8 в кожухе 44 в условиях нормального режима работы реактора 1, которые выполняют функцию переливного отверстия, позволяя потоку первичной текучей среды 8 переливаться из кожуха 44 в холодный коллектор 7 в случае, когда уровень повышается из-за отказа или неисправности в работе теплообменников.
Интегрированная сборка 20 поддерживается посредством и свисает с крышки 3 реактора и проходит вертикально вниз в холодный коллектор 7. В частности, кожух 44 установлен через окно 50, сформированное в крышке 3, и пластина 48 соединена разъемным способом с крышкой 3.
Каждая интегрированная сборка 20 образует отдельную механическую конструкцию, имеющую впускное отверстие 26 для горячей первичной текучей среды 8, приходящей из горячего коллектора 6, и двух выпускных секций 34 для холодной первичной текучей среды 8, вытекающей в холодный коллектор 7.
Каждая интегрированная сборка 20 гидравлически связана с горячим коллектором 6 через соединительную конструкцию 51, содержащую трубу 52, прикрепленную к внутреннему резервуару 15, и соединительный элемент 53, прикрепленный к торцевому краю 28, и следовательно, сообщается с впускным отверстием 26 насоса 9. Труба 52 выступает радиально из боковой стенки внутреннего резервуара 15 и изгибается вверх в виде колена, имея по существу горизонтальный свободный конец 54. Соединительный элемент 53 простирается вдоль вертикальной оси А, имеет осевую симметрию относительно упомянутой оси А и соединен с торцевым краем 28 трубообразного элемента 25 и со свободным концом 54 трубы 52. В частности, соединительный элемент 53 снабжен системой разъемного сцепления 55, соединенной со свободным концом 54 вдоль оси А таким образом, чтобы можно было удалить интегрированную сборку 20 вертикально из реактора 1. В случае удаления интегрированной сборки 20 из реактора 1, соединительный элемент 53 остается механически соединенным с трубообразным элементом 25 насоса 9, пока труба 52 остается надежно прикрепленной к внутреннему резервуару 15.
Кроме того, соединительный элемент 53 снабжен механической системой 56 герметизации, объединенной со свободным концом 54 трубы 52 и, возможно, с торцевым краем 28 трубообразного элемента 25. И система разъемного сцепления 55 и механическая система 56 герметизации может быть выбрана из известных в отрасли систем. Например, можно выбрать систему с компрессионными кольцами.
Соединительный элемент 53, кроме того, является по существу элементом, способным изгибаться таким способом, чтобы компенсировать любое тепловое расширение между противоположными осевыми концами интегрированной сборки 20. Гибкость соединительного элемента 53 может быть достигнута, выбирая известное в отрасли решение, например посредством металлических гофрированных мембран.
Можно отметить, что при таком способе системы герметизации текучей среды требуются лишь на впускных отверстиях 26 насосов 9, имеющих относительно небольшие диаметры, а на отдельных теплообменниках 10 не нужны никакие дополнительные системы герметизации, как, в отличие от данного решения, это необходимо в известных решениях.
В условиях нормального режима работы реактора 1, первичная текучая среда 8 находится на уровне Н1 внутри интегрированных сборок 20, в частности в кожухе 44, на уровне Н2, более низком чем уровень Н1, - в холодном коллекторе 7, и на еще более низком уровне Н3, ниже уровня Н2, - в горячем коллекторе 6.
В нормальных режимах работы, первичная текучая среда 8 циркулирует через активную зону 4, перекачивается насосами 9 в соединительные конструкции 51 и затем пересекает трубообразные элементы 25 в направлении, фактически, вертикально вверх, заполняя кожух 44 до уровня Н1.
В каждом кожухе 44 первичная текучая среда 8 течет вбок, по существу, в горизонтальном направлении и разделяется на противоположные потоки, чтобы достигнуть впускных секций 33 теплообменников 10. Далее первичная текучая среда 8 пересекает теплообменники 10 в по существу вертикальном вниз направлении, отдавая тепло теплоносителю второго контура, и затем вытекает охлажденной из выпускных секций 34 в холодный коллектор 7, от которого вновь пересекает активную зону 4.
Впускные секции 33 теплообменников 10 расположены на достаточно более низком уровне, чем свободная поверхность первичной текучей среды 8 в кожухе 44, чтобы не вызвать перемещение совместно с первичной текучей средой 8 газов, захваченных с потолка реактора 1.
Наконец, понятно, что можно сделать модификации и изменения описанного и показанного здесь ядерного реактора, не отступая, при этом, от рамок прилагаемой формулы изобретения.
1. Ядерный реактор (1), в частности ядерный реактор с жидкометаллическим охлаждением, содержащий горячий коллектор (6) над активной зоной (4) и холодный коллектор (7), окружающий горячий коллектор, разделенные разделяющей конструкцией (5), где циркулирует первичная текучая среда (8) для охлаждения активной зоны (4), отличающийся тем, что содержит по меньшей мере одну интегрированную сборку (20) циркуляции и теплообмена, содержащую насос (9), по меньшей мере один теплообменник (10) и конвейерную конструкцию (21), через которую первичная текучая среда (8) проходит от насоса к теплообменнику, которые прочно соединены друг с другом для образования единой конструкции; причем интегрированная сборка размещена полностью в холодном коллекторе (7) и имеет впускное отверстие (26), присоединенное к горячему коллектору (6), и по меньшей мере одну выпускную секцию (34) в холодном коллекторе (7).
2. Реактор по п.1, отличающийся тем, что указанный по меньшей мере один теплообменник (10) установлен сбоку относительно насоса (9).
3. Реактор по п.1 или 2, отличающийся тем, что интегрированная сборка (20) содержит насос (9) и два теплообменника (10), установленные на противоположных сторонах от насоса.
4. Реактор по п.1 или 2, отличающийся тем, что конвейерная конструкция содержит кожух (44), содержащий первичную текучую среду (8) вплоть до заранее установленного уровня (H1), соединяющий насос (9) с одним или несколькими теплообменниками (10).
5. Реактор по п.4, отличающийся тем, что кожух (44) имеет выпускные отверстия (49) в верхней области, выполненные выше указанного уровня (H1).
6. Реактор по п.4, отличающийся тем, что кожух (44) имеет в горизонтальной проекции изогнутую форму, по существу, форму боба, чтобы размещаться в кольцевой области (16) холодного коллектора (7).
7. Реактор по любому из пп.1, 2, 5, 6, отличающийся тем, что разделяющая конструкция (5) задана, по существу, цилиндрическим внутренним резервуаром (15), установленным над активной зоной (4).
8. Реактор по любому из пп.1, 2, 5, 6, отличающийся тем, что насос (9) имеет впускное отверстие (26) и выпускное отверстие (27) для первичной текучей среды (8), и интегрированная сборка (20) гидравлически соединена с горячим коллектором (6) через соединительную конструкцию (51), сообщающуюся с впускным отверстием (26) насоса (9).
9. Реактор по п.8, отличающийся тем, что соединительная конструкция (51) является гибкой конструкцией.
10. Реактор по п.8, отличающийся тем, что соединительная конструкция (51) содержит трубу (52), прикрепленную к разделяющей конструкции (5), и соединительный элемент (53), проходящий вдоль вертикальной оси (А) и соединенный разъемным способом со свободным концом (54) трубы (52) вдоль оси (А) таким образом, чтобы можно было удалить интегрированную сборку (20) вертикально из реактора (1).
11. Реактор по п.10, отличающийся тем, что соединительный элемент (53) является элементом, имеющим осевую симметрию относительно указанной оси (А).
12. Реактор по п.10 или 11, отличающийся тем, что соединительный элемент (53) снабжен механической системой (56) герметизации, взаимодействующей со свободным концом (54) трубы (52).
13. Реактор по любому из пп.1, 2, 5, 6, 9-11, отличающийся тем, что первичная текучая среда (8) всасывается, по существу, вертикально вверх в насос (9), течет, по существу, горизонтально в конвейерной конструкции (21) и пересекает один или несколько теплообменников (10), по существу, вертикально вниз.
14. Реактор по любому из пп.1, 2, 5, 6, 9-11, отличающийся тем, что в нормальном режиме работы реактора (1) первичная текучая среда (8) находится на первом уровне (H1) в пределах интегрированной сборки (20), находится на втором уровне (Н2), расположенном ниже первого уровня (H1), - в холодном коллекторе (7), и находится на третьем уровне (Н3), расположенном ниже второго уровня (Н2), - в горячем коллекторе (6).
