Корпус ядерного реактора
Патент 2031457
Авторы
Классы МПК
Корпус ядерного реактора
Реферат
Сущность изобретения: корпус реактора содержит металлическую силовую тонкостенную оболочку с функциями защитной (антикоррозионной) оболочки и многослойную обмотку, расположенную на наружной поверхности силовой оболочки, выполненную из полимерного материала. Обмотка представляет собой предварительно напряженную нить, навитую на оболочку с шагом, равным диаметру нити. Толщина оболочки и нити выбраны из соотношений, взаимосвязывающих давление внутри корпуса с характеристиками материалов оболочки и обмотки. 2 ил.
Изобретение относится к ядерной технике, а более конкретно к конструктивным элементам резервуаров высокого давления.
Известны конструкции корпусов различных ядерных реакторов, которые объединяются одной общей конструктивной особенностью - все они как минимум имеют в своем составе силовую и коррозионностойкую (защитную) оболочки и решают общие задачи: обеспечивают возможность сборки активной зоны (АЗ) и необходимые прочность и герметичность. Так, например, корпус реактора [1] выполнен из предварительно напряженного бетона. Изнутри корпус плакирован стальным листом. Осевые нагрузки создаются продольными предварительно напряженными тросами, напряжение на боковых стенках создается навитым снаружи тросом. Известен корпус ядерного реактора [2], который состоит из двух сосудов, вставленных один в другой с определенным зазором. Этот зазор вокруг внутреннего сосуда заполняется до заданного уровня теплоизоляционным материалом в твердой фазе. Известен ядерный реактор [3], который содержит радиальное предохранительное устройство против разрушения резервуаров, состоящее из защитных корпусов, распределенных по защищаемой от разрушения поверхности в окружном направлении и осепараллельно вокруг бака. Кольцевые затяжные органы в виде стальных проволок, кабелей или лент проходят концентрично к продольной оси бака и стягивают защитные корпуса. Радиальные прижимные усилия защитных корпусов получаются вследствие окружного натяжения кольцевых затяжных органов. Известен ядерный реактор [4], в котором стенка предохранительного резервуара состоит из стального наружного несущего слоя, воспринимающего внутреннее давление бетонного слоя, защищающего от расщепления, и расположенного внутри несущего слоя, а также из изоляционного слоя, образующего воздушный зазор, находящийся между несущим слоем и слоем, защищающим от расщепления. Все известные аналоги имеют общие недостатки - конструктивную сложность, громоздкость и невозможность вывода излучения реактора через боковую поверхность корпуса реактора. Некоторых перечисленных недостатков лишены современные раствоpные импульсные ядерные реакторы (РИЯР). Известно, что в качестве топлива в РИЯР применяют соли уранилнитрата или уранилсульфата, растворенные в легкой воде. Такие растворы обладают высокой химической активностью, в связи с чем корпуса таких реакторов изготавливаются из специальных нержавеющих сплавов, например стали 1Х18Н10Т. Известно, что внутри корпуса РИЯР возникают импульсные нагрузки во время генерации импульсов делений за счет инерциального давления в топливном растворе и удара раствора при разлете о крышку корпуса. В связи с тем, что нержавеющая сталь имеет сравнительно невысокие прочностные характеристики (т 20 кг/мм2), боковые стенки корпуса выполняют толщиной 30-50 мм. В этом случае снижаются радиационные характеристики реактора, уменьшается величина флюенса нейтронов и особенно дозы гамма-квантов за счет поглощения на стали. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к описываемому является корпус ядерного реактора, содержащий тонкостенную металлическую оболочку и навитую на нее многослойную обмотку из предварительно напряженной нити [5]. Однако в известном решении невозможно увеличить дозы gamma<N> -излучения при испытаниях образцов на радиационную стойкость у боковой поверхности корпуса реактора при обеспечении необходимой прочности. Задачей изобретения является расширение эксплуатационных возможностей ядерного реактора. В результате обеспечивается получение нового технического результата, заключающегося в увеличении дозы gamma<N> -излучения на образцы у боковой поверхности корпуса. Указанный результат достигается тем, что в корпусе ядерного реактора, содержащем тонкостенную металлическую силовую оболочку и навитую на нее многослойную обмотку из предварительно напряженной нити, обмотка выполнена из полимерного материала и навита на металлическую оболочку с шагом, равным диаметру нити, при этом толщины оболочки и обмотки определены из выражений [] 2 = 1+ 1 + при S1 = ; [1] = [т]; x = ; y = где Ра - внутреннее расчетное давление внутри корпуса реактора; 1 - коэффициент Пуассона металла; Е1 - модуль Юнга металла; Е2 - модуль Юнга волокна (полимерной обмотки); т - предел текучести; 1 - допустимое напряжение в металле; а - внутренний радиус силовой оболочки; b - наружный радиус силовой оболочки; с - наружный радиус обмотки; n - коэффициент запаса прочности. На фиг. 1 представлен корпус ядерного реактора, продольный разрез; на фиг. 2 - корпус ядерного реактора, поперечный разрез. Корпус 1 содержит (фиг. 1) силовую тонкостенную оболочку 2, выполняющую также функции защитной коррозионностойкой оболочки, многослойную обмотку 3, активную зону 4, устройство регулирования реактивности в реакторе, содержащее регулирующий стержень 5, и механизм 6 регулирования реактивности. Регулирующий стержень содержит поглощающий нейтроны материал. Механизм регулирования реактивности обеспечивает вывод реактора в стартовое состояние перед производством импульса делений. АЗ находится в корпусе реактора. С помощью устройства 6 регулирования реактивности реактор выводится в стартовое состояние. Генерация импульсов делений осуществляется путем быстрого извлечения стержня 5 из АЗ со скоростью 10 м/с. В процессе развития импульса делений в АЗ возникает инерциальное давление, воздействующее изнутри на стенки корпуса реактора. Время воздействия составляет 1 мс. Определение оптимальной толщины металлической стенки корпуса реактора и толщины намотки производится в следующих условиях: когда верхнее и нижнее основания достаточно надежны, в АЗ выделяется энергия 1 МДж/л; вся энергия переходит только в механическую Р=1000 атм. Рассмотрим сечение корпуса реактора, фиг. 2. Внутренний радиус а известен из условия задачи. Внешний радиус корпуса b и внешний радиус обмотки с неизвестны и должны быть найдены так, чтобы при максимальном давлении Ра внутри цилиндра не возникли пластические деформации ни в корпусе, ни в обмотке. Увеличивая размеры b и с, нужно снизить напряжения внутри корпуса и обмотки так, чтобы эти напряжения не выходили из упругой области. Толщина металлической стенки должна быть при этом наименьшей из возможных. Пусть Е1, 1 - модуль Юнга и коэффициент Пуассона металлического корпуса, Е2 - модуль упругости волокна, [1] - допустимые напряжения в металле, [2] - допустимые напряжения волокна. Так как обмотка не имеет связующего, ее коэффициент Пуассона 1 равен нулю. Механические свойства металла и волокна рассматриваются при 100оС. При импульсном возрастании давления внутри цилиндра до величины Рана стыке корпуса и обмотки возникает напряжение Рb. Величина Рb зависит от соотношения радиусов а, b, с, поэтому заранее неизвестна. Рассмотрим решение задачи Ламе для металлического корпуса и оболочки из волокна. Корпус рассматриваем как закрытый цилиндр с внутренним давлением Ра и внешним давлением на боковой поверхности Рb. Оболочка представляет собой открытый цилиндр с внутренним давлением Рb. Внешнее давление Рс равно нулю. На корпус и оболочку действуют r - радиальное, о - окружное и z - осевое напряжения, r - произвольный радиус сечения. Напряжения в корпусе o = + r = - z = a r b Напряжения в оболочке o = + r = - z=0; b r c. Введением обозначения x = ; y = ; z = . Используя обобщенный закон Гука, найдем окружные деформации 1 в корпусе и 2 в оболочке при r=b: E11=o-1(r+z) = E22=o=P Условие совместимости деформаций на стыке корпуса и обмотки примет следующий вид: = (1) Наиболее опасными являются напряжения на внутренней стенке корпуса при r= a и на внутренней поверхности оболочки при r=b. Для выбора критерия прочности рассмотрим интенсивность напряжений i= и касательные напряжения в опасных точках корпуса и оболочки. Касательные напряжения в корпусе при r=a 1=o-r=2Pa(1-z) 2=z-r=Pa 3=o-z=Pa Интенсивность напряжений в корпусе при r=a i = Анализируя напряжения 1, 2, 3, , получим, что наибольшим из них является 1. Условие прочности корпуса при минимальной толщине стенки примет вид 2(1-z) = = S1 (2) Аналогично исследуем напряжения для оболочки при r=b: o-r=2Paz z-r=zPa; o-z=zPa i=zP Условие работы оболочки в области упругих деформаций следующее: 2z = = S2 (3) И, наконец, учитывая суммарное действие корпуса и оболочки, запишем напряжения в наиболее опасных внутренних точках корпуса o=Pa r=-Pa; z=Pa Для условия прочности используем максимальное касательное напряжение o-r=Pa [1] (4) или интенсивность напряжений i = [1] (5) Для проведения дальнейших расчетов исключим параметр z в формуле (1), используя выражение (2). В результате получим соотношение между неизвестными х и у 2 = 1+ 1 + (6) Исключив z в критерии прочности (3), получим + - 1 Результаты расчетов показывают, что в заданном диапазоне изменения х и у при S2>S1 критерий (4) сильнее, чем критерий (3). Анализ показывает также, что условие (5) является более общим, чем условие (4). Таким образом, решение задачи об оптимальной толщине корпуса и обмотки должно осуществляться по формулам (5) и (6).Формула изобретения
КОРПУС ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА, содержащий тонкостенную металлическую силовую оболочку и навитую на нее многослойную обмотку из предварительно напряженной нити, отличающийся тем, что обмотка выполнена из полимерного материала и навита на силовую оболочку с шагом, равным диаметру нити, при этом толщины оболочки и обмотки определены из уравнений где Pа - внутреннее расчетное давление внутри корпуса реактора; 1 - коэффициент Пуассона металла; E1 - модуль Юнга металла; E2 - модуль Юнга материала обмотки; т - предел текучести; 1 - допустимое напряжение в металле; a - внутренний радиус силовой оболочки; b - наружный радиус силовой оболочки; c - наружный радиус обмотки ; n - коэффициент запаса прочности.РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2