Патент 2277732

Тепловыделяющая сборка (варианты)

Изобретение относится к области атомной энергетики и используется в высокотемпературных ядерных реакторах с газовым теплоносителем. Тепловыделяющая сборка содержит графитовые блоки, установленные один на другом и снабженные вертикальным кольцевым слоем микротвэлов свободной засыпкой. В слое микротвэлов между блоками установлены горизонтальные перегородки, каждая из которых выполнена с каналами для прохода микротвэлов. При работе тепловыделяющей сборки в верхнюю часть слоя непрерывно или отдельными порциями подают "свежие" микротвэлы, а выгоревшее топливо выводят из нижней части слоя. Перегрузка микротвэлов осуществляется по принципу действия песочных часов: микротвэлы проходят в слое сверху вниз под действием собственного веса. В зонах между смежными блоками микротвэлы в слое проходят через перегородку, где происходит смещение их потоков по поперечному сечению слоя микротвэлов: из центральной зоны слоя микротвэлы попадают в его периферийную зону и из периферийной зоны слоя - в его центральную зону. Изобретение позволяет улучшить характеристики топливного цикла тепловыделяющей сборки. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к области атомной энергетики и может быть использовано в высокотемпературных ядерных реакторах с газовым теплоносителем.

Известна тепловыделяющая сборка высокотемпературного реактора, содержащая вертикальный топливный канал для прохода шаровых твэлов свободной засыпкой (см. Проектирование энергетических установок с высокотемпературными газоохлаждаемыми реакторами/ В.П.Сметанников, И.Х.Ганев, В.Д.Колганов и др. Под ред. чл.-кор. АН СССР И.Я.Емельянова. - "Энергоиздат", 1981, с.131, рис.5.6).

Известная тепловыделяющая сборка характеризуется неравномерностью энерговыделения и глубины выгорания топлива по радиусу топливного канала, что ухудшает характеристики топливного цикла.

Известна тепловыделяющая сборка высокотемпературного ядерного реактора с газовым теплоносителем, имеющая топливный канал, в центральной и периферийной зонах которого размещено топливо с разным обогащением урана, с целью выравнивания энерговыделения и глубины выгорания по радиусу этого канала (см. там же, с.77).

Известна тепловыделяющая сборка высокотемпературного ядерного реактора с газовым теплоносителем, имеющая топливный канал, в котором, с целью выравнивания энерговыделения и глубины выгорания топлива по его радиусу, обеспечиваются разные скорости перемещения твэлов через его центральную и периферийную зоны (см. там же, с.79).

Известен ядерный реактор с газовым теплоносителем, в котором, с целью выравнивания энерговыделения и глубины выгорания топлива по радиусу активной зоны (топливного канала), переставляют тепловыделяющие сборки: из периферии активной зоны в ее центральную часть, а из центральной части активной зоны на ее периферию (см. там же, с.94).

К настоящему изобретению наиболее близким техническим решением из известных (прототипом) является тепловыделяющая сборка, содержащая графитовые блоки, установленные один на другом и снабженные вертикальным кольцевым слоем микротвэлов свободной засыпкой (см. RU 2003130768/06, G 21 C 1/07, 20.10.2003).

Недостатком такой тепловыделяющей сборки является пониженная средняя глубина выгорания топлива из-за радиальной неравномерности энерговыделения в кольцевом слое микротвэлов, что ухудшает характеристики топливного цикла тепловыделяющей сборки.

Технической задачей изобретения является улучшение характеристик топливного цикла тепловыделяющей сборки посредством снижения в кольцевом слое неравномерности энерговыделения и, соответственно, выгорания микротвэлов.

Эта техническая задача решается в тепловыделяющей сборке, содержащей графитовые блоки, установленные один на другом и снабженные вертикальным кольцевым слоем микротвэлов свободной засыпкой, в слое микротвэлов в зонах между блоками установлены горизонтальные перегородки, каждая из которых выполнена с каналами для прохода микротвэлов, причем входные и выходные отверстия каналов расположены в центральной и периферийных зонах кольцевого слоя микротвэлов и при этом каналы с входными отверстиями в центральной и периферийных зонах слоя микротвэлов имеют выходные отверстия, расположенные соответственно в периферийных и центральной зонах этого слоя.

Кроме того, входные отверстия каналов каждой перегородки могут иметь воронкообразную форму.

Кроме того, каналы каждой перегородки могут быть выполнены диаметром, составляющим 6...9 диаметров микротвэлов.

Техническая задача изобретения решается и в другом варианте выполнения тепловыделяющей сборки, содержащей графитовые блоки, установленные один на другом и снабженные вертикальным кольцевым слоем микротвэлов свободной засыпкой, в слое микротвэлов в зонах между блоками установлены горизонтальные перегородки, каждая из которых выполнена виде козырьков, желоба и патрубков, причем козырьки расположены в периферийных зонах слоя микротвэлов и наклонены вниз с образованием проема в центральной зоне этого слоя, желоб расположен над упомянутым проемом и с образованием щелей относительно козырьков, а патрубки расположены в этих щелях с зазорами друг относительно друга и установлены концами в сквозных отверстиях, выполненных в желобе и козырьках.

Установка в кольцевом слое микротвэлов описанных выше перегородок обеспечивает перемещение микротвэлов периферийных зон кольцевого слоя (областей повышенного энерговыделения) в центральную его зону (область пониженного энерговыделения), а микротвэлов центральной зоны слоя (области пониженного энерговыделения) - в периферийную его зону (область повышенного энерговыделения). В результате происходит выравнивание глубины выгорания микротвэлов, то есть повышается отношение среднего выгорания к максимальному выгоранию, что улучшает характеристики топливного цикла тепловыделяющей сборки.

Выполнение входных отверстий каналов каждой перегородки воронкообразной формы позволяет исключить застойные зоны в слое микротвэлов и улучшить в нем глубину их выгорания.

Выполнение каналов перегородки диаметром, составляющем не менее 6 диаметров микротвэлов, обеспечивает надежное, без закупорки, прохождение последних по всему кольцевому слою, что также способствует выравниванию в нем глубины выгорания микротвэлов. Выполнение каналов перегородки диаметром, составляющим более 9 диаметров микротвэлов, нецелесообразно из-за неоправданного повышения радиального размера кольцевого слоя микротвэлов.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показан общий вид тепловыделяющей сборки; на фиг.2 - разрез А-А фиг.1; на фиг.3 - разрез Б-Б фиг.1 (первый вариант выполнения); на фиг.4 - разрез В-В фиг.3; на фиг.5 - разрез Г-Г фиг.3; на фиг.6 - разрез Д-Д фиг.3; на фиг.7 - разрез Б-Б фиг.1 (второй вариант выполнения); на фиг.8 - разрез Е-Е фиг.7.

Тепловыделяющая сборка содержит графитовые блоки 1, установленные один на другом и снабженные вертикальным кольцевым слоем микротвэлов 2 свободной засыпкой.

Микротвэл 2 выполнен в виде шара диаметром 1,8 мм с сердечником из двуокиси урана и трехслойной оболочкой из высокотемпературных керамических материалов. Сердечник имеет диаметр 1,5 мм. Внутренний слой оболочки выполняется из пористого пиролитического графита (РуС) с плотностью порядка 1 г/см3. Толщина этого слоя ˜60 мкм. Средний слой выполнен из плотного пиролитического графита (РуС), имеющего плотность порядка 1,8 г/см3. Толщина этого слоя ˜5 мкм. Наружный слой выполнен из карбида кремния (SiC). Толщина этого слоя ˜85 мкм.

Слой микротвэлов 2 выполнен достаточно "толстым" для резонансных нейтронов, то есть произведение толщины слоя на среднюю плотность урана в микротвэлах должно быть в пределах 2,5-5 г/см2.

В слое микротвэлов 2 в зонах между блоками 1 установлены горизонтальные перегородки 3, каждая из которых выполнена с каналами 4 для прохода микротвэлов 2.

Входные и выходные отверстия 5 и 6 каналов 4 расположены в центральной и периферийных зонах кольцевого слоя микротвэлов 2. Причем каналы 4 с входными отверстиями 5 в центральной зоне слоя микротвэлов 2 имеют выходные отверстия 6, расположенные в периферийных зонах этого слоя, а каналы 4 с входными отверстиями 5 в периферийных зонах слоя микротвэлов 2 имеют выходные отверстия 6, расположенные в центральной его зоне.

В перегородках 3 выполнены также каналы 7 с входными отверстиями 8 и выходными отверстиями 9.

В каждом канале 4 входные и выходные отверстия 5 и 6 расположены в одном воображаемом секторе перегородки 3, а в каждом канале 7 входные и выходные отверстия 8 и 9 расположены в смежных воображаемых секторах перегородки 3.

Входные отверстия 5 каналов 4 и входные отверстия 8 каналов 7 имеют воронкообразную форму (образовано каждое четырьмя скатами).

Каналы 4 и 7 перегородки 3 выполнены диаметром, составляющим 6...9 диаметров микротвэлов 2.

В другом варианте выполнения тепловыделяющая сборка также содержит графитовые блоки 1, установленные один на другом и снабженные вертикальным кольцевым слоем микротвэлов 2 свободной засыпкой, в котором в зонах между блоками установлены горизонтальные перегородки 3. Однако в этом варианте каждая перегородка 3 выполнена в виде козырьков 10, желоба 11 и патрубков 12. Козырьки 10 расположены в периферийных зонах слоя микротвэлов 2 и наклонены вниз с образованием проема 13 в центральной зоне этого слоя, желоб 11 расположен над проемом 13 и с образованием щелей 14 относительно козырьков 10, а патрубки 12 расположены в щелях 14 с зазорами друг относительно друга и установлены концами в сквозных отверстиях, выполненных в желобе 11 и козырьках 10.

В блоках 1 выполнены радиальные отверстия 15...18 для прохода газового теплоносителя, которые проходят через слой микротвэлов 2.

Отверстия 15 подключены к входному коллектору 19, выполненному внутри нижнего блока 1, и соединены с отверстиями 16 посредством наружного щелевого коллектора 20. Отверстия 16 подключены к отверстиям 17 посредством внутреннего коллектора 21, выполненного внутри вышестоящего блока 1, а отверстия 17 - к отверстиям 18 посредством наружного щелевого коллектор 22. При этом отверстия 18 соединены с выходным коллектором 23, выполненным внутри верхнего блока 3. Щелевые коллекторы 20 и 22 образованы наружными поверхностями соответствующих блоков 1 данной тепловыделяющей сборки и наружными поверхностями соответствующих блоков 1 смежных тепловыделяющих сборок.

Тепловыделяющая сборка работает следующим образом.

Газовый теплоноситель (гелий) последовательно проходит входной коллектор 19, отверстия 15, щелевой коллектор 20, отверстия 16, внутренний коллектор 21, отверстия 17, щелевой коллектор 22, отверстия 18 и выходной коллектор 23. В каждом из отверстий 15...18 теплоноситель фильтруется сквозь слой микротвэлов 2 в радиальном направлении, с которыми непосредственно контактирует, охлаждая их. При этом газовый теплоноситель нагревается за счет реакции деления в микротвэлах 2.

При работе тепловыделяющей сборки в верхнюю часть слоя непрерывно или отдельными порциями подают "свежие" микротвэлы 2, а выгоревшее топливо выводят из нижней части этого слоя. Перегрузка микротвэлов 2 осуществляется по принципу действия песочных часов: микротвэлы 2 проходят в слое сверху вниз под действием собственного веса.

В зонах между смежными блоками 1 микротвэлы 2 проходят через перегородку 3, где происходит смещение их потоков по поперечному сечению слоя микротвэлов 2: из центральной зоны слоя микротвэлы 2 попадают в его периферийную зону, а из периферийной зоны слоя - в его центральную зону.

В варианте выполнения тепловыделяющей сборки (фиг.3 и 6) микротвэлы 2 из одной зоны слоя в другую зону перекатываются по каналам 4 перегородки 3. При этом часть микротвэлов 2 перепускаются через каналы 7 перегородки 3.

В варианте выполнения тепловыделяющей сборки (фиг.7...8) микротвэлы 2 из центральной зоны слоя попадают в его периферийную зону через желоб 11 и патрубки 12, а из периферийной зоны слоя в его центральную зону - через щели 14, между патрубками 12 и проем 13.

Таким образом, в тепловыделяющей сборке при прохождении микротвэлов 2 сверху вниз в перегородках 3 происходит периодическое их перемещение из периферии слоя в его центр и обратно. В результате происходит выравнивание глубины выгорания микротвэлов 2 и на выходе слоя повышается отношение среднего выгорания топлива к его максимальному выгоранию, что улучшает характеристики топливного цикла тепловыделяющей сборки.

1. Тепловыделяющая сборка, содержащая графитовые блоки, установленные один на другом и снабженные вертикальным кольцевым слоем микротвэлов свободной засыпкой, отличающаяся тем, что в слое микротвэлов в зонах между блоками установлены горизонтальные перегородки, каждая из которых выполнена с каналами для прохода микротвэлов, причем входные и выходные отверстия каналов расположены в центральной и периферийных зонах кольцевого слоя микротвэлов и при этом каналы с входными отверстиями в центральной и периферийных зонах слоя микротвэлов имеют выходные отверстия, расположенные соответственно в периферийных и центральной зонах этого слоя.

2. Сборка по п.1, отличающаяся тем, что входные отверстия каналов каждой перегородки имеют воронкообразную форму.

3. Сборка по п.2, отличающаяся тем, что каналы каждой перегородки выполнены диаметром, составляющим 6...9 диаметров микротвэлов.

4. Тепловыделяющая сборка, содержащая графитовые блоки, установленные один на другом и снабженные вертикальным кольцевым слоем микротвэлов свободной засыпкой, отличающаяся тем, что в слое микротвэлов в зонах между блоками установлены горизонтальные перегородки, каждая из которых выполнена виде козырьков, желоба и патрубков, причем козырьки расположены в периферийных зонах слоя микротвэлов и наклонены вниз с образованием проема в центральной зоне этого слоя, желоб расположен над упомянутым проемом и с образованием щелей относительно козырьков, а патрубки расположены в этих щелях с зазорами друг относительно друга и установлены концами в сквозных отверстиях, выполненных в желобе и козырьках.