RU2032946C1 - Water-cooled nuclear reactor - Google Patents
Water-cooled nuclear reactor Download PDFInfo
- Publication number
- RU2032946C1 RU2032946C1 SU925044858A SU5044858A RU2032946C1 RU 2032946 C1 RU2032946 C1 RU 2032946C1 SU 925044858 A SU925044858 A SU 925044858A SU 5044858 A SU5044858 A SU 5044858A RU 2032946 C1 RU2032946 C1 RU 2032946C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- water
- reactor
- fuel
- microfuel
- reactor according
- Prior art date
Links
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 41
- 239000003758 nuclear fuel Substances 0.000 claims abstract description 22
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 15
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 claims abstract description 9
- 239000000446 fuel Substances 0.000 claims description 93
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 38
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 38
- 239000002826 coolant Substances 0.000 claims description 36
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 claims description 20
- 239000010439 graphite Substances 0.000 claims description 20
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 19
- 238000002844 melting Methods 0.000 claims description 19
- 230000008018 melting Effects 0.000 claims description 19
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims description 13
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims description 10
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims description 10
- 239000011253 protective coating Substances 0.000 claims description 10
- 239000003963 antioxidant agent Substances 0.000 claims description 5
- 230000003078 antioxidant effect Effects 0.000 claims description 5
- 239000003380 propellant Substances 0.000 claims description 3
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 abstract description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 abstract 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000011551 heat transfer agent Substances 0.000 abstract 1
- 238000005025 nuclear technology Methods 0.000 abstract 1
- 239000011162 core material Substances 0.000 description 32
- 230000009257 reactivity Effects 0.000 description 16
- 238000011049 filling Methods 0.000 description 13
- 230000004992 fission Effects 0.000 description 9
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 8
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 8
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 8
- 230000000712 assembly Effects 0.000 description 7
- 238000000429 assembly Methods 0.000 description 7
- 238000013461 design Methods 0.000 description 7
- 238000000034 method Methods 0.000 description 6
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 6
- 229910052770 Uranium Inorganic materials 0.000 description 5
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 5
- 230000000739 chaotic effect Effects 0.000 description 5
- 230000008569 process Effects 0.000 description 5
- JFALSRSLKYAFGM-UHFFFAOYSA-N uranium(0) Chemical compound [U] JFALSRSLKYAFGM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 238000011161 development Methods 0.000 description 4
- 230000018109 developmental process Effects 0.000 description 4
- 238000011068 loading method Methods 0.000 description 4
- 239000011800 void material Substances 0.000 description 4
- 239000012634 fragment Substances 0.000 description 3
- 230000014759 maintenance of location Effects 0.000 description 3
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 3
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 3
- 101100317055 Gallus gallus VLDLR gene Proteins 0.000 description 2
- 239000012223 aqueous fraction Substances 0.000 description 2
- 238000009835 boiling Methods 0.000 description 2
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 2
- 238000013016 damping Methods 0.000 description 2
- 230000018044 dehydration Effects 0.000 description 2
- 238000006297 dehydration reaction Methods 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 239000000155 melt Substances 0.000 description 2
- 230000002285 radioactive effect Effects 0.000 description 2
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N Zirconium Chemical compound [Zr] QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001093 Zr alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N ZrO2 Inorganic materials O=[Zr]=O MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- AZDRQVAHHNSJOQ-UHFFFAOYSA-N alumane Chemical group [AlH3] AZDRQVAHHNSJOQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005253 cladding Methods 0.000 description 1
- 238000005094 computer simulation Methods 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 238000013467 fragmentation Methods 0.000 description 1
- 238000006062 fragmentation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005338 heat storage Methods 0.000 description 1
- 239000001307 helium Substances 0.000 description 1
- 229910052734 helium Inorganic materials 0.000 description 1
- SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N helium atom Chemical compound [He] SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 1
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000011835 investigation Methods 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 230000004807 localization Effects 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- 150000002894 organic compounds Chemical class 0.000 description 1
- 238000013021 overheating Methods 0.000 description 1
- RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N oxygen(2-);zirconium(4+) Chemical compound [O-2].[O-2].[Zr+4] RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000012856 packing Methods 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 230000008929 regeneration Effects 0.000 description 1
- 238000011069 regeneration method Methods 0.000 description 1
- 238000012552 review Methods 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 125000006850 spacer group Chemical group 0.000 description 1
- 239000012798 spherical particle Substances 0.000 description 1
- 239000000725 suspension Substances 0.000 description 1
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
- Y02E30/30—Nuclear fission reactors
Landscapes
- Structure Of Emergency Protection For Nuclear Reactors (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к ядерной технике и может быть использовано для усовершенствования водоохлаждаемых ядерных реакторов. The invention relates to nuclear engineering and can be used to improve water-cooled nuclear reactors.
В настоящее время усилия разработчиков, главным образом, сосредоточены на создании технических решений, исключаю- щих возможность аварии, в результате которой могут быть разрушены (расплавлены) тепловыделяющие элементы (твэлы), но к сожалению гарантировать это пока не удается. Маловероятны, но тем не менее возможны события, приводящие к полной потере теплоносителя первого контура как для действующих водоохлаждаемых реакторов, таких как ВВЭР и РБМК, содержащих активную зону со стержневыми твэлами и легководный теплоноситель замедлитель, окруженную отражателем и размещенную в корпусе реактора, так и для реакторов, базирующихся на новых технологиях, например ВТГР, содержащих активную зону с шаровыми твэлами, в графитовых матрицах которые диспергированы микротвэлы, и гелиевый теплоноситель, окруженную графитовым отражателем и помещенную в корпусе высокого давления, а также ВТРС, содержащих активную зону с шаровыми твэлами и расплавно-солевой теплоноситель-замедлитель, окруженную отражателем и размещенную в корпусе реактора, неизбежно вызовут разрушение твэлов (микротвэлов) в результате разогрева активной зоны за счет остаточного энерговыделения. При такой аварии возможна разгерметизация первого контура, а удержание радиоактивных продуктов деления можно обеспечить только за счет сложных и дорогостоящих инженерных средств локализации, работоспособность которых весьма сложно достоверно обосновать в тех ситуациях, на которые они рассчитаны, поскольку экспериментальное исследование тяжелых аварий затруднено, а расчетное моделирование, в силу обилия и сложности протекающих процессов, весьма приблизительно. Currently, the efforts of the developers are mainly focused on the creation of technical solutions that exclude the possibility of an accident, as a result of which fuel elements (fuel elements) can be destroyed (melted), but unfortunately this cannot be guaranteed yet. It is unlikely, but nonetheless possible events leading to a complete loss of primary coolant for existing water-cooled reactors such as VVER and RBMK containing an active zone with rod fuel elements and a light-water coolant moderator surrounded by a reflector and placed in the reactor vessel, and for reactors based on new technologies, for example, HTGR, containing an active zone with spherical fuel rods, in the graphite matrices which are microfuel dispersed, and a helium coolant surrounded by graphites m reflector and placed in the high pressure housing, as well as VTRS containing an active zone with spherical fuel rods and a molten-salt coolant-moderator surrounded by a reflector and placed in the reactor body, will inevitably cause destruction of fuel rods (microfuel) as a result of heating of the active zone due to the residual energy release. In such an accident, depressurization of the primary circuit is possible, and the retention of radioactive fission products can only be ensured by complex and expensive engineering means of localization, the operability of which is very difficult to reliably substantiate in the situations for which they are designed, since experimental investigation of severe accidents is difficult, and computational modeling , due to the abundance and complexity of the processes, very approximately.
Особое место в ряду перспективных проектов занимают высокотемпературные газоохлаждаемые модульные реакторы, содержащие активную зону с шаровыми твэлами, в графитовую матрицу которых диспергированы микротвэлы ядерное топливо, выполненное в виде сферических частиц размером 0,3-0,8 мм и покрытых несколькими слоями защитных оболочек для предотвращения выхода радиоактивных продуктов деления из ядерного топлива, и газовый теплоноситель, окруженную отражателем и размещенную в корпусе высокого давления, в которых даже при полной потере теплоносителя отвод остаточного энерговыделения из активной зоны осуществляется за счет теплопроводности шаровой структуры активной зоны, отражателя и корпуса реактора, а осколки деления при этом из твэлов не выходят. Определяющую роль в столь высокой устойчивости к тяжелым авариям играет микротвэл реакторов этого типа. Причем защитные оболочки микротвэла позволяют не только достигать высоких рабочих температур, но и не ухудшают балланс нейтронов и не усложняют процесс регенерации горючего. В то время как стержневые твэлы, которые нашли широкое применение в реакторах ВВЭР и РБМК и содержащие топливные сердечники, состоящие из отдельных таблеток или стерженьков цилиндрической формы, заключенные в оболочку-трубу, выполненную из циркониевого сплава, могут эксплуатироваться при более низких температурах, так как, если температура оболочек твэлов превысит 650оС, то они начнут раздуваться вследствие уменьшения ее прочности и увеличения перепада давлений между внутренними полостями твэлов и теплоносителем, а при температуре оболочек выше 1000оС начинается химическое взаимодействие циркония с водяным паром с образованием водорода и двуокиси циркония.A special place in a number of promising projects is occupied by high-temperature gas-cooled modular reactors containing an active zone with spherical fuel rods, in the graphite matrix of which microfuel nuclear fuel is dispersed, made in the form of spherical particles 0.3-0.8 mm in size and coated with several layers of protective shells to prevent the exit of radioactive fission products from nuclear fuel, and a gas coolant surrounded by a reflector and placed in a high-pressure housing, in which even with complete loss of heat the carrier, the residual energy is removed from the core due to the thermal conductivity of the spherical structure of the core, the reflector and the reactor vessel, and fission fragments do not come out of the fuel rods. The decisive role in such a high resistance to severe accidents is played by microtel reactors of this type. Moreover, the protective shells of the microfuel can not only achieve high operating temperatures, but also do not worsen the neutron balance and do not complicate the process of fuel regeneration. While rod fuel rods, which are widely used in WWER and RBMK reactors and containing fuel cores consisting of individual tablets or cylindrical rods enclosed in a pipe shell made of zirconium alloy, can be operated at lower temperatures, since if the fuel cladding temperature exceeds 650 ° C, they begin to swell due to reduction of its strength and increase the pressure differential between the interior fuel rods and the coolant, and at a temperature of about lochek above 1000 C. begins the chemical reaction of zirconium with steam to produce hydrogen and zirconium dioxide.
Однако сейчас вряд ли можно рассчитывать, что радикальные разработки: новый твэл, новый теплоноситель и новое оборудование АЭС могут найти практическое воплощение в ближайшие 15-20 лет. However, now it is hardly possible to expect that radical developments: a new fuel rod, new coolant and new equipment of nuclear power plants can find practical implementation in the next 15-20 years.
С учетом вышеизложенного представляется перспективным рассмотреть возможность использования микротоплива в реакторах с легководным теплоносителем, с максимальным использованием опыта разработки, изготовления и эксплуатации таких реакторов. Они являются базовыми в ядерной энергетике нашей страны и вся промышленность в основном в настоящее время ориентирована на их производство. In view of the foregoing, it seems promising to consider the possibility of using microfuel in reactors with a light-water coolant, with the maximum use of the experience in the development, manufacture and operation of such reactors. They are basic in the nuclear energy industry of our country and the entire industry is mainly focused on their production.
Известен водоохлаждаемый ядерный реактор, содержащий активную зону, образованную из технологических каналов для сферических тепловыделяющих элементов, и легководный теплоноситель, окруженную отражателем и размещенную в корпусе, причем в верхней и нижней частях каждого технологического канала выполнены соответственно загрузочное и отгрузочное устройства для сферических твэлов. При эксплуатации реактора внутри технологических каналов за счет прокачки теплоносителя снизу вверх через канал организуют псевдокипящий слой сферических твэлов. Выравнивание энерговыделения по активной зоне реактора осуществляют путем изменения пористости в технологическом канале за счет изменения расхода легководного теплоносителя и, следовательно, мощности канала. Known water-cooled nuclear reactor containing an active zone formed from technological channels for spherical fuel elements, and a light-water coolant surrounded by a reflector and placed in the housing, and in the upper and lower parts of each technological channel, respectively, loading and unloading devices for spherical fuel elements are made. During operation of the reactor inside the technological channels, a pseudo-boiling layer of spherical fuel elements is arranged from the bottom up through the channel. The energy release is equalized in the reactor core by changing the porosity in the process channel by changing the flow rate of the light-water coolant and, therefore, the channel power.
К недостаткам этого технического решения следует отнести:
возможные нарушения однородности псевдоожижающего слоя сферических топливных частиц и связанные с этим флуктуации реактивности;
положительный паровой коэффициент реактивности;
отсутствие в конструкции реактора мер по обеспечению гарантированного теплоотвода от сферических твэлов при обезвоживании активной зоны.The disadvantages of this technical solution include:
possible disturbances in the homogeneity of the fluidized bed of spherical fuel particles and related fluctuations in reactivity;
positive steam reactivity coefficient;
the lack of measures in the reactor design to ensure guaranteed heat removal from spherical fuel rods during dehydration of the core.
Известен также водоохлаждаемый ядерный реактор, содержащий активную зону с шаровыми твэлами и жидким теплоносителем, в качестве которого предложены Н2О, Д2О и органическое соединение, прокачиваемого снизу вверх со скоростью обеспечивающей образование псевдоожижен- ного слоя во всем объеме активной зоны, окруженной отражателем и заключенной в корпусе. При этом происходит непрерывное перемешивание шаровых твэлов. Характерной особенностью активной зоны является автоматическое снижение реактивности при отказе насоса или при превышении числа оборотов двигателя насоса. Шаровые твэлы в этом случае концентрируются соответственно либо в нижней части активной зоны, либо в верхней, куда они уносятся потоком теплоносителя.Also known is a water-cooled nuclear reactor containing an active zone with spherical fuel rods and a liquid coolant, which are proposed as H 2 O, D 2 O and an organic compound pumped from the bottom up with a speed ensuring the formation of a fluidized bed in the entire volume of the active zone surrounded by a reflector and enclosed in the case. In this case, continuous mixing of ball fuel rods occurs. A characteristic feature of the core is an automatic decrease in reactivity in the event of a pump failure or when the speed of the pump motor is exceeded. Spherical fuel elements in this case are concentrated, respectively, either in the lower part of the active zone or in the upper, where they are carried away by the coolant flow.
Заявляемое техническое решение направлено на решение задачи, касающейся повышения ядерной и радиационной безопасности водоохлаждаемых ядерных реакторов при проектных и запроектных авариях. The claimed technical solution is aimed at solving the problem of improving the nuclear and radiation safety of water-cooled nuclear reactors during design and beyond design basis accidents.
Для решения поставленной задачи в водоохлаждаемом ядерном реакторе, содержащим активную зону со сферическим ядерным топливом с защитным покрытием и легководным замедлителем-теплоносителем, окруженную отражателем и размещенную в корпусе давления, в каждой элементарной ячейке активной зоны размещено ядерное топливо с огогащением 5-25% и с объемной долей в ячейке 0,015-0,76, причем объемная доля воды в ячейке составляет 0,1-0,25, а оставшийся объем ячейки заполнен вытеснителем, выполненным из материала с микросечением поглощения тепловых нейтронов, меньше чем у легководного замедлителя. To solve this problem, in a water-cooled nuclear reactor containing an active zone with spherical nuclear fuel with a protective coating and a light-water moderator-coolant, surrounded by a reflector and placed in a pressure casing, nuclear fuel with enrichment of 5-25% and s is placed in each unit cell of the active zone the volume fraction in the cell is 0.015-0.76, and the volume fraction of water in the cell is 0.1-0.25, and the remaining volume of the cell is filled with a displacer made of material with a micro neutron absorption cross section c, less than that of a light-water moderator.
В качестве отражателя может быть использована легкая вода, а в качестве ядерного топлива микротвэлы и/или модули, в графитовую матрицу которых диспергированы микротвэлы, которые соединены вытеснителем, по крайней мере в один блок, причем структура микротвэлов и/или модулей в блоке и/или их форма выполнена с возможностью образования насыпной структуры ядерного топлива, ограниченной внутренней поверхностью, по крайней мере, нижней части корпуса давления при расплавлении вытеснителя. Кроме того, в качестве модуля может быть использован шаровой твэл, а в качестве вытеснителя может быть использован алюминий и/или его сплавы. Light water can be used as a reflector, and microfuel and / or modules, in the graphite matrix of which microfuel, which are connected by a displacer in at least one block, can be used as nuclear fuel, and the structure of microfuel and / or modules in the block and / or their shape is made with the possibility of the formation of a bulk structure of nuclear fuel, limited by the inner surface of at least the lower part of the pressure housing during melting of the displacer. In addition, a ball fuel rod can be used as a module, and aluminum and / or its alloys can be used as a propellant.
Другое отличие состоит в том, что в матрице блока диспергированы графитовые элементы, причем графитовые элементы, а также микротвэлы и модули снабжены антиокислительными защитными покрытиями. Another difference is that graphite elements are dispersed in the matrix of the block, moreover, the graphite elements, as well as microfuel elements and modules are provided with antioxidant protective coatings.
Следующим отличием является то, что внутренняя поверхность, по крайней мере, нижней части корпуса давления снабжена защитным покрытием из материала, не взаимодействующего с расплавом вытеснителя. Кроме того, отличие состоит в том, что в блоке выполнен, по крайней мере, один вертикальный канал для прохода через блок теплоносителя и/или поглощающего элемента. A further difference is that the inner surface of at least the lower part of the pressure housing is provided with a protective coating of a material that does not interact with the displacer melt. In addition, the difference lies in the fact that the block has at least one vertical channel for passage through the block of coolant and / or absorbing element.
Следует отметить, что выполнение активной зоны водоохлаждаемого корпусного ядерного реактора, в которой в каждой элементарной ячейке размещено ядерное топливо с обогащением 5-25% и с его объемной долей в элементарной ячейке 0,015-0,76, причем объемная доля воды в ячейке составляет 0,1-0,25, а оставшийся объем ячейки заполнен вытеснителем, выполненным из материала с микросечением поглощения тепловых нейтронов меньше чем у легководного замедлителя (например Al, его сплавы, графит) позволяет обеспечить отрицательность коэффициентов реактивности (мощностного, пустотного и парового) и таким образом исключить разрушение активной зоны, т.е. повысить ядерную безопасность реактора. It should be noted that the implementation of the active zone of a water-cooled vessel-mounted nuclear reactor in which nuclear fuel with enrichment of 5-25% and with its volume fraction in the unit cell of 0.015-0.76 is placed in each unit cell, the volume fraction of water in the cell being 0, 1-0.25, and the remaining volume of the cell is filled with a displacer made of a material with a micro neutron absorption cross section less than that of a light-water moderator (for example, Al, its alloys, graphite) allows the negative reactivity coefficients (my nostnogo, hollow and steam) and thus eliminate the destruction of the core, i.e. improve nuclear safety of the reactor.
Вышеуказанные требования объясняются следующим образом. При обогащении менее 5% не будет достигаться условие критичности реактора. При обогащении более 25% возможны положительные коэффициенты реактивности, что не обеспечивает устойчивость работы энергоустановки. При объемной доле топлива менее 0,015 трудно достигнуть условие критичности реактора и появляется положительный пустотный коэффициент реактивности. Объемной доли сферического топлива выше 0,76 нельзя достигнуть из-за невозможности более плотной упаковки сферических тел в заданном объеме. При объемной доле воды менее 0,1 трудно обеспечить отвод тепла от тепловыделяющих элементов и при прочих равных условиях трудно обеспечить условия критичности. При объемной доле воды более 0,25 реактор будет иметь положительный пустотный коэффициент реактивности. Вытеснитель необходим, чтобы обеспечить объемную долю воды в пределах 0,1-0,25. Вышеуказанные границы были получены после комплекса расчетных исследований, проведенных по программам WIMS-D4, CRISTALL, DRAKON, SFERA, TEPLO, CTAPT-3, FLY. The above requirements are explained as follows. With an enrichment of less than 5%, the criticality condition of the reactor will not be achieved. With enrichment of more than 25%, positive reactivity coefficients are possible, which does not ensure the stability of the power plant. With a volume fraction of fuel of less than 0.015, it is difficult to achieve the criticality condition of the reactor and a positive void reactivity coefficient appears. The volume fraction of spherical fuel above 0.76 cannot be achieved due to the impossibility of a denser packing of spherical bodies in a given volume. With a volume fraction of water of less than 0.1, it is difficult to ensure heat removal from the fuel elements and, all other things being equal, it is difficult to ensure criticality conditions. With a volume fraction of water of more than 0.25, the reactor will have a positive void reactivity coefficient. A displacer is necessary to provide a volume fraction of water in the range of 0.1-0.25. The above boundaries were obtained after a set of computational studies conducted using the WIMS-D4, CRISTALL, DRAKON, SFERA, TEPLO, CTAPT-3, FLY programs.
Особо следует отметить, что использование в качестве ядерного топлива именно микротвэлов и/или модулей, выполненных, например, в виде шаровых твэлов, с антиокислительным защитным покрытием, которые диспергированы, по крайней мере, в матрицу одного блока, выполненную из материала, выбранного в качестве вытеснителя, причем со структурой ядерного топлива в блоке, обеспечивающей возможность при аварии с полной потерей теплоносителя образования насыпной структуры сферического топлива внутри нижней части корпуса реактора или расплавлении материала вытеснителя позволит обеспечить гарантированный теплоотвод от ядерного топлива через корпус реактора и таким образом не допустить перегрев микротвэлов выше предельно допустимой температуры их эксплуатации и тем самым удержать продукты деления внутри твэлов даже в случае полного обезвоживания активной зоны, т.е. повысить радиационную безопасность водоохлаждаемого реактора. It should be especially noted that the use of microfuel fuel rods and / or modules made, for example, in the form of spherical fuel rods, with an antioxidant protective coating, which are dispersed in at least one matrix of a block made of a material selected as a displacer, moreover, with a nuclear fuel structure in the block, which provides the possibility, in an accident with a complete loss of coolant, of the formation of a bulk structure of spherical fuel inside the lower part of the reactor vessel or melting Therians propellant would ensure the guaranteed heat from the nuclear fuel through the reactor vessel and thereby prevent overheating microfuel above their maximum allowable operating temperature and thereby retain fission products within a fuel even if complete dewatering of the core, i.e. to increase the radiation safety of a water-cooled reactor.
Таким образом в предлагаемом техническом решении задача по повышению безопасности водоохлаждаемых реакторов путем наиболее полного использования внутренне присущих свойств безопасности реактора (таких как: отрицательные коэффициенты реактивности, высокая теплоаккумулирующая способность твэлов и блока, отсутствие возможности формирования вторичных критических масс, химическая пассивность материалов активной зоны друг к другу и по отношению к окружающей среде и пассивный механизм охлаждения твэлов и/или микротвэлов при проектных и запроектных авариях) может быть обеспечена только всей совокупностью существенных признаков, приведенных в формуле изобретения. Thus, in the proposed technical solution, the task is to increase the safety of water-cooled reactors by making the fullest possible use of the intrinsic safety properties of the reactor (such as negative reactivity coefficients, high heat-storage ability of fuel rods and unit, the inability to form secondary critical masses, chemical passivity of core materials to a friend and with respect to the environment and the passive cooling mechanism of fuel rods and / or microfuel during design design basis accidents) can only be ensured by the totality of essential features set forth in the claims.
На фиг.1 приведены принципиальная схема петлевой компоновки водоохлаждаемого корпусного ядерного реактора с принудительной циркуляцией теплоносителя; на фиг.2 принципиальная схема интегральной компоновки водоохлаждаемого ядерного реактора с естественной циркуляцией легководного теплоносителя; на фиг.3 принципиальные схемы интегральной компоновки водоохлаждаемого ядерного реактора с принудительной циркуляцией теплоносителя; на фиг.4 конструктивная схема блочной тепловыделяющей сборки водоохлаждаемого реактора; на фиг.5 продольное сечение блочной тепловыделяющей сборки; на фиг.6 поперечное сечение цилиндрической блочной тепловыделяющей сборки; на фиг.7 поперечное сечение призматической блочной тепловыделяющей сборки; на фиг.8 вариант схемы расхолаживания хаотической засыпки шаровых твэлов через корпус реактора после расплавления материала вытеснителя блоков; на фиг.9 вариант схемы расхолаживания хаотической засыпки микротвэлов и шаровых твэлов через корпус реактора после расплавления материала вытеснителя блоков. Figure 1 shows a schematic diagram of the loop layout of a water-cooled nuclear reactor with forced circulation of the coolant; figure 2 is a schematic diagram of the integrated layout of a water-cooled nuclear reactor with natural circulation of light-water coolant; figure 3 schematic diagrams of the integrated layout of a water-cooled nuclear reactor with forced circulation of the coolant; figure 4 is a structural diagram of a block fuel assembly of a water-cooled reactor; figure 5 is a longitudinal section of a block fuel assembly; Fig.6 is a cross section of a cylindrical block fuel assembly; 7 is a cross section of a prismatic block fuel assembly; Fig.8 is a variant of the scheme for damping the chaotic filling of ball fuel rods through the reactor vessel after melting the material of the displacer blocks; Fig. 9 is a variant of the scheme for damping the chaotic backfill of microfuel and spherical fuel elements through the reactor vessel after melting of the material of the displacer blocks.
Водоохлаждаемый ядерный реактор содержит активную зону 1, окруженную легководным отражаталем 2 и размещенную в корпусе давления 3 (см.фиг.1-3). В качестве теплоносителя-замедлителя и отражателя используют легкую воду. На фиг. 1 приведена принципиальная схема петлевой компоновки водоохлаждаемого корпусного ядерного реактора с принудительной циркуляцией теплоносителя насосами 4 через активную зону 1 и парогенераторы (теплообменники) 5. Реактор, насосы, парогенераторы и другое оборудование размещены в герметичных боксах 6 реакторного здания станции. На фиг.2 приведена принципиальная схема интегральной компоновки водоохлаждаемого ядерного реактора с естественной циркуляцией легководного теплоносителя. В данном случае парогенераторы 5 размещены внутри корпуса давления 3, а сам реактор помещен в страховочный корпус 7. На фиг.3 приведены принципиальные схемы интегральной компоновки водоохлаждаемого ядерного реактора с принудительной циркуляцией теплоносителя насосами 4 через активную зону 1 и парогенераторы 5. Причем в левой половине чертежа показано размещение насоса 4 под активной зоной 1, а в правой половине над активной зоной 1. A water-cooled nuclear reactor contains an
Активная зона заявляемого водоохлаждаемого ядерного реактора может быть выполнена в виде одного моноблока или набрана из блочных тепловыделяющих сборок (см.фиг.4). Причем в каждой элементарной ячейке активной зоны обогащение ядерного топлива составляет 5-25% а его объемная доля составляет 0,015-0,76. Кроме того, объемная доля воды в ячейке составляет 0,1-0,25, а оставшийся объем заполнен вытеснителем, выполненным из материала с микросечением поглощения тепловых нейтронов меньше чем у легководного замедлителя (графит, алюминий и/или его сплавы). The active zone of the inventive water-cooled nuclear reactor can be made in the form of a single monoblock or recruited from block fuel assemblies (see figure 4). Moreover, in each unit cell of the active zone, the enrichment of nuclear fuel is 5–25% and its volume fraction is 0.015–0.76. In addition, the volume fraction of water in the cell is 0.1-0.25, and the remaining volume is filled with a displacer made of a material with a micro neutron absorption cross section less than that of a light-water moderator (graphite, aluminum and / or its alloys).
Указанные пределы объясняются тем, что при выходе за них трудно обеспечить условие критичности реактора и существует вероятность получить в некоторых режимах эксплуатации положительный пустотный коэффициент реактивности. Так, например, при обогащении 5% объемной доли ядерного топлива 0,3 и доли воды в элементарной ячейке активной зоны 0,15 критичность реактора достигается, но отсутствует запас реактивности на выгорание (т.е. реактор не будет работать в энергетическом режиме). При доле топлива меньше 0,015 получается положительный пустотный коэффициент реактивности, что не удовлетворяет требованиям, предъявляемым к безопасному реактору. Получить объемную долю микротвэлов больше 0,76 вообще нельзя из геометрических ограничений, так как эта величина является предельной для сферических тел размещаемых в заданном объеме. Вытеснитель необходим для того, чтобы обеспечивать объемную долю воды в пределах 0,1-0,25, а также для того, чтобы связывать фрагменты топливной сборки между собой. Наилучшим материалом для этой цели является алюминий. Он обладает высокой теплопроводностью ≈200-250 Вт/м˙ К, малым сечением поглощения нейтронов ≈0,15 барн и имеет температуру плавления ≈900 К. Это, с одной стороны, обеспечивает его работоспособность в номинальных условиях при Т ≈600К, а с другой стороны дает возможность произвести фрагментацию зоны пассивными средствами при уровне температур ≈900-1000 К, который гораздо ниже предельной рабочей температуры микротвэлов 1900 К. The indicated limits are explained by the fact that when going beyond them it is difficult to ensure the criticality condition of the reactor and it is possible to obtain a positive void reactivity coefficient in some operating modes. So, for example, when enriching 5% of the volume fraction of nuclear fuel 0.3 and the water fraction in the unit cell of the active zone 0.15, the criticality of the reactor is achieved, but there is no reactivity margin for burnup (i.e., the reactor will not work in the energy mode). With a fuel fraction of less than 0.015, a positive void reactivity coefficient is obtained, which does not satisfy the requirements for a safe reactor. It is generally impossible to obtain a volume fraction of microtuels greater than 0.76 from geometrical restrictions, since this value is the limit for spherical bodies placed in a given volume. A displacer is necessary in order to provide a volume fraction of water in the range of 0.1-0.25, as well as in order to bind the fuel assembly fragments to each other. The best material for this is aluminum. It has a high thermal conductivity of ≈200-250 W / m˙ K, a small neutron absorption cross section of ≈0.15 bar and a melting point of ≈900 K. This, on the one hand, ensures its operability in nominal conditions at T ≈600K, and with on the other hand, it makes it possible to fragment the zone with passive means at a temperature level of ≈900-1000 K, which is much lower than the maximum operating temperature of microfuel 1900 K.
На фиг. 4 приведена конструктивная схема блочной тепловыделяющей сборки заявляемого водоохлаждаемого реактора. В этой сборке в качестве ядерного топлива использованы микротвэлы 8 (разработанные для высокотемпературных газоохлаждаемых реакторов) и/или модули 9, в графитовую матрицу 10 которых диспергированы микротвэлы 8. Наиболее целесообразно использовать в качестве модулей 9 шаровые твэлы, разработанные для высокотемпературных газоохлаждаемых реакторов. Микротвэлы и/или модули (шаровые твэлы), в свою очередь, диспергированы в матрицу 11 моноблока, выполненную из материала с микросечением поглощения тепловых нейтронов меньше, чем у легководного теплоносителя. В качестве такого материала можно использовать алюминий и/или его сплавы. Причем для уменьшения поглощения тепловых нейтронов в матричный материал моноблока между микротвэлами и/или шаровыми твэлами могут быть диспергированы графитовые элементы 12 (см.фиг.4 и 5). Графитовые элементы, микротвэлы и шаровые твэлы снабжены антиокислительными защитными покрытиями (на чертеже не показаны). Кроме того, структура микротвэлов и модулей, диспергированных в матрице моноблока, выполнена с возможностью ее рассыпания и образования хаотической засыпки при расплавлении алюминиевой матрицы блока, за счет остаточного энерговыделения в ядерном топливе. Сферическая форма микротвэлов и шаровых твэлов наиболее полно обеспечивают это условие, причем графитовые элементы 12, выполненные, например, также сферическими, не мешают рассыпанию топлива при плавлении алюминия или его сплавов. In FIG. 4 shows a structural diagram of a block fuel assembly of the inventive water-cooled reactor. In this assembly, microfuel 8 (designed for high-temperature gas-cooled reactors) and / or
На фиг.5 приведено продольное сечение блочной тепловыделяющей сборки, по центру которой выполнен вертикальный канал 13 для прохода через блок теплоносителя и/или поглощающего элемента 14. На фиг.6 приведено поперечное сечение цилиндрической блочной тепловыделяющей сборки, а на фиг.7 поперечное сечение призматической сборки, снабженной дистанционирующими ребрами 15. В активной зоне блочные тепловыделяющие сборки могут быть объединены в единое целое, например, бондажом (не показан), который также обеспечивает их подвеску в корпусе реактора, внутренняя поверхность которого, по крайней мере, в его нижней части снабжена защитным покрытием 16, выполненным из материала, не взаимодействующего с расплавом алюминия и/или его сплавами. Figure 5 shows a longitudinal section of a block fuel assembly, in the center of which there is a
На фиг.8 и 9 приведены варианты хаотической засыпки ядерного топлива на дне корпуса реактора 3 после расплавления алюминия за счет остаточного энерговыделения в топливе при обезвоживании активной зоны. Причем на фиг.8 показано, что расплав алюминия 17 находится между шаровыми твэлами 9, хаотично лежащими на дне корпуса реактора, а на фиг.9 показано, что шаровые твэлы 9 частично погружены в расплав алюминия 17, а микротвэлы 8 полностью погружены в расплав на дне корпуса реактора. On Fig and 9 shows options for chaotic backfilling of nuclear fuel at the bottom of the
В качестве конкретного примера выполнения заявляемого водоохлаждаемого ядерного реактора рассмотрены два варианта, в которых в качестве тепловыделяющих сборок используют цилиндрические блоки с шаровыми твэлами в алюминиевой матрице. As a specific example of the inventive water-cooled nuclear reactor, two options are considered in which cylindrical blocks with spherical fuel rods in an aluminum matrix are used as fuel assemblies.
Первый вариант реактор средней мощности тепловой мощностью 1000 МВт и электрической мощностью 300 МВт. Реактор может быть размещен в корпусе реактора ВВЭР-1000. Второй вариант реактор типа АСТ тепловой мощностью 500 МВт, предназначенный для теплоснабжения. The first version is a medium-power reactor with a thermal capacity of 1000 MW and an electric capacity of 300 MW. The reactor can be placed in the reactor vessel VVER-1000. The second option is an AST-type reactor with a thermal capacity of 500 MW, designed for heat supply.
Рассмотрение этих двух вариантов заявляемого водоохлаждаемого реактора представляет интерес по следующим причинам. Так, первый вариант представляет собой энергоустановку для рассматриваемых топливных композиций, размещаемых в корпусе ВВЭР, обеспечивающий удержание продуктов деления в микротвэлах в случае гипотетической аварии, связанной с полной потерей теплоносителя. Второй же вариант реактор для станций теплоснабжения, который вследствие менее напряженных условий работы, приобретает свойства максимальной безопасности. Причем следует отметить, что меньшая теплонапряженность активной зоны позволяет рассчитывать в номинальном режиме на возможность теплосъема за счет естественной циркуляции теплоносителя (см.фиг.2), тем самым повышается его надежность в нормальном и аварийном режимах. Consideration of these two options of the inventive water-cooled reactor is of interest for the following reasons. So, the first option is a power plant for the fuel compositions under consideration, placed in the VVER casing, which ensures the retention of fission products in microfuel in the case of a hypothetical accident associated with a complete loss of coolant. The second variant is a reactor for heat supply stations, which, due to less stressful working conditions, acquires the properties of maximum safety. Moreover, it should be noted that the lower heat intensity of the core allows you to expect in the nominal mode the possibility of heat removal due to the natural circulation of the coolant (see figure 2), thereby increasing its reliability in normal and emergency conditions.
В табл. 1 приведены основные характеристики водоохлаждаемого реактора средней мощности. Активная зона этого реактора состоит из 500 цилиндрических блочных тепловыделяющих сборок (см.фиг.4), составленных вплотную друг к другу в виде гексагональной решетки. Высота активной зоны 4 м. Размеры зоны определяются из допустимого уровня энергонапряженности тепловыделяющих сборок (ТВС), гарантирующего нерасплавление алюминия во всех режимах работы. Тепловыделяющая блочная сборка по высоте набрана из четырех блоков (см.фиг.5 и 6). В нижнем блоке располагается 120 шаровых твэлов и мелких графитовых шаров, пространство между которыми заполнено алюминием. Проведенные расчеты распределения температурных полей в тепловыделяющей сборке показывают, что допустимый уровень энергонапряженности составляет величину порядка 6 кВт/шар, с учетом факторов неопределенности принято: средняя энергонапряженность 4 кВт/шар. In the table. 1 shows the main characteristics of a medium-cooled water-cooled reactor. The active zone of this reactor consists of 500 cylindrical block fuel assemblies (see Fig. 4), made up closely to each other in the form of a hexagonal lattice. The height of the active zone is 4 m. The dimensions of the zone are determined from the permissible level of energy intensity of the fuel assemblies (FA), which guarantees the non-melting of aluminum in all operating modes. The fuel assembly in height is composed of four blocks (see Fig. 5 and 6). In the lower block there are 120 ball fuel rods and small graphite balls, the space between which is filled with aluminum. The calculations of the distribution of temperature fields in the fuel assembly show that the permissible energy level is about 6 kW / ball, taking into account the uncertainty factors, it is accepted: the average energy voltage is 4 kW / ball.
Для данного уровня энергонапряженности 2 МВт/твс, что соответствует средней энергонапряженности активной зоны 17 МВт/м3, для реактора мощностью 1000 МВт(т) получаем эквивалентный радиус активной зоны 2,2,м.For a given energy intensity level of 2 MW / fuel assembly, which corresponds to an average core energy intensity of 17 MW / m 3 , for a reactor with a capacity of 1000 MW (t), we obtain an equivalent core radius of 2.2, m.
Следует отметить, что выбор оптимальной загрузки топлива связан с определением ее характеристик, обеспечивающих неположительность коэффициентов реактивности и хороших характеристик топливного цикла. Для загрузок топлива более 40 г UO2/шар при обогащении U235 выше 8% и доле воды порядка 15% все коэффициенты реактивности, температурный, мощностной и паровой становятся отрицательными, что позволяет говорить о возможности создания достаточно эффективной системы управления реактором.It should be noted that the choice of the optimal fuel loading is associated with the determination of its characteristics, ensuring the non-positivity of the reactivity coefficients and good characteristics of the fuel cycle. For fuel loads of more than 40 g UO 2 / ball with an enrichment of U 235 above 8% and a water fraction of about 15%, all reactivity coefficients, temperature, power and steam become negative, which suggests the possibility of creating a fairly effective reactor control system.
Эффективность использования топлива принято оценивать по критерию удельного расхода природного урана. В табл. 2 приведены результаты расчетов для стационарного режима работы (установившийся режим перегрузки) удельного расхода природного урана для различных загрузок и обогащения топлива. Из табл. 2 видно, что минимальные значения расхода природного урана ≈0,220-230 кг Uест/МВт сут (наибольшая эффективность топливного цикла) достигается при загрузке топлива порядка 60 г/шар и обогащении 8-10% по U235 (аналогичная величина удельного расхода природного урана для реакторов ВВЭР-1000 R=0,240 кг Uест/ВМт.сут, РБМК R 0,240 кг Uест/МВт.сут (см.табл.1).).It is customary to evaluate fuel efficiency by the criterion of specific consumption of natural uranium. In the table. Figure 2 shows the calculation results for a stationary mode of operation (steady-state overload mode) of the specific consumption of natural uranium for various charges and enrichment of fuel. From the table. Figure 2 shows that the minimum values of the consumption of natural uranium ≈0.220-230 kg U eats / MW day (the highest fuel cycle efficiency) are achieved when loading fuel of about 60 g / ball and enriching 8-10% in U 235 (the same value for the specific consumption of natural uranium for VVER-1000 reactors, R = 0.240 kg U eats / VMt.day, RBMK R 0.240 kg U eats / MW.day (see table 1).).
Для рассматриваемого варианта водоохлаждаемого реактора средней мощности выбрана загрузка 60 г UO2/шар, при начальном обогащении топлива 8% по U235. Кампания топлива для этих параметров составляет 1170 сут, среднее выгорание выгружаемого топлива 81000 МВт. сут/т.т. Общая загрузка топлива в реактор составляет 14,4 т.т. Из приведенных данных видно, что предлагаемый вариант реактора с позиций топливного цикла сопоставим по характеристикам с современными реакторами с водяным теплоносителем.For the considered option of a medium-cooled water-cooled reactor, a load of 60 g UO 2 / ball was selected, with an initial fuel enrichment of 8% in U 235 . The fuel campaign for these parameters is 1170 days; the average burnup of the unloaded fuel is 81,000 MW. day / t. The total fuel load in the reactor is 14.4 tons From the above data it can be seen that the proposed version of the reactor from the point of view of the fuel cycle is comparable in characteristics with modern reactors with a water coolant.
Рассмотрим второй вариант водоохлаждаемый реактор для АСТ. В этом реакторе используются те же самые тепловыделяющие сборки, что и для реактора средней мощности рассмотренного выше. Уменьшение мощности реактора позволяет снизить удельную энергонапряженность до 13,7 МВт/м3. При сохранении той же высоты активной зоны 4м эквивалентный радиус активной зоны составляет 1,7 м. В этом случае в реакторе размещено 310 тепловыделяющих блочных сборок с единичной мощностью 1,6 МВт.Consider the second option, a water-cooled reactor for AST. This reactor uses the same fuel assemblies as for the medium power reactor discussed above. Reducing the power of the reactor can reduce the specific energy density to 13.7 MW / m 3 . While maintaining the same core height of 4 m, the equivalent radius of the core is 1.7 m. In this case, 310 fuel assembly units with a unit power of 1.6 MW are placed in the reactor.
Вследствие более низкой энергонапряженности и меньших рабочих температур теплоносителя запас до температуры плавления алюминиевого вытеснителя по сравнению с предыдущим вариантом увели- чится приблизительно на 150оС. Характеристики топливного цикла практически не отличаются от данных, представленных для предыдущего варианта.Due to the lower power density and a lower operating temperature coolant supply to the melting temperature of aluminum displacer compared to the previous embodiment chitsya increased by approximately 150 ° C. The characteristics of the fuel cycle do not differ from the data reported for the previous embodiment.
Основные характеристики водоохлаждаемого реактора для АСТ приведены в табл.3. The main characteristics of a water-cooled reactor for AST are given in Table 3.
Заявляемый водоохлаждаемый ядерный реактор работает следующим образом. Легководный теплоноситель насосом 4 прокачивается снизу вверх через активную зоны 1 как между блоками, так и по каналам 13, выполненным в блоках, где нагревается, а в парогенераторе 5 отдает тепло вторичному теплоносителю и поступает на всас насоса 4. Теперь рассмотрим протекание тяжелой аварии, связанной с полной потерей теплоносителя в заявляемом водоохлаждаемом ядерном реакторе. The inventive water-cooled nuclear reactor operates as follows. The light-
Как уже отмечалось выше, основным преимуществом предлагаемого реактора, по сравнению с другими водо-водяными ядерными реакторами, является его способность удерживать продукты деления в микротвэлах в условиях тяжелой аварии, связанной с потерей теплосъема с активной зоны. Достигается это за счет предложенного состава активной зоны и конструкции блоков, позволяющих так организовать процесс развития тяжелой аварии, чтобы ни при каких условиях максимальная температура микротвэлов не превышала допустимого значения, что обеспечивает целостность микротвэлов и удержание в них практически всех продуктов деления. As noted above, the main advantage of the proposed reactor, compared with other water-cooled nuclear reactors, is its ability to retain fission products in microfuel in severe accident conditions associated with loss of heat removal from the core. This is achieved due to the proposed composition of the core and the design of the blocks, which make it possible to organize the development of a severe accident in such a way that under no circumstances the maximum temperature of the microfuel does not exceed the permissible value, which ensures the integrity of the microfuel and the retention of almost all fission products in them.
Схема развития событий при тяжелой аварии выглядит следующим образом:
в случае потери теплоносителя (легкая вода) вводится большая отрицательная реактивность (порядка 30%), реактор становится подкритичным и единственным источником энерговыделения будет остаточное тепловыделение от продуктов деления;
происходит разогрев активной зоны, алюминий и/или его сплавы в блоках расплавляется и стекает на дно корпуса реактора. Шаровые твэлы (микротвэлы) в блоках ничто не удерживает и они также высыпаются на дно корпуса реактора;
расплавленный алюминий и шаровые твэлы (микротвэлы) собираются на дне корпуса реактора и остаточное энерговыделение отводится, через стенку корпуса реактора за счет теплопроводности, во внешнюю среду любым известным способом, например, за счет прокачки вдоль корпуса реактора воздуха, воды и т. п. (см.фиг.8 и 9) или залива пространства между корпусом реактора и страховочным корпусом воды, а также за счет размещения в этом пространстве любых известных теплообменных устройств (не показанных на чертеже).The pattern of events in a severe accident is as follows:
in case of loss of coolant (light water), a large negative reactivity is introduced (about 30%), the reactor becomes subcritical and the only source of energy release will be the residual heat from fission products;
the core is heated, aluminum and / or its alloys in the blocks are melted and flows to the bottom of the reactor vessel. Nothing holds ball spherical fuel rods (microfuel) in the blocks, and they also spill out to the bottom of the reactor vessel;
molten aluminum and spherical fuel rods (microfuel) are collected at the bottom of the reactor vessel and the residual energy is discharged through the wall of the reactor vessel through heat conduction into the external environment by any known method, for example, by pumping air, water, etc. along the reactor vessel ( see Figs. 8 and 9) or the gulf of the space between the reactor vessel and the water safety vessel, and also due to the placement of any known heat exchange devices (not shown in the drawing) in this space.
Рассмотрим более подробно эту схему и оценим условия работы, в которых могут оказаться микротвэлы на разных этапах развития аварии. Let us consider this scheme in more detail and evaluate the working conditions in which microfuel can be at different stages of the accident.
Потери теплоносителя. Loss of coolant.
Будем считать, что потеря воды активной зоны происходит мгновенно. С точки зрения оценки температур в микротвэлах это наихудший вариант. Потеря водяного замедлителя приводит к снижению реактивности примерно на 30% реактор становится подкритичным. Такое изменение реактивности обеспечивается выбором параметров топливной композиции, а именно: в каждой элементарной ячейке активной зоны обогащение ядерного топлива составляет 5-25% его объемная доля находится в диапазоне 0,015-0,75, объемная доля воды в ячейке при нормальном режиме работы реактора составляет 0,1-0,25, оставшийся объем заполнен вытеснителем, выполненным из материала с микросечением поглощения тепловых нейтронов меньше, чем у легководного замедлителя, например, графита, алюминия или его сплавов. Причем реактор становится подкритичным при потере любого количества воды из количества в нормальном режиме работы реактора 10-25% Таким образом, в результате потери теплоносителя (легкая воды) остается единственный источник тепла остаточное энерговыделение. We assume that the loss of water in the core occurs instantly. From the point of view of estimating temperatures in microfuel, this is the worst option. The loss of a water moderator leads to a decrease in reactivity of about 30%; the reactor becomes subcritical. Such a change in reactivity is provided by the choice of parameters of the fuel composition, namely: in each unit cell of the active zone, the enrichment of nuclear fuel is 5–25%; its volume fraction is in the range 0.015–0.75; the volume fraction of water in the cell under normal reactor operation is 0 , 1-0.25, the remaining volume is filled with a displacer made of a material with a micro-section of thermal neutron absorption less than that of a light-water moderator, for example, graphite, aluminum or its alloys. Moreover, the reactor becomes subcritical with the loss of any amount of water from the amount in the normal operating mode of the reactor 10-25%. Thus, as a result of the loss of coolant (light water), the only heat source is residual energy.
Разогрев активной зоны. Core heating.
За счет остаточного энерговыделения начинается разогрев активной зоны. Алюминий-графитовый блок обладает большой теплоемкостью и для его разогрева от номинальных температур до температуры плавления алюминия и на плавление алюминия необходимо затратить достаточно большое количество энергии. Согласно проведенным оценкам это количество энергии равно
W разогрев + плавление ≈137 МДж/кг. Это количество энергии, за счет остаточного энерговыделения продуктов деления, выделится за
τ разогрев + плавление ≈0,3 ч.Due to the residual energy release, heating of the core begins. The aluminum-graphite block has a high heat capacity and for its heating from nominal temperatures to the melting temperature of aluminum and for the melting of aluminum it is necessary to spend a sufficiently large amount of energy. According to estimates, this amount of energy is equal to
W heating + melting ≈137 MJ / kg. This amount of energy, due to the residual energy of fission products, will be allocated for
τ heating + melting ≈0.3 hours
По мере расплавления алюминия он будет вытекать из ТВС, освобождая шаровые твэлы и вместе с ними скапливаться на дне корпуса реактора. Опыт изучения движения шаровых твэлов в реакторах типа ВТГР показывает, что существует возможность организации этого процесса фрагментации активной зоны упорядоченным образом так, чтобы неравномерность толщины слоя шаровой засыпки на днище корпуса была минимальной. As the aluminum melts, it will flow out of the fuel assembly, releasing ball fuel rods and accumulate with them at the bottom of the reactor vessel. The experience of studying the motion of ball fuel rods in VTGR reactors shows that there is the possibility of organizing this process of core fragmentation in an ordered manner so that the non-uniformity of the thickness of the ball bed layer on the bottom of the shell is minimal.
В конечном итоге, когда расплавится весь матричный материал блоков, на днище корпуса реактора образуется слой хаотической шаровой засыпки твэлов, частично погруженных в алюминий (см.фиг.8). Исходя из соотношения плотностей графита и алюминия 2/3 ( γгр 1,0 г/см3, γAI=2,7 г/см3), получим, что в 2/3 слоя шаровой засыпки между твэлами может быть заполнено алюминием. Для этого потребуется небольшое количество алюминия (например, 1/2 от количества алюминия в активной зоне) разместить, например, на днище корпуса реактора, чтобы его количества и вытекшего после расплавления из активной зоны алюминия было достаточно для заполнения 2/3 свободного объема шаровой засыпки. Если этого не предусмотреть, то только половина шаровой засыпки будет погружена в расплавленный алюминий. Указанное обстоятельство, наличие алюминия между шарами в засыпке существенно, так как в присутствии алюминия коэффициент теплопроводности будет существенно выше по сравнению со случаем, когда между шаровыми твэлами находится газ и обмен теплом осуществляется излучением и теплопроводностью через точки контакта шаровых твэлов на 150-200оС.Ultimately, when all the matrix material of the blocks is melted, a layer of random spherical filling of fuel rods partially immersed in aluminum forms on the bottom of the reactor vessel (see Fig. 8). Based on the ratio of the densities of graphite and
Отвод остаточного тепловыделения через стенку корпуса реактора. Removal of residual heat through the wall of the reactor vessel.
Для расчета температур топлива на этом этапе развития тяжелой аварии проведены расчеты температурных полей по высоте шаровой засыпки твэлов. Уровень остаточного энерговыделения определялся с учетом задержки на время плавления активной зоны. Спад остаточного энерговыделения во времени задавался с помощью табличных значений
Qост Qном 0,0665 F ( τ+ τ разогрев +
+ плавление),
где Qном энергонапряженность активной зоны в нормальном режиме,
F(τ ) функция спада остаточного энерговыделения, которая рассчитывалась с учетом рекомендаций и задавалась таблично, в интервалах между табличными значениями осуществлялась линейная интерполяция.To calculate the temperature of the fuel at this stage of the development of a severe accident, the temperature fields were calculated according to the height of the ball filling of fuel rods. The level of residual energy release was determined taking into account the delay for the core melting time. The decay of the residual energy release over time was set using tabular values
Q ost Q nom 0.0665 F (τ + τ heating +
+ melting)
where Q nom is the core energy density in normal mode,
F (τ) is the decay function of the residual energy release, which was calculated taking into account the recommendations and was given in the table; linear interpolation was carried out in the intervals between the table values.
При расчетах реактора для АСТ считалось, что только половина шаровой засыпки погружена в алюминий, т.е. только алюминий из активной зоны. Для реактора седней мощности проведены расчеты когда 1/2 и 2/3 слоя шаровой засыпки погружены в алюминий. When calculating the reactor for AST, it was believed that only half of the ball filling is immersed in aluminum, i.e. only aluminum from the core. For a reactor of gray power, calculations were performed when 1/2 and 2/3 of the ball-bed layer were immersed in aluminum.
Для шаровой засыпки, погруженной в алюминий, эффективный коэффициент теплопроводности определялся по следующей формуле:
λэфф. λAI ˙εAI + λгр(1 εгр), где λгр теплопроводность мелких графитовых шариков;
λAI теплопроводность алюминия;
εAI, εгр объемная доля алюминия и графита.For ball filling immersed in aluminum, the effective coefficient of thermal conductivity was determined by the following formula:
λ eff. λ AI AIε AI + λ g (1 ε g ), where λ g thermal conductivity of small graphite balls;
λ AI thermal conductivity of aluminum;
ε AI , ε gr volume fraction of aluminum and graphite.
Для шаровой засыпки без алюминия использовались данные о коэффициенте теплопроводности в шаровой засыпке реакторов ВТГР. For ball filling without aluminum, we used data on the thermal conductivity coefficient in the ball filling of VTGR reactors.
Расчет проводился для плоского одномерного случая. В качестве граничных условий на внешней стенке корпуса реактора было принято условие
Тст 100оС (температура кипящей воды).The calculation was carried out for the planar one-dimensional case. As boundary conditions on the outer wall of the reactor vessel, the condition was accepted
T article 100 about C (temperature of boiling water).
На верхней (свободной) границе шаровой засыпки считалось, что отвод тепла осуществляется только за счет излучения, т.е. At the upper (free) boundary of the ball filling, it was believed that heat was removed only through radiation, i.e.
λ▽Т С σо (Т4 Θ4), где С приведенный коэффициент излучения, характеризующий интенсивность теплообмена излучением на свободной границе;
σо 5,66 ˙10-8 Вт/м2к4 постоянная Стефана-Больцмана;
Т температура на границе;
Θ температура внешней системы.λ ▽ Т С σ о (Т 4 Θ 4 ), where С is the reduced emissivity characterizing the intensity of heat transfer by radiation at the free boundary;
σ about 5.66 ˙10 -8 W / m 2 to 4 Stefan-Boltzmann constant;
T is the temperature at the border;
Θ temperature of the external system.
Значение коэффициента С в расчетах варьировалось от 0 до 0,5. Толщина всего слоя хаотической шаровой засыпки определялась исходя из общего количества шаров в активной зоне и площади днища корпуса. Для рассматриваемых вариантов реакторов получается, что толщина слоя шаровой засыпки составляет ≈1,5 м. Результаты проведенных расчетов представлены в табл.4, где для различных условий теплообмена на свободной поверхности засыпки определены максимальные температуры микротвэлов, доля микротвэлов с температурой выше 1600оС и время, через которое достигается максимум температуры.The value of the coefficient C in the calculations ranged from 0 to 0.5. The thickness of the entire layer of chaotic ball filling was determined based on the total number of balls in the core and the area of the bottom of the body. For the considered embodiment of reactors it is obtained that the layer thickness of the ball filling ≈1,5 m. The results of these calculations are presented in Table 4, where different heat transfer conditions on the free surface backfill maximum temperature determined microfuel share microfuel a temperature above 1600 ° C and time after which the maximum temperature is reached.
Как видно из представленных результатов расчетов для обоих вариантов реакторов режимы, когда максимальная температура микротвэлов не превышает 1600оС, могут быть достаточно надежно реализованы. К тому же следует иметь ввиду, что в проведенном рассмотрении достаточно консервативные приближения с точки зрения формирования условий теплоотвода, не учитывался отвод тепла через боковые стенки корпуса; в нижней части, вблизи корпуса алюминий будет находиться в твердом состоянии, а его теплопроводность в 3-4 раза больше, чем у расплавленного, в результате отвод тепла будет более интенсивный, чем в проведенных расчетах, предполагалось, что активная зона осушается мгновенно и после остановки реактора вся энергия расходуется только на расплавление блоков, однако есть основание считать, что в реальности этот процесс будет более длительным и естественно последующий разогрев активной зоны будет менее интенсивным. Заявляемый водоохлаждаемый ядерный реактор с ядерным топливом в виде микротвэлов, разработанных для высокотемпературных газоохлаждаемых ядерных реакторов, основан на существующих в настоящее время технологиях, позволяющих решить проблему ядерной и радиационной безопасности энергоустановок в случае наиболее тяжелой, гипотетической аварии, связанной с полной потерей водяного теплоносителя первого контура.As seen from the presented results of calculations for both reactors embodiment modes when microfuel maximum temperature does not exceed 1600 ° C, it can be adequately implemented. In addition, it should be borne in mind that in the review, there are rather conservative approximations from the point of view of the formation of heat removal conditions, heat removal through the side walls of the housing was not taken into account; in the lower part, near the case, aluminum will be in a solid state, and its thermal conductivity is 3-4 times greater than that of the molten one, as a result of heat removal will be more intense than in the calculations, it was assumed that the active zone is drained instantly and after stopping all the energy of the reactor is spent only on the melting of the blocks, however, there is reason to believe that in reality this process will be longer and naturally the subsequent heating of the core will be less intense. The inventive water-cooled nuclear reactor with nuclear fuel in the form of microfuel, designed for high-temperature gas-cooled nuclear reactors, is based on current technologies that solve the problem of nuclear and radiation safety of power plants in the case of the most severe, hypothetical accident associated with the complete loss of the primary coolant .
Следует также отметить, что характеристики топливного цикла предлагаемого реактора не уступают современным реакто- рам с водяным теплоносителем и обеспечивают расход природного урана на уровне 0,230 кг Uест/МВт.сут, при этом удельная загрузка топлива составляет 14,4 кг/МВт.It should also be noted that the characteristics of the fuel cycle of the proposed reactor are not inferior to modern reactors with a water coolant and provide a flow rate of natural uranium at the level of 0.230 kg U eats / MW / day, while the specific fuel loading is 14.4 kg / MW.
Кроме того, достижимый уровень энергонапряженности активной зоны для предлагаемой конструкции блока составляет 17-20 МВт/м3 (эквивалентно 4-6 кВт/шар) и соответствующая этому уровню энергонапряженности мощность реактора (1000 МВт. т) позволяет разместить его активную зону в корпусе реактора ВВЭР-1000.In addition, the achievable core energy level for the proposed block design is 17–20 MW / m 3 (equivalent to 4–6 kW / ball) and the reactor power corresponding to this energy level (1000 MW t) allows placing its core in the reactor vessel VVER-1000.
Claims (9)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| SU925044858A RU2032946C1 (en) | 1992-05-29 | 1992-05-29 | Water-cooled nuclear reactor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| SU925044858A RU2032946C1 (en) | 1992-05-29 | 1992-05-29 | Water-cooled nuclear reactor |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2032946C1 true RU2032946C1 (en) | 1995-04-10 |
Family
ID=21605562
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| SU925044858A RU2032946C1 (en) | 1992-05-29 | 1992-05-29 | Water-cooled nuclear reactor |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2032946C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2176826C2 (en) * | 1994-08-16 | 2001-12-10 | Радковски Ториум Пауэр Корпорейшн | Nuclear reactor (versions), reactor core operation process (versions), and reactor core (versions) |
| RU179703U1 (en) * | 2017-03-28 | 2018-05-25 | Андрей Александрович Виноградов | BALL FUEL ASSEMBLY OF THE NUCLEAR REACTOR |
-
1992
- 1992-05-29 RU SU925044858A patent/RU2032946C1/en active
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| Sefidvash F. A fluidired - bed nuclear reactor concept. Nucl. Techn. 1985, V.71, N 3, р.527-534. * |
| Sefidvash F. Haroon M.K.Preliminary reactor physica calculations of fluidized bed nuclear reactor concept. Atomkernererg Kerntech 1980. р.35. * |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2176826C2 (en) * | 1994-08-16 | 2001-12-10 | Радковски Ториум Пауэр Корпорейшн | Nuclear reactor (versions), reactor core operation process (versions), and reactor core (versions) |
| RU2222837C2 (en) * | 1994-08-16 | 2004-01-27 | Радковски Ториум Пауэр Корпорейшн | Fuel assembly of seed-blanket modules for nuclear reactor (alternatives) |
| RU179703U1 (en) * | 2017-03-28 | 2018-05-25 | Андрей Александрович Виноградов | BALL FUEL ASSEMBLY OF THE NUCLEAR REACTOR |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US2736696A (en) | Reactor | |
| Forsberg et al. | Molten-salt-cooled advanced high-temperature reactor for production of hydrogen and electricity | |
| Kiryushin et al. | Project of the GT-MHR high-temperature helium reactor with gas turbine | |
| Adamov et al. | The next generation of fast reactors | |
| US10147506B2 (en) | Conformal core cooling and containment structure | |
| WO2007136261A1 (en) | A nuclear reactor | |
| EP2431976A1 (en) | Melt-cooling promoting apparatus, and reactor container | |
| RU2699229C1 (en) | Low-power fast neutron modular nuclear reactor with liquid metal heat carrier and reactor core (versions) | |
| Alameri | A coupled nuclear reactor thermal energy storage system for enhanced load following operation | |
| US4795607A (en) | High-temperature reactor | |
| US2809931A (en) | Neutronic reactor system | |
| Sefidvash | Status of the small modular fluidized bed light water nuclear reactor concept | |
| RU2032946C1 (en) | Water-cooled nuclear reactor | |
| US2886503A (en) | Jacketed fuel elements for graphite moderated reactors | |
| van Rooijen | Improving fuel cycle design and safety characteristics of a gas cooled fast reactor | |
| US3322636A (en) | Breeder nuclear reactor | |
| US2807581A (en) | Neutronic reactor | |
| RU2080663C1 (en) | Ball fuel element of nuclear reactor | |
| US2872399A (en) | Self-reactivating neutron source for a neutronic reactor | |
| RU2767298C1 (en) | Method for ensuring nuclear safety of a high-temperature fast neutron reactor | |
| US4415525A (en) | Heterogeneous gas core reactor | |
| RU2010365C1 (en) | Nuclear reactor with globular heat generating elements and method for it attaining to operating | |
| RU182708U1 (en) | BALL ABSORBING ELEMENT | |
| Dick et al. | Event sequence of a severe accident in a single-unit CANDU reactor | |
| Zvonarev et al. | Loss of Cooling Accidents Modelling in At-reactor Spent Fuel Pool of VVER-1200 |