ЯДЕРНЫЙ РЕАКТОР С ВОДОЙ ПОД ДАВЛЕНИЕМ С АКТИВНОЙ ЗОНОЙ НА ОСНОВЕ МИКРОТВЭЛОВ И СПОСОБ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ЕГО РАБОТЫ

Изобретение относится к области атомной энергетики и может быть использовано в реакторах типа ВВЭР с активной зоной на основе микротвэлов.

Известен реактор с водой под давлением с активной зоной на основе микротвэлов (см., например, Пономарев-Степной Н. Н., Кухаркин Н. Е., Филиппов Г. А., Гришанин Е. И. и др. "Перспективы применения микротвэлов в ВВЭР". - Атомная энергия, т.86. Вып.6, июнь 1999 г. [1]), который может рассматриваться в качестве аналога для объекта «Устройство…».

Известный реактор за счет применения микротвэлов обеспечивает безопасность на детерминистском уровне, т.е. исключается существенный выход продуктов деления при любых тяжелых авариях, включая разрушение корпуса, падение тяжелого самолета и любые действия террористов.

Недостатком известного реактора является то, что в нем не используется в полной мере возможности активной зоны на основе микротвэлов. Активная зона на основе микротвэлов имеет примерно в 10 раз большую поверхность теплообмена, и поэтому в ней отсутствуют ограничения по кризису теплообмена практически при любом значении паросодержания. В тепловыделяющей сборке с микротвэлами организовано поперечное течение теплоносителя. Поэтому максимальное приращение энтальпии имеет место примерно в центре по высоте активной зоны. Поэтому кипение теплоносителя-замедлителя будет эффективно воздействовать на реактивность. Это создает техническую возможность компенсировать большой запас реактивности за счет изменения плотности теплоносителя - замедлителя при его кипении.

В отношении объекта «Способ…» известно решение [2], Заявка №92000593/25, опубликовано 20.07.1995, МПК G21C 7/00, G21C 7/30, «Способ ввода в эксплуатацию и эксплуатация ядерных реакторов с водой под давлением».

Способ относится к энергетике и может быть использован для реакторов типа ВВЭР - 1000 при вводе их в эксплуатацию. Способ позволяет повысить безопасность эксплуатации реактора путем обеспечения внутренней самозащищенности реактора и эффективность регулирующих поглощающих органов. Способ заключается -в формировании активной зоны реактора при первой загрузке топлива, при котором часть сборок со стержнями выгорающего поглотителя с плотностью по бору 0,036 г/см³ в ТВС обогащением 4,4% заменена на СВП с плотностью по бору 0,065 г/см³, а центральная ТВС содержит топливо с обогащением по U - 235 в пределах 1,6-2,0%, причем расположение ТВС обогащением 1,6 и 3,0% частично изменено. Способ позволяет обеспечить отрицательный коэффициент реактивности по температуре теплоносителя и положительный коэффициент реактивности по плотности теплоносителя.

Данное решение может рассматриваться в качестве аналога для объекта «Способ…».

К недостаткам указанного решения можно отнести следующие. Неоптимальность использования возможностей активной зоны на основе микротвэлов. Активная зона на основе микротвэлов может иметь примерно в 10 раз большую поверхность теплообмена, и поэтому в ней отсутствуют ограничения по кризису теплообмена практически при любом значении паросодержания, что возможно использовать. В тепловыделяющей сборке с микротвэлами организовано поперечное течение теплоносителя. Поэтому максимальное приращение энтальпии может иметь место примерно в центре по высоте активной зоны. Поэтому кипение теплоносителя-замедлителя в известном аналоге недостаточно эффективно воздействует на реактивность и, соответственно, не позволяет создать техническую возможность компенсировать большой запас реактивности за счет изменения плотности теплоносителя - замедлителя при его кипении (в качестве «Замедлителя» в данном случае выступает теплоноситель-вода с вариабельным эффетом воздействия на приращение энтальпии, в зависимости от закипания/кипения).

Также известно решение согласно патенту РФ №2128864 «Способ перегрузки тепловыделяющих сборок водо-водяного реактора» [3].

Изобретение относится к области атомной энергетики и может быть использовано при эксплуатации водо-водяных реакторов типа реакторов ВВЭР-1000. Технический результат заключается в одновременном размещении в активной зоне водо-водяного реактора разнородных ТВС, различающихся при их нахождении в активной зоне спектром нейтронов при сохранении неизменной или незначительно уменьшенной компенсационной способности подвижных поглотителей СУЗ.

Способ перегрузки тепловыделяющих сборок (ТВС) в водо-водяном реакторе, содержащем два или более типов ТВС, различающихся мягкостью спектра нейтронов при их нахождении в активной зоне, включает извлечение отработавших, перемещение оставшихся в активной зоне и догрузку свежих ТВС, при этом доля ТВС с мягким спектром среди ячеек СУЗ установлена больше доли этих ТВС в активной зоне и в пределе равняется единице.

В описании к патенту сказано: « Приведенные данные по эффективности 61 группы поглотителей нейтронов соответствуют случаю равномерного распределения по ячейкам активной зоны двух различных типов ТВС, различающихся спектром нейтронов. В этом случае эти разнородные ТВС среди ячеек СУЗ распределены в том же соотношении, что и во всех ячейках активной зоны. Однако было ранее показано, что эффективность поглотителей в ячейках СУЗ зависит от типа ТВС в этих ячейках и практически не зависит от того, какие ТВС загружены в остальные ячейки активной зоны. Поэтому целесообразно в ячейки СУЗ размещать в основном или только ТВС с мягким спектром нейтронов. В данном случае необходимо отдать предпочтение для ТВС урановым топливом при загрузке ячеек СУЗ (таблица 2). Это уменьшит потерю компенсационной способности поглотителей при преимущественной загрузке ячейки СУЗ ТВС с урановым топливом или полностью ее предотвратит при загрузке в ячейки СУЗ только ТВС с урановым топливом.

В таком случае доля ТВС с мягким спектром среди ячеек СУЗ будет выше, чем доля таких ячеек среди всех ячеек активной зоны. В пределе, когда все ячейки СУЗ будут заполнены ТВС с мягким спектром, эта доля будет равна единице.»

Данное решение [3] может рассматриваться в качестве аналога для объекта «Способ…».

К недостаткам указанного решения можно отнести:

Неоптимальность использования возможностей активной зоны на основе микротвэлов. Активная зона на основе микротвэлов может иметь примерно в 10 раз большую поверхность теплообмена, и поэтому в ней отсутствуют ограничения по кризису теплообмена практически при любом значении паросодержания, что возможно использовать. В тепловыделяющей сборке с микротвэлами организовано поперечное течение теплоносителя. Поэтому максимальное приращение энтальпии может иметь место примерно в центре по высоте активной зоны. Поэтому кипение теплоносителя-замедлителя в известном недостаточно эффективно воздействует на реактивность и, соответственно, не позволяет создать техническую возможность компенсировать большой запас реактивности за счет изменения плотности теплоносителя - замедлителя при его кипении.

Также известен реактор с водой под давлением с активной зоной на основе стержневых твэлов [4] (см., например, Интернет: ВВЭР с микротвэлами (МТ)):

«…Тепловыделяющая сборка с микротвэлами. 2.3. Конструктивный облик ВВЭР с микротвэламиё. … Реальным ответом на этот вызов является новая разработка РНЦ «КИ» и ВНИИАМ - реакторов типа ВВЭР и РБМК для АЭС с активной зоной на основе микротвэлов (МТ). … Состав водяного теплоносителя был принят для реактора типа PWR (в мг/кг): Бор-1000, Сl<0,1, F"<0,15…vniiam.narod.ru>rus2/VVR.DOC /Оригинал: http://vniiam.narod.ru/rus2/VVR.DOC/)».

Недостатком использования указанного выше решения [4] являются низкие параметры пара и КПД. В значительной степени это обусловлено ограничениями по критическим нагрузкам при местном кипении водяного теплоносителя. Поэтому допустимая среднесмешанная температура на выходе активной зоны отличается от температуры кипения на 20-30°С.

Указанное решение может рассматриваться в качестве прототипа к заявленному объекту «Устройство».

Известный способ работы (использования) указанного выше реактора [4], в частности, включает перегрузку топлива один раз в год и компенсацию запаса реактивности на выгорание в течение года между перегрузками за счет имеющегося в активной зоне выгорающего поглотителя.

Этот способ принят за прототип для заявленного объекта «Способ…», как наиболее близкое техническое решение по своей технической сущности (см. описание прототипа:

«… - создать реактор с непрерывной перегрузкой МТ микровэлов без снятия крышки корпуса.

…Применение МТ в виде свободной засыпки в ТВС позволяет создать реактор типа ВВЭР с непрерывной перегрузкой. Эта система работает по принципу песочных часов без вскрытия крышки и без снижения мощности. При такой системе коэффициент использования мощности (т.е. использование капитальных затрат) возрастает до значений, характерных для РБМК, т.е. более 95%. При этом длительность кампании самого МТ уже не имеет значения, и он может быть выполнен с толстой оболочкой и глубиной выгорания более 10%. Вскрытие крышки будет необходимым только по требованию нормативных документов раз в 4 года, а по существу, в рабочем порядке реактор будет работать, по крайней мере, 10 лет без вскрытия крышки. В результате могут быть резко снижены дозовые нагрузки на персонал.

…Принятые…проектные основы следующие:

- движение МТ осуществляется по действием собственного веса как в песочных часах:

- ТВС объединены в несколько групп для загрузки "свежих" и выгрузки выгоревших МТ;

- перегрузка осуществляется при работе реактора на мощности».

…также, из прототипа (известное техническое решение [4]) использованы:

«входной коллектор в виде конуса также с перфорированными стенками, слей МТ, расположенный между ними в виде свободной засыпки, хвостовик и головку…»

«…выходной коллектор расположен в зазоре между ТВС. Для этого наружный чехол выполнен в виде усеченного конуса…».

Технической задачей является повышение среднесмешанной температуры на выходе активной зоны до температуры насыщения и повышении выгорания урана за счет компенсации запаса реактивности на выгорание посредством изменения плотности теплоносителя-замедлителя (например, воды при ее закипании/кипении).

Решение указанной технической задачи обеспечит оптимальность использования возможностей активной зоны на основе микротвэлов: например, возможность иметь примерно в 10 раз большую поверхность теплообмена, в отсутствие ограничений по кризису теплообмена практически при любом значении паросодержания, максимальное приращение энтальпии может иметь место примерно в центре по высоте активной зоны, поэтому кипение теплоносителя-замедлителя обеспечит более эффективное воздействие на реактивность и, соответственно, позволит создать техническую возможность компенсировать большой запас реактивности за счет изменения плотности теплоносителя-замедлителя при его кипении.

Техническая задача решается за счет оптимизации объемного кипения теплоносителя (воды) в «свежей» ТВС, причем массовое паросодержание, достаточное для получения среднесмешанной температуры, равной температуре насыщения, реализуется посредством предложенной совокупности существенных признаков. Совокупность существенных признаков для объекта «Устройство».

Ядерный реактор с водой под давлением с активной зоной на основе микротвэлов, включающий разнородные ТВС, размещенные в засыпке в распределенных радиальных зонах, прилегающих к входному и выходному коллекторам, с возможностью образования поперечного течения теплоносителя и с возможностью извлечения отработавших, перемещения оставшихся и догрузки «свежих ТВС», средство регулировки реактивности ядерного реактора, при этом дополнительно размещаемые «свежие ТВС» выполнены без средства регулировки реактивности ядерного реактора - выгорающего поглотителя, а средство регулировки реактивности ядерного реактора выполнено в виде комплекса взаимосвязанных элементов управления изменениями плотности теплоносителя при его закипании/кипении.

- причем в качестве теплоносителя используют воду.

- наружный чехол и входной коллекторы выполнены цилиндрообразной формы.

- элементы управления изменениями плотности теплоносителя при его закипании/кипении включают средства изменения, поддержания и контроля среднесмешанной температуры теплоносителя в пределах 330-370°С.

- средства изменения, поддержания и контроля объемного паросодержания включают средства изменения параметров температуры и/или давления теплоносителя.

Также, как указано ранее, в качестве прототипа к объекту «Способ…» - «Способ осуществления работы ядерного реактора с водой под давлением с активной зоной на основе микротвэлов» может рассматриваться известное техническое решение [4].

Совокупность существенных признаков для объекта «Способ».

Способ осуществления работы ядерного реактора с водой под давлением с активной зоной на основе микротвэлов, включающий одновременное размещение в активной зоне разнородных ТВС, формирование поперечного течения и объемного паросодержания теплоносителя в распределенных радиальных зонах, прилегающих к входному и выходному коллекторам, извлечение отработавших, перемещение оставшихся и догрузку «свежих ТВС», регулировку реактивности ядерного реактора, причем регулировку реактивности ядерного реактора осуществляют, поддерживая среднесмешанную температуру на выходе реактора в пределах +/-20°С. температуры насыщения, формируя в «свежих» тепловыделяющих сборках объемное паросодержание не менее 10% посредством регулирования интенсивности объемного кипения теплоносителя, при этом

- на выходе активной зоны реактора поддерживают среднесмешанную температуру в пределах 330-370°С;

- объемное паросодержание формируют путем изменения параметров температуры и/или давления теплоносителя;

- в зоне, прилегающей к входному коллектору, поддерживают объемное кипение теплоносителя с паросодержанием в пределах 7-10%;

- в зоне, прилегающей к выходному коллектору, поддерживают объемное кипение теплоносителя с паросодержанием в пределах 17-20%.

(Понятие: «…массовое паросодержание, достаточное для получения среднесмешанной температуры, равной температуре насыщения…»

- см., например:

Интернет,…Влияние давления на температуру насыщения…

При внутреннем давлении в 68,9 кПа температура насыщения воды 89,6°С. Это значит, что кипение не произойдет, пока давление пара не достигнет 68,9 кПа.

http://www.xiron.ru/content/view/23191/28/…»)…

Сущность изобретения поясняется на фиг.1, 2 и 3.

На фиг.1 представлена конструктивная схема ТВС с поперечным течением теплоносителя;

- на фиг.2 - пример расчета распределения паросодержания «для свежей» ТВС;

- на фиг.3 приведено распределение мощности по высоте «свежей» ТВС при объемном кипении теплоносителя (в осях: Относительная высота (ТВС) / Относительная мощность).

Позициями на фигурах обозначены:

1 - головка;

2 - втулка;

3 - пружина;

4 - подпружиненная крышка;

5 - входной коллектор;

6 - наружный чехол;

7 - направляющие трубки для регулирующих стержней;

8 - засыпка микротвэлов;

9 - опорное днище;

10 - хвостовик;

11 - стрелка указывает область максимального значения паросодержания;

12 - выходной коллектор (расположен снаружи от наружного чехла 6);

13 - осевая линия ТВС;

14 - зона, прилегающая к входному коллектору 5;

18 - зона, прилегающая к выходному коллектору 12;

14, 15, 16, 17, 18 - пять радиальных зон.

На фиг. 3 показано, как существенно снижается мощность в центре ТВС по высоте за счет уменьшения плотности воды при кипении теплоносителя.

ТВС, согласно показанному на фиг. 1, работает следующим образом. Холодный теплоноситель (с отрицательным значением паросодержания) поступает через хвостовик 10 во входной коллектор 5. Через щели в стенках указанного коллектора 5 теплоноситель поступает в засыпку микротвэлов 8, в которой он нагревается и частично испаряется преимущественно в центре по высоте ТВС. Горячий теплоноситель и пароводяная смесь выходит через щели в наружном чехле 6 в пространство 12 (зазор) между соседними ТВС. Это пространство (снаружи от наружного чехла 6) является выходным коллектором 12.

Далее пароводяная смесь выходит из ТВС через отверстия в блоке защитных труб (не показаны). При равномерном распределении плотности щелей в стенках коллекторов максимальное приращение паросодержания имеет место примерно в центре по высоте ТВС, что показано на фиг. 2, где приведены результаты теплогидравлического расчета, приведенные для радиальных зон ТВС.

Зона 14, ближайшая к осевой линии 13, - есть входной коллектор 5 с относительно «холодным» паром (отрицательное значение паросодержания).

Крайняя, наиболее удаленная от осевой линии 13 зона - это выходной коллектор 12, а прилегающая к нему в направлении к осевой линии - одна из пяти радиальных зон (зона 18) в засыпке, это зона, в которой имеет место развитое объемное кипение с максимальным паросодержанием 17-20% (показано стрелкой 18).

Причем непосредственно в самом выходном коллекторе 12 максимальное паросодержание (на выходе «свежей» ТВС) поддерживают в пределах 9%.

Такое паросодержание обеспечивает среднесмешанную температуру на выходе активной зоны (выходной коллектор 12), примерно равную температуре насыщения.

Контроль, своевременное регулирование предварительно устанавливаемых, согласно расчетам, необходимых для поддержания заданных параметров теплоносителя пропускной способности средств обеспечения регулировки реактивности ядерного реактора, осуществляют, поддерживая указанную пропускную способность, обеспечивающую среднесмешанную температуру на выходе реактора в пределах +/- 20°С от температуры насыщения и формируя в «свежих» тепловыделяющих сборках объемное паросодержание не менее 10% за счет регулирования интенсивности объемного кипения теплоносителя, при этом используют в качестве средств обеспечения соответствующие известные датчики температуры, давления, насыщения, соединенные с программно обеспечивающими средствами, соотносящими исходные сигналы от датчиков к исполнительным органам регулирования в заданных пределах температуры, давления, насыщения.

Упомянутые датчики (не показаны), исполнительные органы регулирования (не показаны) установлены с возможностью съема показателей и регулирования потоков теплоносителя в областях: - входного коллектора 5, области максимального значения паросодержания 11, выходного коллектора 12, зоны 14, прилегающей к входному коллектору 5, зоны 18, прилегающей к выходному коллектору 12, пяти радиальных зон 14, 15, 16, 17, 18.

Указанное обеспечивает объемное кипение в «свежей» ТВС, что приводит к компенсации запаса реактивности на выгорание в период между перегрузками топлива.

Образование большого паросодержания в центре по высоте ТВС приводит к сильному уменьшению реактивности за счет меньшей плотности пароводяной смеси по сравнению с плотностью воды. То есть применительно к используемому типу реактора («реактор с водой под давлением с активной зоной на основе микротвэлов»), соответственно, нет необходимости иметь выгорающий поглотитель или иной поглотитель нейтронов. В области пониженной плотности замедлителя увеличивается поглощение нейтронов в резонансах урана-238 с образованием плутония-239. Повышенное накопление плутония приводит к увеличению выгорания.

На фиг. 3 показано как сильно уменьшается мощность в центре за счет уменьшения размножающих свойств при увеличении паросодержания в центре ТВС.

Предложенное изобретение обеспечивает повышение среднесмешанной температуры на выходе активной зоны, в среднем, примерно 350°С, т.е. позволяет в максимальной степени использовать потенциал водяного теплоносителя. В свою очередь это позволяет повысить КПД паротурбинной установки до 39%. Объемное кипение в «свежей» ТВС приводит к компенсации запаса реактивности на выгорание в период между перегрузками топлива, т.е. без выгорающего поглотителя и без воздействия регулирующих стержней. В свою очередь это увеличивает выгорание на 20% при 4-х годовой продолжительности кампании.