| [31/03/2015] Атомный жидкосолевой энергетический реактор
 Н.А.Ермолов, ведущий инженер-исследователь, Обнинск Калужской обл.
Представляю два возможных варианта атомного жидкосолевого реактора. В состав первого реактора входят:
- корпус с камерой активной зоны и патрубками для охлаждающего теплоносителя; - расположенные над камерой активной зоны нижняя и верхняя трубные решетки с приваренными к ним охлаждающими трубопроводами, погруженными в камеру активной зоны парами, внутренние трубопроводы установлены с просветом во внешних, заглушенных внизу трубопроводах;
- оборудование системы отвода газообразных продуктов деления;
- оборудование системы переработки жидкосолевой топливной композиции, обеспечивающее прием на переработку из работающего реактора объема v1 топливной композиции, одновременную отправку в работающий реактор объема v1 переработанной топливной композиции, нагретой до рабочей температуры в реакторе, и переработку принятой топливной композиции;
- насос для откачки топливной композиции из работающего реактора на переработку и насос для закачки в работающий реактор переработанной топливной композиции, нагретой до рабочей температуры в реакторе, оснащенные устройствами системы управления их работой, которые обеспечивают одновременный пуск, равенство объемных подач и одновременный останов насосов, и устройствами системы диагностики, которые обеспечивают диагностику насосов и устройств системы управления их работой.
В частных случаях исполнения первого реактора предлагается:
- в систему переработки включить оборудование, обеспечивающее ежедневный прием на переработку из работающего реактора объема топливной композиции v2=V1/n2, где V1 – объем всего количества топливной композиции в реакторе, n2 равно выбранному числу дней на переработку объема V1 топливной композиции, одновременную отправку в работающий реактор объема v2 переработанной топливной композиции, нагретой до рабочей температуры в реакторе, и переработку принятой топливной композиции;
- над камерой активной зоны расположить камеру компенсации тепловых расширений топливной композиции;
- в состав реактора включить конденсатор паров топливной композиции;
- пары охлаждающих трубопроводов погрузить с просветом в сквозные отверстия стержней замедлителя, установленных в камере активной зоны;
- пары охлаждающих трубопроводов погрузить с просветом в сквозные отверстия труб естественной конвекции, установленных в камере активной зоны;
- в камере активной зоны установить стержни замедлителя и трубы естественной конвекции, пары части охлаждающих трубопроводов погрузить с просветом в сквозные отверстия стержней замедлителя, пары остальных охлаждающих трубопроводов погрузить с просветом в сквозные отверстия труб естественной конвекции;
- корпус реактора оснастить устройствами для зачалки и установить в защитный электрообогреваемый сейсмически изолированный бокс;
- защитный электрообогреваемый бокс изготовить в виде транспортного контейнера с устройствами для зачалки и снабдить защитной крышкой.
На фиг.1, представлена возможная конструкция первого, жидкосолевого реактора. На фигуре 1 приняты следующие обозначения:
1 – верхняя трубная решетка, 2 – внешний трубопровод охлаждающего теплоносителя, 3 – внутренний трубопровод охлаждающего теплоносителя, 4 – входная камера охлаждающего теплоносителя, 5 – входной патрубок охлаждающего теплоносителя, 6 – выходная камера охлаждающего теплоносителя, 7 – выходной патрубок охлаждающего теплоносителя, 9 – запорный вентиль трубопровода закачки топливной композиции в реактор, 11 – запорный вентиль трубопровода откачки топливной композиции из реактора, 12 – защитный электрообогреваемый бокс, 13 - камера активной зоны, 16 – камера компенсации расширений топливной композиции, 17 – компенсатор сейсмических колебаний, 19 – конденсатор паров топливной композиции, 20 - корпус реактора, 21 – крышка защитного бокса, 23 – насос для закачки топливной композиции в реактор, 25 – насос для откачки топливной композиции из реактора, 26 – нижняя трубная решетка, 27 – основание, 28 – патрубок заполнения – опорожнения камеры активной зоны, 32 – система переработки топливной композиции, 33 - система заполнения – опорожнения камеры активной зоны топливной композицией, 35 – система отвода газообразных продуктов деления, 36 – система охлаждения реактора, 37 – система нагревания внутреннего пространства защитного бокса инертным газом, 38 – система производства электроэнергии, 39 – стержень замедлителя, 40 – труба естественной конвекции, 41 – устройство для зачалки.
Входной 5 и выходной 7 патрубки предназначены для связи корпуса 20 реактора с оборудованием системы 36 охлаждения реактора. Камера 13 активной зоны предназначена для преобразования энергии деления ядерного топлива в тепловую энергию топливной композиции и передачи тепловой энергии охлаждающему теплоносителю. Расположенные над камерой активной зоны нижняя 26 и верхняя 1 трубные решетки предназначены для крепления внешних 2 и внутренних 3 охлаждающих трубопроводов, погруженных в камеру активной зоны парами. Оборудование системы 35 предназначено для отвода газообразных продуктов деления. Оборудование системы 32 предназначено для обновления жидкосолевой топливной композиции посредством переработки принятого из работающего реактора объема v1 топливной композиции, одновременной отправки в работающий реактор объема v1 переработанной топливной композиции, нагретой до рабочей температуры в реакторе, и переработки принятой топливной композиции. Переработка топливной композиции может включать выделение предшественника нарабатываемого делящегося изотопа (протактиний-233 или нептуний-239), наработанного делящегося изотопа (уран-233 или плутоний-239), редкоземельных элементов, шлаков и корректировку состава топливной композиции. Насосы 25 и 23 предназначены для обеспечения безопасности при откачке топливной композиции из работающего реактора на переработку насосом 25 и одновременной закачке в работающий реактор переработанной топливной композиции насосом 23.
Частные случаи исполнения первого жидкосолевого реактора:
Во-первых, включенное в систему 32 оборудование, обеспечивающее ежедневный прием на переработку из работающего реактора объема топливной композиции v2=V1/n2, где V1 – объем всего количества топливной композиции в реакторе, n2 равен выбранному числу дней на переработку объема V1 топливной композиции, одновременную отправку в работающий реактор объема v2 переработанной топливной композиции, нагретой до рабочей температуры в реакторе, и переработку принятой топливной композиции, предназначено для периодического обновления топливной композиции посредством ее переработки.
Во-вторых, расположенная над камерой 13 активной зоны камера 16 предназначена для поступления в нее газообразных продуктов деления и компенсации расширений топливной композиции.
В-третьих, конденсатор 19 предназначен для конденсации паров топливной композиции и возврата в нее конденсата. Работа конденсатора 19 обеспечивает постоянство химического состава топливной композиции.
В-четвертых, стержни 39 замедлителя предназначены для получения в активной зоне теплового спектра нейтронов. Сквозные отверстия в стержнях 39, в которые погружены с просветом пары охлаждающих трубопроводов 2 и 3, предназначены для ускорения естественной конвекции в топливной композиции.
В-пятых, трубы 40 естественной конвекции предназначены для получения в камере активной зоны быстрого спектра нейтронов. Сквозные отверстия в трубах 40, в которые погружены с просветом пары трубопроводов 2 и 3, также предназначены для ускорения естественной конвекции в топливной композиции.
В-шестых, установленные в камере 13 активной зоны стержни 39 замедлителя и трубы 40 естественной конвекции (пары части охлаждающих трубопроводов 2 и 3 погружены с просветом в сквозные отверстия стержней 39 замедлителя, пары остальных охлаждающих трубопроводов погружены с просветом в сквозные отверстия труб 40) предназначены для получения в активной зоне промежуточного спектра нейтронов.
В-седьмых, защитный электрообогреваемый бокс предназначен для нагревания реактора до температуры, превышающей температуру плавления солевой топливной композиции, и его защиты от внешних воздействий. Устройства 41 для зачалки, которыми оснащен корпус 20, предназначены для погружения реактора в защитный бокс и извлечения из бокса.
В-восьмых, защитный бокс 12, изготовленный в виде транспортного контейнера с устройствами 41 для зачалки, предназначен для транспортирования по воздуху изготовленного реактора на строительную площадку АЭС и транспортирования остановленного реактора, из которого слита топливная композиция, на предприятие по переработке атомных реакторов.
Кроме того в состав первого атомного реактора входят: входная камера 4, предназначенная для распределения охлаждающего теплоносителя по внутренним трубопроводам 3; выходная камера 6, предназначенная для сбора охлаждающего теплоносителя, выходящего из внешних трубопроводов 2; запорные вентили 9 и 11, предназначенные для соединения и отсоединения оборудования системы 32 переработки топливной композиции; компенсаторы 17 сейсмических колебаний; основание 27, предназначенное для размещения на нем защитного бокса 12; патрубок 28 для соединения с реактором оборудования системы 33 заполнения – опорожнения камеры 13 активной зоны жидкосолевой топливной композицией; оборудование системы 36 охлаждения реактора, оборудование системы 37 охлаждения и нагревания внутреннего пространства защитного бокса 12 инертным газом, системы 38 производства электроэнергии.
Первый атомный жидкосолевой реактор работает следующим образом.
Включают в работу оборудование системы 37 и заполняют защитный бокс 12 инертным газом. Нагревают его внутреннее пространство до температуры, превышающей температуру плавления солевой топливной композиции. Заполняют камеру активной зоны через патрубок 28 жидкой топливной композицией из оборудования системы 33.
Включают в работу оборудование системы 35 отвода газообразных продуктов деления, системы 36 охлаждения реактора, системы 38 производства электроэнергии. Выводят реактор на необходимый уровень мощности. Охлаждающий теплоноситель поступает во входную камеру 4. Далее он проходит через внутренние трубопроводы 3, уплотненные в верхней трубной решетке 1, затем внешние трубопроводы 2, принимает тепло через стенки внешних трубопроводов 2 от топливной композиции и отводит его через выходную камеру 6 в оборудование системы 36. Трубная конструкция стержней 39 замедлителя и труб 40 обеспечивает передачу тепла от топливной композиции к охлаждающему теплоносителю не только теплопроводностью, но и естественной конвекцией топливной композиции. Оборудование системы 36 преобразовывает полученную тепловую энергию и передает ее в оборудование системы 38 производства электроэнергии. При меняющейся мощности реактора, в камере активной зоны будет меняться объем, занимаемый топливной композицией. Газообразные продукты деления будут выходить в камеру 16 компенсации расширений топливной композиции, и далее они будут откачиваться из нее оборудованием системы 35. Насыщенные пары топливной композиции будут конденсироваться в конденсаторе 19, образующийся конденсат паров будет сливаться обратно в топливную композицию. Благодаря наличию температурных развязок у трубопроводов 2 и 3, стержней 39 замедлителя и труб 40 естественной конвекции термоциклические напряжения в них будут отсутствовать. Для выведения из топливной композиции промежуточных и конечных продуктов наработки вторичного топлива, редкоземельных элементов, а также для очистки топливной композиции от шлаков включают в работу оборудование системы 32 переработки топливной композиции. Включают в работу насосы 25 и 23 и откачивают топливную композицию из реактора в оборудование системы 32 на переработку, а переработанную топливную композицию одновременно закачивают в реактор.
В состав солевой топливной композиции войдут фториды топливных элементов (урана и плутония) и фториды других металлов. В качестве теплоносителя, охлаждающего реактор, необходимо подобрать соль-теплоноситель, также состоящую из фторидов металлов, но не содержащую фториды топливных элементов. Температура плавления соли-теплоносителя должна быть ниже температуры плавления солевой топливной композиции. В качестве основного конструкционного материала может быть использован отечественный сплав, подобный сплаву хастеллой-Н, (Блинкин В.Л., Новиков В.М., «Жидкосолевые ядерные реакторы», М.: «Атомиздат», 1978). Состав солевой топливной композиции, состав соли-теплоносителя и совместимость солей с основными конструкционными материалами будут предметами специальных исследований.
В состав второго жидкосолевого реактора входят:
- корпус реактора с патрубками охлаждающего теплоносителя, в котором находятся разделенные перегородкой камера активной зоны и камера зоны воспроизводства;
- расположенные над камерой активной зоны и камерой зоны воспроизводства нижняя и верхняя трубные решетки с приваренными к ним охлаждающими трубопроводами, погруженными в камеру активной зоны и камеру зоны воспроизводства парами;
- оборудование системы отвода газообразных продуктов деления;
- оборудование системы переработки жидкосолевой топливной композиции, обеспечивающее прием на переработку из работающего реактора объема v3 жидкосолевой топливной композиции, одновременную отправку в работающий реактор объема v3 переработанной жидкосолевой топливной композиции, нагретой до рабочей температуры в реакторе, и переработку принятой жидкосолевой топливной композиции;
- оборудование системы переработки жидкосолевой сырьевой композиции, обеспечивающее прием на переработку из работающего реактора объема v4 жидкосолевой сырьевой композиции, одновременную отправку в работающий реактор объема v4 переработанной жидкосолевой сырьевой композиции, нагретой до рабочей температуры в реакторе, и переработку принятой жидкосолевой сырьевой композиции;
- насос для откачки топливной композиции из работающего реактора на переработку и насос для закачки в работающий реактор переработанной топливной композиции, нагретой до рабочей температуры в реакторе, оснащенные устройствами системы управления их работой, которые обеспечивают одновременный пуск, равенство объемных подач и одновременный останов насосов, и устройствами системы диагностики, которые обеспечивают диагностику насосов и устройств системы управления их работой;
- насос для откачки сырьевой композиции из работающего реактора на переработку и насос для закачки в работающий реактор переработанной сырьевой композиции, нагретой до рабочей температуры в реакторе, оснащенные устройствами системы управления их работой, которые обеспечивают одновременный пуск, равенство объемных подач и одновременный останов насосов, и устройствами системы диагностики, которые обеспечивают диагностику насосов и устройств системы управления их работой.
В частных случаях исполнения второго реактора предлагается:
- в систему переработки топливной композиции включить оборудование, обеспечивающее ежедневный прием на переработку из работающего реактора объема топливной композиции v5=V2/n5, где V2 – объем всего количества топливной композиции в реакторе, n5 равен выбранному числу дней на переработку объема V2 топливной композиции, одновременную отправку в работающий реактор объема v5 переработанной топливной композиции, нагретой до рабочей температуры в реакторе, и переработку принятой топливной композиции;
- в систему переработки сырьевой композиции включить оборудование, обеспечивающее ежедневный прием на переработку из работающего реактора объема сырьевой композиции v6=V3/n6, где V3 – объем всего количества сырьевой композиции в реакторе, n6 равен выбранному числу дней на переработку объема V3 сырьевой композиции, одновременную отправку в работающий реактор объема v6 переработанной сырьевой композиции, нагретой до рабочей температуры в реакторе, и переработку принятой сырьевой композиции;
- над камерой активной зоны расположить камеру компенсации расширений топливной композиции, над камерой зоны воспроизводства расположить камеру компенсации расширений сырьевой композиции;
- в состав реактора включить конденсатор паров топливной композиции и конденсатор паров сырьевой композиции;
- пары охлаждающих трубопроводов погрузить с просветом в сквозные отверстия стержней замедлителя, установленных в камере активной зоны и камере зоны воспроизводства;
- пары охлаждающих трубопроводов погрузить с просветом в сквозные отверстия труб естественной конвекции, установленных в камере активной зоны и камере зоны воспроизводства;
- в камере активной зоны и камере зоны воспроизводства установить стержни замедлителя и трубы естественной конвекции, пары части охлаждающих трубопроводов погрузить с просветом в сквозные отверстия стержней замедлителя, пары остальных охлаждающих трубопроводов погрузить с просветом в сквозные отверстия труб естественной конвекции;
- корпус реактора оснастить устройствами для зачалки и установить в защитный электрообогреваемый сейсмически изолированный бокс;
- защитный электрообогреваемый бокс изготовить в виде транспортного контейнера с устройствами для зачалки и снабдить защитной крышкой.
Возможная конструкция второго жидкосолевого реактора представлена на фиг.1, 2.
На фигуре 2 приняты следующие дополнительные обозначения: 8 – запорный вентиль трубопровода закачки сырьевой композиции в реактор; 10 – запорный вентиль трубопровода откачки сырьевой композиции из реактора; 14 – камера зоны воспроизводства; 15 - камера компенсации расширений сырьевой композиции, 18 – конденсатор паров сырьевой композиции; 22 – насос для закачки сырьевой композиции в реактор; 24 – насос для откачки сырьевой композиции из реактора; 29 – патрубок заполнения – опорожнения камеры зоны воспроизводства; 30 – перегородка между камерой активной зоны и камерой зоны воспроизводства; 31 – система переработки сырьевой композиции; 34 – система заполнения – опорожнения камеры зоны воспроизводства сырьевой композицией.
Камера 14 зоны воспроизводства, отделенная от камеры 13 активной зоны перегородкой 30, предназначена для наработки в сырьевой композиции вторичного ядерного топлива. Расположенные над камерой 13 и камерой 14 нижняя 26 и верхняя 1 трубные решетки предназначены для крепления внешних 2 и внутренних 3 охлаждающих трубопроводов. Оборудование системы 35 предназначено для отвода газообразных продуктов деления из камер 15 и 16 компенсации расширений сырьевой и топливной композиций. Оборудование системы 32 предназначено для обновления солевой топливной композиции посредством переработки. Оборудование системы 31 предназначено для обновления солевой сырьевой композиции посредством переработки. Насосы 25 и 23 предназначены для обеспечения ядерной безопасности при откачке топливной композиции из работающего реактора на переработку насосом 25 и одновременной закачке в работающий реактор переработанной топливной композиции насосом 23. Насосы 24 и 22 предназначены для обеспечения ядерной безопасности при откачке сырьевой композиции из работающего реактора на переработку насосом 24 и одновременной закачке в работающий реактор переработанной сырьевой композиции насосом 22.
Частные случаи исполнения второго атомного жидкосолевого реактора:
Во-первых, оборудование системы 32, обеспечивающее ежедневный прием на переработку из работающего реактора объема топливной композиции v5=V2/n5, где V2 – объем всего количества топливной композиции в реакторе, n5 равен выбранному числу дней на переработку объема V2 топливной композиции, одновременную отправку в работающий реактор объема v5 переработанной топливной композиции, нагретой до рабочей температуры в реакторе, и переработку принятой топливной композиции, предназначено для периодического обновления топливной композиции посредством ее переработки.
Во-вторых, оборудование системы 31, обеспечивающее ежедневный прием на переработку из работающего реактора объема сырьевой композиции v6=V3/n6, где V3 – объем всего количества сырьевой композиции в реакторе, n6 равен выбранному числу дней на переработку объема V3 сырьевой композиции, одновременную отправку в работающий реактор объема v6 переработанной сырьевой композиции, нагретой до рабочей температуры в реакторе, и переработку принятой сырьевой композиции, предназначено для периодического обновления сырьевой композиции посредством ее переработки.
В-третьих, расположенные над камерой 13 активной зоны и камерой 14 зоны воспроизводства, камеры 16 и 15 предназначены для поступления в них газообразных продуктов деления и компенсации расширений жидкосолевых композиций.
В-четвертых, конденсаторы 19 и 18 предназначены для конденсации паров жидкосолевых композиций и возврата в них конденсатов.
В-пятых, стержни 39 замедлителя, установленные в камере 13 активной зоны и камере 14 зоны воспроизводства, предназначены для получения в активной зоне и зоне воспроизводства теплового спектра нейтронов.
В-шестых, трубы 40 естественной конвекции предназначены для получения в камере 13 активной зоны и камере 14 зоны воспроизводства быстрого спектра нейтронов.
В-седьмых, установленные в камере 13 активной зоны и камере 14 зоны воспроизводства стержни 39 замедлителя и трубы 40 естественной конвекции предназначены для получения в активной зоне и зоне воспроизводства промежуточного спектра нейтронов.
В-восьмых, защитный электрообогреваемый бокс 12 предназначен для нагревания реактора до температуры, превышающей температуру плавления солевой топливной композиции, и его защиты от внешних воздействий. Устройства 41 для зачалки, которыми оснащен корпус 20, предназначены для погружения реактора в защитный бокс и извлечения из бокса.
В-девятых, защитный бокс 12, изготовленный в виде транспортного контейнера с устройствами 41 для зачалки, предназначен для транспортирования по воздуху изготовленного реактора на строительную площадку АЭС и транспортирования остановленного реактора, из которого слиты топливная и сырьевая композиции, на предприятие по переработке атомных реакторов.
Основные положительные свойства представленных атомных жидкосолевых реакторов:
1 – реакторы отличаются простотой и высокой надежностью за счет отсутствия сложных тепловыделяющих элементов и тепловыделяющих сборок;
2 – корпуса реакторов не надо изготавливать сверхпрочными, так как давление в них будет незначительно превышать гидростатическое давление топливной соли;
3 – в реакторах предусмотрены выполнимые решения проблем их монтажа и вывода из эксплуатации за счет того, что сами реакторы и их защитные боксы могут быть изготовлены на заводе и доставлены по воздуху на площадку АЭС, а после остановки они могут быть также по воздуху отправлены на переработку;
4 – топливная композиция не выходит из реакторов для передачи тепла, что значительно уменьшает количество загружаемого топлива и улучшает баланс нейтронов;
5 – передача тепла от топливной и сырьевой композиций к соли-теплоносителю осуществляется в корпусах реакторов теплопроводностью и естественной конвекцией. В корпусах реакторов нет циркуляционных насосов;
6 – реакторы имеют отрицательные температурные коэффициенты реактивности;
7 – реакторы не отравляются газообразными продуктами деления, так как газообразные продукты деления постоянно откачиваются из компенсационных камер. Они значительно меньше отравляются не летучими осколками деления за счет периодической переработки топливной и сырьевой композиций;
8 – насосное оборудование обеспечивает безопасность при откачке топливной и сырьевой композиций из работающих реакторов на переработку и одновременной закачке переработанных композиций в работающие реакторы. Это и предыдущее свойство обеспечивают значительное увеличение назначенных сроков службы реакторов;
9 – солевые топливные композиции имеют низкое давление паров при температуре 900 оС и более. Поэтому реакторы могут быть изготовлены специально для получения высокотемпературного тепла, которое необходимо, например, при промышленном производстве водорода для водородной энергетики и металлургии;
10 – при эксплуатации реакторов будет реализован замкнутый ядерный топливный цикл. Они могут начать работать на уране-235, а продолжить работу на плутонии-239, если воспроизводящим материалом будет уран-238, или на уране-233, если воспроизводящим материалом будет торий-232.
11 – реакторы могут работать в режиме расширенного воспроизводства ядерного топлива, к ним его не надо подвозить. В течение всего времени работы идет периодическая перегрузка топливных композиций за счет их переработки без остановки реакторов;
12 – реакторы не имеют отработанного ядерного топлива. С пуском их в эксплуатацию потеряет смысл само понятие «отработанное ядерное топливо».
Атомный жидкосолевой энергетический реактор
| 
