RU2071133C1

RU2071133C1 - Reactor core of nuclear-rocket power plant

Info

Publication number: RU2071133C1
Application number: RU9494022821A
Authority: RU
Inventors: Евгений Константинович Дьяков; Иван Данилович Дараган; Юрий Вячеславович Николаев; Николай Николаевич Пономарев-Степной; Владимир Петрович Сметанников; Хок Роков; Мелвин Чарлс Маклвейн
Priority date: 1994-06-14
Filing date: 1994-06-14
Publication date: 1996-12-27

Abstract

FIELD: two-mode nuclear plants built around nuclear rocket with various thermal-to-electric power converting systems. SUBSTANCE: reactor core is built up of two hydraulically isolated and relatively symmetrical parts arranged through height and separated in their middle cross plane by common header passing hydrogen heated to 2800 K to exhaust nozzle of rocket. Fuel elements in each part of core are placed in annular spaces between concentrically mounted shells. Hydrogen flows through fuel elements in two opposing currents from external and internal annular spaces to central annular space communicating with common header. Each hydrogen flow moves over three-way channel. Tubular channels provided between fuel elements in intermediate annular spaces may accommodate energy-generating ducts of thermionic converter liquid-metal heat pipes, or Filde's pipes. Core has annular heat-insulation layer preventing heat loss through it and functioning as spacer between core parts separated by hot header. Core may be used for heat-electric, thermionic, and turbomachine conversion systems without essential changes in its design and thermohydraulic circuit arrangement. EFFECT: enlarged functional capabilities. 2 cl, 2 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к ядерным энергодвигательным установкам (ЯЭДУ) и может быть использовано, например, в двухрежимных ядерных установках, создаваемых на базе ядерного ракетного двигателя (ЯРД) с различными системами преобразования тепловой энергии в электрическую. The invention relates to nuclear energy propulsion systems (NED) and can be used, for example, in dual-mode nuclear installations based on a nuclear rocket engine (NRE) with various systems for converting thermal energy into electrical energy.

Известны ЯЭДУ, разрабатываемые на базе ЯРД, в которых электрическая мощность генерируется при стационарной работе установки по замкнутому циклу (отвод тепла в космос с помощью радиатора), а тяга при работе ЯРД по незамкнутому циклу с отводом тепла путем выброса теплоносителя рабочего тела ЯРД в космическое пространство. Источниками энергии в таких установках могут служить реакторы с вращающимся или неподвижным слоем микрошариковых твэлов, а также реакторы с твердой активной зоной типа NERVA. Known nuclear propulsion systems developed on the basis of nuclear power engines, in which electrical power is generated during stationary operation of the installation in a closed cycle (heat removal into space using a radiator), and thrust during operation of a nuclear power engine in an open cycle with heat removal by ejecting the coolant of the working body of the nuclear power engine into outer space . Sources of energy in such installations can be reactors with a rotating or fixed layer of micro-ball fuel rods, as well as reactors with a solid core of the NERVA type.

Известна активная зона реактора ЯЭДУ, содержащая кольцевую засыпку, образованную из микрошариковых твэлов, и размещенную снаружи засыпку систему параллельных оси зоны теплообменных U-образных труб или тепловых труб, образующих тепловоспринимающую поверхность и связанных с вынесенной из активной зоны той или иной системой преобразования энергии преобразователями с циклами Брайтона или Ренкина, а также с термоэлектрической или термоэмиссионной системами (1). The active zone of a nuclear power reactor is known, which contains an annular bed formed from micro-ball fuel rods and a bed placed on the outside of the bed parallel to the axis of the zone of the heat-exchange U-shaped tubes or heat pipes forming a heat-absorbing surface and connected to the energy conversion system from the active zone by converters with Brighton or Rankine cycles, as well as with thermoelectric or thermionic systems (1).

Основные технические трудности в создании известной активной зоны связаны с обеспечением необходимых свойств материалов, вопросами теплопередачи и стабильности топливных частиц (опасность их агломерации, фрагментации и спекания). The main technical difficulties in creating a well-known core are related to ensuring the necessary properties of materials, issues of heat transfer and stability of fuel particles (danger of their agglomeration, fragmentation and sintering).

Наиболее близкой к предлагаемой является активная зона реактора ЯЭДУ, набранная из топливных сборок, содержащих твэлы, выполненные в виде призматических блоков гексагональной формы с осевыми отверстиями для прохода водорода рабочего тела двигателя, установленных контактно по боковым поверхностям друг с другом так, что в центре каждой топливной сборки из шести блоков, по ее высоте образован канал, в котором размещена теплоизолированная снаружи трубка Фильда, каждая из которых содержит кольцевой слой замедлителя из гидрида циркония. В нижней части трубки Фильда скреплены с огневым днищем реактора, удерживающим активную зону и формирующим выхлопную камеру реактивного сопла, а в верхней части они скреплены с холодным днищем реактора и соединены с коллектором подачи теплоносителя энергетического контура - жидкометаллического или газообразного. Также рассматривается вариант размещения в осевых каналах активной зоны, вместо трубок Фильда, теплоизолированных снаружи жидкометаллических тепловых труб. Трубки Фильда или тепловые трубки образуют в активной зоне тепловоспринимающую поверхность контура теплоносителя преобразователя энергии. В зависимости от размерности активной зоны количество в ней сборок и, соответственно, каналов с трубками Фильда или тепловым трубками может быть различным. Например, в активной зоне реактора NERVA для высокомощной ЯЭДУ их количество составляет 241 шт. а в активной зоне реактора SNRE для маломощной ЯЭДУ 94 шт. Closest to the proposed one is the active zone of the nuclear power reactor, recruited from fuel assemblies containing fuel rods made in the form of hexagonal prismatic blocks with axial holes for the passage of hydrogen of the working fluid of the engine, which are contacted on the side surfaces with each other so that in the center of each fuel assembly of six blocks, along its height a channel is formed in which the Field tube insulated from the outside is placed, each of which contains an annular layer of a moderator from zirconium hydride. In the lower part of the Field tube, they are fastened to the fire bottom of the reactor, which holds the active zone and forms the exhaust chamber of the jet nozzle, and in the upper part, they are fastened to the cold bottom of the reactor and connected to the collector of the coolant supply of the energy circuit - liquid metal or gaseous. Also considered is the option of placing in the axial channels of the core, instead of Field tubes, thermally insulated from the outside of the liquid metal heat pipes. Field tubes or heat pipes form in the core a heat-absorbing surface of the coolant circuit of the energy converter. Depending on the dimension of the core, the number of assemblies and, accordingly, channels with Field tubes or heat pipes in it can be different. For example, in the NERVA reactor core for high-power nuclear power plants, their number is 241. and in the core of the SNRE reactor for low-power nuclear power plants, 94 pcs.

Для обеспечения энергетического режима высокомощной ЯЭДУ с реактором NERVA и сброса остаточного тепла, выделяющегося в реакторной зоне после работы на двигательном режиме ЯРД, блочные твэлы выполняются с дополнительно встроенными в них тепловыми трубами или каналами с жидкометаллическим теплоносителем вариант двухрежимных твэлов. Для обеспечения энергетического режима маломощной ЯЭДУ с реактором ANRE названное количество трубок Фильда или тепловых труб оказывается достаточным. Таким образом, известная активная зона имеет два гидравлических контура, один из которых энергетический работает непрерывно в течение нескольких лет, а другой двигательный работает импульсно в режиме ЯРД (до нескольких сотен секунд в одном импульсе). To ensure the energy regime of a high-power NEDVA with a NERVA reactor and to discharge the residual heat generated in the reactor zone after operating in the NRE engine mode, block fuel rods are made with additional heat pipes or channels with a liquid metal coolant that are optionally equipped with dual-mode fuel rods. To ensure the energy regime of low-power nuclear power plants with an ANRE reactor, the indicated number of Field tubes or heat pipes is sufficient. Thus, the known active zone has two hydraulic circuits, one of which the energy operates continuously for several years, and the other motor operates pulsed in the NRE mode (up to several hundred seconds in one pulse).

Известна активная зона быть использована с газотурбинным (цикл Брайтона), паротурбинным (цикл Ренкина), термоэлектрическим и термоэмиссионным вынесенными за ее пределы преобразователями тепловой энергии в электрическую. При включении двигательного режима ЯРД и его совмещении с энергетическим режимом через осевые отверстия твэлов прокачивается водород, который на выходе активной зоны нагревается до 2600 К и выбрасывается через реактивное сопло, создавая тягу. При этом для предотвращения перегрева трубок Фильда расход через них теплоносителя предполагается увеличивать (2). It is known that the core can be used with gas turbine (Brighton cycle), steam turbine (Rankin cycle), thermoelectric and thermionic transducers of thermal energy into electrical energy transferred outside its limits. When the NRE engine mode is switched on and combined with the energy mode, hydrogen is pumped through the axial holes of the fuel rods, which is heated to 2600 K at the outlet of the active zone and ejected through the jet nozzle, creating thrust. In order to prevent overheating of the Field tubes, the flow rate of the coolant through them is supposed to be increased (2).

В качестве одной из наиболее трудных для решения проблем реакторов с твердой активной зоной энергоустановок двоякого назначения отмечается большое различие в градиентах температур твэлов при работе на режимах большой и малой мощности. Для решения этой проблемы необходимо исследовать влияние механических напряжений, обусловленных нагревом на импульсном режиме, на целостность и работоспособность конструкции твэлов, а также замедлителя и опорных элементов, тепловых труб и труб для теплоносителя. As one of the most difficult to solve problems of reactors with a solid core of dual-use power plants, there is a large difference in the temperature gradients of fuel rods when operating at high and low power modes. To solve this problem, it is necessary to study the influence of mechanical stresses caused by heating in a pulsed mode on the integrity and operability of the fuel rods, as well as the moderator and support elements, heat pipes and pipes for the coolant.

Недостатки известной активной зоны, кроме того, заключаются в следующем. Из-за существенных неравномерностей энерговыделения по высоте и поперечному сечению активной зоны при работе ЯРД с одноходовым пропусканием рабочего тела водорода сверху вниз через зону возможен перегрев центральных и недогрев периферийных трубчатых каналов. При использовании жидкометаллического теплоносителя в перегретых каналах развиваются режимы пузырькового и пленочного кипения, приводящие к прожогу стенки канала и выходу энергетического контура из строя. Необходимость выполнения трубчатых каналов на всю высоту активной зоны приводит к существенному температурному градиенту по их длине до 1000 К, что исключает возможность установки в них, например, термоэмиссионных преобразователей (ТЭП) и требует выноса ТЭП за пределы активной зоны. При совмещении энергетического режима с режимом ЯРД градиент температуры по топливу и рабочему телу в направлении от входа к выходу активной зоны может достигать 2000 К. Для обеспечения не превышения допустимых перепадов температуры и давления рабочего тела при одноходовой схеме течения необходимо увеличивать его расходонапряженность, что требуется увеличения пористости топлива по газу до 40% и выше. В результате существенно растут массогабаритные характеристики активной зоны. Кроме того, возникает проблема высокотемпературной теплоизоляции длинных трубчатых каналов со стороны выходного, горячего торца активной зоны. The disadvantages of the known core, in addition, are as follows. Due to the significant unevenness of energy release along the height and cross section of the active zone during the operation of the nuclear power engine with a one-way transmission of the working fluid of hydrogen from top to bottom through the zone, central and overheating of the peripheral tubular channels are possible. When using a liquid metal coolant in superheated channels, bubble and film boiling modes develop, leading to burn-through of the channel wall and failure of the energy circuit. The need to make tubular channels to the entire height of the core leads to a significant temperature gradient along their length up to 1000 K, which eliminates the possibility of installing, for example, thermionic converters (TEC) in them and requires the removal of TEC outside the core. When combining the energy regime with the NRE mode, the temperature gradient in the fuel and the working fluid in the direction from the entrance to the exit of the active zone can reach 2000 K. To ensure that the permissible temperature and pressure differences of the working fluid are not exceeded with a one-way flow pattern, it is necessary to increase its flow rate, which requires an increase gas porosity of gas up to 40% and higher. As a result, the overall dimensions of the core increase significantly. In addition, the problem arises of high-temperature thermal insulation of long tubular channels from the output, hot end of the active zone.

Анализ уровня техники в области твердых активных зон, разрабатываемых для перспективных ЯЭДУ, показывает, что неэффективность их теплогидравлической схемы снижает их эксплуатационную надежность и увеличивает массогабаритные характеристики установок в целом. An analysis of the state of the art in the field of solid core areas developed for promising nuclear power plants shows that the inefficiency of their thermal hydraulic circuit reduces their operational reliability and increases the overall dimensions of the plants.

Задача изобретения создание компактной активной зоны, обладающей высокой эксплуатационной надежностью и совместимой с различными системами преобразования энергии, в частности с ТЭП встроенного типа. The objective of the invention is the creation of a compact core with high operational reliability and is compatible with various energy conversion systems, in particular with a built-in TEC.

Для этого предлагается активная зона реактора энергодвигательной установки, содержащая твэлы, размещенные в полости для протока рабочего тела двигателя снаружи трубчатых каналов, образующих тепловоспринимающую поверхность контура теплоносителя преобразователя энергии, отличающаяся от ближайшего аналога тем, что она по высоте образована из двух гидравлически несвязанных, симметричных относительно друг друга частей, разделенных в серединной поперечной плоскости зоны общим коллектором для сбора рабочего тела из названных частей, соединенным с каналом подачи рабочего тела в выхлопное сопло двигателя, выполненным по оси зоны, твэлы в каждой части размещены в кольцевых полостях между концентрично установленными обечайками с образованием двух трехходовых трактов встречного протекания рабочего тела из наружной и внутренней кольцевых полостей в центральную кольцевую полость, выход которой соединен с общим сборным коллектором, трубчатые каналы размещены в промежуточных кольцевых полостях, а коллекторы для подвода рабочего тела и теплоносителя и отвода теплоносителя выполнены на наружных торцах названных частей. For this purpose, an active zone of the reactor of an energy-propulsion installation is proposed, containing fuel rods placed in the cavity for the flow of the working fluid of the engine outside of the tubular channels forming a heat-absorbing surface of the coolant circuit of the energy converter, which differs from the closest analogue in that it is formed in height from two hydraulically disconnected, symmetrical with respect to each other parts separated in the middle transverse plane of the zone by a common collector for collecting the working fluid from these parts, soy fused with the channel for supplying the working fluid to the exhaust nozzle of the engine, made along the axis of the zone, the fuel rods in each part are placed in the annular cavities between concentrically mounted shells with the formation of two three-way paths of the oncoming flow of the working fluid from the outer and inner annular cavities into the central annular cavity, the output of which connected to a common prefabricated collector, tubular channels are placed in the intermediate annular cavities, and collectors for supplying a working fluid and coolant and removal of coolant Execute on the outer ends of these parts.

Кроме того, общий сборный коллектор снаружи может быть снабжен кольцевым слоем теплоизоляции. Выполнение активной зоны по высоте из двух гидравлически несвязанных, симметричных относительно друг друга частей, разделенных в серединной плоскости зоны общим коллектором для сбора рабочего тела из названных частей, позволяет снизить расходонапряженность рабочего тела, повысить тепловую мощность активной зоны при допустимых потерях давления по гидравлическому тракту. При этом пористость топлива по газу может быть уменьшена на 15% (вместо 40% для прототипа). Вывод рабочего тела из обеих частей в общий сборный коллектор дает возможность организовать многоходовое течение двух встречных потоков рабочего тела в каждой части так, чтобы не только уменьшить температурный градиент по высоте каждой из них, но и обеспечить надежное конвективное охлаждение металлоконструкций всех коллекторных узлов зоны. Схема двух встречных трехходовых потоков рабочего тела в трактах, образованных при размещении твэлов в полостях между концентрично установленными металлическими обечайками, оказывается наиболее выгодной как для эффективного охлаждения металлоконструкций, так и для эффективного сбора горячего газа в центральном объеме активной зоны, а не на ее открытом и охлаждаемом торце, как это может иметь место в прототипе. Размещение трубчатых каналов в промежуточных кольцевых полостях позволяет вдвое уменьшить их длину и тем самым снизить потери давления на прокачку теплоносителя энергетического контура, а также уменьшить температурный градиент по высоте и поперечному сечению каждой части. Это снижает вероятность перегрева теплоносителя, обеспечивает минимальную неравномерность температур по длине трубчатых каналов и позволяет, например, размещать в них ТЭП. Небольшая пористость топлива по газу (~ 15%) обеспечивает существенное снижение массогабаритных характеристик активной зоны, позволяет осуществлять теплоперенос в активной зоне преимущественно за счет теплопроводности ее материалов, а также снижает положительные эффекты реактивности, например, при попадании воды в зону или ее уплотнений в случае аварийного удара, т.е. создает дополнительный барьер ядерной безопасности. Поскольку на внешнем радиальном слое активной зоны и на торцах каждой ее части обеспечивается уровень температуры не выше 1800-2100 К, это облегчает задачу ее надежного теплоизолирования. Между любыми поверхностями теплосъема, образуемыми в обоих трехходовых трактах рабочего тела, температурные перепади не превышают 1000 К, что существенно ниже перепада температур в прототипе (до 2500 К). Это позволяет обеспечить требуемую равномерную температуру по топливу и конструкционным элементам активной зоны при самых напряженных режимах совмещения работы ЯРД и энергетического контура. In addition, a common prefabricated collector on the outside can be provided with an annular layer of thermal insulation. Execution of the active zone in height from two hydraulically disconnected, symmetrical relative to each other parts, separated in the middle plane of the zone by a common collector for collecting the working fluid from these parts, can reduce the flow rate of the working fluid, increase the thermal power of the active zone with allowable pressure losses along the hydraulic path. In this case, the gas porosity of the fuel can be reduced by 15% (instead of 40% for the prototype). The withdrawal of the working fluid from both parts into a common collection collector makes it possible to organize a multi-pass flow of two oncoming flows of the working fluid in each part so as not only to reduce the temperature gradient along the height of each of them, but also to provide reliable convective cooling of the metal structures of all collector nodes of the zone. The scheme of two counter three-way flows of the working fluid in the paths formed when fuel rods are placed in cavities between concentrically mounted metal shells turns out to be most beneficial both for efficient cooling of metal structures and for efficient collection of hot gas in the central volume of the core, and not in its open and cooled end, as may be the case in the prototype. Placing the tubular channels in the intermediate annular cavities makes it possible to halve their length and thereby reduce pressure losses on the coolant pumping of the energy circuit, as well as reduce the temperature gradient along the height and cross section of each part. This reduces the likelihood of overheating of the coolant, provides minimal temperature non-uniformity along the length of the tubular channels and allows, for example, to place TEC in them. The small gas porosity of the fuel (~ 15%) provides a significant reduction in the overall dimensions of the core, allows heat transfer in the core mainly due to the thermal conductivity of its materials, and also reduces the positive effects of reactivity, for example, when water enters the zone or its seals in the case of emergency impact, i.e. creates an additional barrier to nuclear safety. Since a temperature level of not higher than 1800-2100 K is provided on the outer radial layer of the core and on the ends of each part, this facilitates the task of its reliable thermal insulation. Between any surfaces of the heat removal formed in both three-way paths of the working fluid, the temperature differences do not exceed 1000 K, which is significantly lower than the temperature difference in the prototype (up to 2500 K). This allows you to provide the required uniform temperature for the fuel and structural elements of the active zone at the most intense modes of combining the work of the nuclear engine and the energy circuit.

Для уменьшения теплопотерь из общего сборного коллектора через боковую поверхность активной зоны он может быть снабжен кольцевым слоем теплоизоляции, который также несет функцию дистанционирования между частями активной зоны. To reduce heat loss from the common collecting collector through the side surface of the core, it can be equipped with an annular layer of thermal insulation, which also carries the function of spacing between parts of the core.

На фиг.1 изображена активная зона, разрез; на фиг.2 сечение А-А на фиг. 1. Figure 1 shows the active zone, section; FIG. 2, section AA in FIG. 1.

Активная зона по высоте образована из двух частей 1, 2, симметричных друг другу относительно общего сборного коллектора 3, выполненного в серединной поперечной плоскости зоны. Каждая часть образована из концентрично установленных обечаек 4 9, между которыми образовано пять кольцевых полостей, содержащих твэлы 10. Выходы наружной первой (между обечайками 4, 5) и внутренней пятой (между обечайками 8, 9) кольцевых полостей соединены с входом соответствующей соседней кольцевой полости (между обечайками 5, 6 и 7, 8), выход каждой из которых, в свою очередь, соединен с входом центральной кольцевой полости (между обечайками 6, 7), а выход последней соединен с общим сборным коллектором 3. Таким образом, в каждой из частей 1, 2 активной зоны образовано по два трехходовых тракта встречного протекания рабочего тела из наружной и внутренней кольцевых тепловыделяющих полостей в центральную тепловыделяющую полость. При этом трубчатые каналы 11, 12, образующие тепловоспринимающую поверхность контура теплоносителя преобразователя энергии, размещается между твэлами, содержащимися в кольцевых полостях между обечайками 5, 6 и 7, 8. В трубчатых каналах 11, 12 могут быть размещены дополнительные трубки 13, образующие совместно с каналами систему трубок Фильда. В этих каналах также могут быть размещены жидкометаллические тепловые трубы или электрогенерирующие каналы ТЭП (не показаны). The height of the active zone is formed of two parts 1, 2, symmetrical to each other with respect to the common collector 3, made in the middle transverse plane of the zone. Each part is formed of concentrically mounted shells 4 9, between which five annular cavities containing fuel rods are formed 10. The outputs of the outer first (between the shells 4, 5) and the inner fifth (between the shells 8, 9) of the annular cavities are connected to the entrance of the corresponding adjacent annular cavity (between the shells 5, 6 and 7, 8), the output of each of which, in turn, is connected to the input of the Central annular cavity (between the shells 6, 7), and the output of the latter is connected to a common collector 3. Thus, in each of parts 1, 2 active zones are formed by two three-way paths of the oncoming flow of the working fluid from the outer and inner annular fuel cavities into the central fuel cavity. In this case, the tubular channels 11, 12, forming the heat-absorbing surface of the coolant circuit of the energy converter, are placed between the fuel rods contained in the annular cavities between the shells 5, 6 and 7, 8. Additional tubes 13 can be placed in the tubular channels 11, 12 together with channels of the Field tube system. Liquid metal heat pipes or TEC power generating channels (not shown) can also be placed in these channels.

Внутренняя обечайка 9 в частях 1, 2 образует осевой канал 14, который в серединной своей части сообщается с выходом общего сборного коллектора 3, а на своем выходе сообщается с выхлопным соплом (не показано). В осевом канале 14 размещено запорное устройство 15 (типа поршня), предназначенное для перекрытия выхлопного сопла на энергетическом режиме. На периферии общего сборного коллектора 3 размещен кольцевой слой теплоизоляции 16, с помощью которого осуществляется дистанционирование между частями 1, 2 активной зоны, обеспечивая разделение входной "холодной" части коллектора 3 от его выходной "горячей" части, а также формируются соответствующие тракты в коллекторе. На наружных торцах частей 1, 2 выполнены коллекторы для подвода рабочего тела двигателя (водород, аммиак и др. низкомолекулярные вещества), а также подвода и отвода жидкометаллического теплоносителя энергетического контура. В полостях коллекторов размещены блоки торцовых отражателей 17. The inner shell 9 in parts 1, 2 forms an axial channel 14, which in its middle part communicates with the output of the common collector 3, and at its output communicates with an exhaust nozzle (not shown). In the axial channel 14 there is a locking device 15 (such as a piston) designed to block the exhaust nozzle in power mode. An annular layer of thermal insulation 16 is placed on the periphery of the common prefabricated collector 3, with the help of which the distance between parts 1, 2 of the active zone is carried out, providing separation of the input "cold" part of the collector 3 from its output "hot" part, and the corresponding paths are formed in the collector. On the outer ends of parts 1, 2, collectors are made for supplying the working fluid of the engine (hydrogen, ammonia, and other low molecular weight substances), as well as supplying and discharging the liquid metal coolant of the energy circuit. In the cavities of the collectors placed blocks of mechanical reflectors 17.

Активная зона имеет общую наружную теплоизолированную охлаждаемую обечайку, которая вместе с торцовыми коллекторными крышками образует тепловыделяющий модуль активной зоны в виде единого узла. The active zone has a common external heat-insulated cooled shell, which together with the end collector covers forms a heat-generating module of the active zone in the form of a single unit.

Для обеспечения низкой пористости (~ 15%) по газу в предлагаемой активной зоне могут использоваться твэлы пластинчатого, цилиндрического, призматического и стержневого (пруткового) типа. Они обеспечивают возможность профилирования энерговыделения в обеих частях активной зоны концентрацией делящегося вещества, позволяют получить регулярную сетку каналов охлаждения между твэлами и упростить сборочные операции при монтаже активной зоны. Характерные геометрические размеры твэлов: толщина 3-5 мм, длина 50-100 мм. Гидравлический диаметр каналов охлаждения 1 мм. В качестве материалов твэлов оптимальным сочетанием температуростойкости, теплопроводности и плотности урана обладают карбонитридные уран-циркониевые топливные композиции, например, типа (U_xZr_1-x)C_yN_y, обеспечивающие достижение минимальных массогабаритных характеристик предлагаемой активной зоны.To ensure low porosity (~ 15%) in gas in the proposed core, fuel rods of lamellar, cylindrical, prismatic and rod (rod) types can be used. They provide the possibility of profiling the energy release in both parts of the core with the concentration of fissile material, they allow you to get a regular grid of cooling channels between the fuel rods and simplify the assembly operations during the installation of the core. The characteristic geometric dimensions of the fuel rods are: thickness 3-5 mm, length 50-100 mm. The hydraulic diameter of the cooling channels is 1 mm. As fuel elements, the optimal combination of temperature resistance, thermal conductivity and density of uranium is provided by carbonitride uranium-zirconium fuel compositions, for example, of the type (U _x Zr _1-x ) C _y N _y , which ensure the achievement of the minimum weight and size characteristics of the proposed core.

Кольцевые обечайки 4 9 выполняются из вольфрама и/или молибдена или их сплавов с рением. В составе реактора тепловыделяющий модуль окружен кольцевым слоем бокового отражателя, имеющим двенадцать регулирующих барабанов и размещенным в силовом корпуса реактора. Ring shells 4 to 9 are made of tungsten and / or molybdenum or their alloys with rhenium. As part of the reactor, the fuel module is surrounded by an annular layer of side reflector having twelve control drums and placed in the power reactor vessel.

Активная зона работает следующим образом. The active zone operates as follows.

Энергетический режим. Energy mode.

На фиг. 1 показан вариант активной зоны с прокачкой через трубки Фильда жидкометаллического теплоносителя лития, который на выходе из активной зоны может использоваться, например, для нагрева термоэлектрического преобразователя энергии (ТЭЛП) или для нагрева газообразного теплоносителя в газотурбинной установке (ГТУ) (цикл Брайтона-Эрикссона). In FIG. Figure 1 shows a variant of the active zone with the pumping through the Field tubes of a liquid metal coolant of lithium, which at the outlet of the active zone can be used, for example, for heating a thermoelectric energy converter (TELP) or for heating a gaseous coolant in a gas turbine installation (GTU) (Brighton-Ericsson cycle) .

Предварительно запорное устройство 15 перемещается вверх по осевому каналу 14 и перекрывает выхлопное сопло так, что в полости активной зоны создается некоторое избыточное давление (до 0,02 МПа) газообразного рабочего тела (смесь водорода с азотом) с целью обеспечения термодинамической стабильности карбонитридного топлива и увеличения теплопроводности всех газовых трактов. Литий поступает с обоих торцов активной зоны в части 1, 2, проходит внутри трубок 13, затем противотоком проходит через кольцевые зазоры каналов 12, 13, охлаждая окружающие твэлы и при температуре13000 К выходит за пределы активной зоны, поступая в контур преобразователя энергии. Previously, the locking device 15 moves up along the axial channel 14 and closes the exhaust nozzle so that a certain excess pressure (up to 0.02 MPa) of the gaseous working fluid (a mixture of hydrogen with nitrogen) is created in the cavity of the active zone in order to ensure the thermodynamic stability of carbonitride fuel and increase thermal conductivity of all gas paths. Lithium enters from both ends of the active zone in parts 1, 2, passes inside the tubes 13, then flows countercurrently through the annular gaps of the channels 12, 13, cooling the surrounding fuel rods and at a temperature of 13000 K it goes outside the active zone and enters the energy converter circuit.

Применительно к ЯЭДУ с встроенным в активную зону ТЭП в каналах 12, 13 размещаются электрогенерирующие каналы (ЭГК) с внешним расположением эмиттера из монокристаллического сплава вольфрама, что обеспечивает его нагрев до температуры19000-2000 К тепловым потоком от твэлов, окружающих каналы. In relation to nuclear power emitters with integrated TEC in the channels 12, 13, electric generating channels (EGCs) are located with an external emitter made of a single crystal tungsten alloy, which ensures its heating to a temperature of 2000--2000 K by the heat flux from the fuel rods surrounding the channels.

Охлаждение коллектора ЭГК, выполненного из молибденового или ниобиевого сплава, до темпеpатуры1100 К осуществляется прокачкой через встроенную в ЭГК трубку Фильда жидкометаллического рабочего тела лития, с его входом и выходом через торцовые коллекторы на частях 1, 2, те же самые, что и в схемах с ТЭЛП и ГТУ. ЭГК подключаются к внешней нагрузке через электроизолирующие токовыводы эмиттера и коллектора, расположенные на торцах частей 1, 2 и не подвергающиеся интенсивному радиационному облучению. При использовании встроенных ЭГК запорное устройство 15 также перекрывает выхлопное сопло. The cooling of the collector of an EGC made of molybdenum or niobium alloy to a temperature of 1100 K is carried out by pumping a liquid metal working fluid of lithium built into the EGC with its input and output through end collectors on parts 1, 2, the same as in the circuits with TELP and GTU. EGCs are connected to an external load through the electrically insulating current leads of the emitter and collector located at the ends of parts 1 and 2 and not subject to intense radiation exposure. When using built-in EGCs, the locking device 15 also closes the exhaust nozzle.

Применительно к ЯЭДУ с ТЭЛП в каналах 12, 13 размещаются испарительные части жидкометаллических тепловых труб, а их конденсаторные части выведены в блок ТЭЛП, размещенный за пределами активной зоны. Теплоносителем тепловых труб могут быть натрий (рабочая температура1000 К) или литий (рабочая температура 1200 К). Тепловые трубы изготавливаются из сплава на основе ниобия и титана с размерами: диаметр 18-28 мм, длина до 3000 мм. При работе на энергетическом режиме жидкометаллический теплоноситель испаряется на длине каналов 12, 13, транспортируется внутри тепловой трубы в блок ТЭЛП, где конденсируется и по капиллярно-пористому фитилю возвращается обратно в испарительную часть. Тепловая мощность, передаваемая с помощью единичной тепловой трубы, может составлять 5-60 кВт, что обеспечивает надежную работу активной зоны при включении ЯРД. In the case of nuclear-electric power emulsion with TELP, in the channels 12, 13 the evaporative parts of liquid-metal heat pipes are placed, and their condenser parts are led out to the TELP block located outside the core. The heat carrier of the heat pipes can be sodium (operating temperature 1000 K) or lithium (operating temperature 1200 K). Heat pipes are made of an alloy based on niobium and titanium with dimensions: diameter 18-28 mm, length up to 3000 mm. When operating in the energy mode, the liquid metal coolant evaporates along the length of the channels 12, 13, is transported inside the heat pipe to the TELP unit, where it condenses and is returned back to the evaporation part via a capillary-porous wick. The heat power transmitted using a single heat pipe can be 5-60 kW, which ensures reliable operation of the active zone when the NRE is switched on.

Совмещенный (энерго-двигательный режим). Combined (energy-motor mode).

Перед включением ЯРД запорное устройство 15 перемещается вниз по осевому каналу 14 и открывает выхлопное сопло. При это циркуляция жидкометаллического теплоносителя через активную зону осуществляется в вышеописанной последовательности. Рабочее тело ЯРД водород (аммиак и т.п.) подается через торцевые коллекторы частей 1, 2 в наружную (между обечайками 4, 5) и внутреннюю (между обечайками 8, 9) кольцевые полости. Затем каждый из двух потоков, в каждой части, проходит один в кольцевую полость между обечайками 5, 6, другой в кольцевую полость между обечайками 7, 8 и далее оба потока поступают в кольцевую полость между обечайками 6, 7, на выходе из которой температура рабочего тела составляет 2800 К. Суммарный расход водорода из частей 1, 2 поступает в сборный коллектор 3 и из него в осевой канал 14, соединенный с выхлопным соплом. Before turning on the NRE, the locking device 15 moves down the axial channel 14 and opens the exhaust nozzle. In this case, the circulation of the liquid metal coolant through the active zone is carried out in the above sequence. The working body of the NRE hydrogen (ammonia, etc.) is fed through the end collectors of parts 1, 2 to the outer (between the shells 4, 5) and the inner (between the shells 8, 9) annular cavities. Then, each of the two flows, in each part, passes one into the annular cavity between the shells 5, 6, the other into the annular cavity between the shells 7, 8 and then both flows enter the annular cavity between the shells 6, 7, at the outlet of which the working temperature body is 2800 K. The total consumption of hydrogen from parts 1, 2 enters the collecting manifold 3 and from it into the axial channel 14 connected to the exhaust nozzle.

Подача холодного водорода (~ 300 К) двумя встречными потоками на вход каждой части 1 и 2 активной зоны обеспечивает надежное охлаждение металлоконструкций коллекторов и торцовых отражателей. The supply of cold hydrogen (~ 300 K) with two counter flows to the inlet of each part 1 and 2 of the active zone ensures reliable cooling of the metal structures of the collectors and end reflectors.

В таблице приведены параметры предлагаемой активной зоны для различных систем преобразования энергии. Запасы реактивности в активной зоне составят: максимальный запас реактивности в холодном состоянии ΔK = 1-1,5% ,, эффективность регулирующих барабанов на номинальных режимах работы ΔK/K = 7% ,, суммарный температурный эффект 0,5% выгорание урана 0,4% заполнение водородом на двигательном режиме 0,4%
При работе активной зоны допускается отказ более половины регулирующих барабанов. Наличие пассивных систем безопасности в виде резонансных поглотителей (вольфрам, рений, литий), размещенных непосредственно в объеме активной зоны, также повышает ее эксплуатационную надежность. В сравнении с прототипом обеспечивается использование активной зоны с термоэлектрической, термоэмиссионной и турбомашинной системами преобразования энергии без существенных конструктивных изменений зоны и ее теплогидравлической схемы. Это позволяет проводить экспериментально-стендовую отработку основных узлов активной зоны с учетом особенностей той или иной системы преобразования и с достижением высокой эксплуатационной надежности зоны в целом.The table shows the parameters of the proposed core for various energy conversion systems. Reactivity reserves in the core will comprise: the maximum cold reactivity margin ΔK = 1-1.5% ,, the efficiency of control drums at nominal operating modes ΔK / K = 7% ,, the total temperature effect is 0.5% uranium burnout 0.4 % hydrogen filling in motor mode 0.4%
During core operation, more than half of the control drums are allowed to fail. The presence of passive safety systems in the form of resonant absorbers (tungsten, rhenium, lithium) located directly in the core volume also increases its operational reliability. In comparison with the prototype, the use of the core with thermoelectric, thermionic and turbomachine energy conversion systems is provided without significant structural changes of the zone and its thermo-hydraulic circuit. This allows for experimental-bench testing of the main components of the core, taking into account the characteristics of a particular conversion system and achieving high operational reliability of the zone as a whole.

Claims

1. The active zone of the reactor of the power plant, containing fuel rods placed in the cavity for the flow of the working fluid of the engine outside of the tubular channels, forming a heat-absorbing surface of the coolant circuit of the energy Converter, characterized in that the active zone in height is formed of two hydraulically disconnected, symmetrical relative to each other parts separated in the middle transverse plane of the zone by a common collector for collecting the working fluid from these parts, connected to the feed channel about the body into the exhaust nozzle of the engine, made along the axis of the zone, the fuel rods in each part are placed in the annular cavities between the concentric mounted shells with the formation of two three-way paths of the oncoming flow of the working fluid from the outer and inner annular cavities into the central annular cavity, the output of which is connected to a common assembly by a collector, tubular channels are placed in intermediate annular cavities, and collectors for supplying a working fluid and a heat carrier and removal of a heat carrier are made at the outer ends of the nnyh parts.

2. The active zone according to claim 1, characterized in that an annular layer of thermal insulation is placed outside the common prefabricated collector.