Газоохлаждаемый реактор с паровой машиной Ренкина

(51) 21 1/03 (2012.01) 21 1/32 (2012.01) КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ИННОВАЦИОННОМУ ПАТЕНТУ Отличием является то, что 1. топливные каналы реактора разделены на два типа, первый с высокой выходной температурой, например 530 С, и высоким перегревом теплоносителя, например 230 С, второй с малой выходной температурой,например 360 С,и малым перегревом теплоносителя, например 130 С, нагреватель двигателя Ренкина разделен на три части, первый теплообменник с высокой температурой нагрева и высоким давлением пара, второй теплообменник со средней температурой нагрева и высоким давлением пара и третий теплообменник с малой температурой нагрева воды двигателя, магистрали теплоносителя первых каналов реактора соединены с первым нагревателем двигателя, магистрали вторых каналов реактора соединены со вторым нагревателем двигателя, а магистрали замедлителя реактора соединены с третьим нагревателем двигателя. 2. паровая турбина разделена на ступени высокого и низкого давления, топливные каналы первого типа и первый нагреватель разделены на соединенные между собой две части высокого и малого давления пара двигателя, магистраль пара нагревателя высокого давления соединена со ступенью турбины высокого давления, а магистраль пара нагревателя низкого давления соединена со ступенью турбины низкого давления. Техническим результатом является- снижение потерь энергии на прокачку теплоносителя и в замедлителе нейтронов.(73) Дочернее государственное предприятие на праве хозяйственного ведения Институт атомной энергии Республиканского государственного предприятия на праве хозяйственного ведения Национальный ядерный центр Республики Казахстан Министерства индустрии и новых технологий Республики Казахстан(56) Инновационный патент РК 23234, 2010(57) Предлагаемое изобретение относится к области энергетики,а именно к конструкции газоохлаждаемого ядерного реактора, работающего вместе с паровой машиной Ренкина. 1. Газоохлаждаемый реактор с двигателем Ренкина, содержащий реактор и двигатель Ренкина,в активной зоне реактора установлены топливные каналы с магистралями входа и выхода теплоносителя, тяжеловодный замедлитель в пространстве между каналами, замедлитель с входной и выходной магистралями, активная зона и замедлитель установлены в силовой корпус реактора, двигатель Ренкина содержит нагреватель рабочего тела, паровую турбину, магистрали теплоносителя реактора соединены с нагревателем двигателя Ренкина. Изобретение относится к области машиностроения,а именно к области энергетического реакторостроения. Известен ядерный реактор,в котором замедлителем нейтронов и теплоносителем является вода. В наиболее простых конструктивных схемах энергоустановки с таким реактором происходит кипение воды в активной зоне реактора. Образующийся пар является рабочим телом паровой машины, работающей по циклу Ренкина 1. Доллежаль, Емельянов, Галанин и др. Уранграфитовый реактор с перегревом пара высокого давления. - Атомная энергия, 1958. т. 5, вып. 3. с. 233-244 При давлении воды в активной зоне реактора около 6 МПа такая схема хорошо согласует работу ядерного реактора и паровой машины. Недостатками данного решения является невысокий коэффициент полезного действия паровой машины и высокие потери нейтронов. Малое значение коэффициента полезного действия обусловлено малым уровнем температуры рабочего тела паровой машины и высокими затратами на парообразование в цикле Ренкина, связанные с давлением теплоносителя в реакторе. Потери нейтронов обусловлены высоким сечением поглощения нейтронов ядрами водорода 1 Носновным замедляющим элементом данного реактора. Известен ядерный реактор,в котором теплоносителем является газ, а замедлителем нейтронов тяжелая вода 2. Абрамов В.М., Батуров Б.Б., Богданов П.В. и др. Первая чехословацкая атомная электростанция А-1 с тяжеловодным реактором КС-1 (разработка и конструкция). Атомная энергия, 1974, т. 36, вып. 2. с. 113-124. Теплоноситель циркулирует в топливных каналах, а замедлитель расположен в пространстве между каналами. Между теплоносителем и замедлителем установлен тепловой экран, снижающий потери тепла от теплоносителя в замедлитель. Нагреватели рабочего тела паровой машины установлены вне активной зоны реактора. Потенциально, такая схема обеспечивает возможность получения высокой температуры теплоносителя при его низком давлении и передачи тепловой энергии рабочему телу паровой машины при более высоких давлениях пара в цикле. По сравнению с первым решением здесь снижены потери нейтронов, т.к. ядра дейтерия 2 Н имеют малое сечение поглощения. Недостатками данного решения являются высокие потери энергии на прокачку теплоносителя и потери энергии в замедлителе, связанные с торможением быстрых нейтронов в замедляющей среде и утечками тепла из топливных каналов. Доля потерь энергии в замедлителе доходит до 10 от всей мощности реактора. Потери энергии на прокачку теплоносителя в 2. Абрамов В.М.,Батуров Б.Б., Богданов П.В. и др. Первая чехословацкая атомная электростанция А-1 с тяжеловодным реактором КС-1 (разработка и конструкция). - Атомная энергия, 1974, т. 36, вып. 2. с. 113-124 достигает 16 от вырабатываемой электрической мощности. 2 Известно решение наиболее близкое предлагаемому. В этом канальном реакторе с газовым теплоносителем и водным замедлителем активная зона и отражатель установлены в корпусе высокого давления, входные и выходные каналы теплоносителя объединены внутри корпуса реактора(в виде интегральных коллекторов) установлены магистрали входа и выхода замедлителя из корпуса реактора. Нагреватели рабочего тела паровой машины установлены вне активной зоны реактора. Сопряжение магистралей теплоносителя отдельных каналов вблизи отражателя позволяет снизить гидравлическое сопротивление тракта теплоносителя и, соответственно, потери энергии на прокачку теплоносителя. 3. Котов В.М. Газоохлаждаемый реактор с водным замедлителем и способ его работы. Инновационный патент Республики Казахстан 23234 от 20.09.2010 г Недостатками данного решения являются высокие потери энергии на прокачку теплоносителя и потери энергии в замедлителе, связанные с торможением быстрых нейтронов в замедляющей среде и утечками тепла из топливных каналов. Технической задачей, стоящей перед настоящим изобретением является снижение потерь энергии на прокачку теплоносителя и в замедлителе нейтронов. Решение технической задачи достигается тем,что 1. Газоохлаждаемый реактор с двигателем Ренкина, содержащий реактор и двигатель Ренкина,в активной зоне реактора установлены топливные каналы с магистралями входа и выхода теплоносителя, тяжеловодный замедлитель в пространстве между каналами, замедлитель с входной и выходной магистралями, активная зона и замедлитель установлены в силовой корпус реактора, двигатель Ренкина содержит нагреватель рабочего тела, паровую турбину, магистрали теплоносителя реактора соединены с нагревателем двигателя Ренкина, отличается тем, что топливные каналы реактора разделены на два типа, первый с высокой выходной температурой, например 530 С,и высоким перегревом теплоносителя, например 230 С, второй с малой выходной температурой,например 360 С,и малым перегревом теплоносителя, например 130 С, нагреватель двигателя Ренкина разделен на три части, первый теплообменник с высокой температурой нагрева и высоким давлением пара, второй теплообменник со средней температурой нагрева и высоким давлением пара и третий теплообменник с малой температурой нагрева воды двигателя, магистрали теплоносителя первых каналов реактора соединены с первым нагревателем двигателя, магистрали вторых каналов реактора соединены со вторым нагревателем двигателя, а магистрали замедлителя реактора соединены с третьим нагревателем двигателя. Решению технической задачи способствует то, что 2. Газоохлаждаемый реактор с двигателем Ренкина по пункту 1, отличается тем, что паровая турбина разделена на ступени высокого и низкого давления, топливные каналы первого типа и первый нагреватель разделены на соединенные между собой две части высокого и малого давления пара двигателя, магистраль пара нагревателя высокого давления соединена со ступенью турбины высокого давления, а магистраль пара нагревателя низкого давления соединена со ступенью турбины низкого давления. Схема предлагаемого реактора и сопряженной с ним паровой машины Ренкина представлена на фиг.1. Она содержит корпус реактора 1,высокотемпературные топливные каналы с магистралями теплоносителя 2, низкотемпературные топливные каналы с магистралями теплоносителя 3,среднетемпературный нагреватель рабочего тела паровой машины 4, низкотемпературный нагреватель рабочего тела паровой машины 5, циркуляционный насос паровой машины 6, циркуляционный насос замедлителя 7,циркуляционный насос низкотемпературных каналов реактора 8,циркуляционный насос высокотемпературных каналов реактора 9, турбину паровой машины 10, холодильник паровой машины 11 и высокотемпературный нагреватель пара 12. Работа предлагаемого реактора с паровой машиной Ренкина проводится следующим образом. Магистрали теплоносителя 2 и 3 передают выработанное в топливных каналах тепло рабочему телу паровой машины,соответственно,в нагревателях 12 и 4. Тепловая энергия замедляющихся нейтронов передается замедлителем в нагревателе 5. Течение теплообменных сред в нагревателях 4, 5 и 12 проводится противотоком. Циркуляция замедлителя обеспечивается насосом 7. Циркуляция теплоносителя обеспечивается насосами 8 и 9. В корпусе реактора 1 создается давление, которое позволяет повысить температуру замедлителя до уровня,обеспечивающего эффективность работы нагревателя 5. Перегретый пар из нагревателя 12 подается на лопатки турбины 10, а отработанный пар из турбины поступает в холодильник 11. Для данной схемы рассчитаны характеристики для следующих параметров давление теплоносителя 6.0 МПа,максимальная температура цикла Ренкина - 500 С, максимальное давление пара - 10.0 МПа. Теоретический коэффициент полезного действия цикла составляет 38. Коэффициент полезного действия с учетом потерь при работе турбины составит 32 - 34. Особенностями схемы (и е достоинством) являются малый уровень потерь энергии на прокачку теплоносителя через активную зону и полное использование энергии, выделяющейся в реакторе. Это связано, во-первых, с тем, что основная доля энергии передатся паровой машине при температуре много меньшей, чем максимальная температура цикла,причем при высокой допустимой разности температур между входом и выходом теплоносителя в активную зону. Следовательно, объемный расход теплоносителя требуется меньшим, чем в схеме прототипа. Вовторых, для работы машины по циклу Ренкина требуется подогрев воды после холодильника от минимальной температуры цикла (обычно около 30 С). Такой подогрев в настоящем предложении осуществляет замедли гель, в котором выделяется до 10 всей мощности реактора. В прототипном решении данная энергия не используется. Таким образом, больше половины энергии, требуемой для работы по циклу Ренкина передается от реактора при сравнительно малых температурах, с низкими дополнительными потерями. Решение по пункту 2 формулы изобретения реализует наиболее эффективный способ работы тепловой машины цикла Ренкина с промежуточным перегревом пара в ходе работы турбины. Схема реактора и сопряженной с ним паровой машины Ренкина для данного случая представлена на фиг.2. Отличием этой схемы от предыдущей является разделение магистралей теплоносителя 2 на две части 2 а и 2 б, замена насоса 9 на два насоса 9 ф и 9 б,разделение турбины 10 на две ступени 10 а и 10 б,нагревателя 12 на два 12 а и 12 б. Проведен расчет характеристик цикла данной схемы со следующими параметрами давление в контурах теплоносителя 6.0 МПа, максимальное давление пара - 13.0 МПа. температура перехода вода-пар - 331 С, температура воды на выходе холодильника 11 - 31 С, температура в магистралях теплоносителя (вход / выход) 2 а - 300 / 530 С, 2 б 350 / 510 С, 3 - 130 / 360 С, температура замедлителя - 90 / 210 С. Температура пара высокого давления - 490 С, пара низкого давления 510 С при давлении 3.3 МПа. Теоретический коэффициент полезного действия такого цикла составляет 45. С учетом потерь энергии в турбине и на прокачку теплоносителя коэффициент полезного действия будет на уровне 40-41. В данном решении относительные потери на прокачку становятся меньшими, чем в решении по пункту 1 формулы изобретения. Для иллюстрации приведем доли энергии, приходящиеся на каждую из греющих магистралей реактора и,соответственно нагреватели 4 - 58,14, 5 - 10, 12 а- 14.44, 126 - 17.41. Таким образом, наибольшая часть энергии передается теплоносителем с температурой на выходе из активной зоны 360 С и замедлителем (в сумме 68.14). В оставшихся магистралях при большей температуре на выходе из реактора установлен больший перепад температур,соответственно, меньший расход теплоносителя на единицу мощности. Отношение потерь на прокачку по предлагаемой схеме передачи энергии к потерям по прототипному решению 1.5. Предлагаемое решение позволяет снизить требования к утечке тепла из топливных каналов в теплоноситель, т.к. это тепло передается рабочему телу паровой машины нагревателем 5 и эффективно используется в цикле Ренкина. В сумме,для варианта АЭС 2. Абрамов В.М., Батуров Б.Б.,Богданов П.В. и др. Первая чехословацкая атомная электростанция А-1 с тяжеловодным реактором КС 1 (разработка и конструкция). - Атомная энергия,1974, т. 36, вып. 2. с. 113-124 (с его собственной схемой цикла) при тепловой мощности реактора 610 МВт электрическая мощность составит 141.4 МВт вместо 120.7 МВт. При переводе АЭС к схеме по 3 пункту 2 формулы изобретения е электрическая мощность будет не менее 250 МВт. Дополнительно,данная схема улучшает температурный режим основной части топлива реактора, благодаря чему увеличивается надежность его работы. Таким образом,поставленная перед изобретением техническая задача, снижение потерь энергии на прокачку теплоносителя и в замедлителе нейтронов, успешно решена. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Газоохлаждаемый реактор с двигателем Ренкина, содержащий реактор и двигатель Ренкина,в активной зоне реактора установлены топливные каналы с магистралями входа и выхода теплоносителя, тяжеловодный замедлитель в пространстве между каналами, замедлитель с входной и выходной магистралями, активная зона и замедлитель установлены в силовой корпус реактора, двигатель Ренкина содержит нагреватель рабочего тела, паровую турбину, магистрали теплоносителя реактора соединены с нагревателем двигателя Ренкина, отличающийся тем что топливные каналы реактора разделены на два типа,первый с высокой выходной температурой, 4 например 530 С,и высоким перегревом теплоносителя, например 230 С, второй с малой выходной температурой, например 360 С, и малым перегревом теплоносителя, например 130 С,нагреватель двигателя Ренкина разделен на три части,первый теплообменник с высокой температурой нагрева и высоким давлением пара,второй теплообменник со средней температурой нагрева и высоким давлением пара и третий теплообменник с малой температурой нагрева воды двигателя, магистрали теплоносителя первых каналов реактора соединены с первым нагревателем двигателя, магистрали вторых каналов реактора соединены со вторым нагревателем двигателя, а магистрали замедлителя реактора соединены с третьим нагревателем двигателя. 2. Газоохлаждаемый реактор с двигателем Ренкина по пункту 1, отличающийся тем, что паровая турбина разделена на ступени высокого и низкого давления, топливные каналы первого типа и первый нагреватель разделены на соединенные между собой две части высокого и малого давления пара двигателя, магистраль пара нагревателя высокого давления соединена со ступенью турбины высокого давления, а магистраль пара нагревателя низкого давления соединена со ступенью турбины низкого давления.