ČESKOSLOVENSKA SOCIALISTI C KÁ R E P U B L I K A
L Int. Cl.2 G 21 C 1/02 P ř i h l á š e n o 08. II. 1974 (PV 881-74)
Z v e ř e j n ě n o 29. III. 197(3 ÚŘAD PRO VYNÁLEZY A OBJEVY
Autor v y n á l e z u
MDT 621.039.002.5 621.039.51 621.039.511.2
Vydáno 15. III. 1978
STANISLAV BORISOVIČ BOBROV, VLADIMÍR GR1GORJEVIČ ILJUNIN, IGOR ALEXEJEVIČ KUZNECOV, VIKTOR MICHAJLOVIČ MUROGOV, OBNINSK, JURIJ VASILIEVIČi SILAJEV, LEV VASILjEVIČ TOČENY) a ANATOLIJ NIKOLAJEVIČ ŠMELEV, MOSKVA (SSSR)
Rychlý jaderný reaktor
1 Vynález se t ý k á j a d e r n ý c h r e a k t o r ů , jmen o v i t ě r y c h l ý c h j a d e r n ý c h r e a k t o r ů sloužících p r o v ý r o b u e l e k t r i c k é e n e r g i e v j a d e r ných elektrárnách. U známého rychlého jaderného reaktoru je š t ě p n é p á s m o v y t v o ř e n o z v ě t š í h o počtu kazet s palivovými články, obtékaných chladicím m é d i e m . V p a l i v o v ý c h č l á n c í c h je umístěno homogenní palivo — kysličník uraničitý. Chladicí m é d i u m v s t u p u j e do š t ě p n é h o p á s m a p ř e s vstupní s b ě r a č a v y s t u p u je z n ě h o p ř e s v ý s t u p n í s b ě r a č . Nedostatkem tohoto známého rychlého j a d e r n é h o r e a k t o r u je, že k o e f i c i e n t r e p r o d u k c e je u n ě h o sice vyšší n e ž j e d n a , a v š a k zdaleka nedosahuje koeficientu reprodukce r e k t o r ů s k o v o v ý m palivem. Použití k o v o v é h o paliva v p a l i v o v ý c h č l á n c í c h je však n e m o ž n é , r e s p e k t i v e p r o b l e m a t i c k é . Souvisí t o s tím, že u d r ž o v á n í vysokých parametrů termodynamického p r o c e s u v y ž a d u j e na p l á š t i p a l i v o v é h o č l á n k u teplotu, jejíž m a x i m u m leží v oblasti 680 až 720°C, p ř i č e m ž n e j v ý š e p ř í p u s t n é teploty p r o k o v o v é palivo, r e s p e k t i v e p r o ploc h u p a l i v o - p o u z d r o činí 570° až 610 °C, r e s p e k t i v e 490° až 510 °C. Účelem v y n á l e z u je v y t v o ř e n í r y c h l é h o j a d e r n é h o r e a k t o r u , k l e r ý by byl o p r o š t ě n od u v e d e n ý c h n e v ý h o d . 171967
2 Úkolem vynálezu je vyvinutí r y c h l é h o jaderného reaktoru s takovým uspořádáním š t ě p n é h o p á s m a , při n ě m ž by bylo d o s a h o v á n o vyšší r y c h l o s t i m n o ž e n í p ř i z a c h o v á n í vysokých teplotních parametrů chladicího 5 média. Tento ú k o l je v y ř e š e n tím, že u r y c h l é h o j a d e r n é h o r e a k t o r u se š t ě p n ý m p á s m e m vyplněným palivovými články obtékanými c h l a d i c í m m é d i e m a r o z d ě l e n ý m do- dvou jn r a d i á l n í c h o b l a s t í s odlišnými t e p l o t a m i c h l a d i c í h o méclia, podle v y n á l e z u o b s a h u j e o b l a s t s t e p l e j š í m c h l a d i c í m m é d i e m palivové č l á n k y n a p l n ě n é k e r a m i c k ý m p a l i v e m a oblast s c h l a d n ě j š í m c h l a d i c í m m é d i e m 15 o b s a h u j e palivové č l á n k y n a p l n ě n é kovovým palivem. J a k o k o v o v é h o paliva se p ř i t o m ú č e l n ě p o u ž i j e k o v o v é slitiny n a bázi U 235 —U 323 , jako keramického paliva kysličníku plutoni2(1 čitého. Oblast s t e p l e j š í m c h l a d i c í m m é d i e m m á p ř i t o m být v ý š k o v ě m a x i m á l n ě d v a k r á t větší než o b l a s t s c h l a d n ě j š í m c h l a d i c í m m é 25 dium. Podíl c h l a d n ě j š í h o c h l a d i c í h o m é d i a v p ř í s l u š n é oblasti má být r o v n ě ž m a x i m á l n ě d v o j n á s o b n ý v ů č i podílu t e p l e j š í h o c h l a d i cího m é d i a v d r u h é oblasti. Obě oblasti je m o ž n o t a k é p r o v é s t výš3o
1 7 1 9 6 7 3
kově přibližně stejné, přičemž m o h o u rovněž obsahovat přibližně s t e j n é podíly chladicího média a přičemž oblast s t e p l e j š í m chladicím m é d i e m je u s p o ř á d á n a u p r o s t ř e d štěpného pásma jaderného reaktoru. Oblast s teplejším chladícím m é d i e m je možno dále provést výškově přibližně dvak r á t větší než oblast s c h l a d n ě j š í m chladícím médiem, p ř i č e m ž bude u v e d e n á oblast obsahovat přibližně d v a k r á t nižší podíl chladícího média než oblast s c h l a d n ě j š í m chladícím m é d i e m a bude u s p o ř á d á n a na vnější s t r a n ě š t ě p n é h o pásma. Každá z oblastí může být o p a t ř e n a vlastním vstupním, respektive výstupním sběračem. je t a k é možno vstupní s b ě r a č e všech oblastí vyústit do jednoho s p o l e č n é h o sběrače. Rovněž tak je možno výstupní s b ě r a č e všech oblastí vyústit do j e d n o h o společného sběrače. Pouzdra palivových č l á n k ů pro oblast vysokoteplotního chladícího média, popřípadě jen jejich části n a s t r a n ě výstupu se účelně p r o v á d ě j í z m a t e r i á l ů odolných proti teplu. Oblasti je t a k é možno u s p o ř á d a t za sebou ve s m ě r u p r o u d ě n í chladícího média, přičemž se výstupní s b ě r a č oblasti s chladnějším chladícím médiem propojí s e vstupním s b ě r a č e m oblasti s teplejším chladícím médiem. Pro jednotlivé oblasti je p ř i t o m možno použít r ů z n ý c h chladících médií, přičemž se jako chladícího média má použít plynu p r o oblast s t e p l e j š í m chladícím m é d i e m a t e k u t é h o kovu pro oblast s c h l a d n ě j š í m chladícím médiem. Mezi oblasti s rozdílnými teplotami chladícího média je možno účelně začlenit tepelně izolační rozdělovači vrstvu, sestavenou z palivových č l á n k ů n a p l n ě n ý c h nmoživým m a t e r i á l e m . Výhoda r y c h l é h o j a d e r n é h o r e a k t o r u provedeného podle vynálezu spočívá v tom, že při jeho z a č l e n ě n í do t e p e l n é h o systému j a d e r n é e l e k t r á r n y z ů s t a n o u zachovány vysoké p a r a m e t r y t e r m o d y n a m i c k é h o procesu vodní p á r y pro j a d e r n o u e l e k t r á r n u , přičemž se zvýší koeficient r e p r o d u k c e . Kromě toho má n a v r ž e n ý rychlý j a d e r n ý r e a k t o r tu výhodu, že rozložení tepla v jeho š t ě p n é m p á s m u se v p r ů b ě h u jeho pracovního p r o c e s u mění p o d s t a t n ě méně, než je tomu u z n á m ý c h rychlých j a d e r n ý c h reaktorů, vyvážených obohacením. Z toho vyplývá zvýšení hustoty energie p r o použité palivo a zlepšení c h a r a k t e r i s t i k j a d e r n é elektrárny. V dalším textu bude t e n t o vynález blíže osvětlen s použitím p ř í k l a d ů p r o v e d e n í a k tomu příslušejících vyobrazení, k t e r á znáz o r ň u j í na obr. 1 s c h e m a t i c k y v a r i a n t u provedení r y c h l é h o j a d e r n é h o r e a k t o r u podle vynálezu, n a obr. 2 v a r i a n t u provedení štěpného pásma rychlého jaderného reaktoru
4
r •>
m
is
20
25
™
40
podle vynálezu, s větším podílem chladícího m é d i a ve vnější oblasti a s větší výškou s t ř e d n í oblasti, na obr. 3 variantu provedení š t ě p n é h o p á s m a r y c h l é h o j a d e r n é h o rea k t o r u podle vynálezu, s větším podílem chladícího média ve s t ř e d n í oblasti a s větší výškou vnější oblasti, na obr. 4 v a r i a n t u p r o v e d e n í rychlého j a d e r n é h o r e a k t o r u podle vynálezu se společným v s t u p n í m SÍDBr a č e m chladícího média, na obr. 5 variantu p r o v e d e n í š t ě p n é h o p á s m a rychlého jad e r n é h o r e a k t o r u podle vynálezu se společným výstupním s b ě r a č e m chladícího média, na obr. 6 v a r i a n t u provedení š t ě p n é h o pásma r y c h l é h o j a d e r n é h o r e a k t o r u podle vyn á l e z u se z a p o j e n í m chladicích o k r u h u za sebou, na obr. 7 p r ů ř e z š t ě p n ý m p á s m e m r y c h l é h o j a d e r n é h o r e a k t o r u podle vynálezu, s tepelně izolující rozdělovači vrstvou mezi oblastmi s rozdílnými teplotami chladícího média, na obr. 8 tepelné s c h é m a jad e r n é e l e k t r á r n y s rychlým j a d e r n ý m rea k t o r e m podle vynálezu, z a ř a z e n ý m do term o d y n a m i c k é h o procesu vodní páry, u kter é h o ž t o j a d e r n é h o r e a k t o r u jsou jednotlivé oblasti š t ě p n é h o p á s m a opatřeny vlastními vstupními, r e s p e k t i v e výstupními sběrači, na obr. 9 z j e d n o d u š e n é tepelné schéma jad e r n é e l e k t r á r n y s rychlým j a d e r n ý m r e a k t o r e m podle vynálezu, u něhož jsou jednotlivé oblasti š t ě p n é h o pásma o p a t ř e n y společným výstupním s b ě r a č e m a samostatnými vstupními sběrači, n a obr. 10 zjednod u š e n é tepelné s c h é m a j a d e r n é e l e k t r á r n y s rychlým j a d e r n ý m r e a k t o r e m podle vynálezu, u něhož jsou jednotlivé oblasti štěpného pásma o p a t ř e n y společným vstupním s b ě r a č e m a s a m o s t a t n ý m i výstupními sběrači.
Na obr. 1 z n á z o r n ě n ý rychlý j a d e r n ý rea k t o r o b s a h u j e š t ě p n é pásmo rozdělené clo dvou radiálních oblastí 1 a 2 s rozdílnými teplotami chladícího média a r e p r o d u k č n í p á s m o 3. Nízkoteplotní oblast š t ě p n é h o pás15 ma 1 je umístěna na vnější s t r a n ě š t ě p n é h o pásma, je omývána c h l a d n ě j š í m chladícím m é d i e m a je vyplněna svazky palivových č l á n k ů , n a p l n ě n ý m i kovovými slitinami uranu j a k o nízkoteplotním palivem. 50 Vysokoteplotní oblast 2 š t ě p n é h o p á s m a je umístěna u p r o s t ř e d š t ě p n é h o pásma, je omývána teplejším chladícím médiem a je v y p l n ě n a svazky palivových článků, n a p l n ě nými v tomto p ř í p a d ě k e r a m i c k ý m vysoko55 t e p l o t n í m palivem. R e p r o d u k č n í p á s m o 3 obkličuje ze všech s t r a n š l ě p n é pásmo j a d e r n é h o r e a k t o r u a s e s t á v á z palivových č l á n k ů s množivým m a t e r i á l e m , který m á v tomto p ř í p a d ě obsah o v a t thorium-232 n e b o uran-238. fi0 Nízkoteplotní oblast 1 je n a p o j e n a na v s t u p n í s b ě r a č 4 p r o přívod chladícího média a na výstupní s b ě r a č 5 p r o obvod chladícího média. 65 Vysokoteplotní oblast 2 je n a p o j e n a n a vstupní s b ě r a č 6 pro přívod chladícího iné-
3
1 7 1 9 6 7
clia a na výstupní sběrač 7 pro odvod chladícího média. Jako kovového paliva p r o nízkoteplotní oblast 1 jo použito kovové slitiny n a bázi U 235 —U 238 , jako paliva p r o vysokoteplotní oblast 2 je použito kysličníku plutoničitého P11O2—UO2. Radiální oblasti 1 a 2 š t ě p n é h o pásma mohou v n ě m být u s p o ř á d á n y r ů z n ě . V p ř e d c h á z e j í c í m textu byla popsána varianta p r o v e d e n í š t ě p n é h o p á s m a rychlého j a d e r n é h o r e a k t o r u , při níž je nízkoteplotní oblast 1, o b t é k a n á chladnějším chladícím médiem, u s p o ř á d á n a na vnější s t r a n ě štěpného p á s m a a oblast 2, omývanú teplejším chladícím m é d i e m je u s p o ř á d á n a uprostřed š t ě p n é h o pásma. je však t a k é možná taková v a r i a n t a provedení š t ě p n é h o pásma, při níž je oblast 1. u m í s t ě n a u p r o s t ř e d š t ě p n é h o pásma. Jak je z n á z o r n ě n o na obr. 2 a 3 — na nichž jsou zobrazeny varianty provedení š t ě p n é h o p á s m a rychlého j a d e r n é h o reaktoru, přičemž obr. 3 p ř e d s t a v u j e v a r i a n t u provedení, při níž je oblast 1 umístěna uprostřed š t ě p n é h o pásma — je vysokoteplotní oblast 2 š t ě p n é h o pásma na výšku maxim á l n ě d v a k r á t větší než nízkoteplotní oblast 1. Objemový podíl c h l a d n ě j š í h o chladícího média v oblasti 1 je přitom m a x i m á l n ě dvak r á t větší nuž objemový podíl teplejšího chladicího média ve vysokoteplotní oblasti 2. Rozdílné podíly chladícího niódia v Oblastech 1 a 2 vyplývají z toho, že palivové články 8 jsou v oblasti 1 u s p o ř á d á n y v jejím rozmezí úsporněji než palivové články 9 v oblasti 2 v jejím rozmezí. Přitom mohou být p r ů m ě r y palivových č l á n k ů 8 a 9 v oblastech 1, resp. 2 voleny různé, přičemž je jejich volba závislá 11a m n o h a Taktorech, jako n a p ř í k l a d na nejvýše p ř í p u s t n é teplotě pouzder palivových č l á n k ů . Přívod, resp. odvod chladícího m é d i a muže být u r y c h l é h o j a d e r n é h o r e a k t o r u podle tohoto vynálezu u s p o ř á d á n různě. Na obr. 4 je z n á z o r n ě n a v a r i a n t a provedení r y c h l é h o j a d e r n é h o r e a k t o r u , při níž jsou oblasti 1 a 2 š t ě p n é h o p á s m a n a p o j e ny n a společný vstupní s b ě r a č 10 a na sam o s t a t n é výstupní s b ě r a č e 5, resp. 7. Na obr. 5 je z n á z o r n ě n a v a r i a n t a provedení r y c h l é h o j a d e r n é h o r e a k t o r u , při níž jsou oblasti 1 a 2 š t ě p n é h o p á s m a n a p o j e n y na společný výstupní s b ě r a č 1 1 a na samos t a t n é vstupní s b ě r a č e 4, resp. 6. Na obr. 6 jo z n á z o r n ě n a v a r i a n t a provedení r y c h l é h o j a d e r n é h o r e a k t o r u , při níž je p r o oblasti 1 a 2 š t ě p n é h o p á s m a použito řazení za sebou, přičemž výstup chladícího m é d i a z oblasti 1 je p ř e s s b ě r a č 12 spojon se v s t u p e m chladícího média pro oblast 2. Na obr. 7 je z n á z o r n ě n příčný řez štěpným p á s m e m rychlého j a d e r n é h o r e a k t o r u , u něhož je mezi oblastmi 1 a 2 š t ě p n é h o p á s m a p r o v e d e n a rozdělovači vrstva 13, je-
5
ii)
15
•jo
M
:;n
.,„
30
55
(,o
ér.
4
jíž použití je o p o d s t a t n ě n o tím, že oblasti I a 2 vykazují r ů z n é teploty chladícího média. Rozdělovači vrstva 13 je s e s t a v e n a z palivových článků, n a p l n ě n ý c h množivým maleriálem, o b s a h u j í c í m thorium-232 nebo uran-238. Pro lepší pochopení tohoto vynálezu je v dalším textu p o p s á n o tepelné s c h é m a j a d e r né clekLrárny se začleněným rychlým jad e r n ý m r e a k t o r e m podle tohoto vynálezu. Na obr. 8 z n á z o r n ě n é tepelné s c h é m a jad e r n é e l e k t r á r n y s rychlým j a d e r n ý m reaktorem, u něhož je pro jednotlivé oblasti štěpného pásma použito samostatných vstupních s b ě r a č ů 4, 6 a s a m o s t a t n ý c h výstupních s b ě r a č ů 5, 7, obsahuje o k r u h chladícího média p r o nízkoteplotní chladící médium, sestávající z u s p o ř á d a n ý c h za sebou nízkoteplotní oblasti 1 š t ě p n é h o pásma, výstupního s b ě r a č e 5, vyvíječe p á r y 14 a vstupního s b ě r a č e 4 p r o nízkoteplotní oblast 1, a o k r u h chladícího média pro vysokoteplotní chladící tekutinu, sestávající z uspořádaných za sebou vysokoteplotní oblasti 2 š t ě p n é h o p á s m a , jejího v ý s t u p n í h o s b ě r a č e 7, p ř e h ř í v á k u páry 15 a vstupního s b ě r a č e 6 pro vysokoteplotní oblast 2. Na d r u h é s t r a n ě s c h é m a t u jsou za sebou zapojeny vyvíječ páry 14, p ř e h ř í v á k p á r y 15, turbina 16 a k o n d e n z á t o r 17, p ř e d s t a v u j í c í o k r u h pracovního m é d i a j a d e r n é e l e k t r á r n y . Na obr. 9 z n á z o r n ě n é tepelné s c h é m a jad e r n é e l e k t r á r n y s rychlým j a d e r n ý m r e a k torem, u n ě h o ž je p r o jednotlivé oblasti 3. a 2 štěpného p á s m a použilo s p o l e č n é h o výstupního s b ě r a č e 11 a s a m o s t a t n ý c h vstupních s b ě r a č ů 4 a 6, o b s a h u j e o k r u h chladícího média, v němž jsou oblasti 1, 2 štěpn é h o pásma p ř e s společný výstupní s b ě r a č I I napojeny n a p ř e h ř í v á k páry 15, 11a vyvíječ páry 14 a zpět na vstupní s b ě r a č 4. V určitém místě 18 vyvíječe páry 14 je provedena odbočka pro n a p o j e n í obvodu chladícího média n a vstupní s b ě r a č 6 vysokoteplotní oblasti 2. Volba umístění odbočovacího místa 18 je u r č o v á n a volbou par a m e t r ů pro t e r m o d y n a m i c k ý p r o c e s a podm í n k a m i p r o p ř e s t u p tepla z chladícího média do pracovního m é d i a turbiny 16. V o k r u hu pracovního média j a d e r n é e l e k t r á r n y p r o turbinu 16 jsou za sebou u s p o ř á d á n y vyvíječ páry 14, p ř e h ř í v á k páry 15, vlastní t u r bina 16 a k o n d e n z á t o r 17. Na obr. 10 z n á z o r n ě n é tepelné s c h é m a j a d e r n é elektrány s rychlým j a d e r n ý m rea k t o r e m , u n ě h o ž je p r o jednotlivé oblasti 1 a 2 š t ě p n é h o p á s m a použilo s p o l e č n é h o vstupního s b ě r a č e 10 a s a m o s t a t n ý c h výs t u p n í c h s b ě r a č ů 5, resp. 7, o b s a h u j e o k r u h chladícího média, v němž jsou oblasti 1 a 2 š t ě p n é h o p á s m a p ř e s výstupní s b ě r a č 7 n a pojeny na p ř e h ř í v á k páry 15, vyvíječ páry 14 a zpět n a vstupní s b ě r a č 10. V určitém místě 19 p ř e h ř í v á k u páry 15 jo provedena přípojka chladícího média z výs t u p n í h o s b ě r a č e 5 nízkoteplotní oblasti.
3
1 7 1 9 6 7
Volba místa 19 je u r č o v á n a volbou parametrů pro t e r m o d y n a m i c k ý p r o c e s a podmínk a m i pro p r e s t u p tepla z c h l a d í c í h o média do pracovního média t u r b i n y 16. V obvodě pracovního média j a d e r n é e l e k t r á r n y pro turbinu 16 jsou za sebou u s p o ř á d á n y vyvíjet: páry 14, p r e h ř í v á k p á r y 15, vlastní turbina 16 a k o n d e n z á t o r 17. Rychlý j a d e r n ý r e a k t o r p o d l e tohoto vynálezu, začleněný do t e p e l n é h o systému jndorná ei;-ktrárny, plní n á s l e d u j í c í funkci. Chladicí médium, obíhající v nízkoteplotním o k r u h u , v s t u p u j e do v s t u p n í h o sběrače 4 (obr. 8) nízkoteplotní oblasti 1 š t ě p n é h o pásma, p r o t é k á p r o s t o r a m i mezi palivovými články, ohřívá se a p ř e s v ý s t u p n í s b ě r a č 5 je odváděno do vyvíječe p á r y 14, v němž předá své t e p l o pracovnímu m é d i u turbiny 16 a po chlazení p r o u d í zpět k e vstupnímu sběrači 4 nízkoteplotní oblasti 1 štěpného pásma. Chladící médium, obíhající ve vysokoteplotním o k r u h u , p r o t é k á p r o s t o r a m i mezi palivovými články vysokoteplotní oblasti 2 š t ě p n é h o p á s m a , ohřívá se a p ř e s výstupní s b ě r a č 7 je odváděno do p ř e h ř í v á k u páry 15, v němž p ř e d á své teplo p r a c o v n í m u médiu turbiny 16. Po projití p ř e h ř í v á k e m páry 15 p r o u d í ochlazené chladící m é d i u m zpět ke vstupnímu sběrači 6 vysokoteplotní oblasti 2 š t ě p n é h o pásma. Tím, že pracovní médium p r o c h á z í p o s t u p n ě vyvíjefiem pávy 14 a p ř e h ř í v á k e m páry 15, p ř e j í m á teplo p ř e d á v a n é mu z chladícího m é d i a jaderného r e a k t o r u a ohřívá se; pak p r o u d í turbinou 18, v níž dojde k p ř e m ě n ě t e p e l n é energie na práci, a k o n d e n z u j e v k o n d e n z á t o r u 17, z n ě h o ž je pak pracovní m é d i u m vraceno zpět do vyvíječe páry 14. Při realizaci t e r m o d y n a m i c k é h o procesu vývinu vodní páry s t l a k e m p á r y p ř e d turbinou 16 130 a t a a s teplotou 505 °C obnáší teplota tekuto-kovového c h l a d í c í h o média na výstupu z vysokoteplotní oblasti 2 štěpn é h o p á s m a 560 °C. Teplota kovového chladícího média na výstupu z nízkoteplotní oblasti 1 š t ě p n é h o pásma se mění v závislosti na poměru počtu svazků pro oblasti 1 a 2 š t ě p n é h o pásma. Poměr počtu svazků se muže z n a č n é různit v rozmezí 3 : 1 až 1 : 3. Přitom může výkon k a ž d é z oblastí š t ě p n é h o pásma obnášet 30 až 70 % z celkového t e p e l n é h o výkonu j a d e r n é h o r e a k t o r u . Teplota chladícího m é d i a n a výstupu z nízkoteplotní oblasti by měla ležet v rozmezí 400 až 480 °C. Tím je u m o ž n ě n o použít jako paliva pro tuto oblast š t ě p n é h o p á s m a kovových nízkoteplotních slitin, přičemž výkon na délkovou j e d n o t k u o d e b í r a n ý z palivových č l á n k ů této oblasti není n i k t e r a k nižší než ten, který odevzdávají palivové články vysokoteplotní oblasti 2 š t ě p n é h o p á s m a ze svého k e r a m i c k é h o paliva. Koeficient rep r o d u k c e je však p ř i t o m o 0,15 až 0,20 vyšší, takže rychlost množení se zvyšuje a doba
5
to
u
20
„s
au
.•«
.,„
i5
,-,o
53
ll(,
r,5
4
pro zdvojnásobení množení klesá o 30 až 50 procent, a to bez p o d s t a t n é h o z h o r š e n í účinnosti j a d e r n é e l e k t r á r n y . Kromě toho je zkreslení rozložení t e p l a ve š t ě p n é m pásmu, k němuž za provozu dochází, 3- až 4krát menší než při použití kyslíkatých množivých materiálů, vyvážených obohacením, čímž se t a k é zvyšuje h u s t o t a e n e r g i e u použitého paliva o 10 až 20 % a tím zlepšuje h o s p o d á r n o s t j a d e r n é e l e k t r á r ny. Dalšího zvýšení hustoty energie u d a n é h o paliva stabilizací rozložení t e p l a je možno docíci tím, že vysokoteplotní oblast š t ě p n é ho pásma se zvolí výškově větší než nízkoteplotní oblast š t ě p n é h o pásma. Tím je možno u r y c h l é h o j a d e r n é h o r e a k t o r u výkonu 1000 MW ( e l j docílit stabilního rozložení t e p l a při výšce vysokoteplotní oblasti 110 až 115 cm a při výšce nízkoteplotní oblasti 80 cm, jakož i při p o m ě r u podílů chladícího média v oblastech 1 a 2 š t ě p n é h o p á s m a v rozmezí 0,3 až 0,4. Na z á k l a d ě lepších provozně t e c h n i c k ý c h vlastností kovového u r a n o v é h o paliva, které má v p o r o v n á n í s plutoniovým palivem, mohou být m a x i m á l n í teploty pro palivové články s takovým palivem o něco vyšší, čímž se z l e p š u j e účinnost j a d e r n é e l e k t r á r n y a h u s t o t a energie se při d a n é m palivu zvýší o 10 % . ještě další možnost zvýšení hustoty energie, p ř i níž je dosažitelný zisk 10 až 20 %, vyplývá z volby v h o d n é h o chladícího média, n a p ř í k l a d lithiového chladícího média p r o nízkoteplotní o k r u h chladícího média a galiovtího cliladícího m é d i a p r o vysokoteplotní o k r u h chladícího média. Snížení tepelných z t r á t p ř e t é k á n í m tepla z vysokoteplotní oblasti 2 do nízkoteplotní oblasti 1 š t ě p n é h o pásma se d o s á h n e použitím tepelně izolační oddělovací vrstvy mezi oblastmi š t ě p n é h o pásma, vytvořené ze svazků s m a t e r i á l e m o b s a h u j í c í m u r a n -238 nebo t h o r i u m . Na rozdíl od rychlého j a d e r n é h o r e a k t o r u v tepelném schématu jaderné elektrárny podle obr. 8 je j a d e r n ý r e a k t o r v t e p e l n é m s c h é m a t u atomové e l e k t r á r n y podle obr. 9 o p a t ř e n společným výstupním s b ě r a č e m 31 pro o h ř á t é chladící médium proudící z oblastí 1 a 2 š t ě p n é h o pásma, v němž se podíly chladícího média z obou oblastí š t ě p n é h o pásma směšují a z něhož pak jako společný proud proudí do p>'ehříváku p á r y 15 a pak do vyvíječe páry 14. Pak se proud c hladícího média, ochlazený až na teplotu chladícího m é d i a 11a vstupu do vysokoteplotní oblasti 2 š t ě p n é h o pásma, rozdělí v místě 18 do dvou p r o u d ů , z nichž jeden je veden k e vstupnímu sběrači 6 vysokoteplotní oblasti 2 š t ě p n é h o pásma a d r u h ý je p r ů c h o d e m p ř e s vyvíječ páry 14 ochlazen n a teplotu chladícího média na vstupu clo nízkoteplotní oblasti 1 š t ě p n é h o pásma a pak je zaváděn do v s t u p n í h o sběr a č e 4 nízkoteplotní oblasti 1 š t ě p n é h o pásma.
1 7 1 3 6 7 D
10
Tato v a r i a n t a provedení je zvlášť výhodpáry 14. V n ě m ochlazené chladící m é d i u m ná ještě z toho důvodu, že společným výproudí pak zpět ke společnému v s t u p n í m u s t u p n í m s b ě r a č e m 11 je u m o ž n ě n volný prísběrači 10. stup k h o r n í části š t ě p n é h o p á s m a a tím je Při použití oběhu chladícího média štěpu m o ž n ě n o umístit do n ě h o přístroje, jakož _ ným p á s m e m s m ě r e m s h o r a dolů se spoi r e g u l a č n í a ' i c h r a n n é příslušenství. lečný vstupní s b ě r a č 10 u s p o ř á d á n a d štěpUvedených hodnot p a r a m e i r ů pro termoným pásmem, čímž se u této varianty prodynamický proces vodní páry je možno dovedení r y c h l é h o j a d e r n é h o r e a k t o r u d o s á h síci, je-li p o m ě r počtu s v a z k ů mezi oblastne s t e j n ý c h výhod jako u varianty provemi 1 a ? š t ě p n é h o p á s m a 1 : 1 a obnáší-li iu dení se s p o l e č n ý m výstupním s b ě r a č e m . teplota chladícího média na výstupu z obU varianty p r o v e d e n í n a v r ž e n é h o rychlélasti 1 500 °C a teplota c h l a d í c í h o média na ho j a d e r n é h o r e a k t o r u s řadovým zapojevýstupu z oblasti 2 600 °C. ním o k r u h u c h l a d í c í h o média (obr. 6] prouZvýšení teploty chladícího média na výdí chladící m é d i u m do vstupního s b ě r a č e s t u p u z vysokoteplotní oblasti 2 š t ě p n é h o i.-. 5, pak n e j p r v e p r o t é k á p r o s t o r a m i mezi pa•jásma (obr. 4) je u m o ž n ě n o tím, že palivolivovými články nízkoteplotní oblasti 1 vé č l á n k y 3 této oblasti jsou asi od poloviš t ě p n é h o p á s m a a p o t o m vysokoteplotní obny v z d á l e n o s t i od výstupu chladícího média lastí 2 š t ě p n é h o p á s m a a z ní je pak výp r o v e d e n y s pouzdrem ze ž á r o v z d o r n é h o s t u p n í m s b ě r a č e m 7 odváděno n e j p r v e do m a t e r i á l u , v tomto p ř í p a d ě ze slitin na bázi 20 p ř e h ř í v á k u p á r y 15, pak do vyvíječe páry titanu a vanadu, k t e r é zajišťují f u n k č n í 14, v nichž p ř e d á své teplo p r a c o v n í m u s c h o p n o s t palivových č l á n k ů při teplotách médiu t u r b i n y 16 a po ochlazení p r o u d í v rozdělovači ploše mezi palivem a pouzzpět do v s t u p n í h o s b ě r a č e 5. d r e m d o s a h u j í c í c h až 800 °C. Toto provedení rychlého j a d e r n é h o r e a k U v a r i a n t y provedení r y c h l é h o j a d e r n é h o s"> toru u m o ž ň u j e p r o normální chladicí o k r u h r e a k t o r u se společným v s t u p n í m s b ě r a č e m j a d e r n é e l e k t r á r n y s vysokou teplotou chlaa s a m o s t a t n ý m i výstupními s b ě r a č i pro jeddícího média na výstupu ze š t ě p n é h o pásnotlivé oblasti š t ě p n é h o pásni.? v s t u p u j e ma použít kovového paliva a tím zvýšit koechladící m é d i u m pro obě oblasti š t ě p n é h o ficient r e p r o d u k c e bez snížení hustoty e n e r p á s m a s p o l e č n ý m p r o u d e m do v s t u p n í h o 30 gie p r o d a n é palivo. Aby se při této v a r i a n s b ě r a č e 10 (obr. 10], p r o t é k á oblastmi 1 a tě provedení d o s á h l o z k r á c e n í ohřívání a 2, v n i c h ž se ohřívá, a pak je p ř e s výstupní zlepšení hustoty e n e r g i e pro d a n é palivo s b ě r a č e 5 a 7 odváděno do o k r u h u pracovzlepšením p r ů b ě h u změny teploty palivoního m é d i a t u r b i n y 16, v n ě m ž p ř e d á v á své vých č l á n k ů za provozu, používá se tu jateplo p r a c o v n í m u médiu. Přitom p r o u d í ko chladícího m é d i a t e k u t é h o lithia, k t e r é chladící m é d i u m nejprve z v ý s t u p n í h o sběmá dvojnásobnou tepelnou kapacitu, než nar a č e 7 ke vstupu p ř e h ř í v á k u p á r y 15. Toto příklad k o n v e n č n í chladící médium tekutý chladící m é d i u m se pak, po svém ochlazení sodík. n a t e p l o t u chladícího média ve výstupním Kromě toho tato v a r i a n t a provedení, v s b ě r a č i 5 nízkoteplotní oblasti 1 š t ě p n é h o io případě, že se s b ě r a č 12 u s p o ř á d á n a d štěpp á s m a , v m í s t ě 13 s m ě š u j e s c h l a d í c í m méným pásmem, v y k a z u j e stejné výhody jako diem z nízkoteplotní oblasti 1 a tento sporychlý j a d e r n ý r e a k t o r se společným výlečný proud je pak použit p r o ohřívání prastupním s b ě r a č e m . covního m é d i a pro t u r b i n u 16 vo vyvíječi
PŘEDMĚT
VYNÁLEZU
1. Rychlý jaderný r e a k t o r se š t ě p n ý m pás- ,5 nejvýše d v o j n á s o b n o u v porovnání s nízkomem v y p l n ě n ý m palivovými články ochlateplotní oblastí (1) s c h l a d n ě j š í m chladícím zovanými chladícím médiem a rozděleným médiem. d o dvou r a d i á l n í c h oblastí s odlišnými tep4. Rychlý j a d e r n ý r e a k t o r podle bodu 1, lotami chladícího média, vyznačující se tím, vyznačený tím, že podíl c h l a d n ě j š í h o chlaže vysokoteplotní oblast (2) s teplejším -„ dícího média v nízkoteplotní oblasti (1) je chladícím médiem o b s a h u j e palivové článnejvýše d v o j n á s o b n ý v p o r o v n á n í s podílem ky n a p l n ě n é k e r a m i c k ý m palivem (9] a nízteplejšího chladícího média ve vysokotepk o t e p l o t n í oblast (1] s c h l a d n ě j š í m chladílotní oblasti (2). cím m é d i e m o b s a h u j e palivové články ( 8 j 5. Rychlý j a d e r n ý r e a k t o r podle bodů 3 a n a p l n ě n é kovovým palivem. 55 4, vyznačený tím, že oblasti (1 a 2) jsou 2. Rychlý j a d e r n ý r e a k t o r podle bodu 1, výškově s t e j n é a o b s a h u j í s t e j n é podíly vyznačený tím, že jako kovového paliva je chladícího média, p ř i č e m ž vysokoteplotní 255 u n ě h o použito kovové slitiny na bázi U oblast (2) s teplejším chladícím m é d i e m je až U 258 a j a k o k e r a m i c k é h o paliva kysliču s p o ř á d á n a u p r o s t ř e d š t ě p n é h o p á s m a rychníku p l u t o n i č i t é h o . ,,„ lého j a d e r n é h o r e a k t o r u . 3. Rychlý j a d e r n ý r e a k t o r podle bodu 1, 6. Rychlý j a d e r n ý r e a k t o r podle bodů 3 a vyznačený tím, že vysokoteplotní oblast (2j 4, vyznačený tím, že vysokoteplotní oblast s teplejším chladícím m é d i e m m á výšku (2] s teplejším chladícím médiem je dvoj-
1 7 1 9 B 7 11
12
násobnú v porovnáni s nízkoteplotní oblastí (1) s c h l a d n ě j š í m chladícím médiem, přičemž však o b s a h u j e poloviční podíl chladícího m é d i a v p o r o v n á n í s nízkoteplotní oblastí (.1) s c h l a d n ě j š í m chladícím médiem a 5 je u s p o ř á d á n a n a vnější s t r a n ě š t ě p n é h o pásma rychlého j a d e r n é h o r e a k t o r u . 7. Rychlý j a d e r n ý r e a k t o r p o d l e bodu 1 nebo 3, nebo 4, vyznačený tím, že každá z oblastí (1, 2) je o p a t ř e n a vlastním vstup- io ním (4, 6), respektive výstupním (5, 7) sběračem. 8. Rychlý j a d e r n ý r e a k t o r podle bodu 7, vyznačený tím, že vstupní s b ě r a č e obou oblastí (1, 2 j jsou s d r u ž e n y do s p o l e č n é h o i5 s b ě r a č e (10). 9. Rychlý j a d e r n ý r e a k t o r podle bodu 7, vyznačený tím, že výslupní s b ě r a č e obou oblastí (1, 2) jsou s d r u ž e n y clo s p o l e č n é h o s b ě r a č e (11). 20 10. Rychlý j a d e r n ý r e a k t o r podle bodu 0, vyznačený tím, že pouzdro (20) palivových článku (9) s k e r a m i c k ý m palivem pro vysokoteplotní oblast (2) s vysokoteplotním chladícím médiem, respektive jen jeho část 25 na výtokové s t r a n ě , jo provedeno z materiálů odolných proti teplu.
11. Rychlý j a d e r n ý r e a k t o r podle bodu 7, vyznačený tím, že oblastí (1, 2) jsou v toku chladícího m é d i a zapojeny za sebou, přičemž výstupní s b ě r a č (12) nízkoteplotní oblasti (1) s c h l a d n ě j š í m chladícím médiem je p r o p o j e n se v s t u p n í m s b ě r a č e m (12) vysokoteplotní oblasti (2) s teplejším chladícím médiem. 12. Rychlý j a d e r n ý r e a k t o r podle bodu 7, vyznačený tím, že pro jednotlivé oblasti (1, 2) se použije rozdílných chladících médií. 13. Rychlý j a d e r n ý r e a k t o r podle bodu 12, vyznačený tím, že jako chladícího média pro oblast (2) s teplejším chladícím m é d i e m je použito plynu a jako chladícího média pro oblast (1) s c h l a d n ě j š í m chladícím médiem je použito t e k u t é h o kovu. 14. Rychlý j a d e r n ý r e a k t o r podle bodu 13, vyznačený tím, že mezi oblastmi [1, 2) s rozdílnými teplotami chladícího m é d i a je u s p o ř á d á n a teptílně izolující rozdělovači vrstva. 15. Rychlý j a d e r n ý r e a k t o r podle bodu 14, vyznačený tím, že t e p e l n ě izolující vrstva ( Í 3 ) je sestavena z palivových článků vyplněných množivým materiálem.
5 listů výkresů
S e v e r o g r a f t a , n. p., provozovna 32. Mosl
1 7 1 8 B 7
O B R .
2
1 7 1 9 6 7
OBR. 3
OBR. A
1 7 1 9 B 7
5 ' M
\ \ \
\> V
OBR. 5
QBR.6
1 7 1 9
67
OBR. 8
1 7 1 9 B 7
OBR.Ô
/I
-16
U
OBR.10
