Способ эксплуатации бассейна выдержки и бассейн выдержки ядерного реактора

 

Изобретение относится к ядерной технике и может быть использовано для усовершенствования конструкции бассейнов выдержки ядерных реакторов. Целью изобретения является повышение ядерной и радиационной безопасности бассейна выдержки при авариях, связанных с попаданием газовых или паровых пузырей в пространство под тепловыделяющими сборками. В бассейне выдержки площадь поперечного сечения F_щ для прохода теплоносителя 2 в межчехловом зазоре 5 в зоне нижних дистанционаторов 6 выбрана в соответствии с определенным неравенством, в которое входят следующие величины: площади поперечного сечения для прохода теплоносителя 2 внутри чехла 4 и в межчехловом зазоре 5 F_СБ и F_ЗАЗ , объемы воды внутри чехла 4 и в межчехловом зазоре V_СВ и V_ЗАЗ , плотности воды внутри чехла 4 и в межчехловом зазоре ρ_СВ и ρ_ЗАЗ , коэффициент пропорциональности k, коэффициент гидравлических потерь ζ_СБ , высота l и гидравлический диаметр d_Г тепловыделяющей сборки 3. Причем скорость теплоносителя 2 в межчехловом зазоре 5 W_ЗАЗ выбирают согласно неравенству W_ЗАЗ ≅ W_СБF_СБV_ЗАЗρ_СБ/V_СБF_ЗАЗρ_ЗАЗ , где W_СБ - скорость теплоносителя 2 внутри тепловыделяющей сборки 3. Изобретение позволяет уменьшить вероятность аварий, связанных с выбросом продуктов деления. 2 с.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к ядерной технике и может быть использовано для усовершенствования конструкции бассейнов выдержки ядерных реакторов, предназначенных для хранения тепловыделяющих сборок водо-водяных энергетических реакторов. Целью изобретения является повышение ядерной и радиационной безопасности бассейна выдержки при авариях, связанных с попаданием газовых или паровых пузырей в пространство под тепловыделяющими сборками. На фиг. 1 приведена принципиальная схема предлагаемого бассейна выдержки ядерного реактора; на фиг. 2 - поперечное сечение трех смежных тепловыделяющих сборок в чехлах с дистанционаторами. Бассейн выдержки ядерного реактора (фиг. 1) содержит емкость 1, заполненную теплоносителем (вода) 2, внутри которой установлены тепловыделяющие сборки 3, окруженные чехлами 4, выполненными из бористой стали. Чехлы 4 установлены с межчехловым зазором 5 относительно друг друга. В верхней и нижней частях чехлов 4, выше и ниже топливного столба в тепловыделяющих сборках 3 установлены верхние и нижние дистанционаторы 6, необходимые для объединения чехлов 4 в единый стеллаж. Нижняя граница верхнего дистанционатора 6 и верхняя граница нижнего дистанционатора 6 расположены на расстояние не большем, чем длина миграции нейтрона в воде 2 от верхней и нижней границы топливного столба соответственно. Рядом с бассейном размещен расхолаживающий контур, состоящий из теплообменника 7, насосов 8, 9 и трубопроводов 10, 11. Тепловыделяющая сборка 3 набрана из тепловыделяющих элементов 12. При аварийных ситуациях, связанных с попаданием пузырей воздуха (или пара) в пространство под тепловыделяющие сборки воздух поднимается с потоком теплоносителя 2. Однако плотность теплоносителя в тепловыделяющих сборках 3, где он выполняет и функцию замедлителя, должна быть ниже плотности теплоносителя в зазоре 5 между чехлами - в нейтронной ловушке. Это связано с тем, что с уменьшением плотности воды ее замедляющие свойства ухудшаются. Поэтому уменьшение плотности воды в сборке 3 приводит к более жесткому спектру нейтронов и, как следствие, к снижению эффективного коэффициента размножения. Быстрые нейтроны, вылетевшие из тепловыделяющей сборки 3, замедляются в межчехловом зазоре 5 с последующим поглощением в бористой стали чехла 4. Уменьшение плотности воды в межчехловом зазоре 5 влечет за собой резкое увеличение обмена нейтронами между тепловыделяющими сборками 3, приводящее к повышению эффективного коэффициента размножения нейтронов до единицы и выше с выводом бассейна в критическое состояние. Следствием такой ситуации может быть разгерметизация тепловыделяющих элементов 12, закипание теплоносителя 2, разрушение бассейна и разброс активности на значительную территорию. Для недопущения этого должно соблюдаться условие ρ_заз≥ρ_сб, где ρ_заз - плотность воды в зазоре 5 в аварийных ситуациях, кг/м³; ρ_сб - плотность воды в сборке 3 в аварийных ситуациях, кг/м³. Для того, чтобы это обеспечивалось в аварийных ситуациях, при появлении пузырей воздуха (или пара) в пространстве под тепловыделяющими сборками 3 необходимо, чтобы расход теплоносителя 2 через сборку 3 по отношению к объему сборки 3 был не меньше, чем то же отношение в зазоре 5. Тогда пузыри перераспределятся между объемами сборки 3 и зазора 5 в необходимом соотношении, что дает необходимое отношение плотностей, т.е. G_сб/V_сб≥G_заз/V_заз, (1) где G_сб - расход теплоносителя 2 через сборку 3, кг/м; G_заз - расход теплоносителя через зазор 5 между чехлами 4, кг/с. или, написав выражение для расхода в виде G=wρF, где w - скорость теплоносителя 2, м/с; ρ - плотность теплоносителя, кг/м³; F - площадь поперечного сечения для прохода теплоносителя, м², и подставляя в выражение (1), получают W_заз≅ . (2) Невыполнение этого условия ведет к превышению плотности воды в тепловыделяющей сборке 3 по отношению к плотности воды в зазоре 5 в аварийных ситуациях, чего допустить нельзя. При движении по параллельным каналам потери давления в них равны и расход через них устанавливается обратно пропорциональным гидравлическим сопротивлениям: F'_сб=F'_заз, (3) где F'_сб - потери давления в тепловыделяющей сборке 3; F'_заз - потери давления в зазоре 5. Расписав последнее уравнение, получают
k˙ A_сб ˙G_сб²=А_заз G_заз², (4) где k˙ А_сб ˙G_сб² - потери в сборке 3;
А_зазG_заз² - потери в зазоре 5;
k - коэффициент "привязывающий" все потери в сборке 3 к потерям на трение, так как они основные. Обычно k = 1,1-1,2,
A_СБ= ζ_СБ · , где ζ_сб - коэффициент гидравлических потерь, зависящий от режима движения;
l - высота сборки 3;
d_г - гидравлический диаметр сборки;
F_сб - площадь для прохода воды в сборке;
ρ_сб - плотность воды в сборке, а
A_заз =ζ_заз , где ζ_заз - коэффициент местных сопротивлений в зазоре;
F_заз - площадь для прохода воды в зазоре. Подставив эти выражения в уравнение (4), получают
kζ_СБ · ·G²_СБ= 1.707 _ 1 ,
(5) где w_щ - скорость в щели;
w_заз - скорость в зазоре. Из уравнения неразрывности следует, что G_заз=G_щ. Учитывая это, получают
w_щ/w_заз = F_заз/F_щ. Проведя сокращение в уравнении (5) и учитывая неравенство ρ_СБ≠ ρ_СБ , получают
= _.
(6)
Выполнив преобразования после подстановки уравнения (6) в выражение (1), относительно площади поперечного сечения щели имеют неравенство
F_щ≅ F_заз·1.707/ +1. Невыполнение этого условия ведет к превышению плотности воды в тепловыделяющей сборке 3 по сравнению с плотностью воды в зазоре 5 в аварийных ситуациях, чего допустить нельзя. При проведении расчетов предполагалось, что тепловыделяющая сборка 3 заполняет все пространство внутри чехла 4. Однако это не так, поскольку между ними расположен так называемый технологический зазор, необходимый для установки тепловыделяющей сборки 3 внутри чехла 4. Но поскольку площадь поперечного сечения тепловыделяющей сборки в 30-50 раз больше площади поперечного сечения технологического зазора, величина этого зазора может изменяться и его наличие увеличивает скорость циркуляции теплоносителя 2 через тепловыделяющую сборку. Так как потери давления в этом зазоре меньше, чем в сборке, то этот зазор можно не учитывать. Обеспечивать необходимую площадь поперечного сечения для прохода воды в нижней части чехлов 4 целесообразнее всего выбором длины и формы дистанционаторов 6. Устройство работает следующим образом. В емкость 1, заполненную водой, внутри чехлов 4 устанавливают свежие или отработавшие тепловыделяющие сборки 3 ядерного реактора. В емкости 1 происходит расхолаживание тепловыделяющей сборки 3 водой (с соединениями поглотителя или без них), подаваемой насосом 8 в зону 13 под тепловыделяющими сборками и забираемой из зоны 14 над сборками. После этого вода подается в теплообменник 7, где охлаждается водой второго контура, подаваемой насосом 9 по трубопроводу 11. В зоне тепловыделяющих сборок 3 вода проходит внутри чехлов 4 и между тепловыделяющими элементами 12 и между чехлами 4 в межчехловом зазоре 5, отводя тепло остаточного тепловыделения. Максимальная температура теплоносителя 2 в режиме нормальной эксплуатации бассейна выдержки не превышает 40^оС. Быстрые нейтроны, вылетающие из тепловыделяющей сборки 3, замедляются водой в межчехловом зазоре 5 до тепловых энергий и поглощаются бором, содержащимся в материале чехлов 4 (и в воде). Эффективный коэффициент размножения нейтронов при этом не превышает 0,95. В аварийных ситуациях, связанных с попаданием пузырей воздуха (или пара) в пространство под тепловыделяющими сборками 3 вследствие кавитации насоса 8 или по другим причинам, та часть пузырей, которая попала в тепловыделяющие сборки 3, обеспечивает меньшую плотность воды, чем в межчехловых зазорах 5, поскольку скорость теплоносителя 2 (а следовательно и расход) через тепловыделяющее сборки 3 выше, чем через межчехловой зазор 5. Это ведет к снижению эффективного коэффициента размножения нейтронов по сравнению со случаем нормальной эксплуатации бассейна выдержки. Изобретение позволяет уменьшить вероятность аварий, связанных с выбросом продуктов деления.

Формула изобретения

1. Способ экспуатации бассейна выдержки, заключающийся в замедлении нейтронов в зазоре между нейтронопоглощающими чехлами для тепловыделяющих сборок с дальнейшим их поглощением и отводе остаточного тепловыделения за счет прокачки теплоносителя внутри чехлов через тепловыделяющие сборки и через межчехловые зазоры, отличающийся тем, что, с целью повышения ядерной и радиационной безопасности бассейна выдержки при авариях, связанных с падением газовых или паровых пузырей в пространство под тепловыделяющими сборками, скорость теплоносителя в межчехловом зазоре W_заз выбирают в зависимости от скорости теплоносителя внутри чехлов согласно неравенству
W_заз≅ ,
где F_сб, F_заз - площадь поперечного сечения для прохода теплоносителя внутри чехла и в межчехловом зазоре соответственно, м²;
V_сб, V_заз - объем воды внутри чехла и в межчехловом зазоре соответственно, м³;
ρ_сб , ρ_заз - плотность воды внутри чехла и в межчехловом зазоре соответственно, кг/м³;
W_сб - скорость теплоносителя внутри сборки, м/с. 2. Бассейн выдержки ядерного реактора, содержащий нейтронопоглощающие чехлы для тепловыделяющих сборок, объединенных в стеллаж верхними и нижними дистанционаторами с возможностью прокачки теплоносителя внутри чехлов и в межчехловых зазорах, отличающийся тем, что, с целью повышения ядерной и радиационной безопасности бассейна выдержки при авариях, связанных с попаданием газовых или паровых пузырей в пространство под тепловыделяющими сборками, площадь поперечного сечения F_щ для прохода теплоносителя в межчехловом зазоре в зоне нижних дистанционаторов выбрана согласно неравенству
F_щ≅ 1,707F × +1,
где k - коэффициент пропорциональности, равный отношению всех потерь по контуру к потерям в тепловыделяющей сборке;
ζ_сб - коэффициент гидравлических потерь;
l - высота тепловыделяющей сборки, м;
d_г - гидравлический диаметр тепловыделяющей сборки, м.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Номер и год публикации бюллетеня: 8-2000

Извещение опубликовано: 20.03.2000        

---