Регулирующий орган уран-графитового канального ядерного реактора

 

Назначение: в ядерной технике, в частности в системах управления и защиты ядерных реакторов. Регулирующий орган содержит устанавливаемые на подвеске в охлаждаемый канал звенья с поглощающим нейтроны материалом. Звенья выполнены с возможностью перемещения вдоль охлаждаемого канала. Также в регулирующий орган введены средство для торможения регулирующего органа и гильза. Гильза содержит индивидуальные каналы, расположенные на равноудаленном расстоянии от ее продольной оси. В этих каналах расположены звенья с поглощающим нейтроны материалом. С подвеской соединено каждое звено с поглощающим нейтроны материалом. Средство для торможения регулирующего органа выполнено в виде размещенной в полости подвески шайбы. В ее отверстии установлен конический стержень, имеющий возможность при падении подвески взаимодействия с опорой, которая размещена в нижней части гильзы. Стержень обеспечивает пластическую деформацию шайбы. В результате обеспечивается возможность введения регулирующего органа на всю глубину активной зоны, снижается нагрузка на привод, увеличивается скорость введения регулирующего органа в активную зону в режиме аварийной защиты, уменьшается вероятность разрушения органа регулирования при его падении. 6 з.п.ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к ядерной технике, в частности к системам управления и защиты (СУЗ) ядерных реакторов и касается регулирующих органов уран-графитовых канальных реакторов.

Конструкция органов регулирования зависит от типа реактора, конструкции активной зоны и технологических параметров реактора. Тип реактора характеризует свойства теплоносителя и определяет его воздействие на органы регулирования. Однако невозможно рассматривать тот или иной теплоноситель в отрыве от его рабочих параметров: температуры, давления и фазового состояния. В зависимости от типа реактора каналы, в которых размещают органы регулирования, могут быть сухими или мокрыми, охлаждаемыми или неохлаждаемыми. Конструкция активной зоны определяет форму и основные геометрические размеры органа регулирования.

Известен орган регулирования уран-графитового канального ядерного реактора, используемый на Белоярской АЭС им. И.В. Курчатова (И.Я. Емельянов и др., Конструирование ядерных реакторов, М., Энергоиздат, 1982, с. 199, 200). Известный орган регулирования состоит из двух звеньев, соединенных с помощью шарниров. Каждое звено представляет собой набор втулок из бористого сплава. Втулки из бористого сплава насажены на жаропрочные трубы. Звенья имею также направляющие ролики, обеспечивающие перемещение стержня внутри сухого вертикального канала с двойными концентрическими тонкими стенками, изготовленными из материала, слабо поглощающего нейтроны. Выполнение органа регулирования в сухом исполнении приводит к тому, что температура стержней при номинальной мощности составляет 600-650^oС. Прекращение охлаждения канала повышает температуру стержней на 200-250^oС.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к описываемому устройству является регулирующий орган уран-графитового канального ядерного реактора, содержащий устанавливаемые на подвеске в охлаждаемый канал звенья с поглощающим нейтроны материалом, выполненные с возможностью перемещения вдоль охлаждаемого канала, и средство для торможения регулирующего органа (И.Я. Емельянов и др., Конструирование ядерных реакторов, М., Энергоиздат, 1982, с. 200, 201). Регулирующий орган перемещается в охлаждаемом канале, пронизывающем графитовую кладку. В охлаждаемом канале циркулирует вода для отвода тепла, выделяющегося в регулирующем органе. Регулирующий орган состоит из пяти последовательно соединенных посредством шарниров звеньев. С первым по ходу движения регулирующего органа звеном телескопически соединен вытеснитель. Последнее по ходу движения регулирующего органа звено соединено с подвеской, которая соединена с гибкой тягой. Каждое звено представляет собой трубу, концы которой заварены герметично. Звенья вытеснителя заполнены графитом. В известном устройстве вытеснитель необходим для вытеснения воды в охлаждаемом канале при полностью извлеченных из активной зоны звеньях с поглощающим нейтроны материалом. Это обусловлено тем, что вода, являясь достаточно сильным поглотителем нейтронов, влияет на нейтронно-физические характеристики реактора, а именно на эффект реактивности при аварии с обезвоживанием регулирующего органа СУЗ и на эффективность регулирующего органа. Спецификой РБМК является то, что высота канала СУЗ под активной зоной меньше высоты активной зоны. Поэтому длина вытеснителя меньше высоты активной зоны и соединение вытеснителя с поглотителем выполнено телескопическим, т. е. в пределах активной зоны при извлеченных звеньях с поглощающим нейтроны материалом имеются невытесненные столбы воды в канале СУЗ. Для уменьшения этих столбов воды в известном устройстве увеличена длина вытеснителя, что не позволяет обеспечить перекрытие поглотителем всей высоты активной зоны.

Кроме того, при перемещении регулирующего органа имеет место поршневой эффект за счет взаимодействия воды с вытеснителем, что приводит к повышенным нагрузкам как на регулирующий орган, так и на привод и ограничивает их ресурс.

При свободном падении в аварийном режиме скорость свободного падения определяется в основном весом (16 кг) поглотителя в воде и выше скорости вытеснителя, определяемой расходом воды в канале и весом (3 кг) вытеснителя в воде. Это может привести к выбору длины штока телескопического соединения, удару поглотителя о вытеснитель, прослаблению ленточной тяги сервопривода и ее обрыву или заклиниванию. Для исключения подобных ситуаций в режиме аварийной защиты в конце первой половины хода регулирующего органа включают электродинамическое торможение и обеспечивают уменьшение скорости движения поглотителя до скорости движения вытеснителя. Электродинамическое торможение наряду с гидродинамическим торможением являются причиной большой длительности (12-17 с) ввода регулирующего органа в активную зону.

При падении в случае обрыва ленты в обезвоженном канале происходит разрушение регулирующего органа, поскольку во время удара об упор в канале нагрузки достаточно значительны. Средства, обеспечивающие демпфирование органа регулирования в известном органе регулирования, отсутствуют. Поэтому после свободного падения известный орган регулирования не может быть использован повторно.

Задачей настоящего изобретения является разработка и создание регулирующего органа уран-графитового канального ядерного реактора, обладающего улучшенными характеристиками и впервые реализующего кластерную конструкцию для реактора типа РБМК.

В результате решения данной задачи возможно получение технических результатов, заключающихся в том, что обеспечивается возможность введения регулирующего органа на всю глубину активной зоны, уменьшается объем воды в канале СУЗ в пределах активной зоны, снижется нагрузка на привод, увеличивается скорость введения регулирующего органа в активную зону в режиме аварийной защиты, исключается вероятность разрушения органа регулирования при его падении из-за обрыва ленты привода.

Данные технические результаты достигаются тем, что в регулирующем органе уран-графитового канального ядерного реактора, содержащем устанавливаемые на подвеске в охлаждаемый канал звенья с поглощающим нейтроны материалом, выполненные с возможностью перемещения вдоль охлаждаемого канала, и средство для торможения регулирующего органа, введена гильза, содержащая расположенные на равноудаленном расстоянии от продольной оси гильзы индивидуальные каналы, в которых расположены звенья с поглощающим нейтроны материалом, причем с подвеской соединено каждое звено с поглощающим нейтроны материалом, а средство для торможения регулирующего органа выполнено в виде размещенной в полости подвески шайбы, в отверстии которой установлен конический стержень, имеющий возможность при падении подвески взаимодействия с опорой, которая размещена в нижней части гильзы, и обеспечивающий пластическую деформацию шайбы.

Отличительная особенность настоящего изобретения состоит в том, что введена гильза, содержащая расположенные на равноудаленном расстоянии от продольной оси гильзы индивидуальные каналы, в которых расположены звенья с поглощающим нейтроны материалом. В результате звенья с поглощающим нейтроны материалом перемещаются в газовой атмосфере гильзы, исключающей взаимодействие звеньев с теплоносителем. С подвеской соединено каждое звено с поглощающим нейтроны материалом, что свидетельствует о параллельном расположении звеньев. Отсутствие прямого контакта звеньев с теплоносителем существенно увеличивает скорость их перемещения в аварийном режиме. При обрыве ленты привода на заключительном участке движения звеньев по высоте активной зоны их кинетическая энергия гасится средством для торможения регулирующего органа, которое выполнено в виде размещенной в полости подвески шайбы, в отверстии которой установлен конический стержень. Конический стержень имеет возможность при падении подвески взаимодействия с неподвижной опорой, которая размещена в нижней части гильзы. За счет этого, поскольку стержень прекращает свое движение, а шайба совместно с органом регулирования продолжает движение вниз, стержень глубже проникает в шайбу и обеспечивает ее пластическую деформацию. При этом звенья с поглощающим нейтроны материалом не разрушаются. Наряду с указанным преимуществами описываемой конструкции следует отметить, что расположение шайбы в полости подвески и наличие конического стержня и опоры, располагаемых внутри полости гильзы, не приводит к увеличению габарита органа регулирования, а напротив позволяет вводить звенья с поглощающим нейтроны материалом на всю высоту активной зоны, поскольку индивидуальные каналы расположены на равноудаленном расстоянии от продольной оси гильзы, образуя внутреннее свободное пространство в гильзе для установки элементов средства для торможения. Таким образом, вышеуказанные технические результаты могут быть получены только при реализации всей совокупности существенных признаков, изложенных в независимом пункте формулы изобретения.

Кроме того, шайба и гильза могут быть выполнены из алюминиевого сплава, а по крайней мере одно звено с поглощающим нейтроны материалом может быть выполнено из двух частей, соединенных шарниром.

Целесообразно соединить звенья с поглощающим нейтроны материалом с подвеской посредством серег, а в качестве поглощающего нейтроны материала использовать титанат диспрозия.

На фиг. 1 изображен общий вид регулирующего органа уран-графитового канального ядерного реактора, на фиг.2 приведено сечение А-А на фиг.1.

Регулирующий орган уран-графитового канального ядерного реактора содержит устанавливаемые на подвеске 1 в охлаждаемый канал 2 звенья 3 с поглощающим нейтроны материалом. С подвеской 1 посредством, например, серег 4 соединено каждое звено 3 с поглощающим нейтроны материалом. Звенья 3 выполнены с возможностью перемещения вдоль охлаждаемого канала посредством гибкой тяги 5, соединенной с подвеской 1. Гибкая тяга 5 соединена с приводом (не показан). В устройство введена гильза 6, содержащая индивидуальные каналы 7, расположенные на равноудаленном расстоянии от продольной оси гильзы. В индивидуальных каналах 7 расположены звенья 3 с поглощающим нейтроны материалом. Целесообразно звенья 3 с поглощающим нейтроны материалом выполнять составными по крайней мере из двух частей, соединенных шарниром, что снизит трение при перемещении внутри индивидуальных каналов 7. Звенья 3 содержат оболочку, внутри которой размещен поглощающий нейтроны материал, в качестве которого использован титанат диспрозия. Гильза 6 может быть отлита из алюминиевого сплава с образованием индивидуальных каналов 7. Гильза 6 может быть заполнена воздухом или иным газом при атмосферном давлении. В верхней части гильза 6 закрыта пробкой 8. Для охлаждения звеньев 3 с поглощающим нейтроны материалом в зазор между гильзой 6 и охлаждаемым каналом 2 по трубопроводу 9 подают воду.

Орган регулирования снабжен средством для торможения при введении регулирующего органа в активную зону в случае обрыва ленты. Средство торможения выполнено в виде шайбы 10, например, из алюминиевого сплава, размещенной в полости подвески 1. В отверстии шайбы 10 установлен конический стержень 11, имеющий возможность при падении подвески 1 взаимодействия с опорой 12, которая размещена в нижней части гильзы.

Функционирует устройство следующим образом.

Гильзу 6, закрытую пробкой 8, устанавливают в охлаждаемый канал 2 вместо штатного органа регулирования. Звенья 3 с поглощающим нейтроны материалом, соединенные посредством серег 4 с подвеской 1, одновременно перемещаются при помощи ленточной тяги 5. Команды на перемещение регулирующего органа формирует вычислительный комплекс с учетом плотности нейтронного потока, всплесков энерговыделения и пр. При скачке нейтронного потока, превышающем допустимую величину, вычислительный комплекс формирует сигнал на срабатывание аварийной защиты. В этом случае орган регулирования под действием собственного веса вводится в активную зону. В целях снижения скорости падения органа регулирования в конце хoда производят его притормаживание посредством привода, соединенного с ленточной тягой 5. При обрыве ленты привода в конце хода регулирующего органа в активную зону происходит взаимодействие конического стержня 11 с опорой 12. При этом подвеска 1 со звеньями 3 с поглощающим нейтроны материалом продолжает движение вниз активной зоны. Естественно, что шайба 10, установленная в полости подвески 1 и жестко соединенная с ней, также продолжает свое движение вниз. Конический стержень 11 после контакта с неподвижной опорой 12 прекращает свое перемещение совместно с шайбой и подвеской. В результате имеет место перемещение шайбы 10 относительно конического стержня 11. Следствием чего является пластическая деформация шайбы 10 в радиальном направлении за счет увеличения диаметра ее отверстия при проникновении в него участков конического стержня 11 с постоянно увеличивающимися диаметрами.

Кинетическая энергия органа регулирования преобразуется в энергию пластической деформации шайбы 10. Размеры шайбы, конусность стержня 11, его длина и высота опоры 12, обеспечивающие полное гашение кинетической энергии, выбираются исходя из условия полной остановки органа регулирования после его полного введения в активную зону. Расчет такой энергопоглощающей системы не представляет каких-либо трудностей, поскольку они достаточно широко используются в технике, например в буферах железнодорожных вагонов. Очевидно, что после устранения причин падения органа регулирования в активную зону, средство торможения непригодно для дальнейшего функционирования. Восстановление его работоспособности осуществляют посредством замены шайбы. Все узлы описываемого органа регулирования могут быть изготовлены на штатном оборудовании с использованием известных технологий.

Формула изобретения

1. Регулирующий орган уран-графитового канального ядерного реактора, содержащий устанавливаемые на подвеске в охлаждаемый канал звенья с поглощающим нейтроны материалом, выполненные с возможностью перемещения вдоль охлаждаемого канала, и средство для торможения регулирующего органа, отличающийся тем, что введена гильза, содержащая расположенные на равноудаленном расстоянии от продольной оси гильзы индивидуальные каналы, в которых расположены звенья с поглощающим нейтроны материалом, причем с подвеской соединено каждое звено с поглощающим нейтроны материалом, а средство для торможения регулирующего органа выполнено в виде размещенной в полости подвески шайбы, в отверстии которой установлен конический стержень, имеющий возможность при падении подвески взаимодействия с опорой, которая размещена в нижней части гильзы, и обеспечивающий пластическую деформацию шайбы.

2. Регулирующий орган по п.1, отличающийся тем, что шайба выполнена из алюминиевого сплава.

3. Регулирующий орган по п.1 или 2, отличающийся тем, что, по крайней мере, одно звено с поглощающим нейтроны материалом выполнено, по крайней мере, из двух частей, соединенных шарниром.

4. Регулирующий орган по п.1, или 2, или 3, отличающийся тем, что звенья с поглощающим нейтроны материалом соединены с подвеской посредством серег.

5. Регулирующий орган по п.1, или 2, или 3, или 4, отличающийся тем, что в качестве поглощающего нейтроны материала использован титанат диспрозия.

6. Регулирующий орган по п.1, или 2, или 3, или 4, или 5, отличающийся тем, что гильза выполнена из алюминиевого сплава.

7. Регулирующий орган по п.1, или 2, или 3, или 4, или 5, или 6, отличающийся тем, что гильза заполнена воздухом под атмосферным давлением.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2