Рабочий орган компенсации реактивности системы управления и защиты реактора на быстрых нейтронах
Владельцы патента RU 2594004:
Российская Федерация, от имени которой выступает Госкорпорация "Росатом" (RU)
Изобретение относится к ядерной технике, а именно к рабочим органам системы управления и защиты ядерных реакторов на быстрых нейтронах (РБН). Рабочий орган компенсации реактивности системы управления и защиты реактора на быстрых нейтронах состоит из гильзы, стержневого элемента с замедлителем нейтронов, неподвижно закрепленного на центральной оси гильзы, и поглощающего элемента кольцевого сечения, выполненного с возможностью перемещения в зазоре между внутренней стенкой гильзы и стержневым элементом с замедлителем нейтронов. Технический результат - снижение неравномерности выгорания ядерного топлива и повышение эффективности его использования с одновременным повышением компенсирующей способности рабочих органов и увеличением вследствие этого продолжительности кампании РБН. 3 ил., 1 табл.
Изобретение относится к ядерной технике, а именно к рабочим органам системы управления и защиты ядерных реакторов на быстрых нейтронах (РБН), и используется для повышения экономической эффективности последних.
Известен рабочий орган компенсации реактивности системы управления и защиты (РО КР СУЗ) в эксплуатировавшихся ранее и действующих в настоящее время реакторах на быстрых нейтронах (РБН) [Уолтер А., Рейнольдс А. Реакторы-размножители на быстрых нейтронах: Пер. с англ. - М.: Энергоатомиздат, 1986. 624 с.], содержащий оболочку, в которой размещен пучок идентичных стержневых поглощающих элементов (пэлов) и вытеснители. Пэлы представляют собой заключенный в стальную оболочку столб таблеток из поглотителя нейтронов. Такая конструкция РО СУЗ является наиболее распространенной.
В качестве поглотителя нейтронов в РО КР СУЗ реакторов на быстрых нейтронах используют, как правило, обогащенный по изотопу 10В карбид бора, сочетающий в себе свойства замедлителя и поглотителя нейтронов [Рисованный В.Д., Захаров А.В., Клочков Е.П. Органы регулирования ядерных реакторов. Учебное пособие по специальности «Атомные электростанции и установки». - Ульяновск: УлГТУ, 2005. - 124 с.].
Наиболее близким к заявляемому техническому решению аналогом является компенсирующий рабочий орган СУЗ типа «нейтронная ловушка» [Ponomarenko V.B., Efremov A.I., Gadzhiev G.I. etc. Experience in development, operating and material investigation of the BOR-60 reactor control and safety rods, Proceeding of a Technical Committee meeting, Obninsk, Russian Federation, 3-7 July 1995, IAEA - TECDOC-884, 1996, p. 191-199], состоящий из центрального стержневого элемента с замедлителем нейтронов и элемента кольцевого сечения с поглотителем нейтронов вокруг стержня с замедлителем нейтронов. При этом стержни с поглотителем и замедлителем нейтронов конструктивно соединены и перемещаются при управлении реактором совместно. Описанный диаметр РО сравним с размером ячейки реактора. Компенсирующая способность (эффективность) такого РО СУЗ увеличивается за счет повышения сечения поглощения нейтронов в поглощающем элементе при замедлении нейтронов в центральном стержневом элементе.
Основным недостатком описанного аналога РО КР СУЗ являются значительная неравномерность распределения выгорания дорогостоящего ядерного топлива (ЯТ) в ТВС, размещенных рядом с рабочим органом, и, как следствие, низкая экономическая эффективность его использования в этих ТВС. Еще одним недостатком аналога является необходимость использования дефицитного карбида бора с высоким обогащением по изотопу 10В (до 80-95%), который обеспечивает максимальную компенсирующую способность РО КР СУЗ по сравнению с другими поглотителями нейтронов в РБН. При этом даже в случае использования высокообогащенного карбида бора компенсирующая способность РО КР СУЗ может оказаться недостаточной для обеспечения требуемой длительности кампании реактора.
Задачей предлагаемого технического решения является повышение экономической эффективности эксплуатации реакторов на быстрых нейтронах.
Техническими результатами, достигаемыми при реализации заявляемого изобретения, в частности, являются:
- снижение неравномерности выгорания ядерного топлива в соседних с заявляемым РО КР СУЗ ТВС;
- увеличение эффективности использования ядерного топлива в соседних с РО КР тепловыделяющих сборках
- увеличение компенсирующей способности РО КР СУЗ;
- увеличение продолжительности кампании РБН.
На достижение каждого из указанных выше технических результатов оказывает влияние следующая устойчивая совокупность признаков изобретения.
Для решения этой задачи предлагается рабочий орган компенсации реактивности системы управления и защиты реактора на быстрых нейтронах, содержащий гильзу, стержневой элемент с замедлителем нейтронов и поглощающий элемент кольцевого сечения, причем стержневой элемент с замедлителем нейтронов неподвижно закреплен по центральной оси гильзы, а поглощающий элемент кольцевого сечения выполнен с возможностью перемещения в зазоре между внутренней стенкой гильзы и стержневым элементом с замедлителем нейтронов
Во время работы реактора на мощности элемент с замедлителем нейтронов располагается в пределах высоты активной зоны, а пэл извлекается из активной зоны по мере потери реактивности при выгорании ЯТ. При этом гильза с замедлителем нейтронов остается в активной зоне. При введенном в активную зону РО КР СУЗ энерговыделение в твэлах, ближайших к РО КР СУЗ, и темп выгорания топлива будут ниже, чем в твэлах, удаленных от рабочего органа. Про мере извлечения пэла из активной зоны энерговыделение и темп выгорания ЯТ в ближайших к РО КР СУЗ твэлах будут увеличиваться и превысят аналогичные показатели для удаленных твэлов, поскольку наличие замедляющего нейтроны материала в месте расположения РО КР СУЗ будет способствовать увеличению сечений деления и захвата в ЯТ близлежащих твэлов. Это, в свою очередь, повысит равномерность выгорания ЯТ в ТВС, окружающих РО КР, и эффективность его использования.
Размеры и наружная форма гильзы определяются размерами и формой ячейки активной зоны РБН. Материал замедлителя нейтронов, диаметр замедляющего элемента, объем поглотителя и замедлителя нейтронов, толщина поглотителя нейтронов, толщина оболочек элементов РО СУЗ, а также величина и состав зазора между поглотителем нейтронов и оболочкой поглощающего элемента выбирают по результатам нейтронно-физических и теплогидравлических расчетов РБН, исходя из требуемой компенсирующей способности рабочего органа, допустимых величин удельного энерговыделения в окружающих ТВС, условий теплоотвода от рабочего органа во время работы реактора.
Материал поглотителя нейтронов (карбид бора, оксид европия, гидрид гафния и др.) выбирается исходя из требуемых значений эффективности рабочего органа, условий его охлаждения, показателей радиационной устойчивости.
Наличие поглощающего элемента, выполненного с возможностью перемещения вдоль вертикальной оси, позволяет компенсировать потерю реактивности при выгорании ядерного топлива в ТВС реактора на быстрых нейтронах.
Наличие элемента с замедлителем, закрепленного по центральной оси гильзы, позволяет увеличить компенсирующую способность РО КР и снизить неравномерность выгорания ядерного топлива в твэлах, соседних ТВС.
Заявленный положительный эффект достигается снижением неравномерности выгорания ЯТ в соседних с заявляемым РО КР СУЗ ТВС и увеличением компенсирующей способности РО КР СУЗ при сохранении преимуществ конструкции РО СУЗ типа «нейтронная ловушка».
Новыми существенными признаками являются конструктивный принцип исполнения рабочего органа компенсации реактивности системы управления и защиты реактора на быстрых нейтронах и принцип работы РО КР СУЗ. Рабочий орган компенсации реактивности системы управления и защиты реактора на быстрых нейтронах состоит из неподвижной во время работы реактора гильзы, элемента с замедлителем нейтронов, закрепленного на центральной оси гильзы, и элемента с поглотителем нейтронов, перемещаемого вдоль вертикальной оси при работе реактора в кольцевом зазоре между стенкой гильзы и центральным элементом с замедлителем нейтронов. В состоянии с введенным в активную зону поглощающим элементом РО КР работает по принципу «нейтронной ловушки». В процессе снижения реактивности из-за выгорания топлива при работе РБН поглощающий нейтроны элемент постепенно извлекается из активной зоны, а элемент с замедлителем нейтронов остается в пределах активной зоны. Ввод положительной реактивности при этом обеспечивается как удалением поглотителя нейтронов из активной зоны, так и увеличением коэффициента размножения нейтронов вследствие повышения сечения деления ЯТ в зоне размещения замедлителя нейтронов после удаления поглотителя.
Это позволяет сделать вывод, что заявляемое решение обладает новизной.
Предложенное решение не следует явным образом из уровня техники, опубликованной в научной и технической литературе, совокупность признаков обеспечивает новые свойства, что позволяет сделать вывод, что заявляемое решение соответствует критерию изобретательский уровень.
Перечень фигур графического изображения:
на фиг. 1 изображен продольный разрез рабочего органа компенсации реактивности в состоянии с полностью опущенным поглощающим элементом;
на фиг. 2 изображен продольный разрез рабочего органа компенсации реактивности в состоянии с полностью извлеченным поглощающим элементом;
на фиг. 3 изображен поперечный разрез (А-А) рабочего органа компенсации реактивности в опущенном состоянии.
Рабочий орган компенсации реактивности системы управления и защиты реакторов на быстрых нейтронах содержит гильзу 1, стержневой элемент с замедлителем нейтронов 2 и поглощающий элемент кольцевого сечения 3. Стержневой элемент с замедлителем 2 закреплен по центральной оси гильзы 1, а поглощающий элемент кольцевого сечения выполнен с возможностью перемещения в зазоре между внутренней стенкой гильзы 1 и стержневым элементом с замедлителем нейтронов 2.
С целью подтверждения предлагаемого решения для проектируемого исследовательского реактора на быстрых нейтронах МБИР [Родина Е.А., Лопаткин А.В., Лукасевич И.Б., Романова Н.В. Выбор компоновки активной зоны реактора МБИР //ВАНТ. Сер. Физика ядерных реакторов, 2012, вып. 1, с. 79-84] выполнены расчеты эффективности РО КР СУЗ и неравномерности выгорания ядерного топлива в соседних с ним ТВС.
В реакторе МБИР потеря реактивности с выгоранием ЯТ компенсируется рабочими органами компенсации реактивности (ручного регулирования), представляющими собой сборку стержней с обогащенным по 10В карбидом бора.
В расчетах рассматривалось три типа конструкции РО КР: проектная (семиэлементная), «нейтронная ловушка» и заявляемая. Во всех рассматриваемых вариантах исполнения РО КР параметры используемого поглотителя (материал, плотность, обогащение) и его количество были приняты идентичными. В качестве поглотителя рассматривался карбид бора плотностью 2,2 г/см3 с обогащением по изотопу 10В, равным 80%.
Как показывают расчеты, проведенные по прецизионному расчетному коду MCU [Абагян Л.П., Алексеев Н.И., Брызгалов В.И. и др. Программа MCU для расчета методом Монте-Карло нейтронно-физических характеристик ядерных реакторов: Препринт ИАЭ-5741/5. М., 1994], РО КР СУЗ предлагаемой конструкции с эффективным замедлителем (например, гидридом циркония, который использовался в реакторах БОР-60 и БН-600 для замедления нейтронов в некоторых экспериментальных устройствах) позволяет снизить среднюю за кампанию неравномерность выгорания топлива по сечению соседних ТВС (см. таблицу) и увеличить, таким образом, эффективность использования ЯТ в них при одновременном повышении компенсирующей способности РО КР. А это, в свою очередь, позволяет повысить экономическую эффективность эксплуатации реактора.
Для конкретного реактора на быстрых нейтронах выбор и обоснование материалов замедлителя и поглотителя нейтронов, размеров элементов с замедлителем и поглотителем нейтронов, величины и состава зазоров в поглощающем и замедляющем элементах выбирают по результатам нейтронно-физических, теплогидравлическоих и прочностных расчетов исходя из требуемой компенсирующей способности рабочего органа, необходимых условий теплоотвода от него и допустимых значений удельной мощности твэлов, окружающих рабочий орган.
Рабочий орган компенсации реактивности системы управления и защиты реактора на быстрых нейтронах, содержащий гильзу, стержневой элемент с замедлителем нейтронов и поглощающий элемент кольцевого сечения, отличающийся тем, что стержневой элемент с замедлителем нейтронов неподвижно закреплен по центральной оси гильзы, а поглощающий элемент кольцевого сечения выполнен с возможностью перемещения в зазоре между внутренней стенкой гильзы и стержневым элементом с замедлителем нейтронов.
