RU144391U1 - Рабочий орган системы управления и защиты реактора на быстрых нейтронах - Google Patents

Abstract

1. Рабочий орган системы управления и защиты реактора на быстрых нейтронах, включающий корпус и поглощающие элементы, один из которых расположен на оси рабочего органа и выполнен в виде стержня- - столба поглотителя внутри стальной оболочки, а остальные расположены соосно корпусу и выполнены в виде полых цилиндров- столбов таблеток поглотителя с центральным отверстием, заключенных во внутреннюю и внешнюю стальные оболочки.2. Рабочий орган по п.1, отличающийся тем, что объем поглотителя, толщина стальных оболочек, а также величина и состав зазора между поглотителем и оболочкой поглощающих элементов выбирают исходя из требуемых параметров физической эффективности рабочего органа и условий теплосъема в нем.3. Рабочий орган по п.1, отличающийся тем, что поглощающие элементы содержат различный поглощающий материал, выбираемый исходя из требуемых значений эффективности рабочего органа.4. Рабочий орган по п.1, отличающийся тем, что центральный поглощающий элемент дополнительно содержит замедлитель нейтронов.5. Рабочий орган по п.1, отличающийся тем, что при использовании карбида бора в качестве материала поглотителя его обогащение по изотопуВ в поглощающем элементе различно исходя из требуемых значений эффективности рабочего органа.

Description

Полезная модель относится к ядерной технике, а именно к рабочим органам системы управления и защиты ядерных реакторов на быстрых нейтронах, и используется для повышения безопасности и экономической эффективности последних.

Известен рабочий орган системы управления и защиты (РО СУЗ) эксплуатировавшихся ранее и действующих в настоящее время реакторах на быстрых нейтронах (РБН) [Уолтер А., Рейнольдс А. Реакторы-размножители на быстрых ней-тронах: 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 поглотителя (в основном карбида бора), состоящий из таблеток.

Недостатками данной конструкции являются невысокая объемная доля поглотителя в РО СУЗ и отсутствие возможности ее увеличения. Таким образом, часто, для получения РО достаточно высокой эффективности требуется использование карбида бора с высоким обогащением по изотопу ¹⁰B (до 80-95%), являющегося дорогостоящим материалом.

Известен РО СУЗ [Ponomarneko V.B, Efremov A.I., Gadzhiev G.I. ect., Experience in development, operating and vaterial investigation of the BOR-60 rector control and safety rods, Proceeding of a Technical Committee meeting, Obninsk, Russian Federation, 3-7 July 1995, IAEA - TECDOC-884, 1996, р. 191-199], состоящий из одного поглощающего элемента, представляющего собой заключенный в оболочку столб поглотителя, набранный из таблеток большого диаметра, сравнимого с размером ячейки реактора

Такая конструкция РО СУЗ позволяет существенно увеличить долю поглотителя в рабочем органе и, соответственно, его эффективность.

Недостатком данной конструкции РО СУЗ являются высокие температуры и градиенты температур и, как следствие, термо-механические напряжения в объеме поглотителя, что снижает срок службы поглощающего элемента.

Задачей предлагаемого технического решения является увеличение длительности кампании реактора при одновременном увеличении безопасности реактора путем повышения объемной доли поглотителя в рабочем органе системы управления и защиты реактора на быстрых нейтронах при сохранении приемлемых условий теплосъема.

Для решения этой задачи предлагается рабочий орган системы управления и защиты реактора на быстрых нейтронах включающий корпус и расположенные в нем поглощающие элементы, один из которых выполнен в виде стержня и расположен на оси рабочего органа, а остальные выполнены в виде полых цилиндров и расположены соосно корпусу. Стержневой пэл представляет собой столб поглотителя, заключенный в стальную оболочку. Пэл в виде полого цилиндра представляет собой столб таблеток поглотителя с центральным отверстием, заключенный во внутреннюю и внешнюю стальные оболочки.

Объем поглотителя, толщина оболочек коаксиальных цилиндров, а также величина и состав зазора между поглотителем и оболочкой поглощающих элементов выбирают исходя из требуемых параметров эффективности рабочего органа и условий теплосъема в нем работы.

Центральный поглощающий элемент дополнительно может содержать замедлитель нейтронов.

Материал поглотителя (карбид бора, оксид европия, гидрид гафния и др.) в разных поглощающих элементах может различаться и выбирается исходя из требуемых значений эффективности рабочего органа и условий теплосъема в нем.

При использовании карбида бора в качестве материала поглотителя, его обогащение по изотопу ¹⁰B подбирается для каждого пэла исходя из требуемых значений эффективности рабочего органа и условий теплосъема в нем.

При размещении поглотителя в форме цилиндрического слоя (кольца) увеличивается интегральная эффективность РО СУЗ за счет снижения экранировки.

В заявляемой конструкции РО СУЗ появляется возможность добавления поглотителя за счет увеличения толщины кольца или путем установки стержневого пэла в центральную полость.

Расчетные оценки показывают, что при эксплуатации РО СУЗ с кольцевым пэлом, условия теплосъема с внешней и внутренней стороны поглотителя могут быть обеспечены за счет соответствующего подбора расхода теплоносителя.

Выполненные расчеты показали, что наиболее предпочтительным является вариант размещения дополнительного поглотителя в центральном стержневом пэле.

Объем поглотителя, толщина стальных оболочек, а также величина и состав зазора между поглотителем и оболочкой поглощающих элементов выбирают исходя из требуемых параметров физической эффективности рабочего органа и условий теплосъема в нем работы.

Кроме того, центральный поглощающий элемент дополнительно может содержать замедлитель нейтронов (например, обедненный карбид бора - отвалы обогатительного производства), что позволит снизить энергию нейтронов и увеличить, таким образом, скорость захвата нейтронов в цилиндрическом (кольцевом) пэле. Это позволит увеличить эффективность РО СУЗ без добавления дополнительного поглотителя. Таким образом, возможно снижение стоимости РО СУЗ, при относительно невысокой стоимости замедлителя.

В предлагаемой конструкции РО СУЗ поглотитель в центральном пэле можно частично или полностью заменить на замедлитель нейтронов (например, обедненный карбид бора - отвалы обогатительного производства), что позволит снизить энергию нейтронов и увеличить, таким образом, скорость захвата нейтронов в цилиндрическом (кольцевом) пэле. Это позволит увеличить эффективность РО СУЗ без добавления дополнительного поглотителя. Таким образом, возможно снижение стоимости РО СУЗ, при относительно невысокой стоимости замедлителя.

При использовании карбида бора в качестве материала поглотителя, его обогащение по изотопу ¹⁰B подбирается для каждого пэла исходя из требуемых значений эффективности рабочего органа и условий теплосъема в нем. Использование карбида бора различного обогащения в кольцевом и стержневом пэлах дает дополнительные возможности по выравниваю тепловыделения в РО СУЗ и соответственно температурных условий облучения.

Заявляемое техническое решение позволяет увеличить объем (массу) поглотителя в РО СУЗ, а также обеспечить надлежащие температурные условия при эксплуатации.

Центральный стержневой пэл, одновременно выполняющий функцию вытеснителя теплоносителя, позволяет выравнивать поле температур в кольцевом пэле.

В случае использования в качестве поглотителя карбида бора, обогащенного по изотопу ¹⁰B, заявляемое техническое решение позволит за счет увеличения объема поглотителя использовать карбид бора с меньшим обогащением без уменьшения интегральной эффективности РО СУЗ, что может существенно снизить его стоимость.

В случаях, когда не требуется высокая эффективность конкретного РО СУЗ, например РО АР, и эффективности одного цилиндрического (кольцевого) пэла достаточно, центральный поглощающий элемент может быть удален или заменен на вытеснитель теплоносителя.

Для реакторов на быстрых нейтронах с относительно небольшим поперечным размером ячейки (например - БОР-60), предпочтительной будет 2-х элементная конструкция, состоящая из одного стержневого пэла и одного пэла в виде полого цилиндра. В реакторах на быстрых нейтронах с большим поперечным размером ячейки (например - БН-1200, БРЕСТ) и, соответственно РО СУЗ, для обеспечения приемлемых условий теплосъема возможно применение конструкции с числом цилиндрических пэлов больше одного.

Таким образом, заявляемое техническое решение обеспечивает увеличение объемной доли поглотителя в РО СУЗ, что позволяет либо увеличить физический вес РО СУЗ с целью:

1) получения технической возможности увеличения запаса реактивности и соответственно длительности кампании реактора;

2) увеличения безопасности реактора;

3) снижения стоимости РО СУЗ.

На прилагаемом рисунке показано поперечное сечение рабочего органа системы управления и защиты реактора, где:

1 - стержневой (центральный) пэл,

2 - кольцевой пэл.

Как показывают расчеты при замене рабочего органа ручного регулирования (РО РР) реактора БОР-60, состоящего из 7-ми стержневых пэлов, содержащих карбид бора, обогащенный по изотопу ¹⁰B до ~80%. на конструкцию с одним элементом в виде кольца эффективность РО возрастает на ~4%.

При установке в образовавшуюся центральную полость стержневого пэла диаметром ~22 мм с карбидом бора (обогащение по ¹⁰B - 80%) эффективность РО РР возрастет на 30-35%.

При установке центрального стержневого пэла диаметром ~18 мм, можно снизить обогащение карбида бора по ¹⁰B до 60% без потери интегральной эффективности РО РР, что заметно снижает стоимость последнего.

Рабочий орган аварийной защиты (РО АЗ) реактора БН-600 состоит из 7-ми стержневых пэлов, содержащих карбид бора, обогащенный по изотопу ¹⁰B до ~80%.

При переходе от штатной многоэлементной конструкции РО АЗ к конструкции с одним элементом в виде кольца эффективность РО возрастает на ~5%.

При установке в образовавшуюся центральную полость штатного стержневого пэла с природным карбидом бора (обогащение по ¹⁰B ~19%) эффективность РО РР возрастет на ~9% относительно штатной многоэлементной конструкции.

При установке центрального стержневого пэла диаметром ~35 мм с природным карбидом бора (обогащение по ¹⁰B ~19%) эффективность РО РР возрастет на ~11% относительно штатной многоэлементной конструкции.

Claims (5)

1. Рабочий орган системы управления и защиты реактора на быстрых нейтронах, включающий корпус и поглощающие элементы, один из которых расположен на оси рабочего органа и выполнен в виде стержня- - столба поглотителя внутри стальной оболочки, а остальные расположены соосно корпусу и выполнены в виде полых цилиндров- столбов таблеток поглотителя с центральным отверстием, заключенных во внутреннюю и внешнюю стальные оболочки.

2. Рабочий орган по п.1, отличающийся тем, что объем поглотителя, толщина стальных оболочек, а также величина и состав зазора между поглотителем и оболочкой поглощающих элементов выбирают исходя из требуемых параметров физической эффективности рабочего органа и условий теплосъема в нем.

3. Рабочий орган по п.1, отличающийся тем, что поглощающие элементы содержат различный поглощающий материал, выбираемый исходя из требуемых значений эффективности рабочего органа.

4. Рабочий орган по п.1, отличающийся тем, что центральный поглощающий элемент дополнительно содержит замедлитель нейтронов.

5. Рабочий орган по п.1, отличающийся тем, что при использовании карбида бора в качестве материала поглотителя его обогащение по изотопу ¹⁰В в поглощающем элементе различно исходя из требуемых значений эффективности рабочего органа.