RU2166214C1 - Composite fuel assembly for power control system of nuclear reactor core - Google Patents

Abstract

FIELD: nuclear power engineering; water- moderated power reactors. SUBSTANCE: device used for type VVER-440 nuclear power reactors and miscellaneous reactors where local neutron bump should be reduced has fuel assembly in the form of bundled fuel elements with spacer grids in-between placed in tubular can with pressurized tubes filled with fuel pellets and provided with top compensating gas spaces; it also has neutron-absorbing extension piece whose connecting head is joined to tubular can and metal inserts mounted on top fuel pellets; additional neutron- absorbing element is arranged around fuel bundle; this element is made of hafnium or hafnium-zirconium alloy; it is placed around gas spaces and its ends are spaced 30 mm from top end of uppermost fuel pellet. EFFECT: improved uniformity of fuel burn-up among fuel elements; reduced cost of power generated , improved safety of plant. 7 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к ядерной энергетике, в частности к конструкции составной кассеты системы управления мощностью активной зоны энергетического реактора типа ВВЭР-440, и может быть использовано и в других конструкциях, когда необходимо снизить локальное повышенное нейтронное поле. The invention relates to nuclear energy, in particular, to the construction of a composite cassette of a power control system for an active zone of a VVER-440 type energy reactor, and can be used in other designs when it is necessary to reduce a local increased neutron field.

Известна конструкция активной зоны энергетического реактора типа ВВЭР-440, состоящая из тепловыделяющих рабочих кассет (РК) и 37 составных кассет системы управления мощностью активной зоны СУЗ, нижние части которых являются тепловыделяющими сборками, а верхние надставки изготовлены из материалов с высоким поперечным захватом тепловых нейтронов. Кассеты СУЗ разделены на 6 групп. Первые пять групп кассет СУЗ используются для выработки энергии и при необходимости в режиме аварийной защиты, а 6-я группа из 7-ми кассет и в режиме управления мощностью активной зоны реактора [1,2]. The well-known design of the core of a VVER-440 type energy reactor, consisting of heat-generating working cassettes (RK) and 37 composite cassettes of the power control system of the CPS active zone, the lower parts of which are heat-generating assemblies, and the upper extensions are made of materials with high transverse capture of thermal neutrons. CPS cartridges are divided into 6 groups. The first five groups of CPS cassettes are used to generate energy and, if necessary, in emergency protection mode, and the 6th group of 7 cassettes and in the power control mode of the reactor core [1,2].

Тепловыделяющая кассета состоит из шестигранного чехла, внутри которого находятся 126 шт. стержневых твэлов с ядерным топливом из таблеток двуокиси урана, дистанционированных решетками. Внутри твэлов в верхней части имеется пружинный или разрезной втулочный фиксатор топливного столба и компенсационный объем для сбора газообразных осколков деления, выделяющихся из топлива в процессе эксплуатации. Чехловая труба, оболочки твэлов и дистанционирующие решетки изготавливаются из циркониевых сплавов с поперечным захватом тепловых нейтронов не выше 0,2 барн. The fuel cartridge consists of a hexagonal case, inside of which there are 126 pcs. rod fuel rods with nuclear fuel from uranium dioxide tablets spaced apart by grids. Inside the fuel rods in the upper part there is a spring or split sleeve retainer of the fuel column and a compensation volume for collecting gaseous fission fragments released from the fuel during operation. The casing tube, the cladding of the fuel rods and the spacer grids are made of zirconium alloys with a transverse capture of thermal neutrons not higher than 0.2 bar.

В кассетах СУЗ чехловая труба тепловыделяющей части кассеты жестко закреплена на соединительной головке поглощающей надставки, изготавливаемой из материалов с высоким поперечным захватом нейтронов. В соединении между верхними торцами твэлов и нижним торцом соединительной головки поглощающей надставки имеется зазор для свободного удлинения твэлов в процессе эксплуатации. In CPS cassettes, the casing pipe of the fuel part of the cassette is rigidly fixed to the connecting head of the absorbing extension made of materials with high transverse neutron capture. In the connection between the upper ends of the fuel rods and the lower end of the connecting head of the absorbing extension there is a gap for the free extension of the fuel rods during operation.

Регулирование мощности активной зоны осуществляется за счет вертикального перемещения кассет СУЗ внутри активной зоны и введения борной кислоты в теплоноситель. Для оперативного снижения мощности реакторной установки тепловыделяющие части кассеты СУЗ 6-ой группы выводятся из активной, а надставки из поглощающих нейтроны материалов, наоборот, вводятся в активную зону. Для полной остановки реактора все поглощающие надставки вводятся в активную зону. The core power is controlled by the vertical movement of the CPS cassettes inside the core and the introduction of boric acid into the coolant. To quickly reduce the power of the reactor installation, the heat-generating parts of the CPS of the 6th group are removed from the active, and extensions from neutron-absorbing materials, on the contrary, are introduced into the active zone. To completely stop the reactor, all absorbing extensions are introduced into the active zone.

Недостатком известной конструкции СУЗ является образование при регулировании мощности активной зоны повышенного количества тепловых нейтронов в стыке между тепловыделяющей и поглощающей частями кассеты, где расположены компенсационные объемы твэлов с малым захватом тепловых нейтронов и водяной зазор между верхними торцами твэлов и нижним торцом соединительной головки поглощающей надставки [3]. A disadvantage of the known CPS design is the formation of an increased amount of thermal neutrons in the junction between the fuel and absorbing parts of the cassette, where the compensation volumes of fuel elements with low thermal neutron capture and the water gap between the upper ends of the fuel elements and the lower end of the connecting head of the absorbing extension are located [3] ].

Избыток тепловых нейтронов приводит к повышенному тепловыделению в верхних топливных таблетках твэлов кассеты СУЗ и к повышенному локальному энерговыделению в твэлах рабочих кассет, окружающих кассету СУЗ. An excess of thermal neutrons leads to increased heat release in the upper fuel pellets of the fuel cells of the CPS cartridge and to an increased local energy release in the fuel rods of the working cassettes surrounding the CPS cartridge.

Известна кассета, в которой во избежание всплеска нейтронов для регулирования мощности используются стержни с высоким поперечным захватом нейтронов. При регулировании мощности они перемещаются по направляющим каналам, расположенным внутри пучка твэлов в кассете [1]. Способ регулировки мощности поглощающими стержнями обеспечивает отсутствие всплеска нейтронов, но при этом снижается загрузка топлива в кассетах, т.к. часть объема занято направляющими каналами. A cassette is known in which rods with high transverse neutron capture are used to control power in order to avoid a neutron surge. When adjusting the power, they move along the guide channels located inside the bundle of fuel rods in the cassette [1]. The method of adjusting the power by absorbing rods ensures that there is no neutron burst, but this reduces the load of fuel in the cassettes, because part of the volume is occupied by guide channels.

Известна составная кассета системы управления мощностью активной зоны реактора типа ВВЭР-440, взятая авторами за прототип, состоящая из нижней тепловыделяющей сборки и верхней надставки из материалов с высоким захватом тепловых нейтронов, нижняя сборка включает тепловыделяющие элементы в виде герметичных труб, заполненных топливными таблетками и имеющих в верхней части компенсационные газовые объемы, тепловыделяющие элементы собраны в пучок с помощью дистанционирующих решеток с ободом и помещены в чехловую трубу, верхняя часть которой жестко присоединена к соединительной головке поглощающей нейтроны надставки, в которой для устранения всплеска нейтронов в компенсационный объем твэлов, между верхней топливной таблеткой и фиксатором установлены стальные вкладыши, газовый компенсационный объем в твэле с вкладышами сохраняется [3] - прототип. The composite cartridge of the VVER-440 reactor core power control system is known, taken by the authors as a prototype consisting of a lower fuel assembly and an upper extension made of materials with high thermal neutron capture, the lower assembly includes fuel elements in the form of hermetic tubes filled with fuel pellets and having in the upper part, compensation gas volumes, fuel elements are collected in a bundle with the help of spacer grids with a rim and placed in a cover tube, the upper part of which The th is rigidly attached to the connecting head of the neutron-absorbing extension, in which steel liners are installed between the upper fuel pellet and the retainer to eliminate the neutron surge in the compensation volume of the fuel rods, the gas compensation volume in the fuel rod with liners is preserved [3] - prototype.

Недостатком известного технического решения является тот факт, что нержавеющие вкладыши в компенсационном объеме устраняют повышенное энерговыделение только в верхних таблетках твэлов СУЗ, но не устраняют повышенного локального энерговыделения в твэлах окружающих рабочих кассетах в районе расположения компенсационных газовых объемов кассет СУЗ. A disadvantage of the known technical solution is the fact that stainless inserts in the compensation volume eliminate the increased energy release only in the upper tablets of the CPS fuel rods, but do not eliminate the increased local energy release in the fuel rods of the surrounding working cassettes in the region where the compensation gas volumes of the CPS cassettes are located.

Твэлы рассчитаны на эксплуатацию при определенной допустимой линейной тепловой мощности. Локальное повышение энерговыделения в твэлах ограничивает их эксплуатацию на 100% мощности по всей длине и снижает работоспособность. В 70% случаев разгерметизация происходит в рабочих кассетах, располагающихся вокруг шестой группы кассет СУЗ. Fuel elements are designed for operation at a certain permissible linear thermal power. A local increase in energy release in fuel rods limits their operation to 100% power over the entire length and reduces performance. In 70% of cases, depressurization occurs in working cassettes located around the sixth group of CPS cassettes.

Технической задачей изобретения является ликвидация локального всплеска энерговыделения в твэлах рабочих кассет при регулировке мощности активной зоны кассетами СУЗ. An object of the invention is the elimination of a local burst of energy in the fuel rods of the working cassettes when adjusting the power of the active zone cassettes CPS.

Решение технической задачи достигается тем, что в составной кассете системы управления мощностью активной зоны реактора, состоящей из нижней тепловыделяющей сборки и верхней поглощающей надставки, нижняя сборка включает тепловыделяющие элементы в виде герметичных трубок, заполненных топливными таблетками, и имеющих в верхней части компенсационные газовые объемы, на верхних топливных таблетках установлены стальные вкладыши, тепловыделяющие элементы собраны в пучок с помощью дистанционирующих решеток с ободом и помещены в чехловую трубу, верхняя часть которой жестко присоединена к соединительной головке поглощающей нейтроны надставки, отличающиеся тем, что в стыке кассеты вокруг пучка тепловыделяющих элементов, в районе компенсационных газовых объемов, размещен дополнительный поглощающий нейтроны элемент из гафния или его сплавов с цирконием, причем этот элемент установлен с отклонением не выше 30 мм от нижнего торца соединительной головки до уровня топлива в тепловыделяющих элементах с отклонением не ниже 30 мм от верхнего торца верхней топливной таблетки, при этом:
- дополнительный поглощающий элемент размещен с внутренней стороны чехловой трубы;
- дополнительный поглощающий элемент размещен с внешней стороны чехловой трубы;
- дополнительный поглощающий элемент выполнен из гафния или из его сплава с цирконием с содержанием циркония до 50%;
дополнительный поглощающий элемент выполнен в виде обечайки;
- дополнительный поглощающий элемент выполнен в виде шести отдельных пластин. закреплен на чехловой трубе и имеет толщину 0,3 - 0,8 мм;
- дополнительный поглощающий элемент закреплен на ободе верхней дистанционирующей решетки.The solution to the technical problem is achieved by the fact that in the composite cassette of the reactor core power control system, consisting of a lower fuel assembly and an upper absorbing extension, the lower assembly includes fuel elements in the form of sealed tubes filled with fuel pellets and having compensation gas volumes in the upper part, steel liners are installed on the upper fuel pellets, the fuel elements are assembled into a bundle using spacer grids with a rim and placed in a cover case ubu, the upper part of which is rigidly attached to the connecting head of the neutron-absorbing extension, characterized in that an additional neutron-absorbing element of hafnium or its alloys with zirconium is placed at the junction of the cartridge around the beam of fuel elements, in the region of compensating gas volumes, and this element is installed with a deviation of not more than 30 mm from the lower end of the connecting head to the fuel level in the fuel elements with a deviation of not less than 30 mm from the upper end of the upper fuel pellet, at m:
- an additional absorbing element is placed on the inside of the jacket pipe;
- an additional absorbing element is placed on the outside of the jacket pipe;
- the additional absorbing element is made of hafnium or its alloy with zirconium with a zirconium content of up to 50%;
additional absorbing element is made in the form of a shell;
- an additional absorbent element is made in the form of six separate plates. fixed to the jacket pipe and has a thickness of 0.3 - 0.8 mm;
- an additional absorbent element is mounted on the rim of the upper spacer grid.

Изобретение поясняется чертежами. На фиг. 1 показаны места расположения рабочих кассет и кассет СУЗ в активной зоне реактора ВВЭР-440, где незаштрихованные шестигранники - рабочие кассеты, а заштрихованные шестигранники - места расположения шести групп кассет СУЗ. Каждая группа имеет свой вид штриховки. The invention is illustrated by drawings. In FIG. Figure 1 shows the locations of working cassettes and CPS cassettes in the VVER-440 reactor core, where unshaded hexagons are working cassettes, and shaded hexagons are the locations of six groups of CPS cassettes. Each group has its own type of hatching.

На фиг. 2 показан стыковочный узел регулирующей кассеты, содержащей соединительную головку верхней поглощающей нейтроны надставку 1, на которой жестко крепится 6-гранная чехловая труба 2 нижней тепловыделяющей сборки с зазором между верхними торцами твэлов 3 и нижним торцом соединительной головки для свободного удлинения твэлов 4 в процессе эксплуатации. In FIG. Figure 2 shows the docking unit of the control cartridge containing the connecting head of the upper neutron-absorbing extension 1, on which the 6-sided cover tube 2 of the lower fuel assembly is rigidly fixed with a gap between the upper ends of the fuel rods 3 and the lower end of the connecting head for free extension of the fuel rods 4 during operation.

Внутри чехловой трубы находится пучок твэлов, дистанционированный решетками с ободом 5, в верхней части твэла располагаются компенсационный газовый объем 6, фиксатор топливного столба 7, стальной вкладыш 8, расположенный между верхним торцом таблетки 9 и фиксатором топливного столба. Дополнительный поглотитель нейтронов из гафния 10 закреплен на гранях чехловой трубы и расположен между нижним торцом соединительной головки 1 и верхним торцом топливной таблетки 9. Inside the sheath tube there is a bunch of fuel rods spaced by grids with a rim 5, in the upper part of the fuel rod there is a compensation gas volume 6, a fuel column retainer 7, a steel insert 8 located between the upper end of the tablet 9 and the fuel column retainer. An additional hafnium neutron absorber 10 is mounted on the faces of the sheath tube and is located between the lower end of the connecting head 1 and the upper end of the fuel pellet 9.

На фиг.3 приведено энерговыделение в прототипе в твэлах рабочих кассет в районе расположения стыка кассеты СУЗ, где находятся компенсационные объемы твэлов и водяной зазор между торцами твэлов и нижним торцом соединительной головки. На кривой 1 фиг. 3 показано энерговыделение в твэлах окружающих рабочих кассетах в районе расположения стыка кассеты СУЗ прототипа. Максимальное локальное энерговыделение в твэлах рабочих кассет, на величину до 45% от номинальной, происходит в районе расположения верхних торцов твэлов в кассете СУЗ. Figure 3 shows the energy release in the prototype in the fuel rods of the working cassettes in the area of the junction of the joint of the CPS, where the compensation volumes of the fuel rods and the water gap between the ends of the fuel rods and the lower end of the connecting head are located. On curve 1 of FIG. 3 shows the energy release in the fuel rods of the surrounding working cassettes in the area of the junction of the prototype CPS cartridge. The maximum local energy release in the fuel cassettes of working cassettes, up to 45% of the nominal, occurs in the region of the upper ends of the fuel rods in the CPS cassette.

На кривой 2 фиг.3 показано энерговыделение в твэлах рабочих кассет, когда в районе стыка на шести внутренних гранях чехловой трубы кассеты СУЗ закреплены шесть пластин гафния размером 150х76х0,6 мм. Как следует из энерговыделения позиции 2, гафний на гранях чехловой трубы кассеты СУЗ практически полностью устраняет локальный всплеск энерговыделения в твэлах рабочих кассет. Curve 2 of figure 3 shows the energy release in the fuel rods of the working cassettes when six hafnium plates 150x76x0.6 mm in size are fixed on the six joint faces of the casing of the CPS cartridge in the area of the joint. As follows from the energy release of position 2, hafnium on the faces of the casing pipe of the CPS cassette almost completely eliminates the local surge in energy release in the fuel rods of working cassettes.

Устройство работает следующим образом. В водо-водяных энергетических ядерных реакторах на тепловых нейтронах в качестве замедлителя и теплоносителя используется вода. При регулировании мощности активной зоны таких реакторов кассетами СУЗ внутри чехловой трубы 2, в районе стыковочного узла, где расположены газовые компенсационные объемы 6 твэлов с оболочками из циркониевых сплавов с поперечным захватом тепловых нейтронов ≤0,2 барн водяного зазора 3, между верхними торцами твэлов 4 и нижним торцом соединительной головки 1 образуется повышенное количество тепловых нейтронов по сравнению с остальной частью, тепловыделяющей частью кассеты, где расположены топливные таблетки с большим захватом тепловых нейтронов. Экран из гафния с поперечным захватом тепловых нейтронов 105 барн, размещенный вокруг пучка твэлов, где находятся газовые компенсационные объемы твэлов и водяной зазор, поглощает выходящие из кассеты тепловые нейтроны, образовавшиеся внутри кассеты. В стыке кассеты вокруг пучка твэлов размещают такое количество гафния, которое поглощает только избыточные нейтроны, вызывающие повышенное локальное энерговыделение в твэлах рабочих кассет, окружающих регулирующие кассеты СУЗ. Из представленных на фиг. 3 энерговыделение в зависимости от конструкции и стыковочного узла следует, что экран из гафния толщиною 0,6 мм в стыке кассеты СУЗ практически полностью устраняет 45% локальный всплеск энерговыделения в твэлах рабочих кассет. The device operates as follows. In pressurized thermal neutron power nuclear reactors, water is used as a moderator and coolant. When controlling the power of the active zone of such reactors with CPS cassettes inside the jacket pipe 2, in the vicinity of the docking station, where the gas compensation volumes of 6 fuel rods with zirconium alloy claddings with transverse capture of thermal neutrons ≤0.2 barrels of water gap 3 are located, between the upper ends of the fuel rods 4 and the lower end of the connecting head 1 forms an increased amount of thermal neutrons compared to the rest of the heat-generating part of the cassette, where fuel pellets with a large thermal capture are located thrones. A hafnium shield with a transverse thermal neutron capture of 105 barn, placed around the fuel rod bundle, where the gas compensation volumes of the fuel rods and the water gap are located, absorbs the thermal neutrons emerging from the cassette that are formed inside the cassette. At the junction of the cassette around the bundle of fuel rods, a quantity of hafnium is placed that absorbs only excess neutrons, causing increased local energy release in the fuel rods of the working cassettes surrounding the CPS control cassettes. From those shown in FIG. 3 energy release depending on the design and the docking unit, it follows that the screen of hafnium with a thickness of 0.6 mm at the junction of the CPS cassette almost completely eliminates 45% of the local burst of energy in the fuel rods of working cassettes.

Новый технический результат изобретения состоит в том, что при использовании кассет СУЗ с гафнием в стыковочном узле обеспечивается более равномерное глубокое выгорание топлива в твелах рабочих кассет, снижается себестоимость вырабатываемой на АЭС электроэнергии и повышается безопасность в аварийных ситуациях. A new technical result of the invention is that when using CPS cassettes with hafnium in the docking unit, a more uniform deep burnup of fuel in the fuel rods of the working cassettes is ensured, the cost of electricity generated at nuclear power plants is reduced, and safety in emergency situations is increased.

Источники информации
1. Емельянов И.Е. Энергетические ядерные реакторы. М., Энергоатомиздат, 1984 г., с. 18-30.Sources of information
1. Emelyanov I.E. Power nuclear reactors. M., Energoatomizdat, 1984, p. 18-30.

2. Решетников Ф.Г. Разработка производства и эксплуатации тепловыделяющих элементов энергетических реакторов. М., Энергоатомиздат, 1995 г., книга 1., с. 185. 2. Reshetnikov F.G. Development of the production and operation of fuel elements of power reactors. M., Energoatomizdat, 1995, book 1., p. 185.

3. Сидоренко В.А. Вопросы безопасной работы реакторов ВВЭР. М., Атомиздат, 1977, с. 141-142- прототип. 3. Sidorenko V.A. Issues of safe operation of VVER reactors. M., Atomizdat, 1977, p. 141-142- prototype.

Claims (7)

1. Составная кассета управления мощностью активной зоны ядерного реактора, содержащая сборку тепловыделяющих элементов в виде собранных посредством дистанционирующих решеток в пучок и помещенных в чехловую трубу герметичных трубок, заполненных топливными таблетками и имеющих в верхней части компенсационные газовые объемы, поглощающую нейтроны надставку, соединительная головка которой присоединена к чехловой трубе, и металлические вкладыши, установленные на верхних топливных таблетках, отличающаяся тем, что вокруг пучка тепловыделяющих элементов размещен дополнительный поглощающий нейтроны элемент из гафния или его сплавов с цирконием, окружающий компенсационные газовые объемы, торцы которого отстоят не выше 30 мм от нижнего торца соединительной головки и не ниже 30 мм от верхнего торца верхней топливной таблетки. 1. Composite cassette for controlling the power of the active zone of a nuclear reactor, containing an assembly of fuel elements in the form of tight tubes assembled by means of spacer grids and placed in a sheath tube filled with fuel pellets and having compensation gas volumes in the upper part, a neutron-absorbing extension, the connecting head of which attached to the case tube, and metal liners mounted on the upper fuel pellets, characterized in that around the bundle of the fuel Of the additional elements, an additional neutron-absorbing element of hafnium or its alloys with zirconium is located, surrounding compensation gas volumes, the ends of which are no more than 30 mm from the lower end of the connecting head and not lower than 30 mm from the upper end of the upper fuel pellet. 2. Составная кассета по п.1, отличающаяся тем, что дополнительный поглощающий нейтроны элемент размещен с внутренней стороны чехловой трубы. 2. The composite cartridge according to claim 1, characterized in that the additional neutron-absorbing element is placed on the inside of the jacket pipe. 3. Составная кассета по п.1, отличающаяся тем, что дополнительный поглощающий нейтроны элемент размещен с внешней стороны чехловой трубы. 3. The composite cartridge according to claim 1, characterized in that the additional neutron-absorbing element is placed on the outside of the jacket pipe. 4. Составная кассета по п.1 или 2, отличающаяся тем, что дополнительный поглощающий нейтроны элемент закреплен на ободе верхней дистанционирующей решетки. 4. The composite cartridge according to claim 1 or 2, characterized in that the additional neutron-absorbing element is mounted on the rim of the upper spacer grid. 5. Составная кассета по любому из пп.1 - 4, отличающаяся тем, что дополнительный поглощающий нейтроны элемент выполнен в виде обечайки. 5. Composite cartridge according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the additional element absorbing neutrons is made in the form of a shell. 6. Составная кассета по любому из пп.1 - 4, отличающаяся тем, что дополнительный поглощающий нейтроны элемент выполнен в виде шести закрепленных на чехловой трубе пластин толщиной 0,3 - 0,8 мм. 6. A composite cartridge according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the additional neutron-absorbing element is made in the form of six plates 0.3 - 0.8 mm thick mounted on the jacket pipe. 7. Составная кассета по любому из пп.1 - 6, отличающаяся тем, что дополнительный поглощающий нейтроны элемент выполнен из сплава гафния с цирконием, с содержанием циркония до 50%. 7. Composite cartridge according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the additional neutron-absorbing element is made of an alloy of hafnium with zirconium, with a zirconium content of up to 50%.

Images