RU2529495C1

RU2529495C1 - Control and protection rods of nuclear reactor

Info

Publication number: RU2529495C1
Application number: RU2013132055/07A
Authority: RU
Inventors: Владимир Дмитриевич Рисованный; Анатолий Васильевич Захаров; Сергей Григорьевич Еремин; Андрей Иванович Плотников
Priority date: 2013-07-10
Filing date: 2013-07-10
Publication date: 2014-09-27

Abstract

FIELD: power engineering.

SUBSTANCE: nuclear reactor control and protection rod includes a body and several absorbing elements fixed in it. At least one of elements comprises a shell and two plugs, between which circular blocks of a neutron absorber are placed. Between the shell, the upper plug and circular blocks of the neutron absorber, and also in their hole there is an elastic gas permeable material, and the upper plug comprises through holes into the inner cavity.

EFFECT: increased reliability of a rod with an absorbing element of small diameter at considerable simplification of design and preservation of its serviceability.

3 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к ядерной технике и предназначено для использования в качестве стержней управления и защиты ядерных реакторов, преимущественно в реакторах на быстрых нейтронах с металлическим теплоносителем, например натриевым, свинцовым, свинцово-висмутовым.The invention relates to nuclear engineering and is intended for use as control rods and protection of nuclear reactors, mainly in fast neutron reactors with a metal coolant, for example, sodium, lead, lead-bismuth.

В технической литературе: Рисованный В.Д., Захаров А.В. и др. «Бор в ядерной технике». Димитровград: ФГУП ГНЦ РФ НИИАР, 2003. - 345 с., учебное пособие «Органы регулирования ядерных реакторов», Ульяновск: УлГУ, 2005. - 125 с., «Материалы органов управления и защиты» - в кн. Машиностроение. Энциклопедия. Т.4-25 «Машиностроение ядерной техники»: В 2-х кн. Кн. 1. Под общ. ред. Е.О. Адамова, 2005, с.427-500 описаны конструкции стержней управления и защиты, которые содержат как герметичные поглощающие элементы с полостью газосборника, так и негерметичные с возможностью выхода газа в теплоноситель. В этих конструкциях поглощающий элемент состоит из оболочки - гладкой тонкостенной трубы, в которой с зазором размещен поглощающий сердечник, в виде стержня, составленного из цилиндрических блоков поглотителя, и фиксатор, который препятствует смещению блоков поглотителя в осевом направлении. По торцам к оболочке приварены аргонодуговой сваркой заглушки, в негерметичном поглощающем элементе верхняя заглушка содержит отверстия для заполнения внутренней полости теплоносителем и выхода газообразных продуктов. В герметичном поглощающем элементе внутренняя полость заполнена гелием.In the technical literature: Risovanny V.D., Zakharov A.V. and others. "Boron in nuclear engineering." Dimitrovgrad: FSUE SSC RF NIIAR, 2003. - 345 p., Textbook "Nuclear Reactor Regulatory Bodies", Ulyanovsk: UlSU, 2005. - 125 p., "Materials of Control and Protection Bodies" - in the book. Engineering. Encyclopedia. T.4-25 "Mechanical Engineering of Nuclear Engineering": In 2 books. Prince 1. Under the general. ed. E.O. Adamova, 2005, p.427-500 describes the design of control and protection rods that contain both sealed absorbing elements with a gas collector cavity and leaky ones with the possibility of gas entering the coolant. In these designs, the absorbing element consists of a shell - a smooth thin-walled tube in which the absorbing core is placed with a gap, in the form of a rod made up of cylindrical blocks of the absorber, and a latch that prevents the axial blocks of the absorber from shifting. Caps are welded at the ends to the shell by argon-arc welding; in the non-hermetic absorbing element, the top cap contains openings for filling the internal cavity with the coolant and the exit of gaseous products. In a sealed absorbent element, the internal cavity is filled with helium.

Между поглощающим сердечником и внутренней поверхностью оболочки в исходном состоянии имеется зазор, который определяется таким образом, чтобы обеспечивалось увеличение объема поглощающего сердечника от радиационного распухания при реакторном облучении, и не произошла деформация и разрушение оболочки. Одним из основных критериев, ограничивающим время работы стержней управления и защиты, является сохранение ими целостности и формы для предотвращения вымывания поглощающего материала в теплоноситель и свободного перемещения в гильзах СУЗ (направляющих каналах).There is a gap between the absorbent core and the inner surface of the shell in the initial state, which is determined so that an increase in the volume of the absorbent core from radiation swelling during reactor irradiation is ensured, and there is no deformation or destruction of the shell. One of the main criteria limiting the operating time of the control and protection rods is their preservation of integrity and shape to prevent the washout of the absorbing material from flowing into the coolant and free movement in the CPS liners (guide channels).

Наиболее близким аналогом, совпадающим с заявляемым изобретением по наибольшему количеству существенных признаков, является конструкция, описанная в патенте на изобретение №2468453 «Стержень управления и защиты ядерного реактора».The closest analogue, coinciding with the claimed invention for the most significant features, is the design described in the patent for invention No. 2468453 "Rod control and protection of a nuclear reactor".

Эта конструкция содержит корпус и соосно закрепленные в нем поглощающие элементы. Каждый поглощающий элемент содержит верхнюю кольцевую заглушку со сквозными отверстиями в его внутреннюю полость для заполнения ее теплоносителем и выхода газообразных продуктов, нижнюю кольцевую заглушку, наружную оболочку и внутреннюю оболочку. Между оболочками и размещены кольцевые блоки поглотителя нейтронов. При этом между оболочками и кольцевыми блоками поглотителя нейтронов без зазоров содержится упругий, газопроницаемый материал. Между кольцевыми блоками поглотителя нейтронов и верхней заглушкой без зазоров расположен блок кольцевой формы из упругого, газопроницаемого материала.This design comprises a housing and absorbent elements coaxially mounted therein. Each absorbing element contains an upper annular plug with through holes in its internal cavity to fill it with a coolant and the release of gaseous products, a lower annular plug, an outer shell and an inner shell. Between the shells and placed the ring blocks of the neutron absorber. Moreover, between the shells and the ring blocks of the neutron absorber without gaps contains an elastic, gas-permeable material. Between the ring blocks of the neutron absorber and the top cap without gaps, there is a ring-shaped block of elastic, gas-permeable material.

Недостатком прототипа является: значительное снижение эффективности охлаждения внутренней оболочки поглощающего элемента при его уменьшении диаметра вследствие увеличения гидравлического сопротивления потока теплоносителя реактора через отверстие во внутренней оболочке и малой площади контакта с теплоносителем, которое может привести к локальному перегреву кольцевого блока поглотителя нейтронов. Учитывая, что с поверхностью наружной оболочки контактирует параллельный поток теплоносителя с большим поперечным сечением, то расход теплоносителя через отверстие во внутренней оболочке значительно меньше. А термическое сопротивление, создаваемое оболочкой, влияет на градиент температуры между кольцевым блоком поглотителя нейтронов и теплоносителем. Для того чтобы избежать локального перегрева кольцевого блока поглотителя нейтронов, необходимо увеличить зазор между ним и внутренней оболочкой для повышения теплопередачи от участков с высоким энерговыделением, учитывая, что оно распределяется неравномерно по высоте поглощающего элемента. При этом уменьшается масса поглотителя, а следовательно, снижается эффективность стержня управления и защиты ядерного реактора.The disadvantage of the prototype is: a significant decrease in the cooling efficiency of the inner shell of the absorbing element when its diameter is reduced due to an increase in the hydraulic resistance of the reactor coolant flow through the hole in the inner shell and a small contact area with the coolant, which can lead to local overheating of the ring block of the neutron absorber. Considering that a parallel coolant flow with a large cross section is in contact with the surface of the outer shell, the flow rate of the coolant through the hole in the inner shell is much less. And the thermal resistance created by the shell affects the temperature gradient between the ring block of the neutron absorber and the coolant. In order to avoid local overheating of the ring block of the neutron absorber, it is necessary to increase the gap between it and the inner shell to increase heat transfer from areas with high energy release, given that it is distributed unevenly along the height of the absorbing element. In this case, the mass of the absorber is reduced, and therefore, the efficiency of the control rod and the protection of the nuclear reactor is reduced.

Указанный недостаток обусловлен наличием отверстия, образованного внутренней оболочкой при использовании поглощающего элемента с малым диаметром.This drawback is due to the presence of a hole formed by the inner shell when using an absorbing element with a small diameter.

Заявляемое техническое решение позволяет повысить надежность при значительном упрощении конструкции с использованием поглощающего элемента с малым диаметром, не ухудшая ее работоспособность.The claimed technical solution allows to increase reliability with a significant simplification of the design using an absorbing element with a small diameter, without compromising its performance.

Поставленная цель достигается тем, что стержень управления и защиты ядерного реактора включает корпус и закрепленные в нем один или несколько поглощающих элементов, по меньшей мере один из которых содержит оболочку и две заглушки, между которыми размещены кольцевые блоки поглотителя нейтронов. Причем между оболочкой, верхней заглушкой и кольцевыми блоками поглотителя нейтронов, а также в их отверстии размещен упругий, газопроницаемый материал, который содержит проволоку из тугоплавких материалов с высокой способностью поглощать нейтроны, а верхняя заглушка содержит сквозные отверстия во внутреннюю полость для заполнения ее теплоносителем и выхода газообразных продуктов. Кроме того, кольцевые блоки поглотителя нейтронов могут быть выполнены составными из сегментов.This goal is achieved in that the control and protection rod of a nuclear reactor includes a housing and one or more absorbing elements fixed in it, at least one of which contains a shell and two plugs, between which ring blocks of the neutron absorber are placed. Moreover, between the shell, the upper plug and the ring blocks of the neutron absorber, as well as in their hole, an elastic, gas-permeable material is placed, which contains a wire of refractory materials with a high ability to absorb neutrons, and the upper plug contains through holes in the internal cavity to fill it with coolant and exit gaseous products. In addition, the ring blocks of the neutron absorber can be made of composite segments.

Наличие поглощающего элемента, содержащего оболочку и две заглушки, между которыми размещены кольцевые блоки поглотителя нейтронов, причем между оболочкой, верхней заглушкой и кольцевыми блоками поглотителя нейтронов, а также в их отверстии без зазоров размещен упругий, газопроницаемый материал, а верхняя заглушка содержит сквозные отверстия во внутреннюю полость, что позволяет значительно упростить конструкцию с использованием поглощающего элемента с малым диаметром, при этом увеличивается площадь сечения непроточного теплоносителя, которым заполнено отверстие кольцевых блоков поглотителя нейтронов с упругим, газопроницаемым материалом, а следовательно, повышается теплопередача от участков с высоким энерговыделением, тем самым не ухудшая работоспособность и повышая надежность.The presence of an absorbing element containing a shell and two plugs, between which there are ring blocks of the neutron absorber, and between the shell, the top plug and the ring blocks of the neutron absorber, as well as in their opening without gaps, an elastic, gas-permeable material is placed, and the upper plug contains through holes in internal cavity, which allows to significantly simplify the design using an absorbing element with a small diameter, while the cross-sectional area of the non-flowing coolant increases For which the hole of the ring blocks of a neutron absorber with an elastic, gas-permeable material is filled, and therefore, heat transfer from areas with high energy release is increased, thereby not compromising performance and increasing reliability.

При этом наличие упругого, газопроницаемого материала позволяет обеспечить центрирование кольцевых блоков поглотителя нейтронов относительно оси оболочки при радиационном формоизменении. А также позволяет предотвратить отделение от кольцевых блоков поглотителя нейтронов фрагментов, образовавшихся в результате их растрескивания в процессе эксплуатации, и в тоже время обеспечить свободный выход выделяемых газообразных продуктов. А при применении в упругом, газопроницаемом материале проволоки из тугоплавких материалов с высокой способностью поглощать нейтроны повышается физическая эффективность стержня управления и защиты. Наличие кольцевых блоков поглотителя нейтронов, выполненных составными из сегментов, позволяет снизить внутренние напряжения в них от градиентов температур и радиационного формоизменения.In this case, the presence of an elastic, gas-permeable material makes it possible to center the ring blocks of the neutron absorber relative to the axis of the shell during radiation modification. It also helps to prevent the separation of fragments resulting from their cracking during operation from the ring blocks of the neutron absorber, and at the same time to ensure the free exit of gaseous products released. And when used in an elastic, gas-permeable material wire made from refractory materials with a high ability to absorb neutrons, the physical efficiency of the control and protection rod increases. The presence of ring blocks of a neutron absorber made of composite segments allows you to reduce the internal stresses in them from temperature gradients and radiation shaping.

Предложенная конструкция позволяет при использовании конструктивной схемы поглощающего элемента с одной оболочкой осуществлять теплопередачу непосредственно от внутренней поверхности кольцевых блоков поглотителя нейтронов к непроточному теплоносителю реактора, которым заполнен упругий, газопроницаемый материал, расположенный в их отверстии, при этом не ухудшая эффективность охлаждения и работоспособность, используя в газопроницаемом материале проволоку из тугоплавких материалов с высокой способностью поглощать нейтроны и составные из сегментов кольцевые блоки поглотителя нейтронов.The proposed design allows using the design scheme of the absorbing element with one shell to carry out heat transfer directly from the inner surface of the ring blocks of the neutron absorber to the non-flowing coolant of the reactor, which is filled with an elastic, gas-permeable material located in their hole, without compromising cooling efficiency and performance, using gas-permeable material wire made of refractory materials with high ability to absorb neutrons and the ring blocks of the neutron absorber, which are the same from the segments.

Новыми существенными признаками являются форма исполнения узлов и деталей стержня управления и защиты ядерного реактора и их взаимное расположение - поглощающий элемент, который содержит оболочку и две заглушки, между которыми размещены кольцевые блоки поглотителя нейтронов, причем между оболочкой, верхней заглушкой и кольцевыми блоками поглотителя нейтронов, а также в их отверстии размещен упругий, газопроницаемый материал, а верхняя заглушка содержит сквозные отверстия во внутреннюю полость.The new essential features are the form of execution of the nodes and parts of the control and protection rod of a nuclear reactor and their relative position - an absorbing element that contains a shell and two plugs, between which there are ring blocks of the neutron absorber, and between the shell, the top plug and the ring blocks of the neutron absorber, and also in their hole is an elastic, gas-permeable material, and the upper plug contains through holes in the internal cavity.

Это позволяет сделать вывод, что заявляемое решение обладает новизной.This allows us to conclude that the claimed solution has novelty.

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.The proposed solution does not follow explicitly from the prior art published in the scientific and technical literature, the combination of features provides new properties, which allows us to conclude that the claimed solution meets the criterion of inventive step.

Перечень фигур графического изображения: на фиг.1 изображен продольный разрез стержня управления и защиты ядерного реактора; на фиг.2 - поперечное сечение поглощающего элемента.The list of figures of the graphic image: figure 1 shows a longitudinal section of the control rod and protection of a nuclear reactor; figure 2 is a cross section of an absorbing element.

Стержень управления и защиты ядерного реактора содержит корпус 1 и закрепленные в нем поглощающие элементы 2. Каждый поглощающий элемент 2 содержит верхнюю заглушку 3 со сквозными отверстиями в его внутреннюю полость для заполнения ее теплоносителем и выхода газообразных продуктов, нижнюю заглушку 4 и оболочку 5. Между заглушками 3 и 4 размещены кольцевые блоки поглотителя нейтронов 6. При этом между оболочкой 5, верхней заглушкой 3 и кольцевыми блоками поглотителя нейтронов 6, а также в их отверстии без зазоров размещен упругий, газопроницаемый материал 7.The control and protection rod of a nuclear reactor contains a housing 1 and absorbent elements 2 fixed therein. Each absorbent element 2 contains an upper plug 3 with through holes in its internal cavity to fill it with coolant and exit gaseous products, a lower plug 4 and a shell 5. Between the plugs 3 and 4, the ring blocks of the neutron absorber are placed 6. In this case, between the shell 5, the upper plug 3 and the ring blocks of the neutron absorber 6, as well as in their hole without gaps, an elastic, gas permeable th material 7.

Стержень управления и защиты ядерного реактора работает следующим образом.The control and protection core of a nuclear reactor operates as follows.

При эксплуатации поток жидкометаллического теплоносителя первого контура реактора контактирует с внешней поверхностью оболочки 5 поглощающих элементов 2 и через отверстия в верхней заглушке 3 заполняет полости упругого, газопроницаемого материала 7. Радиационное энерговыделение в кольцевых блоках поглотителя нейтронов 6 увеличивает их температуру. Теплообмен между кольцевыми блоками поглотителя нейтронов 6 и внешним потоком теплоносителя осуществляется посредством упругого, газопроницаемого материала 7, полости которого заполнены жидкометаллическим теплоносителем, и оболочки 5. Учитывая, что энерговыделение в кольцевых блоках поглотителя нейтронов 6 распределяется неравномерно по высоте поглощающего элемента 2, то теплообмен между ними осуществляется еще и посредством упругого, газопроницаемого материала 7 в их отверстии, полости которого заполнены жидкометаллическим теплоносителем. Газовыделение в процессе эксплуатации происходит через полости упругого, газопроницаемого материала 7 и затем через отверстия в верхней заглушке 3. Упругий, газопроницаемого материал 7 может быть изготовлен из спрессованной проволоки диаметром менее 0,1 мм с толщиной слоя более 2 мм. Такая величина исходной толщины слоя выбрана из условия технологичности сборки и обеспечения радиационного формоизменения материала поглотителя. При использовании проволоки с хорошими свойствами поглощать нейтроны, например гафния, тантала, вольфрама, повышается физическая эффективность стержня управления и защиты ядерного реактора. Такая конструкция способна уменьшаться в размере толщины слоя более чем в пять раз при радиационном формоизменении материала поглотителя. При этом постоянно сохраняется контакт упругого, газопроницаемого материала 7 с оболочкой 5 и кольцевыми блоками поглотителя нейтронов 6, тем самым надежно центрируются кольцевые блоки поглотителя нейтронов 6 относительно оболочки 5, а также фиксируются все фрагменты кольцевых блоков поглотителя нейтронов 6, когда в процессе эксплуатации могут возникнуть внутренние напряжения от градиентов температур и происходит их растрескивание. Таким образом, достигается равномерная температура на боковой поверхности кольцевых блоков поглотителя нейтронов 6, и их фрагменты не имеют возможности отделиться, а следовательно, не оказывают механического силового воздействия на оболочку. В случае разгерметизации оболочки фрагменты кольцевых блоков поглотителя нейтронов 6 не вымываются в теплоноситель, и стержень управления и защиты ядерного реактора сохраняет физическую эффективность. Кольцевые блоки поглотителя нейтронов 6 могут быть выполнены составными из сегментов. В зависимости от диаметра колец, условий эксплуатации, определяющих напряжения от возникающих градиентов температур, количество сегментов может быть от двух до шести.During operation, the flow of the liquid metal coolant of the primary reactor loop contacts the outer surface of the shell 5 of the absorbing elements 2 and fills the cavities of the elastic, gas-permeable material 7 through the openings in the upper plug 3. Radiation energy release in the ring blocks of the neutron absorber 6 increases their temperature. The heat exchange between the ring blocks of the neutron absorber 6 and the external coolant flow is carried out by means of an elastic, gas-permeable material 7, the cavities of which are filled with a liquid metal coolant, and the shell 5. Considering that the energy release in the ring blocks of the neutron absorber 6 is distributed unevenly along the height of the absorbing element 2, then heat transfer between they are also carried out by means of an elastic, gas-permeable material 7 in their hole, the cavities of which are filled with liquid metal heat with a resident. Gas evolution during operation occurs through the cavities of the elastic, gas-permeable material 7 and then through the holes in the upper plug 3. The elastic, gas-permeable material 7 can be made of pressed wire with a diameter of less than 0.1 mm and a layer thickness of more than 2 mm. Such a value of the initial layer thickness is selected from the condition of manufacturability of the assembly and the provision of radiation forming of the absorber material. When using a wire with good properties to absorb neutrons, such as hafnium, tantalum, tungsten, the physical efficiency of the control rod and the protection of a nuclear reactor is increased. Such a design is able to decrease in size of the layer thickness by more than five times during radiation-induced modification of the material of the absorber. In this case, the contact of the elastic, gas-permeable material 7 with the shell 5 and the ring blocks of the neutron absorber 6 is constantly maintained, thereby the ring blocks of the neutron absorber 6 are reliably centered relative to the shell 5, and all fragments of the ring blocks of the neutron absorber 6 are fixed, when during operation internal stresses from temperature gradients and they crack. Thus, a uniform temperature is achieved on the lateral surface of the ring blocks of the neutron absorber 6, and their fragments are not able to separate, and therefore do not have a mechanical force on the shell. In the case of depressurization of the shell, fragments of the ring blocks of the neutron absorber 6 are not washed out in the coolant, and the control and protection rod of the nuclear reactor retains physical efficiency. The ring blocks of the neutron absorber 6 can be made integral of the segments. Depending on the diameter of the rings, operating conditions that determine the stress from the emerging temperature gradients, the number of segments can be from two to six.

Стержень управления и защиты ядерного реактора с поглощающими элементами малого диаметра позволяет значительно упростить конструкцию при использовании меньшего количества деталей, ответственных сварных соединений и упрощении расчетно-силовой схемы с одной оболочкой, тем самым повысить надежность, при этом не ухудшая работоспособность. То есть позволяет повысить надежность при значительном упрощении конструкции с использованием поглощающего элемента с малым диаметром, не ухудшая работоспособность.The control and protection rod of a nuclear reactor with absorbing elements of small diameter can significantly simplify the design using fewer parts, critical welded joints and simplify the design-power scheme with one shell, thereby improving reliability, while not compromising performance. That is, it can improve reliability with a significant simplification of the design using an absorbing element with a small diameter, without compromising performance.

Claims

1. Стержень управления и защиты ядерного реактора, включающий корпус и закрепленные в нем один или несколько поглощающих элементов, по меньшей мере один из которых содержит оболочку и две заглушки, между которыми размещены кольцевые блоки поглотителя нейтронов, причем между оболочкой, верхней заглушкой и кольцевыми блоками поглотителя нейтронов, а также в их отверстии размещен упругий, газопроницаемый материал, а верхняя заглушка содержит сквозные отверстия во внутреннюю полость.1. The control and protection rod of a nuclear reactor, including a casing and one or more absorbing elements fixed in it, at least one of which contains a shell and two plugs, between which there are ring blocks of a neutron absorber, and between the shell, the top plug and ring blocks The neutron absorber, as well as an elastic, gas-permeable material, is placed in their hole, and the upper plug contains through holes in the internal cavity.

2. Стержень управления и защиты по п.1, характеризующийся тем, что упругий, газопроницаемый материал содержит проволоку из тугоплавких материалов с высокой способностью поглощать нейтроны.2. The control and protection rod according to claim 1, characterized in that the elastic, gas-permeable material contains a wire of refractory materials with a high ability to absorb neutrons.

3. Стержень управления и защиты по п.1, характеризующийся тем, что кольцевые блоки поглотителя нейтронов выполнены составными из сегментов. 3. The control and protection rod according to claim 1, characterized in that the ring blocks of the neutron absorber are made up of segments.