RU2594004C1 - Working member for reactivity compensation of control and protection system in fast neutron reactor - Google Patents

Abstract

FIELD: nuclear engineering.

SUBSTANCE: invention relates to nuclear engineering, particularly to working members for control and protection of nuclear reactors on fast neutrons (FNR). Working member for reactivity compensation of control and protection system in fast neutron reactor consists of sleeve, rod element with neutron retarder, rigidly fixed on central axis of sleeve, and absorbing element with circular section, made movable in gap between inner wall of sleeve and rod element with neutron retarder.

EFFECT: technical result is decrease of inequality of nuclear fuel burning, and increased efficiency of its use with simultaneous increase of compensating capacity of working members and increase of FNR campaign duration.

1 cl, 3 dwg, 1 tbl

Description

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.The invention relates to nuclear technology, and in particular to the working bodies of the control and protection system of nuclear fast neutron reactors (RBN), and is used to increase the economic efficiency of the latter.

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.Known working body for reactivity compensation of the control and protection system (RO KR CPS) in previously operated and currently operating fast neutron reactors (RBN) [Walter A., Reynolds A. Fast neutron multiplier reactors: Trans. from English - M .: Energoatomizdat, 1986. 624 p.], Containing a shell in which a bundle of identical rod absorbing elements (pels) and displacers are placed. Pels are a pillar of neutron absorber tablets encased in a steel shell. This design RO CPS is the most common.

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.].As a neutron absorber in the RC of the CPS of the CPS of fast neutron reactors, as a rule, boron carbide enriched in the ¹⁰ V isotope is used, combining the properties of a moderator and a neutron absorber [Risovanny VD, Zakharov AV, Klochkov EP . Regulators of nuclear reactors. Textbook for the specialty "Nuclear Power Plants and Installations". - Ulyanovsk: UlSTU, 2005. - 124 p.].

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.The closest to the claimed technical solution analogue is a compensating working body of the CPS type "neutron trap" [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], consisting of a central rod element with a neutron moderator and an annular element with a neutron absorber around a rod with a neutron moderator. In this case, the rods with the absorber and neutron moderator are structurally connected and move together when controlling the reactor. The described diameter of the PO is comparable with the size of the cell of the reactor. The compensating ability (efficiency) of such an RC CPS is increased by increasing the neutron absorption cross section in the absorbing element while slowing down the neutrons in the central rod element.

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.The main disadvantage of the described analogue of the KR KR CPS is the significant uneven distribution of the burning of expensive nuclear fuel (NF) in fuel assemblies located next to the working body, and, as a result, the low economic efficiency of its use in these fuel assemblies. Another disadvantage of the analogue is the need to use scarce boron carbide with high enrichment in the ¹⁰ V isotope (up to 80-95%), which provides the maximum compensating ability of the RC of the CPS compared with other neutron absorbers in the RBN. In this case, even in the case of using highly enriched boron carbide, the compensating ability of RO KR CPS may not be sufficient to ensure the required duration of the reactor campaign.

Задачей предлагаемого технического решения является повышение экономической эффективности эксплуатации реакторов на быстрых нейтронах.The objective of the proposed technical solution is to increase the economic efficiency of the operation of fast neutron reactors.

Техническими результатами, достигаемыми при реализации заявляемого изобретения, в частности, являются:The technical results achieved by the implementation of the claimed invention, in particular, are:

- снижение неравномерности выгорания ядерного топлива в соседних с заявляемым РО КР СУЗ ТВС;- reducing the uneven burning of nuclear fuel adjacent to the claimed RO KR CPS fuel assembly;

- увеличение эффективности использования ядерного топлива в соседних с РО КР тепловыделяющих сборках- increase in the efficiency of nuclear fuel use in the fuel assemblies adjacent to the Kyrgyz Republic

- увеличение компенсирующей способности РО КР СУЗ;- increase the compensating ability of the RO KR CPS;

- увеличение продолжительности кампании РБН.- increase in the duration of the RBN campaign.

На достижение каждого из указанных выше технических результатов оказывает влияние следующая устойчивая совокупность признаков изобретения.The following stable set of features of the invention affects the achievement of each of the above technical results.

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 нейтроновTo solve this problem, we propose a working body for compensating the reactivity of a fast neutron reactor control and protection system, comprising a sleeve, a core element with a neutron moderator and an absorbing element of circular cross section, with the core element with a neutron moderator being fixedly mounted along the central axis of the sleeve and an absorbing circular element made with the ability to move in the gap between the inner wall of the liner and the core element with a neutron moderator

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.During operation of the reactor at power, the element with a neutron moderator is located within the height of the active zone, and the pel is removed from the active zone as reactivity is lost when nuclear fuel burns out. In this case, the sleeve with a neutron moderator remains in the active zone. When introduced into the active zone of the KR KR CPS, the energy release in the fuel rods closest to the RC KR CPS and the fuel burnup rate will be lower than in the fuel rods remote from the working body. As the pellet is removed from the active zone, the energy release and the rate of nuclear fuel burn-up in the fuel rods closest to the RC KR CPS will increase and exceed the same values for remote fuel elements, since the presence of neutron-slowing material at the location of the RC CR CPS will increase the fission and capture cross sections of nuclear fuel adjacent to fuel rods. This, in turn, will increase the uniformity of nuclear fuel burnup in fuel assemblies surrounding RC KR and the efficiency of its use.

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.The dimensions and outer shape of the sleeve are determined by the size and shape of the cell of the active zone of the RBN. The material of the neutron moderator, the diameter of the moderator, the volume of the neutron absorber and moderator, the thickness of the neutron absorber, the thickness of the shells of the RC CPS elements, as well as the size and composition of the gap between the neutron absorber and the shell of the absorbing element, are selected according to the results of neutron-physical and thermohydraulic calculations of the RBN based on the required compensating ability of the working body, permissible values of the specific energy release in the surrounding fuel assemblies, the conditions of heat removal from the working body during the operation of the reaction ora.

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.The material of the neutron absorber (boron carbide, europium oxide, hafnium hydride, etc.) is selected based on the required values of the efficiency of the working body, its cooling conditions, and radiation resistance indices.

Наличие поглощающего элемента, выполненного с возможностью перемещения вдоль вертикальной оси, позволяет компенсировать потерю реактивности при выгорании ядерного топлива в ТВС реактора на быстрых нейтронах.The presence of the absorbing element, made with the possibility of movement along the vertical axis, allows you to compensate for the loss of reactivity during the burnup of nuclear fuel in a fuel assembly of a fast neutron reactor.

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.The presence of an element with a moderator fixed along the central axis of the liner allows one to increase the compensating ability of the RS KR and reduce the uneven burnup of nuclear fuel in the fuel rods adjacent to fuel assemblies.

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».The claimed positive effect is achieved by reducing the uneven burning of nuclear fuel in neighboring with the claimed RC KR CPS FC and increasing the compensating ability of the RC CPS CPS while maintaining the design advantages of the RC CPS of the “neutron trap” type.

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.New significant features are the constructive principle of the working body of the compensation of the reactivity of the control system and protection of the fast neutron reactor and the principle of operation of the KR KR CPS. The working body of the reactivity compensation system for control and protection of a fast neutron reactor consists of a sleeve that is stationary during operation of the reactor, an element with a neutron moderator mounted on the central axis of the sleeve, and an element with a neutron absorber moving along the vertical axis during operation of the reactor in an annular gap between the wall sleeves and a central element with a neutron moderator. In the state with the absorbing element introduced into the active zone, the RC works according to the “neutron trap” principle. In the process of reducing reactivity due to fuel burn-up during RBN operation, the neutron-absorbing element is gradually removed from the active zone, and the element with the neutron moderator remains within the active zone. The input of positive reactivity is ensured both by the removal of the neutron absorber from the core, and by an increase in the neutron multiplication factor due to an increase in the nuclear fission cross section in the area of the neutron moderator after removal of the absorber.

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:The list of figures of the graphic image:

на фиг. 1 изображен продольный разрез рабочего органа компенсации реактивности в состоянии с полностью опущенным поглощающим элементом;in FIG. 1 shows a longitudinal section of a working body for reactivity compensation in a state with the absorption element fully lowered;

на фиг. 2 изображен продольный разрез рабочего органа компенсации реактивности в состоянии с полностью извлеченным поглощающим элементом;in FIG. 2 shows a longitudinal section of the working body of the reactivity compensation in the state with the absorbing element completely removed;

на фиг. 3 изображен поперечный разрез (А-А) рабочего органа компенсации реактивности в опущенном состоянии.in FIG. 3 shows a cross-section (A-A) of the working body for reactivity compensation in the lowered state.

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.The working body of the reactivity compensation system for the control and protection of fast neutron reactors contains a sleeve 1, a core element with a neutron moderator 2 and an absorbing element of the annular section 3. The core element with the moderator 2 is fixed along the central axis of the sleeve 1, and the absorbing element of the annular section is made with the possibility of movement in the gap between the inner wall of the sleeve 1 and the core element with a neutron moderator 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.In order to confirm the proposed solution for the designed research reactor for fast neutrons MBIR [Rodina EA, Lopatkin AV, Lukasevich IB, Romanova NV The choice of layout of the reactor core MBIR // VANT. Ser. Nuclear Reactor Physics, 2012, no. 1, p. 79-84] the calculations of the effectiveness of the RC KR CPS and the uneven burning of nuclear fuel in the fuel assemblies adjacent to it were performed.

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.In the MBIR reactor, the loss of reactivity with the burning out of nuclear fuel is compensated by the working bodies for reactivity compensation (manual regulation), which are an assembly of rods with ¹⁰ V enriched boron carbide.

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%.In the calculations, three types of the RC KR structure were considered: design (seven-element), “neutron trap”, and claimed. In all the considered versions of the design of the KR KR, the parameters of the used absorber (material, density, enrichment) and its amount were assumed identical. As an absorber, we considered boron carbide with a density of 2.2 g / cm ³ with ¹⁰ V isotope enrichment equal to 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.As the calculations performed using the precision MCU calculation code [Abagyan L.P., Alekseev N.I., Bryzgalov V.I. et al. MCU program for Monte Carlo calculation of the neutron-physical characteristics of nuclear reactors: Preprint IAE-5741/5. M., 1994], RO KR CPS of the proposed design with an effective moderator (for example, zirconium hydride, which was used in the BOR-60 and BN-600 reactors to slow down neutrons in some experimental devices) can reduce the average unevenness of the burnup of fuel over the cross section of neighboring FAs (see table) and thus increase the efficiency of the use of nuclear fuel in them while increasing the compensating ability of RC KR. And this, in turn, allows to increase the economic efficiency of the operation of the reactor.

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.For a particular fast neutron reactor, the choice and justification of materials of a moderator and a neutron absorber, sizes of elements with a moderator and a neutron absorber, the size and composition of the gaps in the absorbing and moderating elements are selected based on the results of neutron-physical, thermohydraulic and strength calculations based on the required compensating ability of the working body , the necessary conditions for heat removal from it and the permissible values of the specific power of the fuel rods surrounding the working body.

Claims (1)

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. The working body of the reactivity compensation system for control and protection of a fast neutron reactor, comprising a sleeve, a rod element with a neutron moderator and an absorbing element of circular cross section, characterized in that the core element with a neutron moderator is fixedly fixed along the central axis of the sleeve, and the absorbing element of the circular cross section is made with the ability to move in the gap between the inner wall of the liner and the core element with a neutron moderator.

Images