СТЕРЖЕНЬ УПРАВЛЕНИЯ И ЗАЩИТЫ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА
CONTROL AND PROTECTION RODS OF NUCLEAR REACTOR

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.
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.
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).
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».
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.
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.
Указанный недостаток обусловлен наличием отверстия, образованного внутренней оболочкой при использовании поглощающего элемента с малым диаметром.
Заявляемое техническое решение позволяет повысить надежность при значительном упрощении конструкции с использованием поглощающего элемента с малым диаметром, не ухудшая ее работоспособность.
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.
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.
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.
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.
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.
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 стержня управления и защиты ядерного реактора; на фиг.2 - поперечное сечение поглощающего элемента.
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.
Стержень управления и защиты ядерного реактора работает следующим образом.
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.
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.