СБОРКА ДЛЯ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА, СОДЕРЖАЩАЯ ЯДЕРНОЕ ТОПЛИВО И СИСТЕМУ ИНИЦИИРОВАНИЯ ВВОДА, ПО МЕНЬШЕЙ МЕРЕ, ОДНОГО ПОГЛОЩАЮЩЕГО НЕЙТРОНЫ И/ИЛИ СМЯГЧАЮЩЕГО ПОСЛЕДСТВИЯ АВАРИЙНОЙ СИТУАЦИИ ЭЛЕМЕНТА
ASSEMBLY FOR NUCLEAR REACTOR CONTAINING NUCLEAR FUEL AND INITIATION SYSTEM FOR INPUT OF AT LEAST ONE ABSORBING NEUTRONS AND/OR SOFTENING CONSEQUENCES OF EMERGENCY ELEMENT

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к смешанной сборке для ядерного реактора, содержащей ядерное топливо и, по меньшей мере, один компонент, подлежащий вводу в активную зону, изготовленный из материала, поглощающего нейтроны, и/или компонент, смягчающий последствия аварийной ситуации в случае полного расплавления активной зоны. Компонент, смягчающий последствия аварийной ситуации, изготовлен из материала, который способен формировать низкоплавкую эвтектику с материалом оболочки стержневых тепловыделяющих элементов сборки и, таким образом, предотвращает образование пробок, создающих препятствие для отвода расплава активной зоны или расплава материалов конструктивных компонентов активной зоны.
Уровень техники
Сборка предназначена, в частности, для реакторов на быстрых нейтронах с натриевым охлаждением, далее называемых SFRs.
С целью регулирования работы активной зоны реактора или ослабления последствий нарушения работы реактора предусмотрен ввод в ядерный реактор компонентов, изготовленных из материалов, поглощающих нейтроны. Указанные компоненты могут представлять собой стержни, которые при штатном режиме работы подвешены над активной зоной. Когда возникает необходимость в снижении реактивности реактора, в активную зону вводятся компоненты, поглощающие нейтроны.
Нарушение работы ядерного реактора может быть связано, к примеру, с проблемой в системе охлаждения реактора, скажем, в первом контуре, поскольку может образоваться пробка, препятствующая циркуляции жидкого натрия в реакторе с натриевым теплоносителем. Таким образом, может происходить потеря стока тепла, то есть нарушение должного отвода тепла посредством системы охлаждения реактора.
Если в активную зону не вводить отрицательную реактивность, то последствия указанных нарушений работы реактора будут включать повышение температуры в активной зоне, приводящее к расплавлению одной или нескольких сборок, или даже к полному расплавлению активной зоны, что может вызвать нарушение целостности реактора.
Цель ввода поглощающих нейтроны компонентов в активную зону состоит в том, чтобы подавить нейтронную реакцию и стабилизировать активную зону реактора при выбранной температуре, удовлетворяющей принятым критериям предполагаемого нарушения работы реактора.
Кроме того, предусмотрено несколько избыточных, разнотипных и независимых систем останова реактора для поддержания максимальной безопасности при управлении реактором и для компенсации дефектов при штатном режиме работы.
Применяемые прежде в реакторах на быстрых нейтронах с натриевым охлаждением (SFRs) системы останова, считающиеся традиционными, основаны на активных устройствах, в том смысле, что ввод поглощающих нейтроны компонентов инициируется внешним электрическим управлением или исчезновением электрического сигнала. Системы останова реактора, используемые до сих пор, имеют механический интерфейс и верхнюю заглушку корпуса.
В реакторах на быстрых нейтронах с натриевым охлаждением (SFRs) нового поколения предусматривается дополнительная система останова реактора, применяемая при выходе из строя традиционных систем останова; конкретнее говоря, введение в действие указанных «экстренных» систем останова реактора осуществляется только при необходимости, а именно, после инициирования традиционных систем останова реактора. Исходя из диверсификации оборудования, а также с целью исключения риска отказа электрической аппаратуры, системы регулирования и логической системы, предусматривается использование пассивных устройств, в том смысле, что ввод поглощающих нейтроны компонентов непосредственно связан с физическим явлением, а не инициируется электрическим управлением. В этом качестве можно представить себе, например, инициирующие средства, чувствительные к изменению потока теплоносителя или к повышению температуры. Указанные пассивные устройства были подробно изучены, однако ни одно из них никогда еще не применялось в реакторе.
В документе FR 2230984 раскрывается тепловыделяющая сборка, имеющая корпус, вмещающий стержневые тепловыделяющие элементы, и аварийное устройство останова реактора. Устройство останова занимает часть пространства, которое обычно занимают стержневые тепловыделяющие элементы. Указанное устройство останова имеет герметичный кожух, который крепится к корпусу сборки. В устройстве останова реактора используется аргон, и применяются изготовленные из карбида бора продолговатые компоненты, подвешенные на тросе. Трос подвешен в герметичном кожухе на плавкой перемычке, чувствительной к температуре. Когда температура превышает пороговое значение, плавкая перемычка расплавляется и компоненты из карбида бора, высвобождаясь, падают на дно капсулы в активную зону. Поскольку кожух крепится к сборке, он механически не изолирован от нее и поэтому потенциально может быть деформирован в результате приложения механической нагрузки, нарушающей периодичность решетки, а именно, выгибающей и/или сминающей плоскую пластину сборки. Таким образом, создается препятствие для ввода компонента из карбида бора в активную зону.
Следовательно, необходимо повысить надежность описанного выше способа ввода указанной сборки.
Существуют две причины, не позволяющие убедиться в правильности работы аварийного устройства останова реактора: первая из них заключается в том, что система оснащена плавкой перемычкой одноразового действия, а вторая причина заключается в том, что аварийное устройство останова крепится к сборке и невозможно провести тестирование на заданную температуру срабатывания аварийного устройства останова на несущей тепловыделяющей сборке.
Кроме того, поскольку кожух крепится к несущей тепловыделяющей сборке, невозможно отделить по сроку службы поглощающее устройство и несущую тепловыделяющую сборку. К тому же, трудно обращаться с поглощающим материалом на линии изготовления тепловыделяющей сборки и во время операций по демонтажу.
В документе FR 2251079 раскрывается защитное устройство для ядерного реактора с поглощающими компонентами, имеющими форму цилиндрических звеньев. Однако цилиндрическая форма звеньев не является оптимальной касательно надежности ввода, температурных аспектов и эффективности поглощения нейтронов.
В документе FR 2683667 раскрывается установка, работающая на ядерном топливе, в которую интегрировано пассивное защитное устройство. Пассивное защитное устройство содержит поглощающие компоненты в виде шаров, распределенных в плавкой матрице. При указанной конструкции, во-первых, наблюдается эффект выгибания в результате скопления шаров и, следовательно, механическая блокировка, снижающая надежность срабатывания устройства и ввода компонентов. Во-вторых, не регулируется расположение шаров в пределах пучков тепловыделяющих элементов, особенно в конце облучения, когда пучок под действием облучения может быть существенно деформирован в связи с радиационной ползучестью и распуханием под действием облучения. Кроме того, существует риск частичной или полной блокировки шарами пучка тепловыделяющих элементов, а также риск блокировки решеток, расположенных выше по потоку и ниже по потоку пучка, что противоречит основному правилу конструирования дополнительного защитного устройства, предназначенного обеспечивать защиту при маловероятных аварийных ситуациях, согласно которому при использовании дополнительного защитного устройства не допускается снижение уровня защиты, обеспечиваемого стандартной конструкцией. Однако, хотя в реакторах на быстрых нейтронах с натриевым охлаждением (SFRs) мгновенная полная блокировка (BTI) тепловыделяющей сборки рассматривается в качестве инициатора расплавления топлива, при стандартной конструкции активной зоны она относится к остаточному риску.
В документе US 5,051,229 раскрывается термочувствительное срабатывающее устройство, обеспечивающее ввод поглотителя нейтронов в активную зону реактора, причем указанное устройство расположено в тепловыделяющей сборке. Реактивность и точность указанной системы весьма ограничены по отношению к изменениям температуры. Кроме того, при штатном режиме работы указанное устройство оказывает серьезное влияние на эффективность нейтронов активной зоны. Так как при штатном режиме работы система останова реактора должна оказывать минимальное влияние на эффективность нейтронов в активной зоне, объемная доля компонентов, функционирование которых связано с нейтронами (объемная доля поглотителя и топлива), на сборку должна быть максимизирована, чтобы минимизировались потери объемной доли топлива в активной зоне. Что касается сборок, предназначенных для систем регулирования, как правило, максимизируется объем поглотителя на сборку, чтобы в активной зоне было минимизировано количество позиций. Попытка оптимизации инициирования реактивности в конструкции смешанной сборки должна привести к минимизации снижения объемной доли топлива, по сравнению с силовой сборкой. Согласно документу US 5,051,229 не обеспечивается ни то ни другое, поскольку максимальная объемная доля топлива (сочетание пяти топливных капсул с одной капсулой поглотителя) значительно ниже, чем это возможно в стандартной тепловыделяющей сборке, и максимальная объемная доля поглотителя (сочетание пяти капсул поглотителя с одной топливной капсулой) значительно ниже, чем это возможно с регулирующими стержнями.
Раскрытие изобретения
Таким образом, задача настоящего изобретения состоит в разработке сборки ядерного реактора, содержащей аварийную систему останова с пассивным инициированием, а именно, не связанную механически с верхней заглушкой корпуса и имеющую высокую точность, высокую надежность срабатывания и высокую надежность ввода, к тому же, приспособленную к многократным испытаниям на правильность функционирования, по мере необходимости.
Упомянутая выше задача решена посредством сборки ядерного реактора, содержащей корпус, в котором расположены стержневые тепловыделяющие элементы и аварийная система останова, занимающая часть пространства, которое обычно занимают стержневые тепловыделяющие элементы, причем аварийная система останова содержит капсулу, продолжающуюся вдоль геометрической оси корпуса, указанная капсула съемным образом вставляется в оболочку, которая ограничивает полость (свободное пространство) с внутренней стороны стержневых тепловыделяющих элементов, при этом в капсуле подвешена подлежащая вводу сборка, которая является поглощающей нейтроны и/или смягчающей последствия аварийной ситуации.
Сборка содержит аварийную систему останова, механически отделенную от сборки, в этом случае систему можно разместить в требуемом положении и извлечь из корпуса сборки для проверки на правильность функционирования, а также для ремонта, переснаряжения или замены подлежащей вводу сборки, если чрезмерно снизилась отрицательная реактивность.
Поскольку почти весь поток теплоносителя, циркулирующего в корпусе, проходит через устройство и, практически, равен потоку в стандартной тепловыделяющей сборке, оптимизирована как точность, так и надежность срабатывания системы инициирования ввода сборки. Срабатывание системы для ввода указанной сборки осуществляется быстрее и точнее, чем для ввода сборок, предназначенных преимущественно для поглотителя, так как мощность и расход подаваемого теплоносителя исключительно для тепловыделяющей или смешанной сборок значительно больше мощности и расхода подаваемого теплоносителя исключительно для поглощающей сборки.
Высвобождение подлежащей вводу сборки может инициироваться любым из физических свойств, реагирующих на аварийное состояние реактора.
Поток теплоносителя, либо поток нейтронов может использоваться для инициирования физических явлений, зависящих от типа наблюдаемого аварийного состояния, а именно, от потерь потока теплоносителя в реакторе и нестационарного режима при изменении реактивности.
В качестве инициирующего физического явления, предпочтительно, используется температура. Инициирующее устройство системы останова ректора может быть устройством магнитного типа, и подлежащая вводу сборка может высвобождаться при достижении температуры Кюри. Предпочтительно, действие указанного устройства может быть основано на относительном расширении, увеличении температуры теплоносителя, вызывающем высвобождение подлежащей вводу сборки, причем высвобождающее устройство находится непосредственно в потоке теплоносителя.
Также, предпочтительно, аварийное устройство останова содержит средства, предотвращающие нежелательное падение подлежащей вводу сборки, которые препятствуют ее высвобождению, если температура теплоносителя не превысила заданного порогового значения.
Весьма предпочтительно, чтобы подлежащая вводу сборка содержала несколько компонентов приблизительно сферической формы, смонтированных на тросе с формированием гирлянды, благодаря чему повышается надежность ввода компонентов.
Предметом настоящего изобретения является несущая сборка для ядерного реактора, содержащая корпус, продольная ось которого ориентирована приблизительно вдоль вертикальной оси несущей сборки, зону деления, расположенную в нижней части корпуса, свободный объем, находящийся в верхней части корпуса, свободное пространство, которое находится в зоне деления и продолжается, по меньшей мере, частично по зоне деления вдоль продольной оси, то есть от конца зоны деления со стороны верхней части, оболочку, ограничивающую свободное пространство (полость), а также содержит систему инициирования ввода поглощающей сборки, причем указанная система инициирования ввода поглощающей сборки содержит капсулу, ориентированную вдоль продольной оси, в которой подвешена подлежащая вводу сборка, и устройство инициирования ввода поглощающей сборки, способное высвобождать указанную подлежащую вводу сборку при аварийном состоянии сборки, причем капсула частично вмещается в оболочку, к тому же, указанная система съемным образом устанавливается на несущей сборке, причем капсула содержит захватную головку, на которой смонтирована система инициирования ввода сборки, расположенная над оболочкой.
Устройство инициирования ввода поглощающей сборки, предпочтительно, расположено в верхней части верхней зоны корпуса.
Предпочтительно, свободное пространство находится в центральной части зоны деления, при этом продольная ось системы инициирования ввода несущей сборки коаксиальна оси сборки.
Подлежащая вводу сборка, может содержать компонент, поглощающий нейтроны, и/или компонент, смягчающий последствия аварийной ситуации.
Продольный размер подлежащей вводу сборки может составлять, например, половину общего продольного размера капсулы.
Предпочтительно, капсула содержит средства, амортизирующие падение подлежащей вводу сборки в конце ее перемещения.
Кроме того, на конце участка капсулы, расположенного в оболочке, могут быть выполнены отверстия для подачи теплоносителя.
Несущая сборка может содержать направляющие средства, обеспечивающие позиционирование системы инициирования ввода поглощающей сборки в зоне деления, расположенной в конце оболочки с той же стороны, где находится свободный объем несущей сборки.
Корпус имеет, предпочтительно, шестиугольное поперечное сечение, оболочка имеет, предпочтительно, шестиугольное наружное поперечное сечение и шестиугольное или круглое внутреннее поперечное сечение, а капсула имеет круглое наружное поперечное сечение.
Предпочтительно, подлежащая вводу сборка содержит множество поглощающих элементов, соединенных шарнирно друг с другом, причем концевой поглощающий элемент формирует соединительную головку, взаимодействующую с удерживающими средствами устройства инициирования ввода поглощающей сборки. Компоненты, предпочтительно, скользят по тросу. Трос может быть изготовлен, к примеру, из плетеных металлических волокон или плетеных керамических волокон.
Каждый из элементов имеет сферическую форму, что является наиболее предпочтительным.
Несущая сборка может содержать средства амортизации, размещенные между элементами, по меньшей мере, одной пары.
Элементы могут быть сформированы, например, из нескольких поглощающих материалов. По меньшей мере, некоторые из элементов, могут быть изготовлены из первого поглощающего материала, а другие элементы могут быть изготовлены из второго поглощающего материала.
Предпочтительный признак изобретения состоит в том, что элементы могут быть полыми, либо могут содержать центральную сердцевину и наружный кожух, которые изготовлены из разных материалов.
Система инициирования ввода поглощающей сборки, предпочтительно, чувствительна к изменениям температуры. Предпочтительнее, действие системы инициирования ввода поглощающей сборки основано на относительном расширении.
Например, система инициирования ввода поглощающей сборки содержит блокирующие средства, предотвращающие ввод сборки при температуре ниже рабочей температуры реактора.
Несущая сборка, предпочтительно, имеет средства, содержащие ультразвуковую телеметрическую аппаратуру для обнаружения ввода поглощающей сборки. Например, устройство инициирования ввода поглощающей сборки содержит часть, зафиксированную вдоль капсулы, и подвижную часть, перемещаемую в продольном направлении, причем капсула содержит средства, удерживающие подлежащую вводу сборку в подвешенном положении над зоной деления, причем указанная подлежащая вводу сборка может быть высвобождена под действием подвижной части, подвижная часть содержит блокирующие средства и средства, удерживающие подлежащую вводу сборку в подвешенном положении, а также средства высвобождения подлежащей вводу сборки из удерживающих средств, причем указанные блокирующие средства формируются, по меньшей мере, одной первой поверхностью, называемой стопорной поверхностью, а средства высвобождения подлежащей вводу сборки формируются, по меньшей мере, одной второй поверхностью, называемой освобождающей поверхностью, причем средства перемещения указанной стопорной поверхности и освобождающей поверхности расположены вдоль продольной оси, при этом указанные средства перемещения формируются корпусом, который может продольно расширяться относительно капсулы в результате повышения температуры теплоносителя, причем указанная стопорная поверхность и освобождающая поверхность позиционированы так, чтобы при повышении температуры теплоносителя стопорная поверхность перемещалась в осевом направлении от удерживающих средств, а освобождающая поверхность перемещалась в осевом направлении к удерживающим средствам; когда теплоноситель в реакторе имеет нормальную рабочую температуру, указанная стопорная поверхность перемещается от удерживающих средств, когда температура теплоносителя превышает пороговую температуру, происходит разблокировка удерживающих средств и освобождающая поверхность прикладывает осевое усилие к удерживающим средствам, в результате чего, подлежащая вводу сборка, высвобождается.
Средства обнаружения могут содержать, по меньшей мере, один ультразвуковой преобразователь, установленный над верхней частью капсулы, отражатель, установленный на верхней части капсулы и обращенный к преобразователю, при этом продольное положение отражателя регулируется в зависимости от положения подлежащей вводу сборки, а именно, удерживается или не удерживается подлежащая вводу сборка удерживающими средствами; указанный отражатель соединен с подлежащей вводу сборкой посредством продолговатого элемента, который способен свободно скользить вдоль расширенной области, проходя через верхнюю часть капсулы, и удерживает отражатель в неподвижном положении, опираясь на подлежащую вводу сборку до ее ввода.
Несущая сборка может содержать упругое средство, находящееся в сжатом состоянии до ввода сборки и разжимающееся при вводе сборки, при этом прикладывающее силу растяжения к продолговатому элементу для перемещения отражателя.
Между корпусом и капсулой, предпочтительно, предусмотрен радиальный зазор, ограничивающий канал для теплоносителя, циркулирующего между корпусом и капсулой, причем корпус содержит отверстия для теплоносителя, циркулирующего в указанном канале.
Например, удерживающие средства содержат, по меньшей мере, два и, предпочтительно, три фиксатора, распределенные вокруг продольной оси, которые установлены шарнирно на капсуле с возможностью перемещения в положение, приближенное к продольной оси, в котором подлежащая вводу сборка удерживается между фиксаторами, и в положение, отдаленное от продольной оси, для высвобождения подлежащей вводу сборки.
Стопорная поверхность может представлять собой, например, поверхность, которая расположена в радиальном направлении снаружи фиксаторов и противодействует перемещению фиксаторов от продольной оси, а освобождающая поверхность может представлять собой, например, поверхность, которая расположена перпендикулярно продольной оси, при этом фиксаторы имеют криволинейную поверхность, с которой взаимодействует освобождающая поверхность для отдаления шарнирных фиксаторов от продольной оси.
В качестве примера, корпус изготовлен из аустенитной стали, а капсула изготовлена из сплава на основе вольфрама, либо корпус изготовлен из механически упрочненной стали Z10 CNDT 15.15 В, а неподвижная часть изготовлена из сплава W-5Re.
4
2
2
6
2
3
6
6
6
4
2
2
10
11
11
11
11
Несущая сборка, предпочтительно, используемая в реакторе на быстрых нейтронах, охлаждаемом жидким металлом, предпочтительно, натрием, содержит поглотитель нейтронов, изготовленный из материала(ов), выбранного из нижеперечисленных: ВС с переменным обогащением В, металлический гафний, тугоплавкие материалы типа боридов, например HfB и ТiВ, гексаборид европиия EuB или EuO. Несущая сборка, используемая в водоохлаждаемом ядерном реакторе на тепловых нейтронах содержит поглотитель нейтронов, изготовленный из материала(ов), выбранных из нижеперечисленных: гафний, DyB, GdB, SmB и ErB, необработанный HfB и необработанный TiB.
Также предметом настоящего изобретения является ядерный реактор, содержащий сборки тепловыделяющих элементов и несущую сборку согласно изобретению.
Краткое описание чертежей
Настоящее изобретение будет лучше понятно после прочтения следующего описания со ссылкой на прилагаемые чертежи.
На фиг. 1 показан общий вид несущей сборки согласно иллюстративному варианту осуществления настоящего изобретения, содержащей систему инициирования ввода поглощающей сборки и комплект подвешенных поглощающих элементов.
На фиг. 2 - вид сборки, представленной на фиг. 1, после ввода в активную зону комплекта поглощающих элементов.
На фиг. 3 - вид в разрезе сборки, представленной на фиг. 2, причем разрез выполнен по поглощающему элементу в зоне деления.
На фиг. 4 - вид спереди системы инициирования ввода поглощающей сборки согласно наиболее предпочтительному варианту осуществления изобретения, которая может использоваться в несущей сборке согласно настоящему изобретению, причем система инициирования ввода поглощающей сборки показана, например, при температуре позиционирования.
На фиг. 5А - местный вид в продольном разрезе системы, представленной на фиг. 4, причем устройство инициирования ввода поглощающей сборки показано при температуре позиционирования.
На фиг. 5В - местный вид в продольном разрезе системы, представленной на фиг. 4, причем устройство инициирования ввода поглощающей сборки показано при рабочей температуре.
На фиг. 5С - вид в продольном разрезе системы, представленной на фиг. 4, причем устройство инициирования ввода поглощающей сборки показано при температуре срабатывания непосредственно перед вводом поглотителя в активную зону.
На фиг. 5D - вид в продольном разрезе системы, представленной на фиг. 4, причем устройство инициирования ввода поглощающей сборки показано при температуре срабатывания в момент ввода поглотителя в активную зону.
На фиг. 6 - вид сверху системы, представленной на фиг. 4.
На фиг. 7 - вид в поперечном разрезе системы, представленной на фиг. 4, причем разрез выполнен по плоскости А-А, показанной на фиг. 5С.
Используемые в нижеследующем описании термины «верхний» и «нижний» обозначают детали компонентов, расположенные в верхней и в нижней части рассматриваемых чертежей, соответственно расположению компонентов в реакторе. Термины «выше по потоку» и «ниже по потоку» относятся к направлению циркуляции теплоносителя в сборке, то есть от нижней части к верхней части.
Осуществление изобретения
В приведенном описании термин «несущая сборка» относится к сборке согласно настоящему изобретению, содержащей как ядерное топливо, так и поглощающие компоненты, а термин «стандартная сборка» относится к сборке, содержащей только ядерное топливо.
Кроме того, термин «штатный режим работы» относится к эксплуатации реактора при нормальных условиях, а термин «аварийное состояние» относится к состоянию реактора, при котором требуется ввод поглотителей для замедления или даже прекращения реакции. Например, при этом состоянии происходит рост температуры реактора, приводящий к увеличению температуры теплоносителя выше заданного температурного порога.
Кроме того, в нижеследующем описании подлежащая вводу сборка рассматривается как сборка, содержащая комплект компонентов, изготовленных из материала, поглощающего нейтроны, однако изобретение также применимо для подлежащей вводу сборки, содержащей комплект поглощающих элементов и/или смягчающих компонентов.
В общем, ядерный реактор содержит оболочку, в которую заключено множество тепловыделяющих сборок, расположенных рядом друг с другом. Тепловыделяющие сборки формируют активную зону ядерного реактора. Теплоноситель циркулирует в указанных сборках и между сборками для извлечения тепла, выработанного ядерным топливом, формируя первичный контур. Сборки содержат ядерное топливо, например, распределенное в стержневых тепловыделяющих элементах. Область сборки, в которой содержится ядерное топливо, называют зоной деления.
Несущая сборка А согласно настоящему изобретению, представленная на фиг. 1 и фиг. 2, содержит корпус 40 с продольной осью X1, который имеет цилиндрическую форму и шестиугольное поперечное сечение. Как правило, в реакторе на быстрых нейтронах с натриевым охлаждением (SFR) сборки имеют шестиугольное наружное поперечное сечение. В реакторах других типов могут использоваться сборки, имеющие наружное поперечное сечение другой формы, например, круглой или прямоугольной формы.
Несущая сборка согласно изобретению используется вместо одной из стандартных тепловыделяющих сборок. В реакторе может использоваться несколько несущих сборок согласно изобретению.
Корпус 40 имеет центральную часть 42, называемую зоной деления, в которой расположены стержневые тепловыделяющие элементы 41. Корпус 40 имеет нижнюю часть, обеспечивающую удержание сборки в реакторе и называемую держателем 44 сборки, причем держатель 44 сборки сконструирован с возможностью установки в опоре, называемой концевой платформой. Корпус 40 также имеет открытую верхнюю часть 48.
В держателе 44 сборки выполнены отверстия 46 для подвода теплоносителя, которые обеспечивают поступление подаваемого теплоносителя в сборку.
Теплоноситель, отводящий тепло, создаваемое стержневыми тепловыделяющими элементами, нагнетается насосами и проходит в несущей сборке А от основания к верхней части, как показано стрелкой F. Теплоноситель также циркулирует вне несущей сборки, между стандартными сборками и несущими сборками, в так называемых, межсборочных зонах.
Несущая сборка также содержит полость (свободное пространство) 52, продольная ось которой продолжается по всей высоте стержневых тепловыделяющих элементов 41. Указанная полость 52 ограничена оболочкой 54, наружное поперечное сечение которой подобно поперечному сечению корпуса. Оболочка 54 поддерживает описываемую далее систему SI инициирования ввода поглощающей сборки в пучке стержневых тепловыделяющих элементов, придавая пучку стержневых тепловыделяющих элементов когерентную конфигурацию. Таким образом, в реакторе на быстрых нейтронах с натриевым охлаждением (SFR) оболочка 54 имеет шестиугольное наружное поперечное сечение, подобное поперечному сечению корпуса. В примере, показанном на фиг. 4, оболочка 54 имеет круглое наружное поперечное сечение. Следует отметить, внутреннее поперечное сечение оболочки 54 может быть шестиугольным.
В представленном примере ось полости 52 располагается на одной линии с осью сборки, что является предпочтительным и будет описываться далее. Оболочка 54 занимает пространство, обычно занимаемое двумя кольцами стержневых тепловыделяющих элементов.
В нижнем конце оболочки 54 выполнено одно или несколько отверстий для подачи теплоносителя.
Несущая сборка согласно настоящему изобретению также содержит систему SI инициирования ввода поглотителя нейтронов, указанная система SI включает устройство аварийного останова реактора в случае аварийной ситуации. Указанная система SI содержит устройство DI инициирования ввода поглощающей сборки и поглощающую сборку 2, содержащую комплект поглотителей, причем указанный комплект поглотителей в штатном режиме работы поддерживается в подвешенном состоянии при помощи устройства DI инициирования ввода поглощающей сборки, а при возникновении аварийной ситуации высвобождается.
Система SI инициирования ввода поглощающей сборки съемно установлена в оболочке 54. Между системой SI инициирования ввода поглощающей сборки и сборкой не предусмотрены какие-либо крепежные средства.
В представленном на фиг. 4 примере система SI инициирования ввода поглощающей сборки содержит капсулу 10, представляющую собой трубчатое тело с продольной осью X и круглым поперечным сечением. В данном примере, как уже упоминалось, оболочка 54 имеет круглое внутреннее поперечное сечение, а капсула 10 тоже имеет круглое внутреннее поперечное сечение.
Капсула 10 имеет верхнюю зону ZI, вмещающую поглощающую сборку 2, подвешенную в устройстве DI инициирования ввода поглощающей сборки, которое располагается вблизи стержневых тепловыделяющих элементов, когда система установлена в сборке, как показано на фиг. 1. Кроме того, капсула 10 имеет нижнюю зону ZII, которая вмещается в оболочку 54, и располагается, таким образом, в зоне деления, окруженная стержневыми тепловыделяющими элементами. После высвобождения сборка 2 располагается в нижней зоне ZII (фиг. 2). Чтобы нижняя зона ZII капсулы 10 вмещалась в оболочку 54, диаметр нижней зоны ZII немного меньше внутреннего диаметра оболочки 54.
Наряду с тем, что оболочка 54 ограничивает полость для капсулы 10, она также обеспечивает улучшенную механическую изоляцию системы SI инициирования ввода поглощающей сборки от самой сборки, так как жесткая конструкция оболочки защищает систему SI инициирования ввода поглощающей сборки от распухающих под действием радиации стержней. Таким образом, обеспечивается механическая изоляция и сохранение шага решетки.
Капсула 10 также содержит захватную головку 13, которая используется для позиционирования капсулы 10 и, соответственно, для позиционирования системы SI инициирования ввода поглощающей сборки. Как показано на фиг. 4, захватная головка 13 содержит средства для захвата внешним манипулятором (не показано). Верхняя часть капсулы 10 удерживается в несущей сборке.
Теплоноситель, например жидкий натрий, циркулирует в сборке вдоль продольной оси X от основания до верхней части.
В нижней части капсулы 10 выполнены входные отверстия, используемые для заполнения капсулы 10 теплоносителем, указанные входные отверстия снабжены мембранными клапанами, обеспечивающими существенное снижение давление потока. Таким образом, независимо от размера выходных отверстий, выполненных в верхней части капсулы 10, обеспечивается заполнение капсулы без создания сильного потока. Поскольку сборка 2, предпочтительно, имеет малую массу, а жидкий натрий обладает высокой вязкостью, поток теплоносителя в капсуле должен быть слабым насколько это возможно, чтобы не замедлялось падение компонента, поглощающего нейтроны, то есть не увеличивалась продолжительность его падения.
Как показано в представленном примере, наверху оболочки 54 имеется кольцевой элемент 61, предусмотренный для центрирования при монтаже системы инициирования ввода поглощающей сборки, что является предпочтительным; кроме того, указанный кольцевой элемент 61 обеспечивает теплогидравлический эффект при смешивании выходного потока из оболочки с выходным потоком из пучка стержневых тепловыделяющих элементов, то есть обеспечивается смешивание указанных потоков, благодаря которому поддерживается равномерная температуры теплоносителя, окружающего расширяющийся корпус системы. Капсула 10 подвешена за верхнюю часть, при этом нижний конец капсулы не поддерживается корпусом. На фиг. 3 показан вид в разрезе сборки, представленной на фиг. 1, причем разрез выполнен по поглощающей сборке 2 в зоне деления. На чертеже показано относительное расположение стержневых тепловыделяющих элементов 41, оболочки 54, капсулы 10 и поглощающего элемента 4 сборки 2.
Устройство DI инициирования ввода поглощающей сборки используется в случае аварийной ситуации для ввода поглотителя нейтронов. Аварийная ситуация, в зависимости от типа, может быть обнаружена, например, по изменению потока теплоносителя или по изменению нейтронного потока. Предпочтительно, аварийная ситуация может быть обнаружена по превышению заданного температурного порога теплоносителя внутри сборки, что непосредственно связано с основными факторами аварийной ситуации, а именно, с падением расхода теплоносителя реактора, падением теплоотвода во втором контуре и нестационарным режимом при изменении реактивности. Указанные три фактора аварийной ситуации могут вызвать повышение температуры теплоносителя, в то время как, например, по изменению расхода теплоносителя можно судить только об одном факторе аварийной ситуации.
На фиг. 2, фиг. 4, фиг. 5А-5D и фиг. 6, показан наиболее предпочтительный иллюстративный вариант устройства инициирования ввода поглощающей сборки, применяемого в несущей сборке согласно настоящему изобретению, причем принцип действия устройства основан на относительном расширении.
Устройство DI инициирования ввода поглощающей сборки сконструировано так, чтобы во время штатного режима работы поглощающая сборка 2 удерживалась над зоной деления, а при возникновении аварийной ситуации поглощающая сборка 2 высвобождалась.
Как показано в представленном примере, предпочтительно, поглощающая сборка 2 содержит множество компонентов 4, которые изготовлены из материала, поглощающего нейтроны, имеют сферическую или приблизительно сферическую форму и скользят по тросу 6 (показанному пунктирной линией), формируя гирлянду. Указанный комплект поглощающих элементов подробно рассматривается в остальной части описания.
Верхний концевой компонент 2.1 отличается от других компонентов тем, что конструктивно взаимодействует с устройством инициирования ввода поглощающей сборки. Концевой компонент 2.1, сужаясь к концу относительно боковой поверхности, формирует соединительную головку и имеет широкое основание, направленное к компонентам сферической формы.
Форма компонентов 4 никоим образом не является ограничительной, приемлемо использование удлиненных компонентов, таких как цилиндры вращения. Однако по надежности ввода компоненты, имеющие цилиндрическую форму, существенно уступают компонентам, имеющим сферическую форму.
Шарнирная конструкция компонентов, формирующих гирлянду, также никоим образом не является ограничительной, подходящей является конструкция, сформированная, например, из одного или нескольких стержней, подобных регулирующим стержням и изготовленных из поглощающего материала. Однако по надежности ввода поглощающая сборка, содержащая цилиндрические компоненты, существенно уступает сборке, содержащей шарнирные компоненты, формирующие гирлянду.
Теплоноситель, например жидкий натрий, циркулирует в сборке вдоль продольной оси X от основания до верхней части.
Устройство DI инициирования ввода поглощающей сборки расположено вблизи верхней зоны ZI капсулы. Устройство DI содержит средства 11, удерживающие сборку 2, средства блокировки удерживающих средств 11 и средства пассивной активации, высвобождающие сборку 2 в аварийной ситуации.
Устройство DI инициирования ввода поглощающей сборки имеет форму тела вращения с продольной осью X.
Устройство DI инициирования ввода поглощающей сборки имеет корпус 19, в нижней части которого закреплен верхний по потоку конец капсулы 10, если рассматривать в направлении циркуляции теплоносителя от основания к верхней части, а также имеет регулирующую головку 18, закрепленную на верхней части корпуса 19 и продолжающуюся от корпуса в осевом направлении.
Регулирующая головка 18 установлена с возможностью свободного скольжения вокруг капсулы 10. Предусмотрен радиальный зазор между наружным диаметром капсулы и внутренним диаметром регулирующей головки 18.
Удерживающие средства 11 также содержат фиксаторы 20, установленные шарнирно на верхней части корпуса капсулы 10.
Регулирующая головка 18 и фиксаторы 20, предпочтительно, расположены в отдалении от активной зоны, а именно, в области верхней части капсулы 10, где нейтронный поток является минимальным.
Предпочтительно, предусмотрено три фиксатора 20, размещенных под углом приблизительно 120° относительно друг друга, благодаря чему обеспечивается равномерная поддержка сборки. Однако вместо трех фиксаторов может быть предусмотрено только два фиксатора, либо большее количество фиксаторов. В положении удержания сборки фиксаторы 20 наклонены к продольной оси X.
Каждый фиксатор 20 имеет первый продольный конец 20.1, закрепленный шарнирно на корпусе капсулы 10 с возможностью поворота вокруг оси Y, ортогональной продольной оси X, и второй продольный конец 20.2, формирующий опорную поверхность, контактирующую с соединительной головкой 2.1. Капсула 10 содержит продольные прорези, в которые входит второй конец 20.2 каждого фиксатора 20, располагаясь, таким образом, внутри капсулы 10.
Предпочтительно, второй конец 20.2 каждого фиксатора содержит канавку 22, ограниченную двумя поверхностями 22.1 и 22.2, которые особенно хорошо видны на фиг. 5С. Поверхность 22.1 вступает в контакт с широким основанием соединительной головки 2.1, а поверхность 22.2 вступает в контакт с боковой поверхностью, как показано на фиг. 5А-5С.
Регулирующая головка 18 поддерживает средства блокировки фиксаторов 20 в положении фиксации сборки 2, то есть в положении наклона к продольной оси X.
Средства блокировки содержат стопоры 24, располагаемые радиально снаружи фиксаторов 20 и препятствующие перемещению фиксаторов из их положения фиксации. В представленном примере концевой участок 20.3 каждого фиксатора 20 имеет носик, обращенный к стопорной поверхности 24. Между носиком и стопорной поверхностью 24, предпочтительно, предусмотрен радиальный зазор, предотвращающий трение и риск заклинивания.
В представленном примере стопорные поверхности 24 поддерживаются единственной кольцевой поверхностью, сформированной внутри регулирующей головки 18 и имеющей ось X. В представленном примере указанная поверхность расположена по потоку ниже осей вращения фиксаторов на капсуле 10, если рассматривать в направлении циркуляции теплоносителя от основания к верхней части.
Кроме того, регулирующая головка 18 поддерживает пассивные средства, срабатывающие на высвобождение сборки 2 в аварийной ситуации. Указанные пассивные средства сформированы освобождающими поверхностями 26, ориентированными вдоль поперечной плоскости, например, перпендикулярно продольной оси, которые вступают в контакт с фиксаторами 20 и прикладывают к ним осевое усилие, принуждая фиксаторы поворачиваться вокруг оси вращения.
Упорные поверхности 26 контактируют с криволинейными поверхностями 28 фиксаторов 20, располагаемыми радиально внутрь от оси вращения фиксаторов 20.
В представленном примере упорные поверхности 26 расположены выше по потоку от осей вращения фиксаторов 20 на капсуле 10, если рассматривать в направлении циркуляции теплоносителя от основания к верхней части.
В представленном примере по внутренней периферии регулирующей головки 18 выполнены углубления 30, в которые вмещаются фиксаторы 20.
На наружной поверхности трубчатого корпуса капсулы 10 предусмотрены три радиально выступающие опоры 32, поддерживающие оси вращения фиксаторов 20.
Указанные пассивные средства сформированы с помощью корпуса 19 и регулирующей головки 18. Корпус 19 и регулирующая головка 18 изготовлены из материала с высоким коэффициентом теплового расширения, превышающего и, предпочтительно, намного превышающего, коэффициент теплового расширения материала, из которого изготовлена капсула 10.
Как показано на фиг. 4-5D, предусмотрен такой внутренний диаметр корпуса 19, чтобы между корпусом и наружной поверхностью капсулы 10 создавался канал для прохождения теплоносителя. В корпусе 19 и в деталях выше и ниже по потоку выполнены отверстия 36 для подачи и отвода теплоносителя.
Например, радиальное расстояние между корпусом и капсулой составляет порядка от одного до нескольких сантиметров, благодаря чему между внутренней поверхностью корпуса 19 и наружной поверхностью капсулы 10 обеспечивается циркуляция значительной части потока теплоносителя. В этом случае температура системы близка к температуре теплоносителя, что способствует высокой точности срабатывания системы.
Весьма предпочтительно, чтобы осевой размер корпуса 19 был достаточно большим, и создавалась большая область теплообмена с теплоносителем, сглаживающая возможные локальные неоднородности температуры, в результате чего, может быть повышена надежность срабатывания системы.
В нижней зоне ZII капсулы предусмотрены средства для амортизации падения поглощающего нейтроны материала в конце его перемещения. Например, указанная амортизация обеспечивается за счет уменьшения диаметрального зазора между поглощающей сборкой и нижней частью капсулы.
Далее будет описываться работа устройства DI инициирования ввода поглощающей сборки согласно предпочтительному, но неограничительному, иллюстративному варианту осуществления изобретения.
При эксплуатации в зависимости от температуры различаются четыре основных состояния устройства инициирования ввода поглощающей сборки согласно настоящему изобретению:
- состояние монтажа (системы SI в несущей сборке) при температуре окружающей среды, например 20°С, которую называют «температурой монтажа»;
- состояние позиционирования (согласование несущей сборки, с системой SI в активной зоне ядерного реактора) при температуре порядка от 180°С до 250°С, которую называют «температурой позиционирования»;
- рабочее состояние при рабочей температуре, достигающей порядка 550°С, когда в процессе эксплуатации сборка находится в активной зоне;
- состояние срабатывания при пороговой температуре, например порядка 660°С, согласно настоящему изобретению, при которой необходим ввод поглощающего материала в активную зону.
Состояние монтажа не показано, но оно весьма подобно состоянию, показанному на фиг. 5А. В состоянии монтажа не происходит тепловое расширение различных компонентов системы инициирования ввода поглощающей сборки, следовательно, они не деформируются. Фиксаторы 20 поддерживают сборку 2. Стопорные поверхности 24 обращены к носикам 20.3 фиксаторов 20, а упорные поверхности 26 отдалены от криволинейных поверхностей 28 фиксаторов. Таким образом, фиксаторы 20 находятся в заблокированном положении, и сборка 2 не может быть высвобождена. Система может быть позиционирована полностью безопасно и отсутствует какой-либо риск нежелательного ввода сборки в пучок стержневых тепловыделяющих элементов.
В состоянии позиционирования система инициирования ввода поглощающей сборки занимает требуемое местоположение в несущей сборке, которая установлена в реакторе. Под действием температуры в реакторе происходит относительное расширение капсулы 10 и сборки, включающей корпус 19 и регулирующую головку 18, поскольку материал капсулы 10 и материал, из которого изготовлены корпус 19 и регулирующая головка 18, имеют разные коэффициенты теплового расширения. Таким образом, капсула 10 и сборка, включающая корпус 19 и регулирующую головку 18, деформируются по-разному, в результате чего происходит относительное смещение стопорных поверхностей 24 и упорных поверхностей 26, поддерживаемых регулирующей головкой 18, по отношению к фиксаторам 20.
Таким образом, в состоянии позиционирования, показанном на фиг. 5А, наблюдается незначительное удлинение элементов системы инициирования ввода поглощающей сборки. Указанная деформация происходит, главным образом, вдоль продольной оси.
Однако в состоянии позиционирования, сравнительно с состоянием монтажа, наблюдается такое относительное расширение компонентов системы, что, несмотря на перемещение стопорных поверхностей 24 относительно фиксаторов 20, стопорные поверхности все еще частично обращены к носикам фиксаторов 20 и все еще блокируют фиксаторы, занимающие положение удержания поглощающей сборки 2. Следовательно, фиксаторы 20 поддерживают сборку 2. Соответственно, сборка 2 не может быть высвобождена. Таким образом, система может быть позиционирована совершенно безопасно, без какого-либо риска нежелательного ввода сборки в пучок стержневых тепловыделяющих элементов.
Рабочее состояние показано на фиг. 5В. Различные элементы системы инициирования ввода поглощающей сборки погружены в теплоноситель при рабочей температуре. Корпус 19 окружен теплоносителем посредством канала, сформированного между корпусом 19 и капсулой 10, и, соответственно, чувствителен к рабочему состоянию сборки.
В связи с тепловым расширением при повышении температуры теплоносителя от температуры позиционирования до рабочей температуры, происходит увеличение деформации элементов системы инициирования ввода поглощающей сборки. При рабочей температуре происходит такое относительное расширение корпуса 19 и капсулы 10, что стопорные поверхности 24 больше не обращены к носикам фиксаторов 20, вследствие чего, фиксаторы 20 разблокируются. Упорные поверхности 26 непосредственно вступают в контакт с криволинейными поверхностями 28, в результате чего, фиксаторы 20, находящиеся в положении удержания сборки 2, отклоняются к продольной оси.
При повышении температуры теплоносителя от рабочей температуры до температуры срабатывания продолжается удлинение элементов. Упорные поверхности 26 прикладывают направленное продольно вверх осевое усилие к криволинейным поверхностям 28 фиксаторов 20, в результате чего, фиксаторы 20 отклоняются наружу. Поворот фиксаторов 20 вокруг оси Y вызывает осевое смещение сборки 2 вверх. Благодаря указанному рабочему перемещению устройства инициирования ввода поглощающей сборки, например, соединительной части сборки 2 относительно корпуса капсулы 10, происходит нарушение любого сцепления подвижных частей с неподвижными частями, вызванного окислением или скоплением примесей.
Состояние срабатывания устройства при достижении температурного порога, то есть состояние, при котором высвобождается сборка 2, показано на фиг. 5С (непосредственно перед высвобождением сборки) и на фиг. 5D (во время ввода сборки). На фиг. 5С фиксаторы 20 показаны в заключительной фазе поворота, при этом сборка 2 практически высвобождена. На фиг. 5D фиксаторы показаны в полностью отклоненном положении, в результате чего сборка 2 высвобождается и опускается в активную зону.
Ввод поглощающих элементов подавляет нейтронную цепную реакцию, благодаря чему в ближайшей перспективе предотвращается расплавление активной зоны.
В течение достаточно длительного периода времени гарантировано подавление температуры с сохранением целостности основных опорных конструкций активной зоны, что позволяет выполнять корректирующие действия.
Как упомянуто выше, корпус 19 и регулирующая головка 18 устройства инициирования ввода поглощающей сборки изготовлены из материала с высоким коэффициентом теплового расширения, например, из стали, конкретнее, из аустенитной стали, которая подобна механически упрочненной стали Z10 CNDT 15.15 В (15/15 Ti), используемой для изготовления оболочки стержневого тепловыделяющего элемента. Сплав на основе вольфрама, например сплав W-5Re, то есть содержащий 5% рения может быть выбран для изготовления капсулы 10, поскольку материал, используемый для изготовления капсулы, должен иметь коэффициент теплового расширения значительно ниже коэффициента теплового расширения материала, используемого для изготовления корпуса 19 и регулирующей головки 18. В качестве подходящего материала может рассматриваться сплав, такой как W с оксидно-дисперсионным упрочнением. Кроме низкого коэффициента теплового расширения преимущество вольфрама состоит в том, что он распухает незначительно под действием облучения при рассматриваемых температурах, благодаря его жаростойким свойствам. Предпочтительно, сплав W-5Re также имеет приемлемую пластичность согласно рассматриваемым конструктивным нормам. Как вариант, сплав Z10 CNDT 15.15 В может быть выбран для изготовления капсулы, а сплав W-5Re может быть выбран для изготовления корпуса, соответственно, при условии адаптации устройства инициирования ввода поглощающей сборки.
В представленном примере стопорные поверхности 24 формируют радиальную поверхность, а упорная поверхность 26 формирует поверхность, перпендикулярную продольной оси. Однако указанная конфигурация никоим образом не является ограничительной.
Предпочтительно, предусмотрены средства, обнаруживающие положение сборки в устройстве инициирования ввода поглощающей сборки для выявления нежелательного ввода сборки 2. По первой технологии обнаружения выявляется введение отрицательной реактивности в активную зону непосредственно с помощью нейтронных датчиков, либо косвенно посредством «исследования температуры в активной зоне» (TRTC), при котором измеряется выходная температура теплоносителя с использованием термопар, расположенных наверху сборки. При вводе поглощающего материала в активную зону снижается мощность несущей сборки и падает температура теплоносителя на выходе из несущей сборки. Следовательно, ввод отрицательной реактивности обнаруживается по падению температуры теплоносителя.
По другой технологии обнаружения выявляется положение комплекта поглощающих элементов (подвешен или нет).
Детекторное устройство DT, в котором применяется последняя технология, показано на фиг. 5А-5D. Указанное устройство является ультразвуковым телеметрическим устройством, предназначенным для измерения расстояния от одного или нескольких преобразователей 67, установленных над верней частью сборки, до отражателя, положение которого относительно преобразователя(ей) зависит от того, введен в активную зону комплект поглощающих элементов сборки 2 или нет.
Устройство DT содержит датчик 64, установленный с возможностью свободного скольжения вдоль расширенной области 65, сформированной в захватной головке 13 капсулы 10. Предусмотрена такая длина датчика 64, чтобы его нижний конец находился в контакте с соединительной головкой поглотительной сборки 2, а его верхний конец выступал из верхнего конца захватной головки.
Верхний конец датчика 64 содержит отражатель 66. Нижний конец датчика находится в контакте только с соединительной головкой поглотительной сборки, поэтому датчик не будет препятствовать вводу гирлянды поглощающих элементов, если она не заблокирована, так как датчик и гирлянда не связаны друг с другом. Поскольку стержневой датчик имеет небольшое сечение, верхний концевой участок стержневого датчика, формирующий отражатель, расширен, чтобы сечение указанного участка было больше сечения самого стержневого датчика. Например, указанный участок имеет форму обращенного вниз конуса, основание которого формирует отражатель 66. При перемещении датчика вниз конус стопорится и удерживается в контакте с верхней частью расширенной области 65. При этом расстояние, составляющее несколько сантиметров, на которое опустился конус, является достаточным для выполнения обнаружения поглощающей сборки с помощью ультразвука. Например, указанное расстояние может составлять 13 мм.
Отражатель 66 поддерживается датчиком, который проходит через захватную головку 13, расположенную максимально близко к верхней части сборки (схематично показано на фиг. 5А-5D), благодаря чему, увеличивается телесный угол отражения ультразвука и ограничивается эхо на структурах, окружающих захватную головку.
Преобразователи 67 (показаны схематично) размещены над верхней частью сборки. Благодаря осевому смещению отражателей во время ввода сборки 2 можно обнаружить и позиционировать сборку. Преобразователи могут быть закреплены, например, на решетчатой заглушке крышки активной зоны.
Предпочтительно, между задним концом датчика и задним концом расширенной области установлена пружина 68, находящаяся в сжатом состоянии. В штатном режиме работы, то есть когда поглощающая сборка 2 не введена в активную зону и соединительная головка удерживается фиксаторами 20 на месте, указанная пружина находится в сжатом состоянии. Когда поглощающая сборка 2, содержащая соединительную головку, падает, пружина 68 разжимается и, таким образом, принуждает датчик 64 перемещаться вниз. Предпочтительно, указанная пружина 68 не создает препятствий для опускания датчика 64. Поскольку датчик 64 имеет небольшую массу, возникшая коррозия, либо присутствующие примеси могут вызвать его заклинивание и, таким образом, воспрепятствовать его опусканию. Сила, прикладываемая разжимающейся пружиной 68, преодолевает указанную блокировку, благодаря чему датчик опускается и устройство DT, таким образом, обнаруживает, что гирлянда поглощающей сборки 2 упала. Существует малая вероятность ослабления прикладываемой пружиной силы, связанного с радиационной ползучестью, поскольку пружина отдалена от зоны деления. Таким образом, пружина 68 повышает надежность работы телеметрического устройства.
Как вариант, преобразователи, располагаемые вертикально, не находятся на одной линии с отражателем. На внутренней поверхности в верхней части сборки закреплено несколько отражателей, которые направляют ультразвуковой луч к отражателю 66. В другом случае отражатель 66, поддерживаемый датчиком 64, может иметь поверхность с несколькими гранями для формирования трехплоскостного зеркала, например, чтобы улучшалось наведение пучка лучей. Предпочтительно, указанные варианты отражателей позволяют использовать один преобразователь для нескольких сборок.
Далее будет кратко описываться работа указанного детекторного устройства DT.
Когда сборка 2 подвешена, как показано на фиг. 5А-5С, датчик 64 находится в контакте с соединительной головкой поглощающей сборки 2, пружина 68 сжата, отражатель 66 расположен на расстоянии от преобразователя(ей), и, таким образом, свидетельствует о том, что поглощающая сборка не введена.
Когда сборка падает (фиг. 5D), поскольку достигнута пороговая температура, либо произошло нежелательное срабатывание устройства, датчик 64 больше не поддерживается на соединительной головке и под действием силы, прикладываемой разжимающейся пружиной 68, и собственной силы тяжести указанный датчик 64 скользит вниз в расширенную область, соответственно, перемещая отражатель 66 во второе положение, в котором он опирается на захватную головку 13. Преобразователь 67 измеряет увеличившееся расстояние между преобразователем 67 и отражателем 66 и, таким образом, обнаруживает, что сборка 2 введена.
Указанный детектор является наиболее надежным. Датчик 64 имеет небольшое сечение и способен изгибаться, причем в расширенной области сформирован большой механический зазор, благодаря чему предотвращаются все риски механической блокировки датчика, даже если произошла существенная деформация захватной головки 13 в результате осевого коробления и/или сдавливания расширенной области.
В любом случае указанное детекторное устройство обеспечивает обнаружение (и позиционирование в активной зоне) опускающихся поглощающих элементов, ничуть не снижая надежность инициирования ввода указанной гирлянды, сформированной из поглощающих элементов.
Указанное детекторное устройство может использоваться в дополнение к средствам «исследования температуры в активной зоне» (TRTC) и/или к камерам деления с целью диверсификации средств обнаружения введенной отрицательной реактивности, либо вместо указанных технологий.
В настоящем изобретении система SI инициирования ввода поглощающей сборки встроена в несущую сборку, при этом является абсолютно независимой от несущей сборки и, следовательно, может управляться независимо от тепловыделяющей сборки.
Таким образом, можно автономно проводить рабочие испытания, например, проверку срабатывания устройства и испытание поглощающей сборки 2 на падение, то есть проводить испытания вне реактора, лишь в капсуле 10. Указанные рабочие испытания могут выполняться систематически до установки указанной системы в сборку А.
Устройство инициирования ввода поглощающей сборки может быть проверено и при необходимости заменено, или при обнаружении неисправности системы оно может быть переснаряжено независимо от других элементов тепловыделяющей сборки. Указанную замену или переснаряжение можно произвести без отбраковки всей сборки.
Это является преимуществом, поскольку срок службы систем ввода поглощающих сборок можно регулировать независимо от срока службы тепловыделяющих сборок, что приводит к сокращению производственных затрат и позволяет минимизировать количество активированных отходов после проведения цикла.
Устройство DI инициирования ввода поглощающей сборки согласно настоящему изобретению особенно подходит для съемной системы инициирования ввода поглощающей сборки. При использовании устройства инициирования ввода поглощающей сборки согласно изобретению и, конкретнее, благодаря стопору 24, который до достижения температуры позиционирования обеспечивает блокировку фиксаторов, предотвращаются все риски разблокировки фиксаторов, следовательно, комплект поглощающих элементов не может упасть в процессе монтажа капсулы на несущей сборке, например в результате удара, при условии, что не произошло разрушение фиксаторов, соединительной головки или троса. Это является преимуществом при интегрировании сборки в активную зону (при ранее описанном состоянии позиционирования).
При использовании тепловыделяющей сборки, предлагаемой в изобретении конструкции, и при интегрировании системы инициирования ввода поглощающей сборки согласно настоящему изобретению несколько уменьшается объемная доля топлива, следовательно, также немного уменьшается производительность нейтронов в активной зоне. За счет объема центрального пространства объемная доля топлива уменьшается примерно на 7% в тепловыделяющей несущей сборке и примерно на 0,6% в активной зоне.
Кроме того, предлагаемая конструкция несущей сборки позволяет с минимальным количеством модификаций и, следовательно, с оптимальными затратами осуществлять топливный цикл при использовании сборок известного уровня техники.
К тому же, конструкция сборки согласно изобретению оказывает незначительное влияние на падение давления в тепловыделяющей сборке и, соответственно, на термодинамику активной зоны.
Несущая сборка согласно изобретению, содержащая устройство инициирования ввода поглощающей сборки согласно изобретению, позволяет оптимально использовать поток теплоносителя тепловыделяющей сборки, что гарантирует максимальную скорость и точность срабатывания устройства. Благодаря центральному местоположению корпуса в несущей сборке и его конструкции, поток теплоносителя в корпусе имеет характеристики, подобные потоку в стандартной тепловыделяющей сборке, следовательно, расширение корпуса характеризует температуру теплоносителя и, соответственно, состояние сборки.
Благодаря настоящему изобретению оптимизируется надежность введения отрицательной реактивности. Капсула механически изолирована от пучка стержневых тепловыделяющих элементов, подвергающегося деформации, поскольку защищена оболочкой, обладающей значительной жесткостью и благодаря тому, что после ввода капсулы образуется большой радиальный зазор. Поскольку между оболочкой и шестиугольной трубой находится пучок стержневых тепловыделяющих элементов, обеспечивается механическая изоляция капсулы от шестиугольной трубы, подвергающейся деформации, так как пучок стержневых тепловыделяющих элементов до некоторой степени способен компенсировать деформацию шестиугольной трубы (благодаря наличию зазоров между стержневыми тепловыделяющими элементами и проволочных прокладок).
Далее будет детально описываться поглощающая сборка 2 согласно изобретению, при использовании которой дополнительно оптимизируется надежность ввода описываемого далее комплекта поглощающих элементов, который может быть легко введен даже в деформированную капсулу. Сборка 2 содержит поглощающие компоненты 4 сферической формы, скользящие по гибкому тросу 6. Указанная сборка является очень гибкой, что облегчает введение поглощающих элементов в капсулу.
Распределение поглощающих элементов вдоль гирлянды предотвращает блокировку, которая возможна в случае сплошной укладки из-за эффекта зависания и/или из-за явлений типа спекания.
Преимущество поглощающих элементов 4 сферической формы состоит в том, что обеспечивается высокая надежность их ввода в капсулу, поскольку компоненты сферической формы легче вводятся в деформированную структуру и/или структуру малого размера. Кроме того, исходя из тепловых и термомеханических аспектов, связанных с самим поглощающим элементом, следует отметить, что благодаря сферической форме обеспечиваются оптимальные условия охлаждения для максимального снижения температуры сердцевины компонента. Например, температурный градиент, создающийся между сердцевиной и наружной поверхностью в сферических компонентах согласно изобретению, на треть ниже, чем в компонентах цилиндрической формы согласно известному уровню техники.
В этом случае термические напряжения также являются невысокими, поскольку между сердцевиной и наружной поверхностью поглощающего элемента создается низкий температурный градиент. Таким образом, снижается риск растрескивания поглощающего элемента.
Следует отметить, что при введении отрицательной реактивности оптимально используется поглощающий материал, поскольку благодаря сферической форме поглощающих элементов минимизируется эффект нейтронного самоэкранирования на единицу объема.
4
Сферические компоненты могут быть сплошными, и для их изготовления может использоваться один единственный поглощающий материал. Как вариант, для оптимизации свойств каждый компонент может быть изготовлен из двух разных материалов. Например, сердцевина может быть изготовлена из металла, обладающего более низкой способностью поглощать нейтроны, сравнительно с керамическим материалом (таким как ВС), но имеющего лучшую теплопроводность, благодаря чему, можно снизить температуру сердцевины и увеличить интервал до температуры плавления, а наружная поверхность компонента может быть изготовлена из керамического материала. Для изготовления компонента подбираются такие два материала, относительное тепловое расширение которых не приведет к нарушению механической целостности компонента. Таким образом, указанный компонент представляет собой, например, металлический шар, охваченный двумя полыми полушариями из керамического материала.
В другом варианте осуществления изобретения сферические поглощающие компоненты являются полыми. Касательно термического воздействия на материал, указанная конструкция является предпочтительной, особенно в случае непредусмотренного ввода, поскольку снижается максимальная температура, которую испытывает поглощающий материал. Кроме того, снижается величина вызванных температурой вторичных напряжений в компонентах, поскольку отсутствует явление относительного теплового расширения сердцевины и наружной поверхности. С точки зрения поглощения нейтронов материал сердцевины в связи с эффектом самоэкранирования значительно менее эффективен, чем материал наружной поверхности. Следовательно, отсутствие материала сердцевины в полых сферах не имеет существенного значения.
Полые сферические компоненты могут быть изготовлены посредством сборки двух полых полушарий или посредством высверливания отверстия в сплошной сфере. В последнем случае может быть предусмотрена металлическая вставка с каждой стороны высверленного отверстия для уменьшения диаметрального зазора с тросом гирлянды.
Трос 6 может быть изготовлен из плетеных металлических волокон или жгутов из сухого керамического волокна.
Сборка содержит соединительную головку, описанную выше, один из концов которой взаимодействует с фиксаторами 20.
4
4
Предпочтительно, на концевом участке сборки, противоположном концевому участку, содержащему соединительную головку, предусмотрен, по меньшей мере, один или, предпочтительно, несколько (например, три) металлических элемента вместо компонентов, изготовленных из поглощающего материала. Во-первых, указанные элементы создают упор для поглощающих элементов. Во-вторых, указанные элементы обеспечивают частичное экранирование поглощающих элементов от зоны деления, поскольку под воздействием нейтронного потока могут ухудшаться свойства поглощающих элементов. Например, при облучении снижается теплопроводность, в частности, ВС, что приводит к повышению температуры сердцевины компонентов. Поскольку установлены металлические элементы, создающие защитный экран, компоненты, содержащие ВС, частично защищены от воздействия нейтронов.
4
Наконец, указанные элементы могут создавать балласт, когда поглощающий материал компонента имеет низкую плотность. Благодаря созданию балласта сокращается время падения сборки и снижается риск ее блокировки. Кроме того, указанные металлические элементы способны поглощать ударную нагрузку в основании капсулы, что особенно важно касательно ВС, обладающего низкой ударной прочностью.
Предпочтительно, между поглощающими компонентами могут быть установлены механические амортизирующие средства. Могут использоваться, например, тарельчатые шайбы. Указанные средства не обязательно должны быть установлены между каждыми двумя компонентами.
Длина троса, определяющего гибкость гирлянды, больше высоты комплекта сферических поглощающих элементов, причем механический зазор между компонентами устанавливается с учетом деформаций компонентов под действием облучения, таких как удлинение, распухание, ползучесть.
Кроме того, между тросом и отверстиями, выполненными в сферических поглощающих компонентах, обеспечен радиальный зазор.
4
В связи с риском фрагментации поглощающего материала, такого как ВС, в результате относительных деформаций, происходящих в реакторе (удлинение и радиационное распухание), поглощающие компоненты могут быть заключены в кожух, формирующий защитную металлическую оболочку для поглощающего материала.
4
10
Поглощающие компоненты могут быть изготовлены из любого материала, поглощающего нейтроны. Например, указанным материалом может служить карбид бора (ВС), в большей или меньшей степени обогащенный В.
4
4
Для изготовления поглощающих элементов могут применяться материалы на основе гафния. Указанные материалы обладают высокой плотностью, благодаря чему сокращается продолжительность падения компонентов, кроме того, при радиационном облучении они не генерируют газы и не подвергаются распуханию, а также не происходит существенное снижение их способности обеспечивать отрицательную реактивность. Следовательно, эффективность поглощения нейтронов и обнаруживаемость компонентов являются стабильными. Может использоваться металлический гафний, который, несмотря на значительно более низкую эффективность поглощения нейтронов на единицу объема по сравнению с ВС, обладает преимуществом, заключающимся в значительно более высокой теплопроводности по сравнению с ВС, и стабильности под действием облучения. Может использоваться гидрид гафния, который обладает высокой теплопроводностью при отсутствии облучения и стабильностью при облучении, подобно металлическому гафнию.
2
2
6
2
3
Следует отметить, что для изготовления компонентов можно использовать жаростойкие поглощающие материалы типа боридов, например, HfB и TiB, температура плавления которых составляет порядка 3300°С. Кроме того, можно использовать гексаборид европия EuB. Также можно использовать EuО. При радиационном облучении указанные материалы не генерируют газообразные продукты. Указанные материалы также обладают высокой поглощающей способностью.
4
4
4
Как вариант, поглощающие компоненты в зависимости от их положения вдоль гирлянды могут быть изготовлены из разных поглощающих материалов. Например, компоненты из материалов на основе гафния могут быть расположены в нижней части гирлянды, а компоненты из материалов на основе ВС могут быть расположены в верхней части гирлянды. При указанном распределении поглощающих элементов основная часть отрицательной реактивности создается компонентами из материалов на основе ВС, в то время как компоненты из материалов на основе гафния, расположенные в нижней части гирлянды, образуют нейтронный защитный экран, который до ввода гирлянды защищает компоненты из материалов на основе ВС, расположенные в верхней части гирлянды; кроме того, указанные компоненты из материалов на основе гафния вносят существенный вклад в отрицательную реактивность, как в начале, так и в конце ввода гирлянды. Следует отметить, что при вводе в активную зону отсутствует риск расплавления компонентов, содержащих гафний, поскольку облучение указанных компонентов в подвешенном положении не привело к снижению их теплопроводности.
Гафний может также использоваться в качестве компонента, смягчающего последствия аварийной ситуации в случае общего расплавления активной зоны.
11
11
11
11
6
6
6
4
2
2
В водо-водяном энергетическом реакторе материалы, используемые для изготовления поглощающих элементов, могут представлять собой, например, гафний, DyB, GdB, SmB ErB, необработанный HfB и необработанный TiB.
10
Теплоноситель может представлять собой любой подходящий жидкий металл, например натрий. Свинец и свинцововисмутовый сплав являются другими жидкими металлами, которые могут использоваться в качестве теплоносителя в реакторе на быстрых нейтронах. Использование натрия является предпочтительным, поскольку он обеспечивает хорошую теплопередачу. Если используется боросодержащий поглощающий элемент, выделяющийся из В гелий способствует предотвращению потенциальных проблем с герметичностью оболочек, содержащих жидкую металлическую среду (стержни, капсулы и т.п.). Наконец, поскольку жидкая металлическая среда обладает высокой вязкостью, падение поглощающих элементов, особенно в конце перемещения, явно замедляется, в результате чего, существенно снижается риск фрагментации поглощающей керамики.
В качестве иллюстративного примера приводятся параметры сборки согласно настоящему изобретению.
Комплект поглощающих элементов сферической формы может иметь высоту 800 мм. Размер и масса поглощающих элементов зависят от материала, из которого они изготовлены:
4
10
- при использовании ВС, обогащенного до 48% В, диаметр компонента составляет 35 мм, а масса составляет 1,8 кг,
2
10
- при использовании HfB, обогащенного до 71% В, диаметр компонента составляет 35 мм, а масса составляет 10,8 кг,
- при использовании гафния диаметр компонента составляет 67 мм, а масса составляет 46,9 кг,
2
3
- при использовании EuO диаметр компонента составляет 52 мм, а масса составляет 17,6 кг.
Интеграция системы инициирования ввода поглощающей сборки, содержащей сферические поглощающие элементы диаметром 35 мм, в несущую сборку приводит к устранению двух колец стержневых тепловыделяющих элементов, что снижает объемную долю топлива на 7% в тепловыделяющей несущей сборке и примерно на 0,6% в активной зоне.
Касательно работы системы, если принимается, что корпус изготовлен из стали Z10 CNDT 15.15 В, а капсула изготовлена из сплава W-5Re, температура срабатывания равна 660°С и высота корпуса составляет примерно 800 мм и компоненты имеют выбранные размеры, то расчетное относительное осевое смещение корпуса и капсулы составляет:
- 5,65 мм в диапазоне от температуры окружающей среды до рабочей температуры,
- 1,44 мм в диапазоне от рабочей температуры до температуры срабатывания.
Смещение соединительной головки из-за смещения фиксаторов 20 в диапазоне от рабочей температуры до температуры срабатывания может быть рассчитано исходя из: линейного смещения фиксатора, составляющего 5,4 мм, и углового смещения, составляющего 7,2°.
При этих условиях осевое смещение соединительной головки сборки 2 в диапазоне от рабочей температуры до температуры срабатывания составляет 3,5 мм.
Несущая сборка согласно настоящему изобретению, содержащая комплект сферических поглощающих элементов, формирующих гирлянду, особенно подходит для использования в реакторах на быстрых нейтронах с натриевым охлаждением. Указанная несущая сборка также может быть использована в ядерных реакторах других типов, к примеру, в реакторах на быстрых нейтронах, охлаждаемых другими жидкими металлами, например, свинцом или свинцововисмутовым сплавом, а также в реакторах на быстрых нейтронах с газовым охлаждением, в водо-водяном энергетическом реакторе или ядерном реакторе на кипящей воде.