УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРИВЕДЕНИЯ В ДЕЙСТВИЕ И ВСТАВКИ ПОГЛОЩАЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ И/ИЛИ ОСЛАБИТЕЛЕЙ В ЗОНУ ДЕЛЕНИЯ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА И ЯДЕРНАЯ ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩАЯ СБОРКА, СОДЕРЖАЩАЯ ТАКОЕ УСТРОЙСТВО
DEVICE FOR ACTUATION AND INSERT ABSORBING ELEMENTS AND/OR ATTENUATORS DIVISION ZONE OF NUCLEAR REACTOR AND NUCLEAR FUEL ASSEMBLY CONTAINING SUCH DEVICE

Область техники, к которой относится изобретение и уровень техники
Изобретение относится к автономному устройству приведения в действие и вставки, которое обеспечивает вставку, по меньшей мере, одного элемента. Элемент (элементы), которые должны быть вставлены, могут быть просто поглощающими и/или ослабляющими в случае общего расплавления активной зоны. Ослабитель представляет собой материал, позволяющий сформировать эвтектику с малой точкой плавления, с материалом, формирующим покрытие ядерных топливных стержней в сборке, и предотвращающий формирование пробок, которые могли бы препятствовать эвакуации расплавленного ядра или поглощающего расплавленного материала и/или ослабителя в ядре ядерного реактора.
Автономное устройство приведения в действие и вставки предназначено, в частности, для использования в реакторе на быстрых нейтронах с натриевым охлаждением (RNR-Na) и в ядерной тепловыделяющей сборке, содержащей такое устройство.
Планируется возможность вставки элементов, содержащих материалы, поглощающие нейтроны, в ядерный реактор для регулирования активности ядра реактора и для ограничения последствий от неисправности реактора. Во время нормальной работы эти элементы могут быть представлены в форме стержней управления, подвешенных над ядром. Когда обнаруживается потребность в уменьшении реактивности реактора, поглощающие элементы вставляют в зону деления.
Например, неисправность реактора может представлять собой проблему в системе охлаждения реактора, например, в системе первичного охладителя, поскольку отключение насоса замедляет циркуляцию жидкого натрия в случае реактора с натриевым охлаждением. При этом может произойти потеря теплоотвода, то есть тепло, выделяемое через систему охлаждения реактора, больше не будет правильно отводиться.
Если бы не было вставки отрицательной реактивности, такие неисправности привели бы к увеличению температуры ядра реактора, что могло бы привести к расплавлению одной или нескольких сборок, или даже к общему расплавлению ядра, что могло бы привести к потере целостности реактора.
Цель заведения поглотительных элементов в ядро состоит в том, чтобы замедлить реакцию нейтронов и стабилизировать ядро реактора при температуре, выбранной для удовлетворения принятых критериев для рассматриваемых неисправностей.
Кроме того, несколько избыточных, разных и независимых систем отключения предусмотрены для того, чтобы поддерживать максимальную безопасность при управлении реактором и для компенсации дефектов синфазного сигнала.
Системы отключения, использовавшиеся в реакторах RNR-Na в прошлом (которые можно было квалифицировать, как обычные), основаны на активных элементах, в том смысле, в котором вставка поглотительных элементов инициируется внешним электрическим управлением или в результате потери электрического сигнала.
Для реакторов RNR-Na следующего поколения планируется добавить новую систему отключения для случая, если обычные системы отключения не сработают; поэтому, устройства в такой системе "аварийного отключения" не требуется инициировать перед обычными системами отключения. Основываясь на логике диверсификации оборудования и для устранения риска отказа электрических инструментов, системы управления и логики, предусматривается использовать пассивные устройства в том смысле, в котором вставка поглотительных элементов инициируется непосредственно после физического явления, а не посредством электрического управления. Например, было бы возможно представить средство приведения в действие, чувствительное к изменению потока или повышению температуры. Такие пассивные устройства были подробно исследованы, но ни одно из них никогда еще не использовали в реакторе.
В документе ЕР 0392991 раскрыт механизм для автоматической вставки стержня управления реактора, этот механизм содержит систему, чувствительную к колебаниям температуры (далее называется "датчиком температуры"), и средство поддержания стержней управления в положении, подвешенном выше топливных элементов. Средства удержания содержат крючья, установленные с возможностью свободного поворота на жесткой части реактора, шарнирные элементы, шарнирно установленные на крючьях и на "датчике температуры". Увеличение температуры увеличивает длину "датчика температуры", что приводит к повороту шарнирных элементов и повороту крючьев, высвобождая стержни управления, которые затем падают под действием силы тяжести между топливными элементами.
Прежде всего, этот механизм содержит несколько частей, подвешенных друг на друге, поэтому, увеличивается риск заклинивания (например, в результате заедания), что не позволяет повысить надежность приведения в действие стержней. Кроме того, обязательно должны быть предусмотрены зазоры между поворотными шарнирами. Поэтому, существует риск нежелательного высвобождения стержней, например, крючья могут повернуться под влиянием удара или вибраций во время работы.
Таким образом, следует понимать, что надежность приведения в действие и отсутствия приведения в действие можно было улучшить.
Раскрытие изобретения
Одна из задач данного изобретения состоит в том, чтобы создать пассивное устройство приведения в действие и вставки с отличной надежностью срабатывания в случае нештатной работы сердечника, приводящей к повышению температуры выше заданного порогового значения, при которой фактически вставляют поглощающие и/или ослабляющие элементы, и также во время нормальной работы, во время которой предотвращается нежелательная вставка поглощающих и/или ослабляющих элементов.
Указанная задача решена в устройстве приведения в действие и вставки узла, предназначенного для вставки, состоящего из поглощающих и/или ослабляющих элементов, содержащего средство подвески узла, который должен быть вставлен, выше зоны вставки, средство фиксации средства подвески и средство высвобождения узла, который должен быть вставлен, и часть, блокирующую средство удержания узла, который должен быть вставлен, причем разблокировка и высвобождение узла, предназначенного для вставки, осуществляется посредством простого движения.
Устройство приведения в действие и вставки, в соответствии с изобретением, выполнено так, что оно предотвращает вставку узла в результате случайного сброса, благодаря предотвращению его высвобождения, если температура охладителя не превышает заданное пороговое значение.
Оно является конструктивно простым и очень надежным, что существенно снижает риск неисправности.
Особенно предпочтительно, устройство приведения в действие и вставки размещают в верхней части узла ядерной тепловыделяющей сборки, предпочтительно в непосредственной близости к оси этой тепловыделяющей сборки. Весь выходной поток из пучка тепловыделяющих стержней узла носителя топлива по существу равен выходному потоку стандартной топливной сборки и проходит через устройство приведения в действие и вставки, что улучшает точность приведения в действие и надежность устройства, и высвобождение узла, предназначенного для вставки.
Предпочтительно, узел, предназначенный для вставки, содержится в капсуле, в верхней части которой установлено устройство приведения в действие и вставки, в соответствии с этим изобретением.
Предпочтительно, изготовляют узел носителя, содержащий, как ядерное топливо, так и узел, предназначенный для вставки, при этом вставкой этого узла управляют с помощью устройства, в соответствии с изобретением, это устройство размещают в верхней части узла. Процесс вставки запускается быстрее и более точно, чем с использованием узла специального назначения, предназначенного исключительно для поглотителя и/или ослабителя, поскольку потоки подачи охладителя тепловыделяющей сборки намного больше, чем потоки подачи охладителя в поглощающих узлах.
Объектом изобретения является устройство для приведения в действие и вставки узла, который должен быть вставлен в зону деления ядерного реактора, в котором циркулирует охладитель, имеющее продольную ось, проходящую по существу вертикально, и содержащее продольно фиксированную часть и продольно подвижную часть, при этом фиксированная часть, содержит средство удержания узла, предназначенного для вставки, в положении, подвешенном над зоной деления, при этом указанный узел, предназначенный для вставки, может быть высвобожден под действием подвижной части, при этом подвижная часть, содержит средство фиксации, средство удержания узла, предназначенного для вставки, в подвешенном положении, и средство высвобождения узла, предназначенного для вставки, из средства удержания, упомянутое средство фиксации сформировано, по меньшей мере, одной первой поверхностью, называемой поверхностью упора, и средство высвобождения узла, предназначенного для вставки, формируется, по меньшей мере, одной второй поверхностью, называемой поверхностью высвобождения, и средство перемещения упомянутой поверхности упора и поверхности высвобождения вдоль продольной оси, упомянутое средство перемещения формируют с помощью оболочки, которая может расширяться продольно дифференциально относительно фиксированной части под действием повышения температуры охладителя, упомянутая поверхность упора и упомянутая поверхность высвобождения расположены таким образом, что, когда температура охладителя увеличивается, поверхность упора движется вдоль оси от средства удержания и поверхность высвобождения движется вдоль оси в направлении к средству удержания, поверхность упора движется от средства удержания, когда охладитель имеет нормальную рабочую температуру реактора таким образом, что средство удержания разблокируется, и поверхность высвобождения прикладывает силу тяги к средству удержания так, что узел, который должен быть вставлен, высвобождается, когда температура охладителя превышает пороговую температуру.
Например, средство удержания содержит, по меньшей мере, два и, предпочтительно, три штыря, распределенные вокруг продольной оси и установленные с возможностью шарнирного поворота на фиксированной части, так, что они могут перемещаться в положении, близком к продольной оси для удержания узла во вставленном состоянии между штырями, и положением на расстоянии от продольной оси, в котором узел, предназначенный для вставки, высвобождают.
Поверхность упора может представлять собой поверхность, расположенную радиально за пределами штырей, предотвращая движение штырей от продольной оси, когда они находятся в фиксированном положении. Поверхность высвобождения может представлять собой поверхность, перпендикулярную продольной оси, и штыри могут содержать кулачковую поверхность, с которой взаимодействует поверхность высвобождения, чтобы обеспечить шарнирный поворот от продольной оси.
В соответствии с другой характеристикой, фиксированная часть может содержать, по меньшей мере, один по существу трубчатый участок, коаксиальный с продольной осью, и внутри которого будет подвешен узел, предназначенный для вставки, по существу трубчатый участок расположен внутри подвижной части, поворотные шарниры штырей поддерживаются внешней поверхностью по существу трубчатого участка, упомянутый участок, содержит отверстия, через которые проходят штыри, свободные концы которых выступают в трубчатый участок. Например, подвижная часть может содержать головку управления, поддерживающую поверхности высвобождения и фиксации, при этом упомянутая головка управления продолжается оболочкой, причем упомянутая оболочка фиксирована продольным концом на фиксированной части, противоположной продольному концу, соединенному с головкой управления.
Например, оболочка изготовлена из аустенитной стали, и фиксированная часть изготовлена из сплава на основе вольфрама. Оболочка может быть изготовлена из стали марки Z10 CNDT 15.15 В, и фиксированная часть может быть изготовлена из сплава W-5Re.
В соответствии с другой характеристикой, имеется радиальный зазор между оболочкой и фиксированной частью так, что он ограничивает канал циркуляции охладителя между оболочкой и фиксированной частью, при этом оболочка содержит отверстия для циркуляции охладителя в упомянутом канале.
Другим объектом изобретения является система приведения в действие и вставки, содержащая устройство приведения в действие и вставки, в соответствии с изобретением, капсулу с продольной осью, формирующую фиксированную часть, и нейтронный поглотитель, при этом упомянутая капсула содержит трубчатый корпус с продольной осью, в котором размещен узел, предназначенный для вставки, и головку захвата, посредством которой система может быть захвачена, устройство приведения в действие и вставки, распложенное перед головкой захвата в направлении потока охладителя.
Предпочтительно, нижняя часть капсулы содержит отверстия подачи охладителя.
В примере варианта осуществления продольный размер нейтронного поглотителя не больше, чем половина всего продольного размера капсулы.
Предпочтительно, система приведения в действие и вставки содержит средство демпфирования сброса узла, предназначенного для вставки.
Другим объектом изобретения является ядерная тепловыделяющая сборка, содержащая коробку с продольной осью, зону деления, свободное центральное пространство в зоне деления, продолжающееся, по меньшей мере, вдоль части высоты зоны деления от ее верхнего конца, и систему приведения в действие и вставки, в соответствии с изобретением, при этом нижний конец капсулы вставлен в свободное центральное пространство или устройство приведения в действие и вставки (DI), в соответствии с изобретением, так, что фиксированная часть расположена, по меньшей мере, над свободным центральным пространством.
Сборка, предпочтительно, содержит средство обнаружения вставки узла, предназначенного для вставки с использованием ультразвуковой телеметрии. Например, средство обнаружения содержит, по меньшей мере, один ультразвуковой преобразователь, расположенный над головкой капсулы, отражатель, установленный на головке капсулы, обращенный к преобразователю, при этом продольным положением отражателя управляют, определяя, удерживается или нет поглотитель нейтронов на месте средством удержания, причем упомянутый отражатель соединен с поглотителем нейтронов через удлиненный элемент, установленный с возможностью скольжения в продольном расширении, проходящем через головку капсулы, и удерживающий отражатель в его не вставленном положении, благодаря тому, что он опирается на узел, предназначенный для вставки.
Ядерная тепловыделяющая сборка может содержать упругое средство, которое сжато в присутствии поглотителя нейтронов и которое ослаблено в отсутствие узла, предназначенного для вставки, и путем приложения тянущего усилия к удлиненному элементу для передвижения отражателя.
Например, узел содержит кожух, ограничивающий свободное центральное пространство и выполненный с возможностью приема нижнего конца капсулы. Кожух может иметь шестиугольное внешнее поперечное сечение и может иметь шестиугольное или круглое внутреннее поперечное сечение.
Узел, предназначенный для вставки, может содержать, по меньшей мере, один поглощающий и/или ослабляющий нейтроны элемент. Предпочтительно, узел, предназначенный для вставки, содержит множество поглощающих и/или ослабляющих элементов.
Еще одним объектом изобретения является ядерный реактор, например, реактор на быстрых нейтронах с натриевым охлаждением, содержащий сборки, имеющие только ядерные топливные стержни пруткового типа и, по меньшей мере, одну топливную сборку, в соответствии с изобретением.
Краткое описание чертежей
Данное изобретение будет понятным после чтения следующего описания и приложенных чертежей.
На фиг. 1 показан пример осуществления системы приведения в действие и вставки в соответствии с изобретением, например, при температуре обслуживания, вид спереди;
на фиг. 2А показано устройство приведения в действие и вставки при температуре обслуживания, продольный вид в разрезе по фиг. 1;
на фиг. 2В показано устройство приведения в действие и вставки при нормальной рабочей температуре, продольный вид в разрезе по фиг. 1;
на фиг. 2С показано устройство приведения в действие и вставки при температуре приведения в действие непосредственно перед вставкой поглотительного материала в сердечник, продольный вид в разрезе по фиг. 1;
на фиг. 2D показано устройство приведения в действие и вставки при температуре приведения в действие во время вставки поглотительного материала в сердечник, продольный вид в разрезе по фиг. 1;
на фиг. 3 показана система, изображенная на фиг. 1, вид сверху;
на фиг. 4 показан вид в поперечном сечении системы по фиг. 1, вдоль плоскости А-А, представленной на фиг. 2С;
на фиг. 5 показан обзор примера интеграции системы, изображенной на фиг. 1, в ядерную тепловыделяющую сборку, при этом набор поглотительных элементов подвешен выше зоны деления;
на фиг. 6 показан узел, изображенный на фиг. 5, при этом набор поглотительных элементов вставлен в зону деления;
на фиг. 7 показан вид в разрезе узла по фиг. 6 на уровне зоны деления и через элемент поглощения.
В нижеследующем описании термины "верхний" и "нижний" используются для обозначения частей элементов, расположенных в верхней и нижней частях рассматриваемых чертежей, которые соответствуют компоновке элементов в реакторе. Термины "вверх по потоку" и "вниз по потоку" относятся к направлению циркуляции охладителя в сборке, то есть, от нижней части в направлении верхней части.
Осуществление изобретения
В ходе данного описания "узел носителя" относится к узлу, в соответствии с настоящим изобретением, содержащему одновременно ядерное топливо и поглотительные элементы, и "стандартный узел" относится к узлу, содержащему только ядерное топливо.
Кроме того, "нормальная работа" относится к операции реактора при нормальных температурных условиях, и "ненормальная работа" относится к состоянию реактора, в котором температура превышает порог безопасности, что приводит к повышению температуры охладителя выше заданного порогового значения температуры.
Кроме того, в следующем описании, узел, предназначенный для вставки, описан, как набор элементов, изготовленных из материала, поглощающего нейтроны, однако, изобретение также применимо для вставки набора ослабляющих элементов.
В целом, ядерный реактор содержит защитную оболочку, внутри которой расположено множество ядерных тепловыделяющих сборок, расположенных рядом друг с другом. Сборки формируют ядро реактора. В общем, для RNR-Na, сборки имеют шестиугольное внешнее поперечное сечение. Для других типов реакторов сборки могут иметь другие типы внешнего поперечного сечения, такие как круглое или прямоугольное поперечное сечение. Охладитель циркулирует в сборках и между сборками, отбирая тепло, генерируемое ядерным топливом, формируя первичную систему охлаждения реактора. Сборки содержат ядерное топливо, например, распределенное в топливных стержнях. Часть сборок, содержащая ядерное топливо, называется зоной деления. Отрицательную реактивность вставляют в зону деления путем ввода материала, поглощающего нейтроны, для регулирования работы ядра реактора. В некоторых RNR-Na (например, во Франции), поглощающие материалы стержней управления остаются в сборках (более точно, их перемещение обеспечивается внутри сборок, а их механизмы вставки формируют соединение между сборками и пробкой крышки ядра (ВСС). Во время нормальной работы поглощающие материалы либо частично вставлены в зону деления (стержни управления), или подвешены над зоной деления (вспомогательные стержни остановки), и предназначены для остановки реактора, и их полностью вставляют в зону деления в пределах пучка стержней.
Например, поглощающие материалы выполнены в форме стержней управления, взаимодополняющих останавливающих стержней или, предпочтительно, в форме пучка элементов, изготовленных из поглощающего материала, например, удлиненной или цилиндрической формы и, предпочтительно, сферической формы.
На фиг. 1-4 показан вариант осуществления системы SI приведения в действие и вставки, в соответствии с этим изобретением, содержащей устройства DI приведения в действие и вставки, которые будут удерживать набор поглощающих элементов 2 над зоной деления, когда температура ниже пороговой температуры (фиг. 1, 2А-2С), и высвобождать набор поглощающих элементов 2 при превышении температуры выше порогового значения (фиг. 2-D и 2Е).
В показанном примере сборка 2 содержит множество элементов 4 сферической формы, изготовленных из материала, поглощающего нейтроны, нанизанных на трос 6 (показан пунктирными линиями), что обеспечивает некоторую гибкость.
В показанном примере сборка 2 содержит на своем верхнем конце верхний концевой элемент 2.1, который отличается от других элементов тем, что он выполнен с возможностью взаимодействия с устройством приведения в действие и вставки. В конкретном примере форма элемента 2.1 выполнена конической, состоящей из большого основания, которое обращено к элементам сферической формы и боковой поверхности.
По причине простоты "набор поглощающих элементов" 2 далее будет называться "сборкой" 2, и часть 2.1 будет называться "головкой крепления".
В конкретном представленном варианте осуществления, система SI содержит капсулу 10, сформированную из трубчатого корпуса с продольной осью X, в которой установлена сборка 2, как можно видеть на фиг. 1.
Капсула 10 содержит верхнюю зону ZI, в которой расположена сборка 2 поглотителя в подвешенном положении, находящаяся выше топливных стержней, когда систему устанавливают в сборке, как можно видеть на фиг. 5. Капсула 10 также содержит нижнюю зону ZII, которая расположена в зоне деления в пределах топливных стержней. В нижнюю зону ZII заходит узел после его высвобождения (фиг. 6). Узел, формируемый устройством DI приведения в действие и вставки, и капсулой 10 формирует систему SI приведения в действие и вставки, которая будет описана ниже.
Средство демпфирования сброса материала, поглощающего нейтроны в конце движения, расположено в нижней зоне ZII капсулы. Например, внутренний диаметр капсулы в нижней зоне ZII уменьшен.
Капсула 10 также содержит головку 13 захвата, которая будет использоваться для обслуживания капсулы и, в более общем смысле, системы SI приведения в действие и вставки. На фиг. 1 головка 13 захвата содержит средство захвата системы устройством внешнего обслуживания (не показано).
Охладитель, например жидкий натрий, циркулирует в сборке вдоль продольной оси X снизу вверх.
Нижняя часть капсулы 10 содержит отверстия подачи, используемые для заполнения ее охладителем, при этом в нижних отверстиях подачи имеются пористые вентиляционные отверстия, которые имеют очень большие потери напора. Это, таким образом, обеспечивает заполнение, без генерирования какого-либо существенного потока, независимо от размеров верхних выходных отверстий. Предпочтительно, сборка 2 имеет малую массу, и натрий имеет значительную вязкость, следовательно, поток охладителя в капсуле будет настолько мал, насколько это возможно, чтобы не замедлять падение материала, поглощающего нейтроны, и, таким образом, не увеличивать время падения.
Устройство DI приведения в действие и вставки расположено вокруг верхней зоны ZI капсулы. Устройство DI содержит средство 11 удержания узла 2, средство фиксации средства 11 удержания и средство пассивной активации, которое высвобождает узел 2 в нештатной ситуации.
Устройство DI приведения в действие и вставки имеет форму тела вращения с продольной осью X.
В своей нижней части устройство DI приведения в действие и вставки содержит кожух 19, закрепленный своим нижним по потоку концом на капсуле 10, учитывая направление циркуляции охладителя снизу вверх, и своим верхним по потоку концом на головке 18 управления, продолжающейся от кожуха, и закрепленной на нем в осевом направлении.
Головка 18 управления установлена с возможностью свободного скольжения вокруг капсулы 10. Между внешним диаметром капсулы и внутренним диаметром головки 18 управления образован радиальный зазор.
Средство 11 удержания содержит штыри 20, установленные шарнирно в верхней части корпуса капсулы 10.
Головка 18 управления и штыри 20 предпочтительно размещены в верхней части капсулы 10 в зоне, удаленной от ярда деления, в которой поток нейтронов является минимальным.
Предпочтительно, имеются три штыря 20, расположенные приблизительно под углом 120° друг от друга, для обеспечения равномерного удержания узла. Однако, возможно также использовать два штыря или три штыря, или больше. В положении удержания штыри 20 наклонены в направлении продольной оси X.
Каждый штырь 20 имеет первый продольный конец 20.1, шарнирно повернутый вокруг корпуса капсулы 10 вокруг оси Y, ортогональной продольной оси X, и второй продольный конец 20.2, формирующий поверхность удержания, находящуюся в контакте с головкой 2.1 прикрепления. Капсула 10 содержит продольные пазы, внутри которых установлены штыри 20 таким образом, что второй конец 20.2 штырей 20 расположены внутри капсулы 10.
Предпочтительно, второй конец 20.2 каждого штыря содержит вырез 22, ограниченный двумя поверхностями 22.1, 22.2, которые особенно ясно видны на фиг. 2D. Одна поверхность 22.1 контактирует с большим основанием головки 2.1 прикрепления, и другая поверхность 22.2 находится контактирует с боковой поверхностью, как хорошо видно на фиг. 2А-2С.
Головка 18 управления поддерживает средство для фиксации штырей 20 в положении удержания узла 2, то есть, в положении, наклоненном в направлении продольной оси X.
Средство фиксации содержит упоры 24, расположенные радиально снаружи от штырей 20, которые предотвращают движение штырей за пределы их положения удержания. В представленном примере каждый штырь 20 содержит носик на своей кромке 20.3, который обращен к их поверхности 24 упора. Радиальный зазор, предпочтительно, предусмотрен между носиком и поверхностью 24 упора, предотвращая трение и риски заедания.
В представленном примере поверхности 24 упора поддерживаются одной кольцевой поверхностью с осью X, образованной внутри головки 18 управления. В представленном примере эта поверхность находится дальше по потоку от осей вращения штырей на капсуле 10.
Кроме того, головка 18 управления поддерживает средство активации узла сборки 2 в нештатной ситуации. Средство высвобождения сформировано опорными поверхностями 26, ориентированными вдоль поперечной плоскости, например, перпендикулярно продольной оси, которая находится в контакте со штырями 20, для приложения нагрузки к ним с тем, чтобы обеспечить их шарнирный поворот вокруг их оси вращения.
Опорные поверхности 26 опираются на кулачковые поверхности 28 штырей 20, расположенные радиально внутрь от осей вращения штырей 20.
В представленном примере опорные поверхности 26 расположены вверх по потоку от осей вращения штырей 20 на капсуле 10.
В представленном примере головка 18 управления содержит на своей внутренней периферии полости 30, внутри которых размещаются штыри 20.
Внешняя поверхность трубчатого корпуса капсулы 10 содержит три радиально выступающих ушка 32, на которых расположены поворотные оси штырей 20.
Средство пассивной активации формируется кожухом 19 и головкой 18 управления. Кожух 19 и головка 18 управления изготовлены из материала с высоким коэффициентом расширения, который больше, чем коэффициент расширения материала, из которого изготовлена капсула 10.
Как можно видеть на фиг. 1-2D, внутренний диаметр кожуха выбирают так, чтобы формировался канал между кожухом и внешней стороной капсулы 10 для обеспечения возможности протекания охладителя. Отверстия 36 сформированы в кожухе 19, в частях, расположенных вверх по потоку и вниз по потоку, для подачи и отбора охладителя.
Разность диаметра между внешней поверхностью капсулы 10 и внутренней поверхностью кожуха 19 выбирается достаточно большой, чтобы существенная часть потока охладителя циркулировала в этом канале.
Предпочтительно, осевой размер корпуса 19 выбирают так, чтобы он был очень большим. Первое преимущество, получаемое из такого большого осевого размера кожуха состоит в том, что он имеет большое осевое расширение. Второе преимущество состоит в том, что кожух имеет очень большую площадь теплового обмена с охладителем, таким образом, что можно управлять локальными неоднородностями температуры, которые могут возникнуть, и, таким образом, улучшается надежность приведения в действие.
В отличие от датчиков температуры с малыми размерами, например, таких как температурные плавкие предохранители, большой осевой размер кожуха является очень привлекательным с точки зрения надежности приведения в действие.
Предпочтительно, как будет видно позже из описания узла носителя, в соответствии с изобретением, кожух расположен достаточно далеко и выше зоны деления таким образом, что отсутствует риск разбухания материалов из-за потока нейтронов.
Система SI приведения в действие и вставки установлена на ядерной тепловыделяющей сборке, называемой узлом носителя.
Ниже будет описан примерный вариант осуществления такого узла А носителя, представленного на фиг. 5 и 6, содержащего систему SI приведения в действие и вставки, в соответствии с данным изобретением.
Узел, в соответствии с изобретением, содержит коробку 40 с продольной осью X1 цилиндрической формы и шестиугольным поперечным сечением. Такое шестиугольное поперечное сечение никоим образом не является ограничительным, и прямоугольное или круговое поперечное сечение находится в пределах объема настоящего изобретения.
Коробка 40 содержит центральную часть 42, называемую зоной деления, в которой устанавливают стержни 41 ядерного топлива. Коробка 40 содержит нижнюю часть, называемую стендом 44 узла, который удерживает узел в реакторе, стенд 44 узла выполнен с возможностью его установки на держателе, называемом конечной тележкой. Коробка 40 также содержит открытую верхнюю часть 48. Стенд узла также содержит отверстия 46 подачи охладителя.
Охладитель пропускают через узел А снизу вверх, как обозначено стрелкой F, и обеспечивают его циркуляцию с использованием насосов, охладитель отбирает тепло, генерируемое стержнями. Охладитель также циркулирует снаружи узла, между сборками в, так называемых, зонах между сборками.
Узел, в соответствии с настоящим изобретением, также содержит полость 52 с осью X1, проходящей по всей высоте зоны деления. Такая полость 52 ограничена защитным кожухом 54, внешнее поперечное сечение которого выполнено подобным внешнему сечению коробки. Защитный кожух 54 обеспечивает захождение устройства DI приведения в действие и вставки в связку топливных стержней и делает архитектуру связки топливных стержней когерентной. Таким образом, в случае RNR-Na, защитный кожух 54 имеет шестиугольное внешнее поперечное сечение, как у коробки. В представленном примере внутреннее сечение защитного кожуха 54 выполнено круглым, как и внутреннее сечение капсулы 10. В качестве альтернативы, внутреннее поперечное сечение кожуха 54 может быть шестиугольным.
Помимо того факта, что кожух 54 ограничивает кожух для капсулы 10, он также улучшает механическую изоляцию между системой SI приведения в действие и вставки и узлом, поскольку ее жесткая структура защищает систему SI приведения в действие и вставки от набухания стержней во время облучения. Это, таким образом, способствует механической изоляции с шагом решетки.
Защитный кожух 54 содержит одно или несколько отверстий для подачи охладителя на его нижнем конце, по которым подают интегрированную капсулу с охладителем.
После установки на узле носителя, капсулу 10 частично вставляют в кожух, так, что ее нижний конец располагается в средней зоне кожуха 54.
Например, кожух 54 заменяет два кольца стержней.
Капсулу 10 вставляют в кожух 54, внешний диаметр капсулы 10 несколько меньше, чем внутренний диаметр кожуха 54 так, чтобы ее можно было вставить. Капсула 10 удерживается в узле носителя на уровне своей головки.
На фиг. 7 показан вид в поперечном сечении узла по фиг. 5 и 6, в зоне деления и через элемент поглощения. Здесь можно видеть относительную компоновку топливных стержней 41, кожуха 54, капсулы 10 и элемента узла 2 поглотителя.
Далее будет описана работа устройства DI приведения в действие и вставки, в соответствии с данным изобретением.
Различают четыре основных рабочих состояния устройства приведения в действие и вставки, в соответствии с настоящим изобретением, как функция температуры, приложенной к нему:
- состояние установки системы SI приведения в действие и вставки в узел носителя: температура окружающей среды, например 20°C, которая называется "температурой установки";
- состояние обслуживания узла носителя, в котором система SI приведения в действие и вставки установлена в ядре реактора: при температуре порядка от 180°C до 250°C, которая называется "температурой обслуживания";
- рабочее состояние: рабочая температура порядка 550°C, когда узел находится в работающем ядре;
- состояние приведения в действие: при пороговой температуре, например, порядка 660°C в данном изобретении, при которой требуется выполнить вставку поглощающего материала в активную зону.
Состояние установки не показано, но оно очень похоже на состояние, представленное на фиг. 2А. В состоянии установки различные элементы системы приведения в действие и вставки не деформируются в результате теплового расширения. Штыри 20 удерживают узел 2. Поверхности упора обращены к носикам штырей 20, и опорные поверхности 26 находятся на расстоянии от кулачковых поверхностей 28. Поэтому, штыри 20 зафиксированы, и узел 2 нельзя высвободить. С системой можно обращаться совершенно безопасно, без какого-либо риска нежелательной вставки в связку топливных стержней.
В состоянии обслуживания систему приведения в действие и вставки устанавливают в узел носителя, который помещают в реактор. Из-за температуры в реакторе и разности коэффициентов расширения материала капсулы 10 и материала кожуха 19, и головки 18 управления, происходит дифференциальное расширение между капсулой 10 и узлом, состоящим из кожуха 19 и головки 18 управления. Поэтому, происходит дифференциальная деформация между капсулой 10 и узлом, состоящим из кожуха 19 и головки 18 управления, и относительное смещение поверхностей 24 упора и опорных поверхностей 26, поддерживаемых головкой 18 управления относительно штырей 20.
Таким образом, в состоянии обслуживания, показанном на фиг. 2А, элементы системы приведения в действие и вставки начинают несколько расширяться. Эта деформация происходит, в основном, вдоль продольной оси.
Однако дифференциальное расширение между состоянием установки и состоянием обслуживания является таким, что, хотя поверхности 24 упора переместились относительно штырей 20, они все еще частично обращены к носикам штырей 20 и все еще фиксируют штыри в положении удержания узла 2. Поэтому, штыри 20 поддерживают узел 2. Узел не может быть выпущен. Поэтому, система может работать в полной безопасности без какого-либо риска вставки в активную зону.
Рабочее состояние показано на фиг. 2В. Разные элементы системы приведения в действие и вставки погружены в охладитель при рабочей температуре. Оболочка 19 окружена охладителем, протекающим через канал, который сформирован между оболочкой 19 и капсулой 10, и, поэтому, является чувствительной к рабочему состоянию узла.
Увеличение температуры охладителя между состоянием обслуживания и рабочим состоянием означает, что продолжается деформация элементов системы приведения в действие и вставки из-за теплового расширения. При температуре в рабочем состоянии, дифференциальное расширение между оболочкой 19 и капсулой 10 будет таким, что поверхности 24 упора больше не будут обращены к носикам штырей 20, поэтому штыри 20 высвобождаются. Опорные поверхности 26 только входят в контакт с поверхностями 28 кулачков, в результате чего, штыри 20 наклоняются в направлении продольной оси в положении удержания узла 2.
Расширение элементов продолжается между рабочей температурой и температурой приведения в действие по мере того, как повышается температура охладителя. Опорные поверхности 26 прикладывают продольную, направленную вверх силу тяги к кулачковым поверхностям 28 штырей 20, что приводит к тому, что штыри 20 поворачиваются вверх. Поворот штырей 20 вокруг их осей Y приводит к осевому смещению в направлении вверх узла 2. В результате такой рабочей кинематики устройства приведения в действие и вставки, любые соединения, сформированные между подвижными частями и фиксированными частями, из-за окисления и накопления загрязнителей, одновременно устраняются, например, между частью закрепления узла 2 и корпусом капсулы 10.
На фиг. 2С показано состояние приведения в действие, в котором штыри 20 находятся в фазе конечного поворота, и узел 2 фактически высвобожден. На фиг. 2D штыри имеют обработанные кончики, узел 2 высвобожден и происходит его сброс в направлении ядра деления.
Вставка поглощающих элементов сдерживает нейтронную цепную реакцию, что за короткое время предотвращает плавление ядра и устанавливает температуру, совместимую с температурой поддержания целостности опорных структур ядра в течение достаточно длительного периода для выполнения корректирующего действия.
Поскольку система приведения в действие и вставки погружена в охладитель, благодаря наличию канала между оболочкой 19 и капсулой, температура в системе аналогична температуре охладителя, и система инициируется при очень точной температуре.
Оболочка 19 и головка 18 управления изготовлены из материала с высоким коэффициентом расширения, например, из стали, более конкретно, из аустенитной стали, такой, как используется для плакирования топливных стержней, такой как Z10 CNDT 15.15 (15/15 Ti) после механического упрочнения стали.
Для капсулы 10, материал выбирают с коэффициентом расширения, существенно меньшим, чем коэффициент расширения материала, формирующего средство пассивной активации. Можно выбрать сплав на основе вольфрама, например сплав W-5Re, то есть, сплав вольфрама с добавлением 5% рения. Также можно предусмотреть сплав, такой как W-ODS. Кроме его низкого коэффициента расширения, вольфрам имеет преимущество, состоящее в том, что он разбухает только очень незначительно под облучением при температурах, рассматриваемых в соответствии с его жароустойчивой природой.
Предпочтительно, сплав W-5Re также имеет приемлемую пластичность при рассматриваемых правилах конструирования.
В качестве альтернативы, сплав Z10 CNDT 15.15 В можно выбрать для капсулы, и сплав W-5Re можно выбрать для защитной оболочки 19, при соответствующей адаптации устройства приведения в действие и вставки, соответственно.
В показанном примере поверхности 24 упора формируют радиальную поверхность и опорная поверхность 26 формирует поверхность, перпендикулярную продольной оси. Но эта конфигурация, никоим образом, не является ограничительной.
Предпочтительно, предусмотрено средство для обнаружения состояния устройства приведения в действие и вставки, для проверки, имела ли место нежелательная вставка узла 2. Первая технология может состоять в обнаружении вставки отрицательной реакционности в ядро, либо непосредственно с помощью детектора нейтронов или опосредованно, из-за "температурной обработки ядра" (TRTC), которая состоит в использовании термопар, расположенных в верхней части узлов, для измерения температуры в выходном отверстии охладителя. Если поглощающий материал заканчивается, мощность узла носителя падает, и выходная температура охладителя из узла удержания падает. Вследствие этого, обнаруживают вставку отрицательной реактивности, если обнаруживается падение температуры охладителя.
Другая технология состоит в обнаружении состояния (подвешен или нет) набора поглощающих элементов.
Устройство DT обнаружения, для применения этой технологии представлено на фиг. 2А и 2D. Устройство ультразвуковой телеметрии разработано для измерения расстояния между одним или больше преобразователями, расположенными над головками узлов и рефлектором, положение которого относительно преобразователя (преобразователей) зависит от того, вставлен или нет набор поглощающих элементов.
Устройство DT содержит щуп 64, установленный с возможностью свободного скольжения в продольном расширении 65 сформированном в головке 13 захвата капсулы 10. Длина щупа 64 установлена такой, что его нижний конец находится в контакте с головкой 2.1 крепления узла 2 поглощающих элементов и верхний конец выступает из верхнего конца головки 13 захвата.
Верхний конец щупа 64 содержит отражатель 66. Нижний конец щупа 64 просто находится в контакте с головкой прикрепления узла поглотителя, поэтому, щуп не мешает вставке связки, если она заблокирована, поскольку щуп и полоса не скреплены вместе. Поскольку малое сечение щупа 64 недостаточно для формирования отражателя, следовательно, форма верхнего конца щупа 64 выполнена с большим сечением, чем сечение стержня в расширении и формирует отражатель 66. Например, если он имеет коническую форму, причем острие конуса обращено вверх, основание конуса формирует отражатель. Конус устанавливается в контакте с верхней частью расширения, когда происходит сброс щупа. Однако можно выполнять сброс на несколько сантиметров, что достаточно для ультразвукового обнаружения. Например, можно выбрать расстояние 13 мм.
Отражатель 66, поддерживаемый щупом, который проходит через головку 13 захвата, расположен настолько близко к узлу головки (схематично показан на фиг. 2А-2D) насколько это возможно, что увеличивает ультразвуковой пространственный угол отражения и ограничивает эхо на структурах, окружающих головку захвата.
Преобразователь 67 (показан схематично) расположен над головкой узла. Осевое смещение отражателей во время вставки узла 2 обеспечивает обнаружение и размещение узла. Например, преобразователь закреплен на решетке пробки крышки ядра.
Предпочтительно, пружина 68 установлена так, что она сжата между нижним концом щупа и нижним концом расширения. Такая пружина сжимается во время нормальной работы, то есть, когда узел 2 находится в невставленном положении, головка прикрепления удерживается на месте с помощью штырей 20. Когда узел 2 падает, перенося головку прикрепления с собой, пружина 68 расширяется, обеспечивая смещение вниз щупа 64. Такая пружина 68, предпочтительно, не предотвращает падение щупа 64. Поскольку масса щупа 64 мала, возможно заедание из-за явления коррозии или, например, присутствия загрязнителей, что может помешать падению. Такое блокирование преодолевается силой, прикладываемой пружиной 68, при ее расширении, при этом щуп 64 падает, и устройство обнаруживает, что связка 2 упала. Сила, прикладываемая пружиной, вряд ли, будет уменьшена, из-за радиационной ползучести, ввиду того, что пружина находится на расстоянии от ядра деления. Поэтому, пружина 68 улучшает надежность обнаружения устройства телеметрии.
В качестве варианта, преобразователь расположен не вертикально в линию с отражателем. Фиксированные зеркала помещены на внутренней стороне головки узла для направления ультразвукового луча к отражателю 66. Или отражатель 66, поддерживаемый щупом 64, может иметь поверхность с несколькими гранями, которые формируют зеркало в трех плоскостях, например, для улучшения направления пучка. Эти варианты, предпочтительно, позволяют использовать один преобразователь для нескольких узлов.
Кратко опишем операцию устройства обнаружения.
Когда узел 2 подвешен, в случае, показанном на фиг. 2А-2D, щуп 64 находится в контакте с головкой прикрепления узла 2 поглотителя, пружина 68 сжата, отражатель 66 помещен на расстоянии от преобразователя (преобразователей), что соответствует не вставленному состоянию отрицательной реактивности.
Когда узел падает (фиг. 2D), из-за того, что достигнута пороговая температура или при появлении нежелательного инициирующего события, щуп 64 больше не поддерживается головкой прикрепления, под действием расширения пружины 68 и силы тяжести щуп 64 скользит вниз в расширение 65, перенося отражатель 66 вместе с собой, который движется во второе положение с установкой на головку 13 захвата. Преобразователь 67 измеряет увеличение расстояния между преобразователем 67 и отражателем 66 и, таким образом, обнаруживает вставку узла 2.
Такой детектор является особенно надежным. Щуп 64 имеет малое сечение, следовательно, он является гибким при изгибе, и большой механический зазор формируется в расширении; все риски механического блокирования могут быть предотвращены, даже если головка 13 захвата будет существенно деформирована из-за изгиба оси и/или раздавливания расширения.
Такое устройство обнаружения гарантирует обнаружение и установку положения в сердечнике сбрасываемого набора поглощающих элементов во всех условиях, без какого-либо уменьшения надежности приведения в действие и вставки этой связки.
Устройство обнаружения может либо использоваться в дополнение к TRTC и/или камерам деления для диверсификации средства обнаружения вставляемой отрицательной реактивности, или вместо этих технологий.
В представленном примере система приведения в действие и вставки добавляется в узел, и затем работает абсолютно независимо от узла носителя, поэтому ею можно независимо управлять на топливной сборке.
Поэтому, возможно выполнять рабочие тесты, например, тесты приведения в действие и сброса внешними средствами узла 2, то есть, за пределами реактора, только для капсулы 10. Такие рабочие тесты могут выполняться систематически перед исходной интеграцией в узел А.
Устройство приведения в действие и вставки можно проверять или заменять, если необходимо, или оно может быть перезаряжено, если возникает неисправность в системе, независимо от других элементов топливной сборки. Такая замена или такая перезарядка может происходить без необходимости замены всего узла. Такая возможность имеет преимущество управления сроком службы систем вставки, независимо от срока службы топливных сборок, что может быть полезным, если требуется уменьшать затраты на изготовление или минимизировать количество активированных отходов для последующих циклов обслуживания.
Устройство приведения в действие и вставки, в соответствии с данным изобретением, особенно пригодно для съемных систем приведения в действие и вставки. С помощью устройства приведения в действие и вставки, и более конкретно, благодаря упору 24, который гарантирует фиксацию до тех пор, пока не будет достигнута температура обслуживания, исключается любой риск разблокирования штырей при выполнении обслуживания, и набор поглощающих элементов не может быть сброшен во время установки капсулы в узле носителя, например, в случае удара, до тех пор, пока не произойдет поломка штырей, головки прикрепления или разрыв троса. Это также предпочтительно во время интеграции узла в ядро (описанный ранее этап обслуживания).
В структуре топливной сборки, в соответствии с настоящим изобретением, и при интеграции системы приведения в действие и вставки, в соответствии с настоящим изобретением, пропорция топлива по объему несколько уменьшается, следовательно, характеристики нейтронов в ядре также несколько снижаются.
Кроме того, конструкция узла, в соответствии с изобретением, позволяет применять топливный цикл известных сборок с минимальными модификациями и, таким образом, позволяет оптимизировать затраты.
Кроме того, структура узла, в соответствии с изобретением, оказывает малое влияние на потери давления узла носителя топлива и, поэтому, обеспечивается оптимизации термогидравлического поведения ядра.
Узел, в соответствии с изобретением, соединенный с устройством приведения в действие и вставки, в соответствии с изобретением, позволяет оптимально использовать поток топливной сборки, что обеспечивает максимальную скорость и точность приведения в действие. Благодаря центральному расположению кожуха в узле и в его структуре, поток в кожухе очень напоминает поток в стандартной топливной сборке, и, поэтому, его расширение является репрезентативным для температуры охладителя и, поэтому, для состояния сборки.
Изобретение оптимизирует надежность вставки отрицательной реактивности. Капсула механически изолирована от деформаций пучка тепловыделяющих стержней, поскольку она защищена от них кожухом, который имеет существенную жесткость и, поэтому, обеспечивается большой радиальный зазор после ее вставки. Присутствие пучка стержней между кожухом и шестиугольной трубкой также означает, что капсула может быть механически изолирована от деформаций, влияющих на шаг решетки, поскольку пучок топливных стержней имеет определенную возможность восприятия деформаций шестиугольной трубы, из-за присутствия зазоров между топливными стержнями и разделительными проводами.
4
10
Поглощающие элементы могут быть изготовлены из любого материала, поглощающего нейтроны. Например, материал может представлять собой карбид бора (ВС), в большей или меньшей степени, обогащенный В.
Он может представлять собой материалы, основанные на гафнии. Эти материалы обладают высокой плотностью, что позволяет уменьшить время сброса, они не выпускают газы под воздействием радиации и, поэтому, не возникает их разбухание, и их возможности отрицательной реактивности не существенно меняются под воздействием радиации.
2
2
2
3
Также было бы возможно использовать поглощающие материалы типа огнеупорного борида, например, HfB и TiB, которые имеют температуру плавления порядка 3300°C. Также было бы возможно использовать гексоборид европия EuB6. Также было бы возможно использовать EuO. Эти материалы не генерируют газообразные продукты под действием радиации. Они также имеют высокую поглощающую способность.
11
11
11
11
6
6
6
4
2
2
В случае реактора, в котором используется вода под давлением, материалы, используемые в качестве поглощающих элементов, могут, например, представлять собой гафний, DyB, GdB, SmB ErB, натуральный HfB и натуральный TiB.
Узел, предназначенный для вставки, может оказывать эффект ослабления, например, гафний можно использовать, как агент ослабления в случае общего расплавления ядра.
Охладитель может состоять из любого соответствующего жидкого металла, например, натрия. Свинец и свинец-висмут представляют собой другие жидкие металлы, которые можно использовать в реакторе на быстрых нейтронах.
10
Предпочтительно, используется натрий, поскольку он обеспечивает хорошую теплопередачу. Кроме того, в случае борированного поглотителя, жидкометаллический носитель исключает потенциальные проблемы значительного повышения давления внутри оболочек (стержень, капсула или другие), из-за образования гелия из В. В конечном итоге, высокая вязкость металлического носителя также обеспечивает значительное последовательное замедление в конце падения, что сильно ограничивает риск фрагментации поглощающей керамики.
В качестве иллюстративного примера, представим пример образмеривания узла, в соответствии с изобретением.
Что касается работы системы, предположим оболочку, изготовленную из Z10CNDT15.15, и капсулу, изготовленную из W-5Re, для температуры приведения в действие 660°C и высоты кожуха приблизительно 800 мм с выбранными размерами компонентов, дифференциальное осевое смещение кожуха относительно капсулы может быть рассчитано следующим образом:
- между окружающей температурой и рабочей температурой: 5,65 мм,
- между рабочей температурой и температурой приведения в действие: 1,44 мм. Смещение головки штыря активатора между рабочей температурой и температурой
приведения в действие может быть рассчитано: линейное смещение штыря составляет 5,4 мм, и угловое смещение составляет 7,2°.
Осевое смещение головки прикрепления узла 2 между рабочей температурой и температурой приведения в действие затем составляет 3,5 мм.
Очень высокий уровень глобальной безопасности достигается с помощью системы приведения в действие и вставки, в соответствии с изобретением, поскольку она абсолютно независима от других систем остановки, и в ней используется другая конструкция.
Устройство приведения в действие и вставки имеет простую и очень надежную конструкцию, и она содержит малое количество деталей, в частности, малое количество подвижных деталей. В представленном примере устройство содержит три свободно вращающихся штыря и свободно перемещающееся подвижное кольцо.
Устройство приведения в действие и вставки, система приведения в действие и вставки и узел носителя, в соответствии с настоящим изобретением, особенно пригодны для использования в реакторах на быстрых нейтронах с натриевым охлаждением. Они также применимы в других типах ядерных реакторов (реакторы на быстрых нейтронах, охлаждаемые другими жидкими металлами, такими как свинец, или свинец-висмут, реакторы на быстрых нейтронах, охлаждаемые газом, реакторы, охлаждаемые водой под давлением или кипящей водой).