РЕАКТОР НА БЫСТРЫХ НЕЙТРОНАХ

Полезная модель относится к ядерной технике, а именно к ядерным реакторам на быстрых нейтронах (РБН), и используется для повышения срока службы и эффективности их работы.
В настоящее время в реакторах на быстрых нейтронах для уменьшения плотности потока нейтронов (Ф) и повреждающей дозы (Д) на корпус и другие несменяемые конструкции используется нейтронная защита, которая устанавливается внутри корпуса реактора.
Известен реактор на быстрых нейтронах [Уолтер А., Рейнолдс А. Реакторы-размножители на быстрых нейтронах: Пер. с англ. - М.: Энергоатомиздат, 1986. - с.333, 335], включающий корпус, внутри которого размещена активная зона, окруженная защитным экраном. Защитный экран расположен за зоной воспроизводства реактора и состоит из стальных экранов, стальных болванок (нержавеющая сталь или сплавы на никелевой основе) и труб с графитовым заполнителем.
Данное устройство позволяет снизить воздействие излучения (Ф и Д) на внутриреакторные конструкции и корпус реактора. Графит, никель и в меньшей степени железо проявляют свойства замедлителя нейтронов, выполняя роль нейтронной защиты. В результате происходит снижение излучения за защитным экраном, а соответственно и на корпусе.
Недостатком данного устройства является невысокая эффективность с точки зрения замедления нейтронов. В результате не удается существенно снизить Ф или же приходится использовать очень толстые слои нейтронной защиты (до нескольких десятков сантиметров или 4-5 рядов сборок), что непродуктивно увеличивает размеры реактора. Указанный недостаток обусловлен низкой замедляющей способностью графита, стали и сплавов на основе никеля.
Наиболее близким аналогом по эффективности к предлагаемому устройству является реактор на быстрых нейтронах [Уолтер А., Рейнолдс А. Реакторы-размножители на быстрых нейтронах: Пер. с англ. - М.: Энергоатомиздат, 1986. - с.335], включающий корпус, внутри которого находится активная зона, окруженная защитным экраном, в состав которого входит поглотитель, размещенный в отдельных сборках.
В новых проектах РБН предлагается использовать материалы, содержащие поглотители (например, карбид бора, оксид европия и т.д.), в качестве нейтронной защиты, которые размещаются за зоной воспроизводства. Принцип данного устройства основан на использовании в материалах нейтронной защиты нуклидов с большими сечениями поглощения нейтронов.
В результате поглощения нейтронов происходит существенное снижение потока нейтронов (Ф) и повреждающей дозы (Д) на внутриреакторные конструкции и корпус реактора.
10
10
Недостатком данного устройства является то, что его применение ведет к большим энерговыделениям в поглотителе. Кроме того, реакция поглощения нейтронов на изотопе В (основной поглотитель, используемый в РБН) ведет к образованию ядер гелия. В результате нейтронная защита на основе бора не долговечна и быстро теряет свои свойства как прочностные, так и поглощения нейтронов (выгорание B) Кроме того, бор является "наработчиком" трития, который отличается большой миграционной способностью и является глобальным загрязнителем.
Другие поглотители менее эффективны, дороги в применении и становятся высоко радиоактивными после облучения (например, Eu), что существенно затрудняет их использование в РБН в качестве эффективной нейтронной защиты.
Использование поглотителя в качестве нейтронной защиты, особенно в РБН малой и средней мощности (РБН малых размеров), а также РБН без зон воспроизводства, ведет к существенному ухудшению равномерности поля
энерговыделения в активной зоне реактора, что отрицательно влияет на экономические показатели и безопасность.
Заявляемое техническое решение позволяет повысить срок службы реактора на быстрых нейтронах и его безопасность путем существенного (на 30-80%) снижения плотности потока нейтронов (Ф), "смягчения" спектра нейтронов (уменьшения энергии нейтронов) и соответственно уменьшения повреждающей дозы (Д) на основные несменяемые внутриреакторные конструкции и корпус.
Данный результат достигается в реакторе на быстрых нейтронах, включающем корпус, внутри которого размещена активная зона, окруженная защитным экраном. Экран содержит слой замедлителя нейтронов, а эффективная толщина слоя выбирается в зависимости от свойств замедлителя, размеров, конструкции и состава активной зоны.
11
В качестве замедлителя нейтронов выбран преимущественно материал, содержащий легкие атомы, из ряда: водород, дейтерий, изотоп B.
В качестве замедлителя нейтронов может быть использован гидрид циркония.
Слой замедлителя расположен на границе активной зоны в случае отсутствия зоны воспроизводства. Эффективная толщина слоя замедлителя выбрана из интервала 40-150 мм. Непосредственно за слоем замедлителя могут быть дополнительно размещены сырьевые материалы для наработки радиоизотопов.
Размещение эффективного замедлителя на пути распространения нейтронов приводит к "смягчению" спектра нейтронов и, следовательно, уменьшению их повреждающей способности, к уменьшению вероятности утечки нейтронов из реактора, увеличению поглощения нейтронов в защитном экране за счет увеличения сечения захвата. В итоге снижается поток нейтронов (Ф) и повреждающая доза (Д) на внутриреакторные конструкции и корпус.
При толщине слоя замедлителя менее 40 мм его замедляющая способность не достаточно эффективна, а увеличение толщины слоя замедлителя более 150 мм нецелесообразно.
Новыми существенными признаками являются использование высокоэффективных замедлителей в защитном экране РБН для снижения Ф и Д. Предлагается использовать замедлители, которые хорошо зарекомендовали себя в РБН и показали высокую надежность при длительном облучении. Кроме того, использование замедлителя в качестве нейтронной защиты позволит:
- уменьшить воздействие излучения на биологическую защиту и шахту реактора, а соответственно тепловые нагрузки и активацию охлаждающего воздуха;
- повысить безопасность реактора за счет уменьшения наиболее критического для РБН натриевого пустотного эффекта реактивности;
- снизить тепловые нагрузки и потоки нейтронов во внутриреакторном хранилище отработавших ТВС
- улучшить равномерность энерговыделения в активной зоне реактора за счет его повышения в последних рядах ТВС;
60
153
152
154
- производить массовую наработку радиоизотопов в "смягченном" спектре нейтронов (например, Со, Gd, Eu, Еu и др.).
Новые существенные признаки в совокупности с известными признаками проявляют новые, не описанные в патентной и технической литературе, свойства. А именно, использование высоко эффективного замедлителя в защитном экране РБН позволяет снизить плотность потока нейтронов и повреждающую дозу на внутриреакторные конструкции и корпус реактора, тем самым позволяет повысить срок службы реактора на быстрых нейтронах и его безопасность.
На представленном рисунке изображена принципиальная схема реактора на быстрых нейтронах, где 1 - корпус реактора, 2 - активная зона, 3 - зона воспроизводства, 4 - защитный экран, 5 - слой замедлителя.
Слой замедлителя (5) в защитном экране (4) выполнен в виде штатных сборок РБН, в которых топливо заменяется на замедлитель, или отдельных конструкционных слоев, размещенных непосредственно за активной зоной (2) или за зоной воспроизводства (3) при ее наличии. Устройство в виде сборок наиболее оптимально для расположения в виде одного ряда за зоной воспроизводства (3) с боковых сторон активной зоны (2), а над и под активной зоной (2) замедлитель выполнен в виде слоя (5).
В результате подбора типа замедлителя, его эффективной плотности и места расположения можно оптимизировать нейтронную защиту для каждого конкретного РБН.
11
60
153
2
В реакторе БОР-60 последние 10 лет отсутствует боковая зона воспроизводства, поэтому боковой защитный экран состоит из стальных сборок и выполняет роль нейтронной защиты. Замена последнего ряда (9-й ряд) стальных сборок бокового защитного экрана реактора БОР-60 на сборки с замедлителем (гидрид циркония или карбид бора с 3% B) приводит к снижению Ф и Д на корпус и биологическую защиту реактора на 30÷70%. При этом улучшается радиальная равномерность распределения энерговыделения по активной зоне, увеличивается по абсолютному значению Доплеровский коэффициент (на 15÷20%) и ряд других коэффициентов реактивности, а также создаются условия для массовой наработки радиоизотопов (Со, Gd) в ячейках со "смягченным" спектром нейтронов. Сборки с замедлителем по конструкции аналогичны воспроизводящим сборкам бокового экрана, где в тепловыделяющие элементы (твэлы) вместо обедненного урана загружается ZrH.
2
11
В реакторе БН-600 сборки с замедлителем могут быть расположены вместо одного ряда воспроизводящих сборок бокового защитного экрана или стальной защиты. Установка сборок с замедлителем (ZrH, В) приводит к
снижению Ф и Д на внутриреакторные конструкции и корпус реактора на 40÷80% в зависимости от эффективной плотности замедлителя. При этом уменьшается натриевый пустотный эффект реактивности (на 5-15% в зависимости от места расположения замедлителя), существенно снижается энерговыделение и потоки нейтронов во внутриреакторном хранилище отработавших ТВС, а также создаются условия для массовой наработки радиоизотопов в образовавшихся ячейках со "смягченным" спектром нейтронов.
2
11
Предлагается использовать сборки с замедлителем по конструкции аналогичные воспроизводящим сборкам бокового защитного экрана, где в твэлы вместо обедненного урана загружать ZrH. (возможна загрузка и отвального бора - 97% В).
Во вновь проектируемых РБН (БН-800, БН-1600, БРЕСТ, МБИР, СВБР и т.д.) выбор замедлителя, его размещение и конструкция может быть выполнена на стадии проектирования реактора, что позволит снизить плотность потока нейтронов и повреждающую дозу на внутриреакторные конструкции и корпус реактора за счет оптимизации расположения замедлителя, его плотности, состава и т.д., и, следовательно, повысить срок службы реакторов на быстрых нейтронах и их безопасность.