ЦЕНТРАЛЬНОЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО В ЗАМЕДЛЯЮЩЕЙ ПОЛОСТИ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОГО РЕАКТОРА
CENTRAL EXPERIMENTAL DEVICE IN DECELERATION CAVITY OF RESEARCH REACTOR

Изобретение относится к ядерной энергетике в области эксплуатации исследовательских ядерных реакторов с нейтронной ловушкой и может быть использовано для повышения эффективности производства требуемых радиоактивных нуклидов и расширения возможностей в исследовании свойств реакторных материалов.
19
-2
-1
Известно, что увеличение плотности потока тепловых нейтронов в исследовательских реакторах с целью эффективного накопления требуемых радиоактивных нуклидов и ускоренных испытаний реакторных материалов достигается размещением в составе активной зоны нейтронной ловушки-полости, заполненной эффективным замедлителем нейтронов и окруженной со всех сторон реакторным топливом [Бать Г.А., Коченов А.С., Кабанов Л.П. Исследовательские ядерные реакторы: Учеб. пособие для вузов. - 2-е изд. М.: Энергоатомиздат, 1985, с.59-63, Цыканов В.А., Самсонов Б.В. Техника облучения материалов в реакторах с высоким нейтронным потоком. М., Атомиздат, 1973, с.10-12]. Наибольшая плотность потока тепловых нейтронов (5·10 мс) в действующих исследовательских реакторах с постоянной мощностью достигнута в реакторах с нейтронной ловушкой - HFIR, Ок-Риджской национальной лаборатории (США) и СМ, научно-исследовательского института атомных реакторов (Россия) [Бать Г.А., Коченов А.С., Кабанов Л.П. Исследовательские ядерные реакторы: Учеб. пособие для вузов. - 2-е изд. М.: Энергоатомиздат, 1985, с.152, Исследовательские реакторы НИИАР и их экспериментальные возможности./ Под научн. ред. проф. В.А.Цыканова. Димитровград: НИИАР, 1991, с.5)]. Геометрия, количество и способ охлаждения мишеней в нейтронной ловушке могут быть различны.
Известен ядерный реактор с нейтронной ловушкой и устройством для размещения мишеней в виде канала с пучком труб внутри [Цыканов В.А., Самсонов Б.В. Техника облучения материалов в реакторах с высоким нейтронным потоком. М., Атомиздат, 1973, с.56]. Между трубками и в трубках в зазоре между стенками трубки и установленной в нее мишенью циркулирует вода, выполняющая роль замедлителя нейтронов и теплоносителя.
Известно также устройство облучательное центрального исследовательского реактора ловушечного типа [Исаев Ю.Н., Малков А.П., Петелин А.Л. и др. Патент на полезную модель «Центральное облучательное устройство» №53488, G21С 5/00, 2006], которое содержит вкладыши из замедляющего материала, образующее полость, в которой размещены центральный компенсирующий орган (ЦКО) и облучательное устройство для размещения мишеней внутри ЦКО в виде сепаратора из тонкостенных циркониевых трубок, окруженных чехлом и заполненных снаружи и внутри проточным теплоносителем. Возможно использование бериллия в качестве основного замедляющего материала в ловушке. Например, в реакторе СМ в течение нескольких лет в центральной замедляющей полости располагали бериллиевый блок с 27 отверстиями одинакового диаметра для размещения мишеней и прохода теплоносителя [Исследовательские реакторы НИИАР и их экспериментальные возможности. / Под научн. ред. проф. В.А.Цыканова. Димитровград: НИИАР, 1991, с.14].
Известно также центральное облучательное устройство (Исаев Ю.Н., Малков А.П., Петелин А.Л., и др. Патент №2310931, 2006 г.), состоящее из 40 тонкостенных трубок, в восьми из которых располагаются стержни центрального компенсирующего органа, а само устройство располагается в цилиндрической полости, организованной бериллиевыми вкладышами.
Общими недостатками указанных устройств является то, что
- геометрия размещения облучаемых материалов фиксирована и условия охлаждения облучаемых материалов (скорость, диапазон температуры, давление теплоносителя) при использовании описанных устройств неизменны;
- отсутствует возможность оперативного, в процессе текущей эксплуатации, изменения состава замедлителя нейтронов в ловушке для формирования требуемого энергетического спектра потока нейтронов;
- внешний размер облучаемых мишеней ограничен диаметром в 10 мм;
- загрузку и выгрузку облучаемых материалов производят непосредственно в реакторе поочередно по одной мишени;
- условия охлаждения материалов с различным энерговыделением одинаковы.
По своей конструкции описанные облучательные устройства индивидуальны, поэтому за аналоги предлагаемого центрального экспериментального устройства могут быть приняты лишь по совпадению их назначения.
Задачей этого технического решения является создание центрального экспериментального устройства с модульной компоновкой, которая позволяет повысить производительность облучения в замедляющей полости исследовательского ядерного реактора (нейтронной ловушке) за счет увеличения объема облучаемых материалов, а также обеспечивает возможность оперативного (в ходе плановых перегрузок реактора между кампаниями) изменения спектра нейтронного потока в нейтронной ловушке, размеров мишеней и условий охлаждения облучаемых материалов с минимизацией времени на перегрузку путем применения перегружаемых модулей.
Поставленная задача достигается тем, что центральное экспериментальное устройство в замедляющей полости исследовательского реактора, содержит независимо перегружаемые модули с замедлителем нейтронов и облучаемыми материалами, рабочие органы системы управления и защиты реактора, размещаемые в зазорах между модулями, при этом каждый модуль снабжен в верхней части головкой для его перегрузки и хвостовиком - в нижней.
Модуль представляет из себя чехловую конструкцию, внутри которой размещается замедлитель нейтронов и облучаемые материалы. При этом каждый модуль снабжен в верхней части головкой для его перегрузки, а в нижней -  хвостовиком.
Модуль устанавливают в соответствующее гнездо опорной конструкции реактора для фиксации.
Обеспечение требуемой скорости и расхода теплоносителя, охлаждающего модуль достигается установкой в хвостовик дросселирующего устройства (шайбы с отверстием). Изменение скорости и расхода теплоносителя через модуль обеспечивается установкой в хвостовик шайбы с требуемым диаметром отверстия перед загрузкой модуля в реактор. Диаметр шайбы определяется предварительным гидродинамическим расчетом тракта охлаждения активной зоны реактора с центральным экспериментальным устройством модульной компоновки.
Независимые модули, при одинаковых внешних габаритах, могут содержать как одинаковый, так и различный состав замедлителя.
Количество, размеры и геометрия каналов для размещения облучаемых материалов в модулях могут быть различны.
Облучаемые материалы могут загружаться и выгружаться из реактора вместе с модулем, а замена облучаемых материалов в модуле может проводиться как вне, так и внутри реактора.
Состав замедлителя выбирается исходя из задач формирования энергетического спектра нейтронов, обеспечивающего наибольший выход накапливаемых радионуклидов по результатам предварительно выполненного расчета.
В предлагаемом варианте компоновки нейтронной ловушки для размещения облучаемых материалов используется весь объем центральной замедляющей полости с квадратным сечением 140×140 мм реактора СМ, а не только цилиндрическая полость, используемая в реализованных компоновках [Малков А.П., Краснов Ю.А., Петелин А.Л. и др. Физические и эксплуатационные характеристики реактора СМ с различными компоновками нейтронной ловушки. Международная научно-техническая конференция "Исследовательские реакторы в XXI веке". Тезисы докладов. - Москва: ФГУП НИКИЭТ, 2006. С.63], 105 мм, сформированная специальными бериллиевыми вытеснителями, установленными в полость квадратного сечения.
Следовательно - увеличивается количество облучаемого материала (в реализованных вариантах компоновки нейтронной ловушки максимальное количество мишеней диаметром 10 мм - 27 штук, в предлагаемом варианте - до 52 штук) в условиях высокой плотности нейтронного потока.
В полость загружается 4 модуля с головкой для захвата специальным инструментом, используемым при перегрузке. При этом количество перегрузочных операций значительно сокращается, поскольку в реализованных вариантах компоновки нейтронной ловушки каждая мишень перегружается отдельно. Сокращение перегрузочных операций с мишенями приводит к сокращению времени перегрузки реактора и увеличению коэффициента его использования, а также к снижению дозовых нагрузок на персонал.
Использование набора модулей с различными замедлителями нейтронов позволяет менять в определенных пределах интегральные характеристики нейтронного потока в ловушке, оперативно подстраиваясь под требуемую номенклатуру радионуклидов. Варьируя количество, расположение, состав замедлителя и облучаемых материалов, можно воссоздать, в частности, материальный состав всех реализованных на сегодняшний день вариантов компоновки нейтронной ловушки реактора СМ.
Реализуется возможность быстрой замены мишеней в модулях вне реактора - в бассейне выдержки реактора или в защитной камере. Наличие резервных модулей, куда заранее могут быть загружены необлученные мишени, также сокращает время перегрузки и дозовые нагрузки персонала.
В зазорах между модулями размещается центральный компенсирующий орган крестообразного сечения. В зазорах между модулями и тепловыделяющими сборками активной зоны размещаются рабочие органы аварийной защиты.
Предлагаемая компоновка обеспечивает принципиальную возможность размещения в ловушке вместо одного из модулей экспериментального канала с автономным охлаждением облучаемых материалов.
Новыми признаками заявляемого технического решения являются:
- возможность одновременного размещения в нейтронной ловушке модулей с различными замедлителями нейтронов и соответственно со своим энергетическим спектром нейтронов в каждом модуле;
- возможность размещения в зазорах между модулями и/или между модулями и тепловыделяющими сборками активной зоны рабочих органов системы управления и защиты реактора;
- возможность изменения условий охлаждения облучаемых материалов в зависимости от энерговыделения в них путем установки в хвостовике модуля дросселирующего устройства, регулирующего скорость и расход теплоносителя;
- возможность выгрузки и загрузки облучаемых материалов в реактор вместе с модулем, что сокращает время перегрузки реактора;
- возможность увеличения количества облучаемого материала путем эффективного использования всего объема нейтронной ловушки;
- возможность замены облучаемых материалов в модулях вне реактора, в том числе и во время работы реактора, - в бассейне выдержки или в защитной камере;
- возможность установки вместо одного или нескольких модулей экспериментальных каналов с автономным охлаждением облучаемых материалов.
На фиг.1 схематично представлено предлагаемое центральное экспериментальное устройство с модульной компоновкой в замедляющей полости на примере реактора СМ, на фиг.2 - принципиальная схема модуля с облучаемыми мишенями.
Центральное экспериментальное устройство с модульной компоновкой содержит перегружаемые модули - 1, замедлитель нейтронов - 2, который может быть различным (вода, бериллий, гидриды (дейтериды) металлов в различных сочетаниях). Состав замедлителя выбирается исходя из задач формирования энергетического спектра нейтронов, обеспечивающего наибольший выход накапливаемых радионуклидов по результатам предварительно выполненного расчета. Внутри модулей располагаются мишени - 3 с облучаемыми материалами. В зазорах между чехлами модулей, которые могут быть выполнены из циркониевого сплава, располагается центральный компенсирующий орган - 4. Рабочий орган соединен с приводом тягой. 5. В зазорах между модулями и активной зоной располагаются рабочие органы аварийной защиты (РО AЗ) - 6 в направляющих трубах - 7.
Модуль (фиг.2) содержит корпус - 8, транспортирующую головку - 9, хвостовик - 10, дросселирующую шайбу - 11.
Устройство работает следующим образом.
Формируют модули 1, помещая в чехол 8 замедлитель нейтронов 2 и облучаемые мишени 3. При необходимости, для обеспечения требуемых условий охлаждения облучаемых материалов в хвостовик 10 предварительно устанавливают дросселирующую шайбу 11. Диаметр шайбы определяется по результатам предварительных гидродинамических расчетов параметров движения теплоносителя через активную зону реактора с установленными модулями. Модули 1 с облучаемыми материалами с помощью головки 9 загружают в центральную полость реактора. Хвостовики 10 модулей фиксируют его положение в опорной конструкции реактора.
Центральный компенсирующий орган - 4 устанавливают в центральной замедляющей полости в зазоры между модулями. После установки модулей и перегрузки тепловыделяющих сборок в активной зоне реакторная установка выводится на мощность, на которой работает заданный период времени. После остановки реакторной установки модули или модуль выгружают из реакторной установки для извлечения из модулей облученных материалов.