РЕГУЛИРУЮЩИЙ СТЕРЖЕНЬ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА НА БЫСТРЫХ НЕЙТРОНАХ (ВАРИАНТЫ)

Регулирующий стержень ядерного реактора на быстрых нейтронах (варианты)
Изобретение относится к области ядерной энергетики, его использование позволит повысить безопасность и эффективность эксплуатации атомных электростанций (АЗС), содержащих реакторы-размножители на быстрых нейтронах (БН) с жидкометаллическим теплоносителем (натрием).
Известен регулирующий стержень системы управления и защиты (СУЗ) для быстрых энергетических реакторов с поглощающей частью из комбинации материала замедлителя быстрых нейтронов, например, гидрида циркония, дейтерида циркония, бериллия, карбида и т.п., и материала поглотителя замедленных нейтронов с размещением замедлителя как внутри поглотителя так и инверсным образом /1/, благодаря чему при экономии материала поглотителя добиваются повышения эффективности поглощающего стержня при погружении его в канал стержня сиз активной зоны реактора типа БН.
Однако, указанная конструкция стержня СУЗ не изменяет положительного натриевого пустотного эффекта реактивности (НПЗР).
Известен также регулирующий стержень СУЗ с размещением замедлителя снаружи поглотителя в поглощающей части стержня СУЗ/2/, что позволяет добиться выравнивания плотности энерговыделения в топливе вблизи канала стержня СУЗ при погружении последнего в активную зону реактора.
Однако, указанная конструкция стержня СУЗ не изменяет положительного натриевого пустотного эффекта реактивности (НПЗР).
Известен регулирующий стержень ядерного реактора на быстрых нейтронах с поглощающей частью, содержащей замедлитель нейтронов и поглотитель нейтронов, расположенный на переферии стержня/3/, который наиболее близок по своей технической сути предложению и поэтому выбран в качестве прототипа, В указанном стержне для повышения эффективности регулирования и увеличения срока службы по крайней мере на одном торце поглощающей части стержня размещен слой поглотителя нейтронов, что: увеличило скорость ввода отрицательной реактивности в активную зону реактора (реактивность реактора есть величина, характеризующая его отклонение от критического состояния); устранило всплеск знерговыделения в тепловыделяющих элементах (твэлах) вблизи торца поглощающей части стержня; привело к осмни G21C 7/10
лаблению потока нейтронов из активной зоны на замедлитель через его торец; уменьшило выгорание поглотителя из-за замедления нейтронов.
Однако, указанная конструкция стержня СУЗ также не изменяет положительного натриевого пустотного эффекта реактивности (НПЗР).
В основу настоящего изобретения положена задача снижения положительного натриевого пустотного эффекта реактивности (НПЗР), повышения эффективности стержней и выравнивания энерговыделения в топливе реактора вблизи каналов стержней СУЗ, что повышает безопасность эксплуатации реакторов на быстрых нейтронах с натриевым теплоносителем.
Сущность изобретения заключается в том, что регулирующий стержень ядерного реактора на быстрых нейтронах с натриевым теплоносителем, поглощающая часть которого содержит поглотитель нейтронов, снабжен замедлителем нейтронов, который расположен по оси стержня вне его поглощающей части и примыкает к одному из ее торцов с зазором в две-три длины свободного пробега нейтронов.
Целесообразно для повышения эффективности регулирующего стержня ядерного реактора на быстрых нейтронах с натриевым теплоносителем, поглощающая часть которого содержит поглотитель и замедлитель нейтронов, снабдить стержень дополнительным замедлителем нейтронов, который расположен по оси стержня вне его поглощающей части и примыкает к одному из ее торцов с зазором в две-три длины свободного пробега нейтронов.
Целесообразно для повышения эффективности регулирующего стержня ядерного реактора на быстрых нейтронах с натриевым теплоносителем, поглощающая часть которого содержит поглотитель и замедлитель нейтронов, имеющий на одном из торцов участок поглотителя, снабдить стержень дополнительным замедлителем нейтронов, который расположен по оси стержня вне его поглощающей части и примыкает к его торцу, не содержащему замедлитель, с зазором в две-три длины свободного пробега нейтронов.
Целесообразно во всех случаях для повышения эффективности эксплуатации реактора дополнительный замедлитель нейтронов выполнить из дейтерида циркония.
Особенность предлагаемого устройства заключается в том, что регулирующий стержень снабжен замедлителем нейтронов (в дальнейшем именуемый как дополнительный замедлитель), который расположен по оси стержня вне его поглощающей части и примыкает к одному из ее торцов с зазором в две-три длины свободного пробега нейтронов.
что позволяет снизить или полностью устранить положительный натриевый пустотный эффект реактивности, повысить эффективность стержней и выровнять поле энерговыделения в топливе реактора вблизи каналов стержней СУЗ. Все указанное повышает безопасность эксплуатации ядерного реактора на быстрых нейтронах с натриевым теплоносителем .
На рис.1 схематично изображен регулирующий стержень реактора на быстрых нейтронах с натриевым теплоносителем (прототип).
На рис.2 схематично изображен регулирующий стержень реактора на быстрых нейтронах с натриевым теплоносителем, с дополнительным замедлителем нейтронов.
На рис.3 показано поведение поля нейтронов и плотности энерговыделения в канале стержня СУЗ и прилегающих к нему топливных тепловыделяющих сборках, а имеено: для случая, когда стержень СУЗ изъят из реактора (рис.За); для случая, когда в канале стержня СУЗ по его оси находится замедлитель нейтронов (рис.36); для случая, когда в канале стержня находится поглотитель нейтронов (рис.Зв).
Предлагаемое устройство регулирующего стерженя для быстрых энергетических реакторов состоит из трех звеньев: верхнего 1, среднего 2 и нижнего 3 (рис.1,2), шарнирно соединенных между собой. Верхнее звено состоит из захватной головки 4 и удлинительной трубы 5. Нижнее звено 3, выполненное из трубы 6 и наконечника , является удлинителем и выполняет роль направляющего участка. Среднее звено 2 (рабочее) содержит поглощающую часть 8. Поглощающая часть 8 обычно состоит из набора поглощающих элементов (пэлов), представляющих собой металлические трубки заполненные поглотителем, например, карбидом бора и т.п.(на рис. не показаны). Стержень в реакторе расположен в гильзе СУЗ 9 (рис.1), представляющей собой трубу с хвостовиком в нижней части, в котором установлены дроссельные шайбы для дозировки расхода теплоносителя на охлаждение стержня СУЗ (на рис. не показаны). Поглощающая часть 8 может содержать как поглотитель 10, так и замедлитель нейтронов 11, как в прототипе (рис.1). В предложенном регулирующем стержне поглощающая часть 8, содержащая замедлитель нейтронов 11, снабжается дополнительным замедлителем нейтронов 12, расположенным по оси стержня, вне его поглощающей части, который примыкает к одному из торцов поглощающей части 8 с зазором, величина которого составляет дветри длины свободного пробега нейтронов (рис.2). Дополнительный замедлитель 12 может быть выполнен из дейтерида циркония. Дополнительный замедлитель 12 может быть весь расположен в среднем звене
2 (рис,2). Длина дополнительного замедлителя 12 определится активной зоной реактора, в которой стержень СУЗ будет использован. Максимальный полезный эффект будет иметь место тогда, когда поглотитель 10 полностью извлечен из активной зоны реактора, а дополнительный замедлитель 12 расположится в канале стержня СУЗ по активной зоне реактора, включая его середину, т.е. перекроет область положительного НПЭР. При перемещении стержня в активную зону реактора часть дополнительного замедлителя 12 может и выходить из активной зоны.
Из замедляющих материалов, упомянутых выше, наиболее предпочтительным является дейтерид циркония. Гидрид циркония обладает лучшими замедляющими свойствами, но, из-за замедления на ядрах водорода, часть нейтронов становится тепловыми и попадает в область энергии с повышенным сечением деления на делящемся материале, что снижает величину падения положительного НПЭР. Бериллий и углерод, обладая худшими, по сравнению с дейтерием, замедляющими свойствами, обеспечивают меньшую, чем дейтерий, величину падения положительного НПЭР. По технологическим параметрам дейтерид циркония не уступает гидриду циркония. Кроме того, дейтерий и бериллий в реакторе служат дополнительным источником запаздывающих нейтронов при их расщеплении гамма-квантами осколков деления, что обеспечивает дополнительное повышение безопасной эксплуатации реактора. Следует отметить, что в дейтерии выход запаздывающих нейтронов на порядок выше, чем в бериллии.
При такой конструкции регулирующего стержня ядерного реактора на быстрых нейтронах с натриевым теплоносителем он используется при работе ядерного реактора следующим образом:
- В рабочем положении, когда поглощающая часть 8 изъята из активной зоны реактора, в активной зоне в центре канала стержня СУЗ находится дополнительный замедлитель 12. В этом случае теплоноситель, разделяющий дополнительный замедлитель 12 и топливо в соседних с каналом стержня СУЗ тепловыделяющих сборках (ТВС), экранирует дополнительный замедлитель от быстрых нейтронов топлива, а топливо от замедленных на дополнительном замедлителе 12 нейтронов и не ведет к повышению энерговыделения в топливе прилегающих ТВС, либо ведет к выравниванию плотности энерговыделения в топливе вблизи канала стержня СУЗ (рис.За,36). Уровень повышения энерговыделения в топливных твэлах прилегающих к каналу со стержнем СУЗ определится размерами центральной области стержня с дополнительным замедлителем 12 и материалом последнего. При любом конструктивном
оформлении ввода поглощающей части стержня в активную зону реактора ( сверху вниз, снизу вверх и т.д.) ему должен предшествовать ввод дополнительного замедлителя 12.
-При аварийной ситуации с исчезновением теплоносителя из центра активной зоны, т.е. из области с положительным НПЭР, и несрабатывании аварийной защиты быстрые нейтроны топлива легко достигают дополнительного замедлителя 12. В отличие от ситуации без такого стержня, когда спектр нейтронов ужестчается, что ведет к положительному НПЗР, в случае со стержнем с дополнительным замедлителем произойдет смягчение спектра с уводом части нейтронов в резонансную область поглощения на уране-238, что приводит к снижению положительного значения НПЭР и при соответствующих размерах и материале замедлителя, например, дейтериде циркония, к неположительности НПЗР, что, в конечном счете, и обеспечит безопасность ядерного реактора данного типа.
-При вводе поглощающей части стержня в активную зону эффективность ее превысит эффективность поглощающей части стержня прототипа (рис.1), так как плотность потока нейтронов в гильзе с предлагаемым стержнем, из-за наличия в нем дополнительного замедлителя, будет выше, чем для стержня прототипа Срис.3а,3б,3в), а зазор в две-три длины свободного пробега нейтронов между поглощающей частью стержня и дополнительным замедлителем нейтронов 12 не увеличивает выгорание материала поглотителя 10.
Расстояние между поглощающей частью 8 и дополнительным замедлителем 12 в две-три длины свободного пробега нейтронов необходимо для уменьшения выгорания поглотителя из-за замедления нейтронов в дополнительном замедлителе. При таком зазоре плотность потока нейтронов, падающего на ближайший к дополнительному замедлителю торец поглощающей части 8, определится, главным образом, плотностью потока нейтронов из окружающих тепловыделяющих сборок. Таким образом, уменьшение зазора при росте эффективности поглощающей части 8 гарантирует рост выгорания поглотителя 10 в ее торце, что приведет к снижению эффективности поглощающей части 8 со временем. Увеличение же зазора, практически не влияя на скорость выгорания поглотителя 10 в поглощающей части 8, уменьшит ее эффективность из-за отсутствия дополнительного замедлителя 12 с высокой плотностью потока нейтронов.
Источники информации, принятые во внимание при экспертизе
1.Патент Англии N 1056950, класс G6C от 08.12.65.
2.Патент СССР N 497880, класс G21c /103 от 12.07.73.
3.Патент РФ N 1730956 класс G21c 7/10 опубликован 13.07.87. (прототип).
4.Хаммел Г., Окрент Д. Коэффициенты реактивности в больших энергетических реакторах на быстрых нейтронах. Атомиздат, 1975.
Заявитель - Х-Й1. инж. ГП ВНИИАЭС ГП ВША1Гу / Б.К.Кудрявцев