РЕАКТОРНАЯ УСТАНОВКА С ИЗМЕНЯЕМЫМ СПЕКТРОМ НЕЙТРОНОВ
REACTOR ASSEMBLY WITH VARIABLE NEUTRON SPECTRUM

Изобретение относится к ядерным энергетическим установкам, а более конкретно к реакторным установкам с ядерными водоохлаждаемыми реакторами с водой под давлением и с техническими средствами воздействия на реактивность.
Известна реакторная установка ВВЭР-1000, содержащая комплекс систем и элементов, включающий реактор с активной зоной и непосредственно связанные с ним системы, необходимые для его нормальной эксплуатации, аварийного охлаждения, аварийной защиты и поддержания в безопасном состоянии (Ф.Я. Овчинников, В.В. Семенов «Эксплуатационные режимы водо-водяных энергетических реакторов». - М.: Энергоатомиздат, 1988, рис. 11.5 на стр. 284-286, а также стр. 55 и 11). Активная зона состоит из тепловыделяющих сборок (ТВС), замедлителя-теплоносителя и средств воздействия на реактивность.
Длительность кампании обеспечивается загрузкой делящихся материалов, т.е. созданием полного запаса реактивности, который в значительной мере компенсируется введением борной кислоты в теплоноситель реактора в начальный период кампании и со снижением ее концентрации до 0 в течение кампании. Необходимая концентрация борной кислоты в теплоносителе обеспечивается системой подпитки теплоносителя раствором борной кислоты в начале кампании и разбавлением теплоносителя реактора чистой водой в течение кампании.
10
Недостатком данного технического решения является поглощение избыточных нейтронов изотопом бора B в теплоносителе, т.е. имеет место неэффективное использование нейтронов для деления ядер урана и получения энергии.
Наиболее близким по технической сущности (прототип) является реакторная установка (И.Н. Васильченко и др. Расчетно-конструкторские проработки активных зон ВВЭР со спектральным регулированием, сборник тезисов 7-й МНТК «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР», Подольск, 17-20 мая 2011, стр. 68-69, доклад на СД «Материалы конференции 7-й МНТК», секция 3 http://www.gidropress.podolsk.ru/files/proceedings/mntk2011/autorun/index-ru.htm), содержащая комплекс систем и элементов, включающий реактор с активной зоной, состоящей из ТВС, замедлителя-теплоносителя и средств воздействия на реактивность, и непосредственно связанные с реактором системы, необходимые для его нормальной эксплуатации, аварийного охлаждения, аварийной защиты и поддержания в безопасном состоянии.
В данном устройстве длительность кампании обеспечивается загрузкой делящихся материалов, т.е. созданием полного запаса реактивности, который компенсируется изменением водо-уранового отношения (ВУО) в процессе кампании и исключается использование борного регулирования с вредным поглощением нейтронов.
m
m
0,5
В ТВС размещены каналы, в которые устанавливаются вытеснители в начальный период кампании для снижения ВУО, которые, по мере выгорания делящихся нуклидов, выводятся из канала с его заполнением водой и повышением ВУО. Первым недостатком этого устройства является ограниченность пространственной области регулирования, вторым недостатком - различие спектра по высоте при перемещении вытеснителя. Указанные недостатки обусловлены тем, что в гетерогенной решетке с водяными полостями (каналы, зазоры между ТВС) спектр будет переменным по сечению ТВС и при перемещении вытеснителей область изменения спектра определяется ее расположением относительно вытеснителя. Практически область ТВС с нерегулируемым или малорегулируемым спектром реализуется в массиве твэлов, отдаленных от каналов с вытеснителями на расстояние, сравнимое и большее, чем длина диффузии (в воде 2,9 см) и длина замедления - L=(6τ) (τ - возраст, для воды L=14 см).
Наличие водяных прослоек между ТВС~0,4 см, а также 4-х и более рядов твэлов в области между каналами с вытеснителями и наличие каналов для перемещаемых вытеснителей (∅28…29 мм) создают условия для переменного спектра по сечению ТВС и ограниченности области с регулируемым спектром около каналов с вытеснителями.
Недостатком данного реактора является значительная неравномерность энерговыделения в твэлах по сечению ТВС, и эффективность спектрального регулирования не велика. Как результат, экономия топлива составляет до 12% и в 2 раза меньше ожидаемой экономии в 25% согласно оценке, полученной для «тесной» решетки (Ф. Ран и др. Справочник по ядерной энерготехнологии. Перевод с английского под редакцией В.А. Легасова. М.: Энергоатомиздат, 1989, стр. 344-345).
Цель изобретения - создание реакторной установки, позволяющей локально (в пределах энергонапряженных ТВС) регулировать спектр нейтронного потока в активной зоне реактора.
Указанная цель достигается тем, что в реакторной установке, содержащей систему теплоносителя первого контура и реактор с внутрикорпусными устройствами, имеющими нижние и верхние посадочные гнезда, в которых установлены соответственно нижними и верхними концевыми деталями тепловыделяющие сборки, согласно изобретению система теплоносителя первого контура снабжена системой подачи газа в нижние посадочные гнезда.
В результате регулирования спектра нейтронного потока улучшается топливоиспользование, под которым понимается наиболее полное использование делящихся изотопов как первичных, так и накопленных (вторичных) в ходе выгорания (Р.З. Аминов и др. АЭС с ВВЭР: Режимы, характеристики, эффективность. М: Энергоатомиздат, 1990, стр. 53-55).
По варианту исполнения система подачи газа имеет инжектор, установленный в нижнем посадочном гнезде внутрикорпусных устройств.
По варианту исполнения система теплоносителя первого контура имеет систему дегазации теплоносителя, выполненную после тепловыделяющих сборок.
Тепловыделяющие сборки (8) могут иметь чехол (12), соединяющий нижнюю (6) и верхнюю (7) концевые детали.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где:
на фиг. 1 изображена система теплоносителя первого контура с системой подачи газа и системой дегазации;
на фиг. 2 - схема внутрикорпусных устройств с системой подачи газа в нижние посадочные гнезда;
на фиг. 3 - тепловыделяющая сборка с чехлом, соединяющим нижнюю и верхнюю концевые детали.
Реакторная установка оснащена системой теплоносителя первого контура (1), содержит реактор (2) с внутрикорпусными устройствами (3), которые имеют нижние (4) и верхние (5) посадочные гнезда. Тепловыделяющие сборки (8) соответственно нижними (6) и верхними (7) концевыми деталями установлены в указанные гнезда (4 и 5).
Система теплоносителя первого контура (1) оснащена системой подачи газа (9) в нижние посадочные гнезда (4). Система подачи газа (9) имеет инжектор (10), установленный в нижнем посадочном гнезде (4) внутрикорпусных устройств (3). В качестве газа может использоваться, например, гелий - газ с высокой теплопроводностью.
Система теплоносителя первого контура (1) имеет систему дегазации (11) теплоносителя, расположенную в контуре и выполненную после тепловыделяющих сборок (8).
Тепловыделяющие сборки (8) могут оснащаться чехлом (12), соединяющим нижнюю (6) и верхнюю (7) концевые детали, или использоваться без чехла.
твэла
твэла
Работа реакторной установки по настоящему изобретению осуществляется следующим образом. В начальный момент кампании запас реактивности максимальный и обеспечивается загрузкой в активную зону свежих ТВС вместо выгоревших ТВС, например, заменяются  части активной зоны для организации годичной кампании ВВЭР-1000 и четырехгодичной кампании топлива. На вход в ТВС по системе теплоносителя первого контура подается водяной теплоноситель, не содержащий борной кислоты. Из системы подачи газа (9) через инжектор (10) подается в ТВС газ, например гелий, равномерно распределенный по сечению на входе ТВС в виде пузырьков определенного размера (d), который больше минимального критического размера, при котором пузырьки не могут образовываться или продолжительно существовать в жидкости из-за эффекта схлопывания пузырей, и менее характерного размера в дистанционирующей решетке (Δ) для исключения разрушения пузырька при прохождении через решетку и последующего схлопывания или образования в решетке локальной газовой полости: Δ≤D-d, D – шаг топливной решетки, d - диаметр твэла. Размер пузырька определяется разностью давления газа и жидкости, коэффициентом поверхностного натяжения жидкости и рассчитывается по уравнению Лапласа. Объемная доля газа в потоке воды задается требуемым ВУО: ВУО~1 в начале кампании; ВУО~2 в конце кампании (Р.З. Аминов и др. АЭС с ВВЭР: Режимы, характеристики, эффективность. М.: Энергоатомиздат, 1990, стр. 53-59).
Следовательно, объемная доля пузырей газа должна быть равна или менее 0,5 в водо-газовой среде.
В начальный момент кампании реактора расход газа максимальный и снижается до 0 по мере выгорания в течение кампании. Применяется инертный, не неактивируемый газ, преимущественно, с высокой теплопроводностью, например, гелий. После ТВС за счет перемешивания происходит частичное или полное растворение гелия в теплоносителе и его последующее выделение в специальной байпасной части контура путем снижения его давления и достижения состояния насыщения. Далее гелий собирается в емкость и посредством компрессора (на чертеже не показано) подается на вход ТВС, в которой необходимо ужесточение спектра нейтронов (свежая ТВС) или сохраняется в балластной емкости.
3
Применение гелия - газа с высокой теплопроводностью (в 3 раза выше теплопроводности водяного пара и в 2 раза меньше теплопроводности воды) в виде пузырьков, направленно движущихся в потоке теплоносителя, приведет к дополнительному перемешиванию воды и улучшению теплообмена. Предельная растворимость гелия в воде ~3,5 см/г (Сборник докладов «Теплофизика - 89», Обнинск, 1992, стр. 381-393).
Применение чехловых ТВС или бесчехловых ТВС позволяет изменять замедление нейтронов на границе между ТВС, тем самым достигая более эффективное топливоиспользование.
Использование заявляемого изобретения в сравнении с известными устройствами обеспечивает экономию топлива примерно в 2 раза большую, чем эффект экономии топлива в устройстве-прототипе.