РАБОЧИЙ ОРГАН СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ И ЗАЩИТЫ РЕАКТОРА НА БЫСТРЫХ НЕЙТРОНАХ

Полезная модель относится к ядерной технике, а именно к рабочим органам системы управления и защиты ядерных реакторов на быстрых нейтронах, и используется для повышения безопасности и экономической эффективности последних.
Известен рабочий орган системы управления и защиты (РО СУЗ) эксплуатировавшихся ранее и действующих в настоящее время реакторах на быстрых нейтронах (РБН) [Уолтер А., Рейнольдс А. Реакторы-размножители на быстрых ней-тронах: Пер. с англ. - М.: Энергоатомиздат, 1986. 624 с] содержащий оболочку, в которой размещен пучок идентичных стержневых поглощающих элементов (пэлов) и вытеснители. Пэлы представляют собой заключенный в стальную оболочку столб поглотителя (в основном карбида бора), состоящий из таблеток.
10
Недостатками данной конструкции являются невысокая объемная доля поглотителя в РО СУЗ и отсутствие возможности ее увеличения. Таким образом, часто, для получения РО достаточно высокой эффективности требуется использование карбида бора с высоким обогащением по изотопу B (до 80-95%), являющегося дорогостоящим материалом.
Известен РО СУЗ [Ponomarneko V.B, Efremov A.I., Gadzhiev G.I. ect., Experience in development, operating and vaterial investigation of the BOR-60 rector control and safety rods, Proceeding of a Technical Committee meeting, Obninsk, Russian Federation, 3-7 July 1995, IAEA - TECDOC-884, 1996, р. 191-199], состоящий из одного поглощающего элемента, представляющего собой заключенный в оболочку столб поглотителя, набранный из таблеток большого диаметра, сравнимого с размером ячейки реактора
Такая конструкция РО СУЗ позволяет существенно увеличить долю поглотителя в рабочем органе и, соответственно, его эффективность.
Недостатком данной конструкции РО СУЗ являются высокие температуры и градиенты температур и, как следствие, термо-механические напряжения в объеме поглотителя, что снижает срок службы поглощающего элемента.
Задачей предлагаемого технического решения является увеличение длительности кампании реактора при одновременном увеличении безопасности реактора путем повышения объемной доли поглотителя в рабочем органе системы управления и защиты реактора на быстрых нейтронах при сохранении приемлемых условий теплосъема.
Для решения этой задачи предлагается рабочий орган системы управления и защиты реактора на быстрых нейтронах включающий корпус и расположенные в нем поглощающие элементы, один из которых выполнен в виде стержня и расположен на оси рабочего органа, а остальные выполнены в виде полых цилиндров и расположены соосно корпусу. Стержневой пэл представляет собой столб поглотителя, заключенный в стальную оболочку. Пэл в виде полого цилиндра представляет собой столб таблеток поглотителя с центральным отверстием, заключенный во внутреннюю и внешнюю стальные оболочки.
Объем поглотителя, толщина оболочек коаксиальных цилиндров, а также величина и состав зазора между поглотителем и оболочкой поглощающих элементов выбирают исходя из требуемых параметров эффективности рабочего органа и условий теплосъема в нем работы.
Центральный поглощающий элемент дополнительно может содержать замедлитель нейтронов.
Материал поглотителя (карбид бора, оксид европия, гидрид гафния и др.) в разных поглощающих элементах может различаться и выбирается исходя из требуемых значений эффективности рабочего органа и условий теплосъема в нем.
10
При использовании карбида бора в качестве материала поглотителя, его обогащение по изотопу B подбирается для каждого пэла исходя из требуемых значений эффективности рабочего органа и условий теплосъема в нем.
При размещении поглотителя в форме цилиндрического слоя (кольца) увеличивается интегральная эффективность РО СУЗ за счет снижения экранировки.
В заявляемой конструкции РО СУЗ появляется возможность добавления поглотителя за счет увеличения толщины кольца или путем установки стержневого пэла в центральную полость.
Расчетные оценки показывают, что при эксплуатации РО СУЗ с кольцевым пэлом, условия теплосъема с внешней и внутренней стороны поглотителя могут быть обеспечены за счет соответствующего подбора расхода теплоносителя.
Выполненные расчеты показали, что наиболее предпочтительным является вариант размещения дополнительного поглотителя в центральном стержневом пэле.
Объем поглотителя, толщина стальных оболочек, а также величина и состав зазора между поглотителем и оболочкой поглощающих элементов выбирают исходя из требуемых параметров физической эффективности рабочего органа и условий теплосъема в нем работы.
Кроме того, центральный поглощающий элемент дополнительно может содержать замедлитель нейтронов (например, обедненный карбид бора - отвалы обогатительного производства), что позволит снизить энергию нейтронов и увеличить, таким образом, скорость захвата нейтронов в цилиндрическом (кольцевом) пэле. Это позволит увеличить эффективность РО СУЗ без добавления дополнительного поглотителя. Таким образом, возможно снижение стоимости РО СУЗ, при относительно невысокой стоимости замедлителя.
В предлагаемой конструкции РО СУЗ поглотитель в центральном пэле можно частично или полностью заменить на замедлитель нейтронов (например, обедненный карбид бора - отвалы обогатительного производства), что позволит снизить энергию нейтронов и увеличить, таким образом, скорость захвата нейтронов в цилиндрическом (кольцевом) пэле. Это позволит увеличить эффективность РО СУЗ без добавления дополнительного поглотителя. Таким образом, возможно снижение стоимости РО СУЗ, при относительно невысокой стоимости замедлителя.
10
При использовании карбида бора в качестве материала поглотителя, его обогащение по изотопу B подбирается для каждого пэла исходя из требуемых значений эффективности рабочего органа и условий теплосъема в нем. Использование карбида бора различного обогащения в кольцевом и стержневом пэлах дает дополнительные возможности по выравниваю тепловыделения в РО СУЗ и соответственно температурных условий облучения.
Заявляемое техническое решение позволяет увеличить объем (массу) поглотителя в РО СУЗ, а также обеспечить надлежащие температурные условия при эксплуатации.
Центральный стержневой пэл, одновременно выполняющий функцию вытеснителя теплоносителя, позволяет выравнивать поле температур в кольцевом пэле.
10
В случае использования в качестве поглотителя карбида бора, обогащенного по изотопу B, заявляемое техническое решение позволит за счет увеличения объема поглотителя использовать карбид бора с меньшим обогащением без уменьшения интегральной эффективности РО СУЗ, что может существенно снизить его стоимость.
В случаях, когда не требуется высокая эффективность конкретного РО СУЗ, например РО АР, и эффективности одного цилиндрического (кольцевого) пэла достаточно, центральный поглощающий элемент может быть удален или заменен на вытеснитель теплоносителя.
Для реакторов на быстрых нейтронах с относительно небольшим поперечным размером ячейки (например - БОР-60), предпочтительной будет 2-х элементная конструкция, состоящая из одного стержневого пэла и одного пэла в виде полого цилиндра. В реакторах на быстрых нейтронах с большим поперечным размером ячейки (например - БН-1200, БРЕСТ) и, соответственно РО СУЗ, для обеспечения приемлемых условий теплосъема возможно применение конструкции с числом цилиндрических пэлов больше одного.
Таким образом, заявляемое техническое решение обеспечивает увеличение объемной доли поглотителя в РО СУЗ, что позволяет либо увеличить физический вес РО СУЗ с целью:
1) получения технической возможности увеличения запаса реактивности и соответственно длительности кампании реактора;
2) увеличения безопасности реактора;
3) снижения стоимости РО СУЗ.
На прилагаемом рисунке показано поперечное сечение рабочего органа системы управления и защиты реактора, где:
1 - стержневой (центральный) пэл,
2 - кольцевой пэл.
10
Как показывают расчеты при замене рабочего органа ручного регулирования (РО РР) реактора БОР-60, состоящего из 7-ми стержневых пэлов, содержащих карбид бора, обогащенный по изотопу B до ~80%. на конструкцию с одним элементом в виде кольца эффективность РО возрастает на ~4%.
10
При установке в образовавшуюся центральную полость стержневого пэла диаметром ~22 мм с карбидом бора (обогащение по B - 80%) эффективность РО РР возрастет на 30-35%.
10
При установке центрального стержневого пэла диаметром ~18 мм, можно снизить обогащение карбида бора по B до 60% без потери интегральной эффективности РО РР, что заметно снижает стоимость последнего.
10
Рабочий орган аварийной защиты (РО АЗ) реактора БН-600 состоит из 7-ми стержневых пэлов, содержащих карбид бора, обогащенный по изотопу B до ~80%.
При переходе от штатной многоэлементной конструкции РО АЗ к конструкции с одним элементом в виде кольца эффективность РО возрастает на ~5%.
10
При установке в образовавшуюся центральную полость штатного стержневого пэла с природным карбидом бора (обогащение по B ~19%) эффективность РО РР возрастет на ~9% относительно штатной многоэлементной конструкции.
10
При установке центрального стержневого пэла диаметром ~35 мм с природным карбидом бора (обогащение по B ~19%) эффективность РО РР возрастет на ~11% относительно штатной многоэлементной конструкции.