ГЕТЕРОГЕННЫЙ КАНАЛЬНЫЙ ЯДЕРНЫЙ РЕАКТОР НА ТЕПЛОВЫХ НЕЙТРОНАХ
HETEROGENEOUS CHANNEL NUCLEAR REACTOR ON THERMAL NEUTRONS

Изобретение относится к области ядерной энергетики, а именно к конструкциям энергетических гетерогенных канальных реакторов на тепловых нейтронах.
Как правило, активная зона гетерогенных канальных реакторов на тепловых нейтронах формируется из идентичных ячеек, содержащих в центре технологический канал в виде цилиндрической трубы, несущей давление, внутри которой расположены тепловыделяющие сборки (ТВС), состоящие из тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ), содержащих ядерное топливо в виде смеси делящихся и воспроизводящих материалов, и жидкий теплоноситель (вода под давлением, кипящая вода), протекающий вдоль канала и обеспечивающий теплоотвод от ТВЭЛ. Технологический канал окружен замедляющими нейтроны материалами в твердом, жидком состоянии, либо их комбинацией. Назначение замедляющих материалов состоит в формировании спектра нейтронов, обеспечивающего благоприятные условия для цепной реакции деления, эффективного использования ядерного топлива и безопасности. Теплоноситель (вода, кипящая вода), предназначенный для отвода тепла, генерируемого в ТВЭЛ, обладает большой замедляющей способностью и также участвует в формировании спектра нейтронов. Вклад теплоносителя в формирование локального спектра нейтронов по длине технологического канала зависит от его плотности и меняется по мере роста температуры или паросодержания при его движении вдоль технологического канала. Локальная плотность теплоносителя в технологическом канале может претерпевать случайные изменения из-за флуктуаций давления в технологических каналах, расхода и температуры теплоносителя на входе в канал. Поскольку локальный коэффициент размножения, в силу зависимости от спектра нейтронов, прямо зависит от плотности теплоносителя, случайные изменения плотности могут быть причиной локальных изменений коэффициента размножения с соответствующими локальными изменениями плотности энерговыделения в ядерном топливе, что может отразиться на безопасности реактора.
Применительно к канальным реакторам с кипящим теплоносителем в действующих Правилах ядерной безопасности реакторных установок атомных станций (НП-082-07) [1] сформулировано требование, состоящее в том, чтобы значения парового коэффициента реактивности при нормальной эксплуатации и при нарушениях нормальной эксплуатации были близки к нулю.
Известен усовершенствованный канадский реактор ACR-700 с охлаждением водой сверхкритических параметров [2], принятый в качестве прототипа, содержащий активную зону, которая состоит из ячеек, в центре симметрии каждой из которых расположен технологический канал под давлением, внутри которого находится тепловыделяющие элементы с ядерным топливом, жидкий теплоноситель - легкая вода, имеющий возможность циркуляции для отвода тепла, генерируемого в ядерном топливе, тепловая изоляция, примыкающая к внутренней поверхности трубы под давлением, а снаружи технологического канала расположены замедляющие нейтроны материалы в виде тяжелой воды при атмосферном давлении и температуре ниже температуры кипения и имеющей возможность циркуляции для отвода тепла, генерируемого в замедлителе.
Недостатком данного реактора является чувствительность локального коэффициента размножения нейтронов к случайным флуктуациям плотности теплоносителя по длине технологического канала, возникающая при работе реактора на мощности и способная привести к неустойчивости поля энерговыделения и локальному перегреву ядерного топлива.
Техническим результатом изобретения является снижение чувствительности локального коэффициента размножения нейтронов к случайным флуктуациям плотности теплоносителя по длине технологического канала, в том числе - при переходах на альтернативные топливные циклы с использованием плутония и тория.
Технический результат достигается за счет того, что в гетерогенном ядерном реакторе на тепловых нейтронах, содержащим активную зону которая состоит из ячеек, в центре симметрии каждой из которых расположен технологический канал в виде трубы под давлением, внутри которого находятся тепловыделяющие элементы с ядерным топливом, жидкий теплоноситель, имеющий возможность циркуляции для отвода тепла, генерируемого в ядерном топливе, тепловая изоляция, примыкающая к внутренней поверхности трубы под давлением, а снаружи технологического канала расположены замедляющие нейтроны материалы в виде твердого замедлителя с массой А≥10 и жидкого водородосодержащего замедлителя, имеющего возможность циркуляции для отвода тепла, генерируемого в твердом замедлителе, окружающие технологический канал замедляющие нейтроны материалы размещены в виде по меньшей мере двух радиальных слоев, при этом слой, примыкающий к наружной поверхности технологического канала, состоит из жидкого водородосодержащего замедлителя и имеет переменную последовательно увеличивающуюся толщину по длине канала, минимальное значение которой соответствует максимальной плотности теплоносителя на входе в технологический канал и выбрана из условия создания необходимого проходного сечения для обеспечения циркуляции жидкого замедлителя, максимальная толщина соответствует минимальной плотности теплоносителя на выходе из технологического канала, при этом толщина слоя вдоль канала выбрана из условия минимальной чувствительности локального коэффициента размножения нейтронов к локальным изменениям плотности теплоносителя по всей длине технологического канала.
Локальный коэффициент размножения, в силу зависимости от спектра нейтронов, прямо зависит от плотности теплоносителя, случайные изменения плотности могут быть причиной локальных изменений коэффициента размножения с соответствующими локальными изменениями плотности энерговыделения в ядерном топливе. Организация переменной толщины радиального слоя, примыкающего к наружной поверхности технологического канала, состоящего из жидкого водородосодержащего замедлителя, позволяет компенсировать уменьшение замедляющей способности теплоносителя, находящегося внутри технологического канала и имеющего переменную плотность по его длине, тем самым осуществить управление спектром нейтронов и чувствительностью локальных и полного коэффициента размножения, что в свою очередь что приводит к уменьшению коэффициента реактивности по плотности теплоносителя (или паросодержания) в целом по реактору и повышению его безопасности.
В частном случае толщина слоя, примыкающего к наружной поверхности технологического канала, состоящего из жидкого водородосодержащего замедлителя и имеющего переменную последовательно увеличивающуюся толщину по длине канала, изменяется непрерывным образом.
В другом частном случае толщина слоя, примыкающего к наружной поверхности технологического канала, состоящего из жидкого водородосодержащего замедлителя и имеющего переменную последовательно увеличивающуюся толщину по длине канала, изменяется дискретным образом.
Кроме того, в активной зоне в слое твердого замедлителя введены дополнительные каналы, для управления локальным спектром нейтронов и размещения в них замедляющих нейтроны материалов, обладающих малым захватом нейтронов и различающихся по величине замедляющей способности.
Ниже приводится описание конкретного примера выполнения изобретения.
На фиг. 1 представлена ячейка активной зоны гетерогенного канального ядерного реактора с дискретно изменяющимся радиальным слоем жидкого водородосодержащего замедлителя, выполненного в соответствии с данным изобретением и состоит из радиального слоя твердого компонента замедлителя 1, радиального слоя жидкого компонента замедлителя 2, циркониевой трубы, несущей стенку канала 3, радиального слой тепловой изоляции 4 и тепловыделяющую сборку, состоящую из тепловыделяющих элементов 5.
На фиг. 2 представлена ячейка активной зоны гетерогенного канального ядерного реактора с непрерывно изменяющимся радиальным слоем жидкого водородосодержащего замедлителя, выполненного в соответствии с данным изобретением и состоит из радиального слоя твердого компонента замедлителя 1, радиального слоя жидкого компонента замедлителя 2, циркониевой трубы, несущей стенку канала 3, радиального слой тепловой изоляции 4 и тепловыделяющую сборку, состоящую из тепловыделяющих элементов 5.
Были проведены расчетные исследования, которые показали, что организация переменной толщины радиального слоя, примыкающего к наружной поверхности технологического канала, состоящего из жидкого водородосодержащего замедлителя, как непрерывным, так и дискретным образом в совокупности с возможностью выбора состава топлива, режима теплоотвода и состава жидкого замедлителя (легкая вода, тяжелая вода, смесь легкой и тяжелой воды) позволяет компенсировать уменьшение замедляющей способности теплоносителя, находящегося внутри технологического канала и имеющего переменную плотность по его длине, тем самым осуществить управление спектром нейтронов и чувствительностью локальных и полного коэффициента размножения. Слабая чувствительность локального коэффициента размножения нейтронов по длине канала, а вследствие этого - и по объему активной зоны, способствует устойчивости поля энерговыделения в аксиальном направлении и безопасности реактора. В качестве возможных твердых материалов могут быть предложены оксиды легких металлов с атомной массой ≥10 (ВеО, MgO), либо композитные материалы, например, на основе аморфного углерода. В качестве жидкого материала может быть использована легкая вода, тяжелая вода, либо их смесь.
На фиг. 3 представлена совокупность ячеек активной зоны гетерогенного канального ядерного реактора с дополнительными каналами для управления локальными замедляющими свойствами комбинированного замедлителя, выполненная в соответствии с данным изобретением и состоящая из дополнительных каналов 6 и ячеек активной зоны 7.
Были проведены расчетные исследования, которые показали, что диапазон управления локальными замедляющими свойствами комбинированного замедлителя может быть расширен за счет введения в слое твердого замедлителя отдельных дополнительных каналов, предназначенных для помещения в них взаимозаменяемых материалов, обладающих малым захватом нейтронов и обладающих разной замедляющей способностью, как меньшей, так и большей по отношению к основному твердому замедлителю, в том числе соединения, содержащие в своем составе водород и обладающие наибольшей замедляющей способностью (гидрид циркония), оксиды металлов (оксид бериллия, оксид магния), радиогенный свинец, обладающий наименьшей замедляющей способностью, что приведет к достижению минимальной чувствительности коэффициента размножения к флуктуациям плотности теплоносителя по длине технологического канала при различных вариантах используемого топлива, от традиционного слабо обогащенного урана до перспективных вариантов, базирующихся на использовании плутония и тория.
Таким образом достигается основной результат - снижение чувствительности локального коэффициента размножения нейтронов к случайным флуктуациям плотности теплоносителя по длине технологического канала, а также реализуются следующие преимущества:
1. Минимизация количества жидкого замедляющего материала (воды) в активной зоне приводит к уменьшению образования гремучей смеси в результате радиолиза.
2. Низкая температура замедлителя исключает накопление в активной зоне большого количества аккумулированного тепла.
3. Отсутствие контакта труб технологических каналов с твердым замедлителем и контактных механических напряжений, а также их охлаждение жидким замедляющим материалом с низкой температурой повышают их надежность и безопасность реактора.
Изобретение может быть использовано при разработке проектов перспективных канальных ядерных реакторов на тепловых нейтронах, включая реакторы со сверхкритическими параметрами теплоносителя.
Список литературы
1. Правила ядерной безопасности реакторных установок атомных станций НП-082-07 (Официальный документ).
2. Кириллов П.Л. Усовершенствованный канадский ядерный реактор ACR-700 с охлаждением водой сверхкритических параметров. «Атомная техника за рубежом» №1 2005, стр 11.