Отражатель нейтронов ядерного реактора типа ВВР

Полезная модель относится к области атомной энергетики и может быть использована при эксплуатации исследовательских ядерных реакторов, а именно при конструировании отражателей нейтронов из бериллия реакторов типа ВВР.
Использование бериллия в качестве составляющих элементов активной зоны ядерных реакторов известно. Так, активная зона реактора «ИР-8» (РФ, г. Москва) окружена слоями металлического бериллия толщиной 30 см, причем внутренние слои сменные. Использование бериллия позволяет уменьшить объем активной зоны и получить в отражателе максимальную плотность нейтронов.
Активная зона реактора ИВВ-2М (РФ, г. Екатеринбург) включает шестигранные бериллиевые блоки отражателя. Возможно формирование из фигурных бериллиевых блоков полостей диаметром 105 мм, 123 мм и 130 мм, как в центре активной зоны, так и в отражателе. Кроме того, в отражателе различные устройства могут устанавливаться вместо любого из бериллиевых блоков, таким образом, существует возможность для формирования в отражателе активной зоны полости диаметром до 400 мм.
В реакторах СМ (РФ, г. Димитровград), ВВР-м (РФ, г. Гатчина), ВВР-к (Казахстан) также используются элементы из бериллия для уменьшения утечки нейтронов с целью увеличения кампании реактора, при этом располагают бериллиевые отражатели в активной зоне реактора.
Вышеприведенные проектные решения отличаются от предлагаемого использования пространства за активной зоной реактора ВВР-ц (не предусмотренного проектом) для заполнения бериллиевым отражателем сложной формы доступного пространства внутри обечайки сепаратора с целью установки дополнительного облучательного устройства вместо тепло-выделяющей сборки (ТВС).
Известен отражатель нейтронов из бериллия исследовательских энергетических реакторов /Патент РФ №2192675, G21C 5/00, опубл. 10.11.2002 г./, который состоит из отдельных бериллиевых частей блока, размещенных последовательно друг за другом по высоте. Сверху и снизу блок ограничен фланцами, части блока нанизаны на стержни, жестко связанные с фланцами. Снаружи блок ограничен вертикально расположенными пластинами, которые утоплены в материал блока, но расположены с расчетным зазором к прилегающим поверхностям блока. Эти пластины также жестко связаны с фланцами. Между верхней поверхностью верхней части бериллиевого блока и верхним фланцем размещен упругий элемент. Данный вариант конструкции отражателя нейтронов из бериллия соответствует существующей компоновке активной зоны реактора СМ. Недостатком данной конструкции является то, что она является технически сложной и подразумевает наличие чехла, в который вставляются бериллиевые блоки, дистационаторы. В связи с чем возможно появление значительных механических напряжений внутри конструкции при длительной эксплуатации.
Известны конструкции элементов из бериллия для отражения и замедления нейтронов в ядерных реакторах /Патент РФ №2344503, G21C 5/00, опубл. 20.01.2009 г./. Отражатель нейтронов ядерного реактора содержит герметичный чехол из конструкционного материала. Внутри чехла установлен блок из бериллия. Блок составлен, по меньшей мере, из двух частей. Между блоком и чехлом выполнен зазор. Недостатком такой конструкции является наличие герметичного чехла с инертным газом внутри. Существует вероятность разгерметизации корпуса чехла с последующим выходом газа и заполнением пространства теплоносителем.
Известны также блоки замедлителя и отражателя нейтронов, содержащих бериллий, преимущественно для исследовательских реакторов /Патент РФ №2524689, G21C5 /02, опубл. 10.08.2014/, в которых размещение бериллия осуществляется в герметичном чехле. Чехол, определяющий форму блока, герметично соединен с нижним концевиком, внутри чехла находятся гранулы бериллия. Недостатком такой конструкции является сложность изготовления гранулированного бериллия. Также необходимо добиться уплотнения гранул при изготовлении блоков замедлителя до плотности 70-85% от теоретической, а при изготовлении блоков отражателя - до плотности 60-90% от теоретической.
Известно также, что в ядерных реакторах, таких как СМ, в качестве отражателей и замедлителей нейтронов, как правило, используются конструкции в виде массивных, цельных пластин или блоков из металлического бериллия высотой до полуметра и более (Исследовательские реакторы института и их экспериментальные возможности. /Под ред. В.Л. Цыканова, НИИАР, Димитровград, 1992, с. 13; Исследовательские ядерные установки России, Под ред. Н.В. Архангельского, - М.: ОАО «НИКИЭТ», 2012, с. 328). Сверху и снизу такой блок ограничен металлическими фланцами (обычно из нержавеющей стали), а несущим нагрузку, обеспечивающим цельность и жесткость конструкции, является сам материал блока - бериллий. Данный отражатель выбран в качестве прототипа. Недостатком такой конструкции является наличие частей из нержавеющей стали, являющихся поглотителями тепловых нейтроном, что не приемлемо для использования в реакторе ВВР-ц. Из указанных источников литературы неизвестно использование отражателей из бериллия для реактора типа ВВР.
Таким образом, техническая проблема, на решение которой направлена полезная модель, заключается в создании конструкции отражателя нейтронов, выполненного из бериллияи пригодного для эксплуатации в ядерном реакторе типа ВВР. Технический результат - в увеличении эффективного коэффициента размножения нейтронов активной зоны при использовании бериллиевого отражателя на 0,06% от каждого из шести. Таким образом, общий запас реактивности увеличивается на 0,36%.
Для решения технической проблемы и достижения технического результата предлагается отражатель нейтронов ядерного реактора типа ВВР, включающий блок из бериллия, сверху и снизу который ограничен концевыми элементами. Отличительной особенность такого отражателя нейтронов является то, что блок имеет трапецеидальное поперечное сечение. Верхний концевой элемент выполнен в виде головки с возможностью установки и извлечения посредством унифицированного загрузочного устройства и снабжен отверстием для подъема при нештатных ситуациях. Нижний концевой элемент выполнен в виде хвостовика. При этом головка и хвостовик имеют дистанционирующие выступы и выполнены из алюминиевого сплава САВ-1.
Дополнительно отражатель нейтронов может быть установлен в периферийный канал активной зоны реактора.
Сущность заявленной полезной модели поясняется следующими фигурами 1-5.
На фиг. 1 представлен внешний вид предлагаемой полезной модели, где 1 -отражатель нейтронов, 2 - блок из бериллия, 3 - головка отражателя и 4 - отверстие в ней, 5 - хвостовик.
На фиг. 2 представлен соответственно вид сверху заявленного отражателя, 6 и 7 - дистанционирующие выступы.
На фиг. 3 представлена картограмма загрузки стандартной активной зоны ВВР-Ц, где 8 - периферийная полость за активной зоной реактора ВВР-Ц, 9 - ячейка активной зоны, 10 - ТВС.
На фиг. 4 приводится картограмма загрузки активной зоны ВВР-Ц после модернизации, где 11 - добавочный экспериментальный канал.
На фиг. 5 приводится смоделированная для расчета по программе MCNP активная зона реактора ВВР-Ц с полостями, которые могут быть заполнены бериллием.
Отражатель нейтронов ядерного реактора типа ВВР (1) содержит блок из бериллия (2), который сверху и снизу ограничен концевыми элементами. Блок из бериллия (2) имеет трапецеидальное поперечное сечение. Верхний концевой элемент отражателя (1) выполнен в виде головки (3) и снабжен отверстием (4) для подъема при нештатных ситуациях. Нижний концевой элемент отражателя (1) выполнен в виде хвостовика (5). Головка (3) и хвостовик (5) имеют дистанционирующие выступы соответственно (6) и (7) для прохода охлаждающей воды.
Хвостовик (5) и головка (3) выполнены из алюминиевого сплава САВ-1 с целью не уменьшения поглощения тепловых нейтронов.
Периферийная полость (8) активной зоны реактора ВВР-ц, в который устанавливают отражатель нейтронов (1), имеет гексагональное сечение. Размеры отражателя нейтронов (1) полностью соответствуют размерам периферийной полости (8).
Заявленный отражатель нейтронов (1) ядерного реактора работает следующим образом.
Отражатель нейтронов (1) ядерного реактора помещают в активную зону реактора.
Установку отражателя нейтронов (1) производят с помощью унифицированного загрузочного механизма (штанги) посредством захвата головки (4). После загрузки в периферийную полость (8) активной зоны отражатель нейтронов (1) подвергается облучению потоком нейтронов в течение определенного времени (т.е. кампании реактора). При необходимости или в случае аварийной ситуации производят выгрузку отражателей нейтронов (1) с помощью механизма перегрузки и универсального транспортного контейнера. В случае необходимости, на место извлеченного отражателя нейтронов (1) устанавливают другие. Транспортирование отражателя нейтронов (1) осуществляют в «горячие» камеры для визуального осмотра или отправки на отжиг или захоронение. При использовании заявленного отражателя нейтронов (1) можно извлекать одну тепло-выделяющую сборку (10), на периферии активной зоны в и установить на ее место дополнительный вертикальный экспериментальный канал (11) для производства радионуклидов и других целей.
Как видно на фиг. 3, между краями активной зоны и обечайкой сепаратора ИЯУ ВВР-Ц имеются шесть вертикальных полостей, ограниченных сегментами сложной формы из алюминиевого сплава, заполненных водой 1-го контура.
В полости устанавливаются шесть отражателей подобной формы из бериллия на всю высоту активной зоны (фиг. 3).
Проведенные расчеты показали, что предлагаемая конструкция отражателя нейтронов позволяет увеличить запас реактивности активной зоны. Ранее нами была предложена модель активной зоны реактора ВВР-Ц для проведения различных поисковых исследований. При этом была смоделирована активная зона реактора на конец кампании, приведенная на фиг.5, для которой удалось получить при поднятых стержнях РР1-РРЗ Кэфф=0.99942+/-0.00040.
Для исследования влияния замены воды в периферийных полостях бериллием на характеристики активной зоны реактора ВВР-Ц была смоделирована загрузка, аналогичная выполненной с введением двух свежих ТВС. При положениях системы управления и защиты реактора (СУЗ), соответствующих реальному началу кампании, нами было получено Кэфф=0.99916+/-0.00040. В дальнейшем мы пользовались этой смоделированной активной зоной для расчетов, описанных ниже.
Для проверки возможности создания дополнительно одного или двух экспериментальных каналов на периферии активной зоны были смоделировали различные варианты заполнения периферийных полостей активной зоны бериллием и замену одной или двух различных ТВС вытеснителями:
- стандартная зона: Кэфф=0,99916+/-0,00040;
- все шесть полостей на периферии зоны заполнены отражателями из бериллия: Кэфф=1,00274+/-0,00040, т.е. запас реактивности повышается примерно на одну ТВС (0.36%);
Расчеты нейтронно-физических характеристик выполнялись с использованием программы MCNP.
В результате, при сохранении основных характеристик реактора ВВР-ц существенно улучшаются его потребительские свойства, то есть увеличивается количество выпускаемой радионуклидной продукции для нужд ядерной медицины. Например, при производстве радионуклида I-131 в установленном канале можно наработать более 200 Ки/год, при производстве (6-дневного) радионуклида Мо-99 - более 2 100 Ки/год. Это ведет к снижению общей себестоимости радионуклидной продукции производимой на ВВР-ц, в том числе, и социально-значимой медицинского назначения для диагностики и лечения онкологических заболеваний. Данное изобретение может быть применено на ИЯУ ВВР-к (Казахстан), так как данный реактор является конструктивно похожим и имеет такие же полости, пригодные для установки бериллиевых отражателей, такие как и ИЯУ ВВР-ц.