ПЕРЕМЕЩЕНИЕ ТРУБЧАТЫХ ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ ВНУТРИ СБОРКИ
TUBULAR FUEL RODS MOVEMENT INSIDE THE ASSEMBLY

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к регулированию интенсивности деления в ядерном реакторе. В частности, изобретение относится к регулированию интенсивности деления в реакторе, в котором топливо содержится во множестве трубчатых тепловыделяющих элементов (обычно называемых топливными стержнями).
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
233
В ядерных реакторах на расплавленных солях (также называемых реакторами, в которых в качестве теплоносителя применяют расплавы солей) критическая масса расщепляющегося (делящегося) материала распределена в расплавленной соли. Обычно ее называют топливной солью. Такие реакторы впервые были созданы в Национальной Лаборатории Oak Ridge в период с 1950-х по 1970-е годы, но, тем не менее, они не нашли успешного коммерческого применения. Они обладают несколькими преимуществами по сравнению с реакторами других типов, а именно: способны производить делящийся U из тория; выделяют гораздо меньшее количество отходов, содержащих актиниды трансурановых элементов, по сравнению с уран-плутониевыми реакторами; работают при высоких температурах; отличаются отсутствием накопления летучих радиоактивных продуктов деления в твердых топливных стержнях и характеризируются гораздо более высокой степенью выгорания расщепляющегося материала по сравнению с максимальной степенью выгорания, которая может быть достигнута в традиционных реакторах.
В патентном документе GB 2508537 рассмотрен ядерный реактор на расплавленных солях, в котором активная зона состоит из множества по существу вертикально расположенных стержней, погруженных в резервуар с теплоносителем, причем каждый стержень содержит топливо в виде солевого расплава. По соображениям безопасности и эффективности, во всей активной зоне предпочтительно поддерживают одинаковую скорость выработки энергии. Если все топливные стержни содержат равные концентрации расщепляющегося материала, то из-за более высоких концентраций нейтронов в центре активной зоны величина вырабатываемой в ней энергии будет максимальной. Для уменьшения этого эффекта в документе GB 2508537 предложено размещать тепловыделяющие элементы в центре сборки на большем расстоянии друг от друга, чем при приближении к краю сборки (или в эквивалентном варианте выбранные стержни оставляют незаполненными), или снижать концентрацию расщепляющихся и/или воспроизводящих изотопов по направлению к центру сборки.
При работе реактора происходит потребление топлива. При этом уменьшается энергия, выделяющаяся в активной зоне. Таким образом, для продолжения работы реактора вместо отработанного топлива нужно добавлять новое. Это может быть осуществлено добавлением соответствующих количеств расщепляющихся изотопов непосредственно в топливные стержни; однако накопление продуктов деления (многие из которых действуют как "нейтронный яд" (поглотитель нейтронов)) делает такую практику экономически невыгодной уже спустя несколько циклов. Отработанные топливные стержни могут быть извлечены из активной зоны и заменены свежими топливными стержнями. Однако для извлечения отработанных топливных стержней из сборки, их нужно поднять над другими топливными стержнями. Для этого необходимо извлечь стержень из теплоносителя, что может привести к опасной ситуации, поскольку топливный стержень все еще находится при очень высокой температуре, или необходимо создать такую глубину толщи теплоносителя, которая была бы достаточной для подъема топливного стержня и его извлечения из активной зоны таким образом, чтобы во время этой операции он находится в толще теплоносителя. Такое решение приводит к значительному увеличению размера и стоимости ресурсов реактора, и, по-видимому, непрактично для ядерного реактора, в котором в качестве теплоносителя применяют расплавленные соли.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Один из аспектов настоящего изобретения относится к способу функционирования ядерного реактора, работающего на делении ядер (также называемого реактором деления). Реактор включает активную зону реактора и резервуар с теплоносителем, содержащий теплоноситель. Активная зона реактора включает сборку, состоящую из топливных кассет. Каждая из топливных кассет расположена по существу вертикально и включает один или более топливных стержней, содержащих расщепляющееся топливо. Топливные стержни погружены в теплоноситель. Способ включает мониторинг и/или моделирование концентраций топлива и/или интенсивности деления в каждой из топливных кассет, и, в зависимости от результатов мониторинга и/или моделирования, перемещение топливных кассет в горизонтальном направлении внутри сборки без подъема топливных стержней над сборкой топливных кассет для регулирования интенсивности деления в активной зоне реактора. Отработанную топливную кассету перемещают по горизонтали к периферической части сборки, не поднимая топливную кассету над сборкой, посредством перемещения ряда или части ряда сборки топливных кассет в направлении периферической части сборки. Затем отработанная топливная кассета может быть извлечена из горизонтальной периферической части сборки и помещена в участок для хранения отработанного топлива, находящийся в резервуаре с теплоносителем, без извлечения отработанной топливной кассеты из теплоносителя.
Другой аспект настоящего изобретения относится к ядерному реактору, работающему на делении ядер. Реактор включает активную зону, резервуар с теплоносителем, содержащий теплоноситель, устройство для перемещения топливных кассет и регулятор активной зоны реактора. Активная зона включает сборку топливных кассет, в которой каждая из топливных кассет расположена по существу вертикально и включает один или более топливных стержней, содержащих расщепляющееся топливо. Топливные стержни погружены в теплоноситель. Конструкция устройства для перемещения топливных кассет позволяет перемещать топливные кассеты в горизонтальном направлении внутри сборки, не поднимая топливные кассеты над сборкой топливных кассет. Отработанную топливную кассету перемещают по горизонтали к периферической части сборки, не поднимая топливную кассету над сборкой, посредством перемещения ряда или части ряда сборки топливных кассет в направлении периферической части сборки. Затем отработанная топливная кассета может быть извлечена из горизонтальной периферической части сборки и помещена в участок для хранения отработанного топлива, находящийся в резервуаре с теплоносителем, причем эта операция не включает извлечения отработанной топливной кассеты из теплоносителя. Регулятор активной зоны реактора выполнен с возможностью определения новой конфигурации устройств топливной кассеты и для перемещения топливных кассет посредством функционирования устройства для перемещения топливных кассет с целью достижения новой конфигурации.
Дополнительные аспекты изобретения рассмотрены в пункте 2 формулы изобретения и последующих пунктах.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
Ниже рассмотрены некоторые неограничивающие предпочтительные примеры осуществления, сопровождаемые графическими материалами, в которых:
На Фиг. 1 представлен вид сверху или снизу части примера осуществления сборки топливных кассет;
На Фиг. 2 представлен вид сверху или снизу примера осуществления реактора деления;
На Фиг. 3А-3Е представлены виды сверху или снизу примеров осуществления сборок топливных кассет;
На Фиг. 4 представлена блок-схема реактора;
На Фиг. 5 представлен вид сбоку примера осуществления топливной кассеты.
СВЕДЕНИЯ, ПОДТВЕРЖДАЮЩИЕ ВОЗМОЖНОСТЬ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Для устранения означенных выше проблем и эффективной работы реактора было предложено решение, согласно которому установленные вертикально топливные стержни можно перемещать внутри сборки и извлекать из сборки без необходимости их подъема над сборкой. Для воплощения этого решения сборка разделена на множество топливных кассет, которые можно перемещать в горизонтальном направлении. При скоординированном перемещении таких топливных кассет возможно передвижение трубчатых тепловыделяющих элементов по направлению к центру сборки по мере выгорания топлива; при этом топливные стержни, содержащие менее минимального количества расщепляющегося/воспроизводящего материала, извлекают из сборки вдоль "отводящего ряда". Во внешние области сборки могут быть добавлены новые топливные стержни. При таком обслуживании изменение концентрации расщепляющегося материала в соответствии с положением может поддерживаться по существу в течение всей кампании реактора.
Каждая топливная кассета занимает ячейку сборки, т.е. участок, который содержит эту топливную кассету и не содержит какой-либо части другой топливной кассеты. Горизонтальное поперечное сечение этих ячеек может иметь любую форму, которая позволяет осуществлять горизонтальное перемещение рядов внутри сборки, например, иметь горизонтальное поперечное сечение в виде треугольника или параллелограмма (согласно настоящему изобретению поперечное сечение в виде параллелограмма, наряду с общей формой параллелограмма, включает ромбическую, прямоугольную или квадратную форму). На Фиг. 1 показан вид сверху или снизу части примера осуществления сборки топливных кассет. Топливные кассеты 101 включают топливные стержни 102. Каждая топливная кассета может рассматриваться как занимающая ячейку 103, ограниченную пунктирными линиями. Для создания плотной упаковки топливных стержней зазор между топливными стержнями и краями ячейки сборки может быть уменьшен до минимального размера.
По мере истощения топлива в каждой топливной кассете, ее перемещают по направлению к центру сборки. Как только топливо в топливной кассете истощается по существу до состояния, в котором его невыгодно использовать в активной зоне ("отработанное топливо"), кассету перемещают, извлекая из сборки. Следует отметить, что это перемещение не требует подъема топливных кассет из теплоносителя: их перемещают по существу в горизонтальном направлении внутри сборки (хотя может возникнуть необходимость в небольшом перемещении по вертикали для разблокирования фиксирующих механизмов).
На Фиг. 2 схематически представлен вид сверху или снизу реактора деления. Активная зона реактора содержит сборку топливных кассет 201 (в этом примере они имеют квадратное поперечное сечение) и окружена отражающими сегментами 202 и бойлерными сегментами 203 (сегментами котла). Сборка имеет "отводящий ряд 204" топлива, который содержит отработанные топливные кассеты. Отработанные топливные кассеты перемещают по направлению к краю сборки, в то время как к отводящему ряду добавляют новые отработанные топливные кассеты (обычно из центра активной зоны). Отработанную топливную кассету, находящуюся на конце отводящего ряда у края сборки, затем извлекают из активной зоны и помещают в "хранилище 205 для отработанного топлива", где она находится до тех пор, пока не остынет до состояния, подходящего для ее безопасного извлечения из теплоносителя. Для извлечения отработанных топливных кассет из активной зоны, в любых компонентах реактора, окружающих активную зону (например, отражающих и бойлерных сегментах), может быть создан "канал 206 для отработанного топлива".
Место для хранения отработанного топлива внутри теплоносителя предпочтительно находится за пределами отражателя нейтронов, расположенного вокруг активной зоны (для предотвращения дальнейшего протекания реакций в отработанном топливе), более предпочтительно снаружи кипятильных (бойлерных) трубок или других устройств для отвода тепла, находящихся в теплоносителе (для того, чтобы устройства для отвода тепла находились в более нагретых участках теплоносителя, что позволяет им работать эффективнее).
На Фиг. 3А-3Е схематично представлены виды сверху или снизу примеров осуществления сборки 300 топливных кассет, которые иллюстрируют возможные пути перемещения топливных кассет через сборку 300. На Фиг. 3А показан отводящий ряд 301 в виде заштрихованных по диагонали топливных кассет. В этих топливных кассетах топливо истощено. Концентрации топлива в других топливных кассетах, находящихся в сборке (полностью залитые треугольники), зависят от их положения в сборке. На Фиг. 3В и 3C представлены возможные пути перемещения топливных кассет из центра активной зоны в отводящий ряд по мере их истощения. На Фиг. 3В топливные кассеты отводящего ряда и одну из истощенных топливных кассет перемещают влево, выталкивая находящиеся у края топливные кассеты за пределы края сборки и образуя в сборке зазор 302 в виде параллелограмма. На Фиг. 3С другие топливные кассеты, которые должны быть перемещены в отводящий ряд, перемещают в этот зазор, а отработанные топливные кассеты, находящиеся снаружи сборки 303, перемещают в участок для хранения отработанного топлива. Для перемещения ближе к центру активной зоны выбран ряд 304, отмеченный шахматным рисунком. Выбор может быть сделан на основании текущей концентрации топлива в каждом ряду сборки. На Фиг. 3D ряд 304 перемещают по диагонали вниз и влево, так что он заполняет зазор в центре сборки. При этом образуется зазор у края сборки, который затем заполняют новыми топливными кассетами 305, как показано на Фиг. 3Е.
Более сложные перемещения могут быть осуществлены, например, за счет смещения лишь части ряда в зазор, оставленный в центре, что приводит к образованию нового зазора на другом участке сборки, в который может быть перемещен другой ряд, передвигаемый в другом направлении (по существу передвижением стрежней "зигзагом" по сборке). В общем, в случае треугольной сборки ряды и части рядов сборки можно выдвигать из сборки или можно перемещать внутри сборки, создавая в ряду зазор, имеющий форму параллелограмма (т.е. зазор из двух ячеек сборки), и смещая ряд или часть ряда для заполнения этого зазора. В случае сборки, имеющей форму параллелограмма, для перемещения ряда необходимо создать зазор лишь в виде одной ячейки.
Новые топливные кассеты могут быть опущены в сборку сверху, или они могут быть поданы в горизонтальном направлении к краю сборки. В принципе, если новые кассеты опускают сверху, то они могут быть добавлены в любой участок сборки, но наилучшего результата достигают, если топливные кассеты подводят к наружной части сборки, и перемещают их по направлению к внутренней части сборки по мере снижения концентрации расщепляющегося материала в топливной кассете.
В качестве альтернативы отводящему ряду, заполненному отработанными топливными кассетами, в отводящем ряду может не находиться ни одной топливной кассеты, поскольку топливные кассеты, перемещенные в отводящий ряд, немедленно удаляют в горизонтальном направлении из активной зоны. Однако такой подход может нарушать стабильность топливных кассет, расположенных вблизи отводящего ряда. Другая альтернатива состоит в создании временного отводящего ряда посредством перемещения всех топливных кассет в определенном направлении относительно требуемого отводящего ряда, в направлении от ряда, с образованием пустого канала, по которому может перемещаться отработанное топливо. Согласно другому альтернативному варианту, топливные кассеты могут быть сдвинуты в рядах последовательно таким образом, что кассеты с отработанным топливом перемещаются только на один "шаг" за один раз (т.е. образуя зазор перед отработанными топливными кассетами и закрывая зазор позади топливной кассеты после того, как она пройдет зазор).
Перемещение может быть выполнено на основании данных мониторинга интенсивности деления и/или концентрации расщепляющегося материала в топливных кассетах. Эти параметры могут быть измерены непосредственно или определены на основании вторичных индикаторов, таких как:
- концентрация расщепляющегося материала в топливной кассете
- тепловыделение в топливной кассете
- температура топливной кассеты
- ионизирующее излучение, вырабатываемое топливной кассетой
- скорость образования продуктов деления
- поток нейтронов внутри или снаружи топливной кассеты
В альтернативном варианте интенсивность деления и/или концентрация расщепляющегося материала внутри сборки может быть смоделирована предварительно для определения порядка перемещения, которому следуют в течение кампании реактора.
На Фиг. 4 представлена блок-схема реактора, который может быть использован для осуществления рассмотренного выше способа. Реактор включает активную зону 401 реактора, включающую сборку топливных кассет 402, рассмотренную выше, устройство 403 для перемещения топливных кассет и регулятор 404 активной зоны реактора. Конструкция устройства для перемещения топливных кассет предназначена для перемещения топливных кассет в горизонтальном направлении внутри сборки, не поднимая их над теплоносителем, например, как описано выше. Это может быть выполнено, например, с помощью механизма крана, расположенного выше сборки топливных кассет, который может захватывать соединительные устройства, находящиеся в верхней части топливных кассет. Регулятор активной зоны реактора предназначен для определения новой конфигурации размещения топливных кассет (например, из результатов мониторинга топливных кассет, как описано выше, или из результатов моделирования, как описано выше, или посредством возвращения к конфигурации, определенной ранее из результатов моделирования) и для перемещения топливных кассет посредством функционирования устройства для перемещения топливных кассет с целью достижения новой конфигурации.
Реактор может дополнительно включать блок 405 датчиков, предназначенный для мониторинга скорости реакций деления и/или концентраций расщепляющегося материала в топливных кассетах, и результаты мониторинга могут быть использованы регулятором активной зоны реактора для определения новой конфигурации.
На Фиг. 5 представлен пример конструкции топливной кассеты 500. Топливная кассета содержит множество трубчатых тепловыделяющих элементов 501, каждый из которых имеет конструкцию, показанную в левой части изображения. Топливные стержни удерживаются на месте в топливной кассете с помощью верхней 502 и нижней 503 решетки, которые поддерживают стержни на некотором расстоянии верхнего и нижнего конца топливной кассеты. При таком расположении топливные стержни оказываются подвешенными в теплоносителе, не располагаясь слишком близко к днищу или верхней части резервуара с теплоносителем. Топливная кассета поддерживается конструкционными трубками 504, и боковые участки топливной кассеты по большей части открыты, что позволяет теплоносителю протекать между топливными стержнями.
Верхняя часть топливной кассеты имеет такелажные узлы 505 для присоединения к устройству для перемещения топливных кассет реактора. Такелажные узлы могут быть захвачены устройством для перемещения топливных кассет, обеспечивающим перемещение топливных кассет в горизонтальном и вертикальном направлении. Вертикальное перемещение топливных кассет может быть ограничено, кроме как в помещении для охлаждения отработанного топлива, для предотвращения выемки все еще горячих топливным кассет из теплоносителя в случае неправильного срабатывания. Специалистам в данной области техники должно быть понятно, что такелажные узлы являются лишь одним из возможных примеров осуществления соединительного устройства, которое может быть зафиксировано в устройстве для перемещения топливных кассет реактора.
Нижнему концу 506 топливной кассеты придана форма, позволяющая вводить его в соответствующее гнездо на дне резервуара реактора. В представленном примере топливная кассета имеет коническую оконечность, но она может иметь любую подходящую форму, позволяющую вставлять ее в гнездо и удерживать на месте под действием силы тяжести. Для надежной фиксации топливной кассеты, топливная кассета может быть сконструирована таким образом, который обеспечивает ее отрицательную плавучесть в теплоносителе, представляющем собой расплавленную соль, например, к нижнему концу топливной кассеты может быть добавлена дополнительная масса. Для выполнения горизонтального перемещения топливной кассеты, топливную кассету поднимают на высоту, достаточную для высвобождения нижней части топливной кассеты из гнезда, но не для извлечения топливных стержней из теплоносителя, после чего ее можно перемещать в горизонтальном направлении, как рассмотрено выше. Дополнительно или в альтернативно случае для закрепления основания топливной кассеты могут быть использованы механические, магнитные или другие средства крепления, при условии, что они могут быть высвобождены при возникновении необходимости в перемещении топливной кассеты. В случае магнитного соединения это соединение может быть создано между электромагнитом, находящимся на топливной кассете, и электромагнитным или ферромагнитным или парамагнитным материалом, находящимся в реакторе, или наоборот, или между постоянным магнитом (например, ферромагнитным материалом), имеющимся на топливной кассете, и другим постоянным магнитом или парамагнитным материалом, находящимся в реакторе. Топливная кассета также может иметь устройства крепления, позволяющие присоединять ее к соседним топливным кассетам. Такие устройства крепления могут быть разъединены для создания возможности перемещения топливных кассет внутри сборки. Если нужно переместить сразу множество кассет (например, как показано на Фиг. 3В), то кассеты могут оставаться скрепленными друг с другом во время перемещения. В общем, топливная кассета имеет соединительное устройство, конструкция которого позволяет присоединять кассету к другой топливной кассете или к крепежной конструкции реактора, для того, чтобы разъемным образом закрепить топливную кассету в надлежащем положении.
Топливная кассета может включать один или более датчиков для определения скорости деления или концентрации расщепляющегося материала в топливных стержнях; в альтернативном варианте каждый топливный стержень или подгруппа топливных стержней может индивидуально включать такие датчики, и скорость или концентрация могут быть определены индивидуально для каждого из топливных стержней.
Несмотря на то, что такая система управления топливными кассетами может быть использована во множестве различных конструкций реакторов, она особенно подходит для ядерного реактора на расплавленных солях, поскольку такой реактор работает под давлением, близким к атмосферному, и солевой теплоноситель не реагирует с воздухом. В тех реакторах, в которых поддерживают высокое давление или имеется реагирующий с воздухом солевой теплоноситель, наличие открытой верхней поверхности теплоносителя будет дополнительным фактором риска возникновения пожара.
Количество трубчатых тепловыделяющих элементов (стрежней) в топливных кассетах должно быть выбрано в соответствии с требуемыми нейтронно-физическими характеристиками реактора. Большее количество стержней в кассете позволяет располагать индивидуальные стержни более плотно (в результате чего для создания заданной скорости реакции в каждый стержень следует поместить меньшее количество топлива), но ухудшает точность регулирования скоростей реакций в активной зоне (поскольку это требует одновременного перемещения большого количества стрежней). Напротив, меньшее количество стержней в кассете позволяет точно регулировать скорости реакций (в предельном случае, когда кассета содержит только один стержень, местоположение каждого стержня может быть оптимизировано), но требует большего среднего разделения стержней во всей активной зоне (поскольку для обеспечения свободы перемещения стержни, находящиеся у краев кассет, должны находиться достаточно далеко от соседней кассеты).
Соответственно, в соответствии с требуемыми нейтронно-физическими характеристиками реактора могут быть выбраны различные формы топливных кассет, упаковка стержней в кассетах и форма активной зоны реактора.
Для лучшего регулирования нейтронно-физических характеристик реактора могут быть созданы кассеты, в которых один, более или все топливные стержни заменены пустыми стержнями или стержнями, содержащими поглотитель, замедлитель и/или отражатель нейтронов. Может быть организовано перемещение таких кассет с целью создания требуемых интенсивностей деления в активной зоне.
Осуществление дополнительного регулирования нейтронно-физических характеристик реактора может включать установку поглотителей нейтронов, имеющих другие скорости выгорания в топливной соли, обеспечивающие снижение реакционной способности топливной соли с меньшей скоростью, чем при обычном истощении расщепляющихся изотопов.