СПОСОБ ИСПЫТАНИЯ ТВЭЛОВ В РЕЖИМЕ ИМПУЛЬСНОГО УВЕЛИЧЕНИЯ МОЩНОСТИ В ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОМ ЯДЕРНОМ РЕАКТОРЕ, РАБОТАЮЩЕМ НА СТАЦИОНАРНОЙ МОЩНОСТИ
TEST METHOD OF FUEL ELEMENTS IN MODE OF IMPULSIVE CAPACITY INCREMENT IN RESEARCH-AND-DEVELOPMENT NUCLEAR REACTOR OPERATING AT STATIONARY CAPACITY

Изобретение относится к ядерной технике и может быть использовано для решения задачи испытания твэлов в режиме импульсного увеличения мощности при заданных температурных параметрах и линейной мощности в исследовательском ядерном реакторе, работающем на стационарной мощности.
Для изучения поведения твэлов новых и усовершенствованных конструкций и обоснования их работоспособности в исследовательских реакторах проводят испытания в стационарных, переходных и аварийных режимах. Одним из видов испытаний является режим, моделирующий импульсное увеличение мощности твэлов. По результатам испытаний определяют предельные значения энергии в зависимости от выгорания топлива и условий охлаждения, при которых происходят разгерметизация оболочки твэлов и фрагментация топлива.
Известно, что подобные испытания проводили в импульсных реакторах [Asmolov V.S., Deniskin V.P., Egorova L.A., Lunin G.L., Pavshuk V.A. Results of the Testing of Fuel Elements of the WWER-1000 Type in Simulated Accident Conditions with Rising Reactivity on Pulsed IGR and GIDRA Reactors // Severe Accidents in Nuclear Power Plants; Proc. Int. Sympos., Sorrento, 21-25 March, 1988. IAEA, Vienna, 1988, v.1, 2, p.235]. К недостаткам таких испытаний относится то, что они проводятся при условиях, которые существенно отличаются от номинальных по исходной линейной мощности твэлов, температуре и режиму охлаждения.
Известен способ испытания твэлов в режиме реактивностной аварии в стационарно работающем исследовательском ядерном реакторе [Способ и устройство для испытания твэлов в режиме реактивностной аварии в стационарно работающем исследовательском ядерном реакторе. Патент №2243605, БИПМ №36, 2004, с.980-981], заключающийся в том, что в канал реактора устанавливают испытательное устройство, включающее экраны из поглощающего материала для регулирования мощности и эффекта реактивности, подготавливают устройство к работе, выводят ядерный реактор на мощность, перемещают экраны в верхнее положение за 0,5-5 с, выдерживают в этом положении до 10 с, вводят стержни аварийной защиты реактора для снижения мощности.
Указанный способ обладает следующими недостатками:
- поглощающий экран, предназначенный для компенсации реактивности, в исходном состоянии расположен в нижней части активной зоны, что приводит к снижению вклада данного ее участка в общую мощность реактора и ограничивает возможности по формированию требуемых нейтронно-физических характеристик, в частности линейной мощности твэлов;
- взаиморасположение поглощающих экранов таково, что испытывать можно только «короткие» твэлы, длина которых не превышает половину высоты активной зоны реактора;
- импульс мощности прекращается срабатыванием аварийной защиты и остановкой всего реактора, что отрицательно влияет на элементы его конструкции и неудобно при проведении в реакторе параллельно других испытаний.
Все это сужает экспериментальные возможности реактора.
Указанные недостатки устраняются тем, что в способе испытания твэлов в режиме импульсного увеличения мощности в исследовательском ядерном реакторе, работающем на стационарной мощности, в один из каналов загружают экспериментальное устройство, включающее исследуемые твэлы, и окружающий его кольцевой рабочий орган, состоящий по высоте из трех жестко связанных частей, причем его крайние части одинаковы по длине, которая сравнима с длиной исследуемых твэлов, и содержат одинаковое количество поглощающего нейтроны материала, во второй канал загружают рабочий орган, также состоящий по высоте из трех жестко связанных частей, причем длины этих частей равны длинам соответствующих частей рабочего органа в первом канале, но только средняя часть содержит поглощающий материал, в количестве, которое обеспечивает равенство по вводимой реактивности с каждой из крайних частей рабочего органа в первом канале, устанавливают рабочие органы в каналах так, что в исходном состоянии на уровне активной зоны реактора находится одна из крайних частей каждого, выводят реактор на мощность, обеспечивающую требуемые температурные параметры и линейную мощность исследуемых твэлов, в заданный момент времени перемещают рабочие органы в обоих каналах одновременно с одинаковой требуемой скоростью в направлении, обеспечивающем замену в активной зоне реактора одной крайней части каждого рабочего органа на другую, продолжают работу реактора в прежнем режиме или обеспечивают его останов в соответствии с регламентом без сброса аварийной защиты.
Данный способ может быть реализован, если в исходном состоянии на уровень активной зоны реактора устанавливают верхние части каждого рабочего органа, и перемещают рабочие органы вверх.
Данный способ может быть реализован, если в исходном состоянии на уровень активной зоны реактора устанавливают нижние части каждого рабочего органа, и перемещают рабочие органы вниз.
Способ может быть реализован, если в исходном состоянии на уровень активной зоны реактора устанавливают верхнюю часть рабочего органа первого канала и нижнюю часть рабочего органа второго канала, перемещение рабочего органа первого канала осуществляют вверх, а второго - вниз.
Способ может быть реализован, если в исходном состоянии на уровне активной зоны реактора устанавливают нижнюю часть рабочего органа первого канала и верхнюю часть рабочего органа второго канала, перемещение рабочего органа первого канала осуществляют вниз, а второго - вверх.
Продолжительность импульса увеличения мощности твэлов регулируют длиной средней части рабочего органа в первом канале.
Размещение рабочих органов в двух каналах и перемещение их одновременно с одинаковой скоростью в направлении, обеспечивающем замену в активной зоне реактора одной крайней части каждого рабочего органа на другую, расширяет экспериментальные возможности реактора: позволяет испытывать «длинные» твэлы и обеспечивает возможность продолжения работы реактора после импульса мощности. При перемещении рабочего органа в первом канале при прохождении мимо исследуемых твэлов средней части рабочего органа реализуется импульсное увеличение мощности и вводится положительная реактивность, при достижении конечного положения рабочего органа твэлы экранируются второй крайней частью, что обеспечивает прекращение импульсного увеличения мощности и ввод отрицательной реактивности, а перемещение рабочего органа во втором канале обеспечивает синхронную компенсацию реактивности, вводимой в первом канале, что позволяет продолжить работу реактора.
Новыми существенными отличиями по сравнению с прототипом являются:
- использование для проведения испытаний двух независимых каналов реактора;
- взаиморасположение частей, содержащих поглощающий материал, кольцевого рабочего органа первого канала таково, что в исходном состоянии одна его крайняя часть экранирует исследуемые твэлы, а другая - находится вне активной зоной,
- прекращение импульсного увеличения мощности за счет экранирования исследуемых твэлов второй крайней частью кольцевого рабочего органа первого канала; компенсация вводимой реактивности синхронным перемещением рабочего органа второго канала,
- обеспечение возможности продолжения работы реактора в прежнем режиме после завершения импульсного увеличения мощности или его останова в соответствии с регламентом без сброса аварийной защиты.
Это позволяет сделать вывод, что заявляемое решение обладает новизной и изобретательным уровнем.
Возможные варианты реализации способа (перемещение рабочих органов) показаны на фиг.1, где а) - в обоих каналах вниз; б) - в первом канале вниз, во втором - вверх; в) - в обоих каналах вверх; г) - в первом канале вверх, во втором - вниз, где цифрами обозначены:
1 - экспериментальное устройство с твэлами;
2 - кольцевой рабочий орган первого канала, крайние части которого содержат поглощающий материал;
3 - рабочий орган второго канала, средняя часть которого содержит поглощающий материал.
Изобретение иллюстрируется следующим примером. В исследовательском реакторе МИР, работающем на стационарной мощности, высота активной зоны которого 1000 мм, необходимо испытать в режиме импульсного увеличения мощности твэлы новой конструкции с высотой активной части 800 мм. Для этого твэлы в составе экспериментального устройства 1 устанавливают симметрично относительно центральной плоскости активной зоны в канал петлевой установки, оборудование которой обеспечивает требуемые параметры теплоносителя. Снаружи экспериментального устройства коаксиально в канал устанавливают кольцевой рабочий орган 2, состоящий по высоте из трех жестко связанных частей, длина каждой составляет 800 мм. Верхняя и нижняя части выполнены из гафния толщиной 1,4 мм, средняя - из алюминиевого сплава такой же толщины.
В параллельный канал устанавливают рабочий орган 3 такой же конструкции, но его верхняя и нижняя части выполнены из алюминиевого сплава толщиной 1,4 мм, средняя - из гафния такой же толщины. В исходном состоянии верхние части кольцевых рабочих органов 2 и 3 размещают симметрично относительно центральной плоскости активной зоны (вариант в на фиг.1). Для обеспечения равенства по реактивности средней части рабочего органа второго канала и крайних частей рабочего органа первого канала вокруг каналов загружают штатные ТВС с одинаковым выгоранием.
Оба рабочих органа 2 и 3 подключают к гидроприводу, обеспечивающему их одновременное перемещение вверх, с требуемой скоростью до положения, когда нижняя часть рабочего органа первого канала 2 окажется симметричной относительно центральной плоскости активной зоны. Реактор выводят на минимально контролируемый уровень мощности. В процессе градуировки органов регулирования проверяют отсутствие ввода реактивности при перемещении рабочих органов 2 и 3. Для этого одновременно медленно перемещают оба рабочих органа 2 и 3 на полный ход, контролируя показания реактиметра. При необходимости корректируют положение ближайших к каналам органов регулирования.
После возвращения рабочих органов 2 и 3 в исходное положение и подключения внутриреакторных датчиков, контролирующих состояние исследуемых твэлов, реактор выводят на уровень мощности, обеспечивающий требуемые параметры теплоносителя и линейную мощность твэлов.
В заданный момент времени оба рабочих органа 2 и 3 с помощью гидропривода одновременно перемещают с требуемой скоростью на полный ход. Это обеспечивает импульсное увеличение мощности исследуемых твэлов при прохождении мимо них средней (свободной от поглотителя) части рабочего органа первого канала 2 и его прекращение при экранировании твэлов нижней частью рабочего органа.
В зависимости от состояния твэлов после испытания реактор может продолжать работу на мощности или будет остановлен по регламенту без сброса аварийной защиты.