УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОМПЕНСАЦИИ РЕАКТИВНОСТИ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА И СПОСОБ ВЫРАВНИВАНИЯ ОБЪЕМНОГО ЭНЕРГОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ И ВЫГОРАНИЯ ТОПЛИВА Российский патент 1994 года по МПК G21C7/08 

Изобретение относится к ядерной технике, а именно, к компенсации начальной избыточной реактивности и выравниванию выгорания по объему активной зоны реактора.

Известно устройство для компенсации реактивности. Компенсация реактивности осуществляется двухступенчатыми стержнями аварийного назначения, состоящими из урана в нижней их части и поглотителя тепловых нейтронов в верхней части. Эти стержни при аварийной ситуации сбрасываются из активной зоны тем, что поглощающая их часть опускается в часть активной зоны (по высоте), а нижняя (из урана) выводится из активной зоны[1].

Недостатком этого устройства является то, что этим способом осуществляется только малая часть общего начального запаса реактивности реактора. Для компенсации же основного запаса реактивности на выгорание топлива, предназначенного для длительной кампании реактора, это устройство и способ не могут быть использованы.

Известно также устройство для компенсации реактивности теплового уран-графитового реактора. Компенсация начальной реактивности в этом устройстве осуществляется вводом в реактор многочисленных поглощающих нейтроны элементов, перемещаемых по мере выгорания реактора, основная часть которых извлекается вверх полностью, а меньшая часть в высоту, равную 0,5 высоты активной зоны, вниз. Основная часть этих элементов, извлекаемая вверх, имеет высоту, равную высоте активной зоны и размещена равномерно по всей активной зоне [2].

Недостатком такого решения является сложность устройства и управления, определяемая большим количеством приводов и их каналов. Кроме того, компенсация температурного эффекта, стационарного отравления и подкритичности при подъеме стержней создает сразу значительную высотную неравномерность поля.

Задачей изобретения является упрощение устройства компенсации реактивности при одновременном увеличении относительной глубины выгорания (т.е. увеличение кампании при заданном расходе урана). При этом достигается технический результат, заключающийся в выравнивании выгорания топлива по объему активной зоны реактора, а также в исключении применения выгорающих поглотителей. Кроме того, обеспечивается возможность получения для промышленного использования двух гамма-источников большой мощности в виде объемной конструкции с внутренней полостью, которая не требует сборки ее радиоактивных деталей, и второго гамма-источника в виде цилиндра, тоже собранного из поглощающих элементов.

Указанный технический результат достигается тем, что устройство состоит из двух независимо перемещаемых органов: центральной компенсирующей решетки (ЦКР), представляющей собой пакет поглощающих элементов, закрепленных между нижней и верхней пластинами, расположенных по одному в центре замедлителя, находящегося между, например, тремя тепловыделяющими каналами, если все топливные элементы в активной зоне размещены в вершинах углов треугольной топливной решетки и внешней, также утроенной компенсирующей решетки ВКР. При этом ЦКР перемещается одним приводом, а ВКР по крайней мере двумя приводами, установленными по центру тяжести полуколец ВКР, охватывающих ЦКР.

Внешняя компенсирующая решетка имеет две ступени "черноты" (поглощающей способности на единицу ее длины), составляющих решетку поглощающих элементов, например кобальтовых трубок. Нижняя ступень при этом имеет существенно более низкую поглощающую способность в сравнении с "чернотой" верхней ступени, которая делается предельно максимальной для тепловых нейтронов. Поглощающая способность ("чернота) центральной КР делается в 1,5-2,0 раза большей, чем для нижней ступени внешней КР для выравнивания поля по радиусу зоны, что уточняется расчетом на оптимум. Высота нижней ступени внешней КР делается равной высоте активной зоны или несколько меньше (на 10-20% ), что определяется высотной неравномерностью поля по высоте, изменяющейся в течение кампании. Высота верхней ступени ВКР делается из расчета компенсации запаса реактивности реактора на стационарное отравление, температурный коэффициент и создания подкритичности реактора со свежим топливом в начале кампании; при ограничении в проекте размеров по высоте установки "черная" ступень при опускании ВКР на нижние упоры может входить в активную зону даже полностью, верхней своей границей опускаясь ниже верхней границы активной зоны настолько, что открывающаяся при этом над ней часть активной зоны оставалась достаточно подкритической.

Высота ЦКР делается несколько меньшей высоты активной зоны (0,8-0,9) за счет части активной зоны свободной от ЦКР - из расчета ее глубокой подкритичности. Свободная от ЦКР верхняя центральная часть активной зоны является дополнительным средством выравнивания поля энерговыделения по высоте активной зоны и увеличения выгорания топлива. Когда ВКР находится на нижних упорах в начале кампании, то свободная от ЦКР часть зоны экранируется по окружности верхней ("черной") ступенью ВКР, а снизу центральной КР. Для такого состояния ее объем рассчитывается на достаточную подкритичность. По мере же подъема ВКР этот свободный над ЦКР объем активной зоны освобождается от экранировки "черной" ступенью, ушедшей из зоны для "горячего и стационарно-отравленного" состояния свежей загрузки. Для состояния "холодный и неотравленный" для реактора со свежим топливом нижняя граница ЦКР совпадает с нижней границей активной зоны. Диаметр ЦКР составляет 0,15-0,20% активной зоны. Внешний диаметр верхней ступени ВКР равен диаметру активной зоны, а внешний диаметр нижней ступени ВКР делается меньше диаметра активно зоны (0,8-0,85), что уточняется расчетом на оптимум стабильности профиля поля по радиусу зоны в целях выравнивания нейтронного поля по радиусу активной зоны в начале кампании. При дальнейшем подъеме по мере выгорания нижняя часть ВКР выравнивает поле по радиусу в месте своего расположения, а в части активной зоны, из которой ВКР уходит, нейтронное поле по радиусу выравнивается за счет двух эффектов: большего выгорания в том объеме зоны, из которой ВКР выходит, в сравнении с выгоранием на периферии, и наличием ЦКР в центре активной зоны. Для выхода реактора в критическое состояние в начале кампании со свежей загрузкой топлива ВКР выводится вверх из активной зоны, а "черная" ступень ВКР, выходя при этом из зоны, увеличивает постепенно зоны. Движением вверх ВКР компенсируется постепенное увеличение температуры замедлителя и ядерного топлива и происходящего по мере увеличения мощности отравления ксеноном. Так как до выхода "черной" ступени из активной зоны эффективная высота загрузки топлива по теплоотдаче от него не равна высоте активной зоны из-за его экранировки "черной" ступенью ВКР, то до полного стационарного отравления (несколько часов в начале кампании) номинальная мощность реактора устанавливается и не сразу со свежей загрузкой в начале кампании, а при совпадении нижней границей ВКР с верхней границей активной зоны (в пределах точности физического и теплового расчетов), если по расчету не заложены условия теплосъема для такого случая. По мер выгорания при пуске реактора, на постепенно увеличивающейся мощности, "черная" ступень для состояния "горячий и отравленный" оказывается выше верхней границы активной зоны, и реактор всегда в дальнейшем в течение кампании выводится сразу на полную мощность. Процесс выгорания компенсируется только подъемом ВКР при неподвижной ЦКР. При выходе ВКР из зоны продолжение кампании может осуществляться частичным подъемом ЦКР, если ее "вес" будет принят несколько большим, чем необходимы для компенсации иодной ямы в конце кампании. Такой относительно небольшой запас компенсирующей способности ЦКР на выгорание (10% общего выгорания) может осуществляться на полной мощности реактора до допустимого ухудшения полей энерговыделения по высоте и радиусу. ЦКР в конце кампании может, если условия эксплуатации допускают, использоваться и только для компенсации дальнейшего выгорания (продолжения кампании), но при сниженном уровне мощности (по расчету конкретной зоны), если не оставлять запаса реактивности на выход из полной иодной ямы в конце кампании (2-3%) или частично на продолжение кампании и выходе из неполной иодной ямы. Предложенная совокупность позволяет исключить недовыгорающие поглотители, устанавливаемые неподвижно в активную зону, получая при этом достаточную стабильность профиля - поля энерговыделения по радиусу активной зоны (что достигается в прототипе расстановкой недовыгорающих поглотителей), которая необходима для сохранения постоянства расхода теплоносителя по технологическим топливным каналам активной зоны в течение кампании, предельно выравнить выгорание топлива как по радиусу зоны, так и по ее высоте, что определяется перемещением максимума кривой энерговыделения по высоте сначала из центра зоны вниз по мере выгорания топлива и подъемом ВКР, а потом снова вверх. В связи с тем, что весь начальный избыток реактивности компенсируется двумя органами компенсации, поглощающие элементы его можно делать, например, из кобальта для получения радиоактивного его изотопа Со-60. Для примера расчета реактора: Н_а.з. = 80 см; D = 100 см мощностью 100000 кВт на кампанию 7000 ч радиоактивного Со-60 образуется 3˙10⁶ Кюри, что по стоимости его полностью компенсирует стоимость всей загрузки топлива в такой реактор (80 кг U = 235).

Охранным признаком изобретения является здесь, конечно, не использование кобальта, что давно известно, а то, что к концу кампании можно извлечь две готовые к эксплуатации в промышленности γ -активные установки (ВКР и ЦКР), которые не требуют сборки высокой активности ее деталей (например, стержней-поглотителей из тонкостенных кобальтовых трубок (диаметром 16-18 мм), что до сих пор в реакторостроении неизвестно. Причем на фиг.1 показаны положения КР для начального состояния со свежим топливом в подкритическом состоянии; на фиг.2 - вид на КР сверху; на фиг.3 - разрез А-А на фиг.1; на фиг. 4 - положение ВКР и ЦКР для состояния реактора со свежим топливом "горячий и отравленный", т.е. с рабочими номинальными параметрами теплоносителя и стационарного (т.е. присущего максимальной мощности отравления ксеноном); на фиг. 5 - вид на КР сверху; на фиг.6 - разрез Б-Б на фиг.4; на фиг. 7 - интегральный график распределения "шлаков" (т.е. выгорание) в основной части активной зоны (по которой перемещается ВКР) за всю кампанию; на фиг.8 - кривые радиального поля энерговыделения активной зоны в течение кампании (числа на кривых показывают время работы ректора, показанное в сутках - двузначные числа в таблицах графиков); на фиг.9 - графики распределения поля энерговыделения по высоте активной зоны в ее основном объеме, в котором перемещается ВКР (числа на кривых показывают работу реактора в сутках на мощности 100000 кВт); на фиг.10 - кривые изменения коэффициентов неравномерности по высоте К зоны за кампанию и по радиусу К_R, которая показывает стабильность коэффициента и профиля поля; на фиг.11 - положение ВКР и ЦКР в процессе выгорания: кривая а показывает выход ВКР из зоны (начальное заглубление ее в зоне для состояния "горячий и отравленный" 0,8 м на всю высоту активной зоны, при недовыходе ее из зоны на 5 см (270 суток работы) начинает подниматься ЦКР, которая из оптимальных условий в начале кампании стояла до подъема несколько выше нижней границы зоны на (≈ 7 см).

Устройство содержит верхнюю ступень 1 ВКР, нижнюю ступень 2 ВКР, центральную КР 3, активную зону 4 реактора, тягу 5 для перемещения в активной зоне ВКР, тягу 6 для перемещения ЦКР, поглощающий элемент 7 КР, технологический канал 8 с топливом, нижние упоры 9 ВКР и нижний упор 10 ЦКР.

Устройство работает следующим образом,
В начальном состоянии реактора, холодного и неотравленного со свежим топливом, обе компенсирующие решетки установлены каждая на своих нижних упорах: центральная КР 3 установлена так, что ее нижняя граница совпадает (допустимо несовпадение в несколько сантиметрах) с нижней границей активной зоны 4, а нижняя граница внешней КР находится ниже нижней границы активной зоны 4. Величина смещения ее вниз относительно активной зоны определяется компенсацией реактивности, состоящей из суммы отрицательного температурного эффекта замедлителя и топлива (от холодного состояния до "горячего") и стационарного отравления и создания желаемой начальной подкритичности (которая по мере выгорания увеличивается при опущенной ВКР на нижние упоры). Эта компенсация реактивности осуществляется снижением в зону верхней ("черной") ступени 1 ВКР (чем глубже она стоит в зоне для состояния "горячий и отравленный", тем меньший относительно будет ее ход вниз относительно нижней границы активной зоны для компенсации указанной реактивности, так как ∂ ρ / ∂ H_н.з ее сразу тем больше, чем ниже она стоит в активной зоне в начале движения вниз (но увеличивая при этом высотную неравномерность). Для вывода реактора из подкритического состояния ВКР поднимается вверх (одновременно обе ее половинки (полукольца) или поочередно небольшими ступенями, чтобы не перекашивать нейтронное поле сверх допустимого по расчету). ВКР может быть выполнена и из одного кольца, т.е. с одним приводом, что и упрощает схему управления и использование ВКР в качестве γ -источника в промышленности. По мере разогрева и отравления ксеноном ВКР поднимается все выше до совпадения (с расчетной точностью допустимого несовпадения) ее нижней границы с нижней границей зоны 4 для начала кампании со свежим топливом. Так как до совпадения нижних границ зоны и решетки база тепловыделения по высоте реактора меньше полной высоты активной зоны в верхней ("черной") ступени 1 ВКР, удельное энерговыделение много меньше, чем по всему объему активной зоны 4, в которой находится нижняя ступень 2 ВКР, то до совпадения границ зоны и решетки, если на это не сделан в расчете запас по теплосъему в самом только начале кампании, надо выходить на мощности, соответственно несколько меньшие полной (80-90% ), что решается заранее проектными параметрами теплосъема с активной зоны 4. По мере выгорания компенсация реактивности осуществляется подъемом ВКР сразу до полного выхода (постепенно все выше и выше) ее из активной зоны 4. Ею же осуществляется и выход из иодной ямы в течение кампании, если это может быть необходимым. Центральная КР 3 имеет два назначения: выравнивая поля по радиусу и для выхода из иодной ямы в конце кампании. Положительный эффект устройства определяется исключением изготовления многочисленных механизмов и приборов перемещения компенсирующих стержней, исключением необходимости изготовления недовыгорающих поглотителей, снижением расхода ядерного горючего за счет необходимости дополнительной закладки ядерного горючего для компенсации недовыгорающего остатка поглотителя, сокращения расхода ядерного топлива за счет предельно лучшего выравнивания полей выгорания топлива по объему активной зоны, что происходит из-за перемещения максимума кривой энерговыделения по высоте сначала вниз из центра зоны, когда кривая - косинусоида, а также выравнивания поля по радиусу зоны, стабильностью профиля поля энерговыделения за кампанию, что исключает необходимость создавать резерв в подаче теплоносителя по технологическим каналам зоны, и использованием поглотителя, поглощение нейтронов которым, например, кобальтом создает возможность получить за счет всего начального избытка нейтронов, определяющегося начальной надкритичностью реактора, полезный для народного хозяйства продукт, например, Со-60. Отличительной особенностью получения Со-60 в предлагаемом устройстве является превращение этого устройства к концу кампании реактора в установку нового качества, не требующую сложного монтажа ее радиоактивных элементов высокой γ-активности (до ≈ 100 Кюри/г кобальта в рассчитанном реакторе), для народного хозяйства путем использования не только ее внешнего γ-излучения, но внутреннего ее объема с еще большей γ-активностью, объема, который, когда ВКР и ЦКР в реакторе, занимали топливные каналы и замедлитель между ними ( физические расчеты произведены по программам Института атомной энергии: ЭВТ-М (точечная) и ДДВ (объемная).

Сущность изобретения: устройство для компенсации реактивности ядерного реактора состоит из двух автономно перемещаемых органов компенсации: центральной компенсирующей решетки с вертикальной осью, совпадающей с осью активной зоны, и внешней компенсирующей решеткой. Обе решетки состоят из отдельных поглощающих нейтроны элементов, расположенных между тепловыделяющими элементами. Внешняя компенсирующая решетка, коаксиально размещенная по отношению к центральной компенсирующей решетке, состоит из двух ступеней, по высоте отлищающихся компенсирующей способностью: нижняя ступень слабо поглощающая, а верхняя - сильно поглощающая. Верхняя ступень имеет внешний диаметр, равный диаметру активной зоны, а нижняя ступень имеет диаметр, меньший диаметра активной зоны. Способ выравнивания выгорания топлива по объему активной зоны заключается в следующем: для горячего и отравленного реактора в начале кампании со свежим топливом нижняя граница внешней компенсирующей решетки совпадает с нижней границей активной зоны, а для состояния подкритического, холодного и неотравленного реактора со свежим топливом нижняя граница внешней компенструющей решетки расположена ниже нижней границы активной зоны, а нижняя граница верхней ступени при этом находится на такой глубине в активной зоне, что компенсируются температурные эффекты замедлителя и топлива, стационарное отравление и создается начальная подкритичность. Центральная компенсирующая решетка в начале кампании и в процессе выгорания находится на нижней границе активной зоны. Высота центральной компенсирующей решетки меньше высоты активной зоны, что сохраняет над ней часть активной зоны без поглотителей, ограниченной при опущенной внешней решетке ее верхней ступенью. 2 с и 4 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Устройство для компенсации реактивности ядерного реактора, содержащее поглощающие нейтроны элементы с различной поглощающей способностью и возможностью аксиального перемещения в замедлителе между тепловыделяющими сборками, отличающееся тем, что поглощающие элементы сгруппированы по крайней мере в две компенсирующие решетки с возможностью их автономного перемещения по высоте активной зоны, одна из которых расположена по центральной оси активной зоны и окружена внешней компенсирующей решеткой, состоящей из верхней и нижней ступеней, имеющих постоянную длину и жестко соединенных между собой, причем поглощающая способность центральной компенсирующей решетки больше поглощающей способности нижней степени и меньше поглощающей способности верхней ступени, внешней компенсирующей решетки, нижняя ступень имеет высоту, равную высоте активной зоны, и внешний диаметр, меньший диаметра активной зоны, а высота верхней ступени равна половине высоты активной зоны и внешний диаметр равный диаметру активной зоны. 2. Способ выравнивания объемного энергораспределения и выгорания топлива, включающий стартовое профилирование энергораспределения по радиусу и высоте активной зоны, постепенное последовательное перемещение компенсирующих решеток в активной зоне реактора в процессе кампании, отличающийся тем, что в начальном состоянии реактора центральную компенсирующую решетку устанавливают так, что ее нижняя граница совпадает с нижней границей активной зоны, а внешнюю компенсирующую решетку устанавливают так, что ее нижняя граница находится ниже нижней границы активной зоны, при первом пуске реактора выводят внешнюю компенсирующую решетку из активной зоны, при этом центральную компенсирующую решетку оставляют в прежнем положении по мере разогрева реактора на неполной номинальной мощности до его рабочих параметров, после достижения рабочих параметров уровень мощности постепенно поднимают, компенсируя стационарное отравление реактора постепенным выводом внешней компенсирующей решетки до совпадения нижней границы нижней ступени внешней компенсирующей решетки с нижней границей активной зоны, а верхнюю ступень внешней компенсирующей решетки полностью выводят при этом из активной зоны, по мере выгорания топлива внешнюю компенсирующую решетку постепенно извлекают из активной зоны до полного вывода и начинают подъем центральной компенсирующей решетки вплоть до выхода ее из активной зоны. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что диаметр центральной компенсирующей решетки составляет 15 - 20% диаметра активной зоны, а ее высота равна 80 - 90% высоты активной зоны. 4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что внешний диаметр нижней ступени ВКР составляет 80 - 85% диаметра активной зоны. 5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что поглощающие элементы центральной и нижней ступени внешней компенсирующей решеток выполнены из Со-59 в виде тонкостенных трубок с внутренней и внешней оболочкой из циркония или нержавеющей стали, при этом поглощающая способность элементов центральной решетки в 1,5 - 2 раза выше, чем элементов нижней ступени внешней компенсирующей решетки. 6. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что верхняя ступень внешней компенсирующей решетки содержит "черные" для нейтронов стержни, выполненные в виде герметичных трубок из нержавеющей стали, заполненных В₄С.