ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩАЯ СБОРКА КАНАЛЬНОГО ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА Российский патент 1996 года по МПК G21C3/326 G21C3/28 G21C3/18 

Описание патента на изобретение RU2065627C1

Изобретение относится к ядерной энергетике, а именно: к тепловыделяющим сборкам (ТВС) канальных ядерных реакторов РБМК.

Одной из важных причин, приведших к катастрофическим последствиям Чернобыльской аварии, явилась большая положительная величина парового коэффициента реактивности αΦ4-4,5β.. Осушение значительной части каналов привело к разгону реактора на мгновенных нейтронах.

Известна тепловыделяющая сборка канального ядерного реактора, содержащая тепловыделяющие элементы, заполненные топливом из окиси урана [1]
В результате мер по повышению безопасности реактора РБМК величина была снижена до 1β в основном за счет установки в 80 рабочих каналах активной зоны вместо топливных сборок дополнительных поглотителей (ДП) из бористой стали.

Увеличение количества поглотителей в активной зоне привело к уменьшению глубины выгорания топлива на 25% и к увеличению топливной составляющей приведенных затрат почти на 30%
Ухудшение экономических показателей канальных ядерных реакторов поставило на повестку для вопрос о поисках более экономичных вариантов, в которых к тому же сохранялась бы или даже снижалась уже достигнутая величина парового коэффициента реактивности.

Была предложена тепловыделяющая сборка канального ядерного реактора, содержащая тепловыделяющие элементы, заполненные топливом из окиси урана с повышенным обогащением [2]
Как показали расчеты, перевод РБМК, например, с топлива, начальное обогащение которого 2,2% на топливо с начальным обогащением 2,4% позволяет снизить топливные затраты на 15% и уменьшить величину av до 0,5 b.

Однако при повышении степени обогащения окиси урана по-прежнему сохраняются высокие топливные затраты из-за необходимости сохранения ДП в активной зоне, а также уменьшается подкритичность остановленного разотравленного реактора и растет максимальная линейная нагрузка на тепловыделяющие элементы qmaxl

на 5% а для однородной решетки даже на 7%
Целью изобретения является дальнейшее сокращение топливной составляющей приведенных затрат и снижение эксплуатационных расходов, повышение безопасности канального ядерного реактора и увеличение продолжительности кампании.

Технический результат, достижение которого обеспечивается с помощью изобретения, заключается в удалении из активной зоны дополнительных поглотителей (ДП) и увеличении количества топлива в ней, повышении степени выгорания топлива, его хранение, перегрузку и захоронение, снижении максимальной линейной нагрузки на тепловыделяющие элементы и уменьшении неравномерности энерговыделения по высоте и по радиусу реактора.

Это достигается тем, что в тепловыделяющей сборке канального ядерного реактора, содержащей тепловыделяющие элементы, заполненные топливом из окиси урана, в топливо дополнительно введен эрбий, концентрация которого выбрана из интервала 0,3-0,8%
Загрузка РБМК тепловыделяющими сборками, в топливо которых из окиси урана добавлен эрбий (или его окись) в количестве 0,3-0,8% снижает паровой коэффициент реактивности до уровня, при котором не требуется устанавливать дополнительные поглотители. Одновременно уменьшается доля захвата нейтронов в воде, что приводит в случае обезвоживания активной зоны к снижению роста реактивности.

Это связано с тем, что эрбий при о,47 эВ обладает резонансом сечения поглощения. В РБМК средняя температура графита на 200o С выше, чем средняя температура воды, поэтому при обезвоживании повышается температура нейтронного газа, и происходит сдвиг спектра нейтронов в сторону этого резонанса. Близость резонанса эрбия к области термолизации обеспечивает дополнительную отрицательную составляющую парового эффекта реактивности, что и позволяет отказаться от ДП в активной зоне РБМК. Удаление ДП из активной зоны увеличивает не только топливную загрузку реактора (за счет размещения в технологических каналах вместо ДП ТВС), но и приводит к снижению неравномерности энерговыделения, что позволяет, в свою очередь, увеличить обогащение топлива и, тем самым, повысить глубину выгорания топлива в активной зоне и, следовательно, сократить количество отработавшего топлива. Последнее - в связи со стоящей на сегодняшний день проблемой переработки и захоронения радиоактивных отходов атомных станций позволяет несколько снять остроту этой немаловажной проблемы.

Кроме того, присутствие выгорающего поглотителя в свежих ТВС приводит к существенному снижению их мощности и вносимой при перегрузке реактивности. Эти обстоятельства наряду с более ровной, чем в прототипе. картиной энерговыделения в активной зоне в значительной мере упрощает процедуру перегрузок зоны и контроль за энерговыделением в ней, повышает безопасность действующих РБМК без модификации ТВС.

Одновременно с этим размещение в технологических каналах активной зоны РБМК вместо ДП ТВС увеличивает уранграфитовое отношение, а поскольку в резонансной области энергий в случае уменьшения плотности воды снижается замедляющая способность среды, это приводит к дополнительному уменьшению парового коэффициента реактивности.

При этом необходимо учесть, что при концентрации эрбия меньше 0,3% практически исчезает влияние эрбия на паровой коэффициент реактивности αΦ, и для сохранения достигнутых в прототипе значений вновь возникает потребность в размещении в активной зоне ДП, а при концентрации эрбия в топливе больше 0,8% экономические показатели реактора становятся ниже, чем у реактора с зоной, содержащей ДП, из-за непроизводительного захвата нейтронов.

На вышеуказанные результаты также влияет расположение эрбия в ТВС, поскольку в случае локального размещения эрбия взаимодействуют два конкурирующих фактора. Усиливается влияние на эффект обезвоживания пространственного перераспределения потока нейтронов и ослабевает влияние на изменение спектра нейтронов. Но т.к. последний фактор играет для эрбия основную роль, поэтому например, установка стержней с эрбием в ТВС не дает преимуществ в глубине выгорания и не позволяет уменьшить затраты. Зато если поместить эрбий в топливо, то, как показали проведенные расчеты, глубина выгорания топлива возрастает.

Использование других выгорающих поглотителей в РБМК представляется проблематичным, хотя и известно применение в легководных корпусных реакторах для компенсации реактивности таких, например, выгорающих поглотителей как бор,гадолиний и гафний. Однако проведенные исследования показали, что размещение этих выгорающих поглотителей в ТВС РБМК не приводит к ожидаемым результатам. В частности, при содержании гафния в оболочках ТВЭЛов более 1% глубина выгорания по сравнению с загрузкой ДП не только не увеличивается, но даже уменьшается, а при равномерном размещении гадолиния увеличивается коэффициент неравномерности энерговыделения по высоте Кz из-за неравномерного выгорания гадолиния, что приводит к росту максимальной линейной нагрузки qmaxl

на ТВЭЛ. Такие же проблемы возникают при использовании бора. Кроме того, гадолиний и бор быстро выгорают. Это с одной стороны ограничивает их влияние на паровой коэффициент реактивности αΦ,, а с другой стороны требует высокой начальной загрузки выгорающего поглотителя для снижения максимальной линейной мощности тепловыделяющих сборок, что приводит к значительным непроизводительным потерям нейтронов в начале кампании.

Проведенные исследования также показали, что на технические результаты влияет и порядок размещения поглотителей. Например, гетерогенное (и особенно внетопливное) размещение гадолиния выгоднее гомогенного. Однако если принять во внимание, что при выборе оптимального варианта размещения поглотителя необходимо учитывать, что нанесение тонкого покрытия из поглотителя сложно технологически, а его присутствие в центральном стержне ТВС затрудняет использование датчиков нейтронного потока, становится ясно, что вопрос о возможности использования других, кроме эрбия выгорающих поглотителей в РБМК пока остается открытым.

Следовательно, только при загрузке РБМК ТВС, содержащих топливом из окиси урана с эрбием, концентрация которого выбрана из интервала 0,3-0,8% может быть увеличена топливная составляющая активной зоны. повышена степень выгорания топлива, уменьшены расходы на транспортировку топлива, его хранение, перегрузку и захоронение, снижена максимальная линейная нагрузка на тепловыделяющие элементы и уменьшена неравномерность энерговыделения по высоте и радиусу реактора.

Похожие патенты RU2065627C1

название год авторы номер документа
ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩАЯ СБОРКА КАНАЛЬНОГО ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА С ПРОФИЛИРОВАННЫМ ТОПЛИВОМ 2008
  • Петров Игорь Валентинович
  • Шульман Юрий Семенович
  • Рябов Владислав Владимирович
  • Габараев Борис Арсентьевич
  • Петров Анатолий Александрович
  • Купалов-Ярополк Анатолий Игоревич
  • Федосов Александр Михайлович
  • Бурлаков Евгений Викторович
  • Краюшкин Александр Викторович
  • Сорокин Николай Михайлович
  • Быстриков Александр Анатольевич
  • Егоров Анатолий Константинович
RU2372676C1
АКТИВНАЯ ЗОНА И ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩАЯ СБОРКА КАНАЛЬНОГО ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА (ВАРИАНТЫ) 2000
  • Габараев Б.А.
  • Купалов-Ярополк А.И.
  • Рослов Г.И.
  • Черкашов Ю.М.
  • Бурлаков Е.В.
  • Краюшкин А.В.
  • Пономарев-Степной Н.Н.
  • Федосов А.М.
  • Межуев В.А.
  • Панюшкин А.К.
  • Потоскаев Г.Г.
RU2176827C2
СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ УРАН-ГРАФИТОВОГО ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА 1996
  • Бурлаков Е.В.
  • Воронцов Б.А.
  • Краюшкин А.В.
  • Купалов-Ярополк А.И.
  • Николаев В.А.
  • Панюшкин А.К.
  • Роботько А.В.
  • Федосов А.М.
RU2100852C1
ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩАЯ СБОРКА КАНАЛЬНОГО ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА 1997
  • Брызгалов В.И.
  • Гомин Е.А.
  • Юдкевич М.С.
  • Межуев В.А.
  • Цибуля В.А.
  • Курсков В.С.
  • Бек Е.Г.
  • Шестернин В.А.
  • Боевой В.И.
  • Алешин Ю.А.
RU2124766C1
СПОСОБ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ТОПЛИВНОГО ЦИКЛА ЯДЕРНОГО КАНАЛЬНОГО РЕАКТОРА 2001
  • Лебедев В.И.
  • Черников О.Г.
  • Шмаков Л.В.
  • Иванов В.И.
  • Ноженко В.Я.
  • Завьялов А.В.
  • Черкашов Ю.М.
  • Купалов-Ярополк А.И.
  • Бурлаков Е.В.
  • Федосов А.М.
RU2218612C2
СПОСОБ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ТОПЛИВНОГО ЦИКЛА ЯДЕРНОГО КАНАЛЬНОГО РЕАКТОРА 1997
  • Лебедев В.И.
  • Гарусов Ю.В.
  • Шмаков Л.В.
  • Завьялов А.В.
  • Черников О.Г.
RU2117341C1
СПОСОБ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ТОПЛИВНОГО ЦИКЛА ЯДЕРНОГО КАНАЛЬНОГО РЕАКТОРА 2001
  • Лебедев В.И.
  • Иванов В.И.
  • Черников О.Г.
  • Шмаков Л.В.
  • Завьялов А.В.
RU2218613C2
ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩАЯ СБОРКА ВОДООХЛАЖДАЕМОГО ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА 1998
  • Бурлаков Е.В.
  • Краюшкин А.В.
  • Купалов-Ярополк А.И.
  • Николаев В.А.
  • Панюшкин А.К.
  • Федосов А.М.
  • Черкашов Ю.М.
  • Межуев В.А.
  • Потоскаев Г.Г.
RU2141693C1
АКТИВНАЯ ЗОНА ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА НА ТЕПЛОВЫХ НЕЙТРОНАХ 2003
  • Гусев В.В.
  • Ефанов А.И.
RU2241263C1
СПОСОБ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ТОПЛИВНОГО ЦИКЛА ЯДЕРНОГО КАНАЛЬНОГО РЕАКТОРА 2007
  • Лебедев Валерий Иванович
  • Черников Олег Георгиевич
  • Шмаков Леонид Васильевич
  • Кудрявцев Константин Германович
  • Завьялов Александр Васильевич
  • Завьялов Лев Александрович
RU2347292C1

Реферат патента 1996 года ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩАЯ СБОРКА КАНАЛЬНОГО ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА

Использование: изобретение относится к ядерной энергетике, а именно к тепловыделяющим сборкам канальных ядерных реакторов РБМК, и направлено на сокращение топливной составляющей приведенных затрат, снижение эксплуатационных расходов, повышение безопасности канального ядерного реактора и увеличение продолжительности кампании. Сущность изобретения: удаление из активной зоны дополнительных поглотителей (ДП) и увеличение количества топлива в ней, повышение степени выгорания топлива, уменьшение расходов на транспортировку топлива, его хранение, перегрузку и захоронение, снижение максимальной линейной нагрузки на тепловыделяющие элементы и уменьшение неравномерности энерговыделения по высоте и радиусу реактора достигается тем, что тепловыделяющие сборки канального ядерного реактора заполняют топливом из окиси урана и эрбия, причем концентрация последнего выбрана из интервала 0,3-0,8%.

Формула изобретения RU 2 065 627 C1

Тепловыделяющая сборка канального ядерного реактора, содержащая тепловыделяющие элементы, заполненные топливом из окиси урана, отличающаяся тем, что в топливо дополнительно введен эрбий, концентрация которого выбрана в интервале 0,3 0,8%

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 1996 года RU2065627C1

Печь для непрерывного получения сернистого натрия 1921
  • Настюков А.М.
  • Настюков К.И.
SU1A1
Способ крашения тканей 1922
  • Костин И.Д.
SU62A1
Фотореле для аппарата, служащего для передачи на расстояние изображений 1920
  • Тамбовцев Д.Г.
SU224A1
Аппарат для очищения воды при помощи химических реактивов 1917
  • Гордон И.Д.
SU2A1
Там же, с
Синхронизирующее устройство для аппарата, служащего для передачи изображений на расстояние 1920
  • Тамбовцев Д.Г.
SU225A1

RU 2 065 627 C1

Авторы

Бурлаков Е.В.

Краюшкин А.В.

Купалов-Ярополк А.И.

Николаев В.А.

Панюшкин А.К.

Даты

1996-08-20Публикация

1995-04-20Подача