СБОРКА ПАССИВНОЙ АВАРИЙНОЙ ЗАЩИТЫ С ГИДРАВЛИЧЕСКИ ВЗВЕШЕННЫМ СТЕРЖНЕМ ДЛЯ РЕАКТОРА С ЖИДКИМ ТЕПЛОНОСИТЕЛЕМ Российский патент 1996 года по МПК G21C7/10 G21C7/14 G21C7/14 

Изобретение относится к области ядерной техники, а более конкретно, к устройствам системы защиты ядерного реактора с жидким теплоносителем.

Известно устройство (1362783, 1964, Франция), в котором подъем и удержание над активной зоной в направляющем канале регулирующего стержня осуществляется потоком теплоносителя основного контура. Расход теплоносителя на всех режимах работы реактора поддерживается постоянным. Погружение стержня в активную зону происходит под собственным весом при значительном снижении расхода теплоносителя. Недостатком известного технического решения является то, что устройство может работать только в реакторах с постоянным расходом теплоносителя, не обеспечивается торможение стержня при его перемещении в нижнее положение, в случае прекращения расхода теплоносителя при ошибочном включении насосов на полные обороты происходит всплытие стержня из активной зоны.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению является устройство защиты ядерного реактора с жидким теплоносителем пассивного типа по а.с.1783925, 29.12.89, СССР [1]
Данное устройство содержит направляющий канал гильзу и размещенный в ней регулирующий стержень. Стержень представляет собой многозвенную цилиндрическую конструкцию, соединенную шарнирами, которые должны исключать перемешивание потоков теплоносителя, проходящих внутри и снаружи стержня. Стержень состоит из головки, соединительного звена, рабочего звена, удлинительного звена. Нижняя часть соединительного звена перфорирована сквозными отверстиями. В нижней торцевой части удлинительного звена установлена дроссельная шайба. Гильза представляет собой трубчатый корпус, закрепленный своим хвостовиком в напорном коллекторе реактора, с размещенной в нем направляющей трубой, соединенной с ним своей верхней частью. В направляющей трубе на уровне верхнего торца рабочего звена стержня при крайнем нижнем его положении выполнены отверстия для прохода теплоносителя; нижний торец направляющей трубы заглушен.

Применительно к реактору типа БН-800 устройство работает следующим образом. При перегрузке реактора стержень в гильзе находится в крайнем нижнем положении на упоре, опираясь буртиком головки на верхний торец гильзы. При этом зона перфорации в соединительном звене стержня совмещена с зоной отверстий в направляющей трубе гильзы, и тем самым для прохода теплоносителя организован тракт соединительное звено головка с минимальным сопротивлением. В этой связи основная часть теплоносителя, поступающего в гильзу, проходит через устройство по данному тракту. Оставшаяся часть теплоносителя проходит через устройство по двум трактам: первый вверх по щели между направляющей трубой и стержнем, второй сначала вниз по щели между направляющей трубой и стержнем, а затем вверх внутри стержня. При ошибочном включении насосов первого контура на полные обороты стержень не всплывает в активную зону, поскольку действующая на него выталкивающая сила меньше его веса. Степень перфорации соединительного звена стержня ограничена со стороны максимального значения условием обеспечения необходимого расхода теплоносителя на охлаждение стержня в его нижнем положении после срабатывания аварийной защиты реактора, со стороны минимального условием обеспечения необходимого запаса на невсплытие стержня из крайнего нижнего положения при номинальном расходе теплоносителя через реактор.

Перед пуском реактора стержень поднимают в верхнее положение от привода посредством штанги с захватом, который затем раскрывают при достижении расхода теплоносителя >0,6 от номинального, поскольку при этом выталкивающая сила, действующая на стержень, превышает его вес. Для получения необходимой гидравлической характеристики стержня установленная в нижней торцевой части удлинительного звена дроссельная шайба должна иметь сопротивление, обеспечивающее равенство расходов теплоносителя на охлаждение данного и штатного стержней при номинальном расходе теплоносителя через реактор. При сигнале на останов реактора стержень от привода с помощью штанги с открытым захватом вводится в зону в нижнее положение.

При остановке реактора расход теплоносителя автоматически снижается до 0,25 от номинального. После снижения расхода до величины, при которой выталкивающая сила становится меньше веса стержня, он из нижнего положения мягко опускается на упор. В случае несрабатывания привода стержень входит в активную зону под собственным весом при снижении расхода <0,6 от номинального.

Недостатками данного технического решения являются: высокая скорость входа стержня на упор (приблиз.1 м/с) под собственным весом из верхнего положения; невозможность обеспечить необходимую гидравлическую характеристику стержня при установке дроссельной шайбы в нижней торцевой части удлинительного звена из-за значительных перетечек теплоносителя через шарниры реальной конструкции; невозможность выгрузки штатным инструментом гильзы из активной зоны при заглушенном нижнем торце направляющей трубы; существенное увеличение общего расхода теплоносителя через устройство по сравнению со штатной сборкой А3.

Задачей изобретения является создание устройства, свободного от указанных недостатков.

Для ее решения в устройстве, включающем в себя гильзу, состоящую из наружного трубчатого корпуса с хвостовиком для соединения с напорным коллектором реактора, направляющей трубы с отверстиями для входа теплоносителя, размещенной внутри корпуса и соединенной с ним своей верхней частью, и расположенный в направляющей трубе регулирующий стержень, омываемый изнутри и снаружи несмешивающимися потоками теплоносителя первого контура, и состоящий из соединенных шарнирами головки, соединительного звена, рабочего звена и удлинительного звена, нижняя часть соединительного звена которого перфорирована отверстиями суммарной площадью, обеспечивающей необходимый расход теплоносителя на охлаждение стержня в нижнем его положении после срабатывания аварийной защиты реактора и гарантированное невсплытие стержня из активной зоны при перегрузке реактора и номинальном расходе теплоносителя через гильзу предлагается ввести следующие изменения. В корпусе гильзы разместить тормозную трубу, соединив ее с ним своей нижней частью. Диаметр трубы должен превышать диаметр нижнего участка удлинительного звена стержня, находящегося в тормозной трубе в крайнем нижнем положении стержня; высота этого участка должна быть 0,1-3,0 его диаметра. Расстояние от верхнего торца тормозной трубы до верхней границы зоны отверстий в направляющей трубе гильзы должно быть не менее суммарной длины шарниров, зоны перфорации соединительного звена, рабочего звена, удлинительного звена стержня. Высота зоны отверстий направляющей трубы гильзы должна быть не менее высоты зоны перфорации соединительного звена стержня. Нижний торец удлинительного звена стержня выполнить заглушенным, дроссельную шайбу разместить в рабочем звене стержня, а питательные отверстия для входа теплоносителя в стержень на боковой поверхности удлинительного звена выше границы его участка, находящегося в тормозной трубе при крайнем нижнем положении стержня. Нижний торец направляющей трубы выполнить открытым и разместить его на высоте не ниже верхней границы зоны питательных отверстий удлинительного звена стержня при верхнем его положении. На части рабочего звена может быть выполнена искусственная шероховатость в виде навивки проволоки, ряда колец и др. при этом нижняя граница зоны шероховатости размещена не ниже верхней границы зоны отверстий в направляющей трубе при верхнем положении стержня. Аналогичная искусственная шероховатость может быть выполнена на участке удлинительного звена стержня, находящемся в тормозной трубе при крайнем нижнем положении стержня; вместо удлинительного звена стержня указанная шероховатость может быть выполнена на внутренней поверхности тормозной трубы, сопрягающейся с удлинительным звеном.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором показаны: 1 - опускная труба привода; 2 регулирующий стержень; 3 гильза; 4 - удлинительное звено стержня; 5 тормозная труба гильзы; 6 корпус гильзы; 7 направляющая труба гильзы; 8 отверстия в направляющей трубе; 9 - перфорация в соединительном звене стержня; 10 головка стержня; 11 - питательные отверстия в удлинительном звене; 12 рабочее звено стержня; 13 - дроссельная шайба; 14 соединительное звено стержня; 15 зона удлинительного звена с искусственной шероховатостью; 16 зона рабочего звена с искусственной шероховатостью; 17 заглушка торцевой части стержня; 18 плита напорного коллектора реактора; h1, h2 высота зон с искусственной шероховатостью удлинительного звена и рабочего звена, соответственно.

Стержень показан в трех положениях: на упоре (положение а), в нижнем (положение б) и верхнем (положение в). На чертеже условно не показаны: штанга привода с захватом, хвостовик гильзы.

Устройство применительно к реактору типа БН-800 работает следующим образом.

При перегрузке реактора через него поддерживают минимальный расход теплоносителя первого контура, равный 0,25 от номинального. При этом штанга с захватом и опускная труба 1 привода стержня подняты вверх. Стержень 2 в гильзе 3 находится в крайнем нижнем положении, на упоре (а), нижняя часть 15 удлинительного звена 4 с зоной искусственной шероховатости находится в тормозной трубе 5. Поступающий в гильзу теплоноситель Gг проходит через тормозную трубу, омывая находящуюся в ней нижнюю торцевую часть стержня, в камеру, ограниченную корпусом 6 гильзы, стержнем и направляющей трубой 7. В камере теплоноситель разделяется на два потока. Первый Gщ проходит через щель между нижним торцом направляющей трубы и стержнем, а также через отверстия 8 в направляющей трубе, после чего разделяется на основной, проходящий через перфорацию 9 в соединительном звене и отверстия в головке 10 стержня в верхнюю часть активной зоны, и дополнительный, идущий также в верхнюю часть активной зоны по щели между стержнем и направляющей трубой. Второй поток Gст поступает в стержень через питательные отверстия 11 в удлинительном звене, проходит по удлинительному звену, рабочему звену 12, через дроссельную шайбу 13 и смешивается с основной частью первого потока в соединительном звене 14. При ошибочном включении насосов основного контура на полные обороты стержень всплывает из тормозной трубы так, что участок его 15 удлинительного звена с зоной искусственной шероховатости выходит из тормозной трубы, а зона перфорации соединительного звена стержня совмещается с зоной отверстий в направляющей трубе гильзы. При этом сопротивление тракта от отверстий в направляющей трубе до выходных отверстий в головке стержня становится минимальным и основной расход теплоносителя идет по данному тракту. Величина расхода зависит от степени перфорации соединительного звена, которая выбрана из условий обеспечения гарантированного невсплытия стержня из активной зоны при перегрузке реактора и номинальном расходе теплоносителя через гильзу, а также обеспечения теплосъема со стержня в нижнем его положении после срабатывания аварийной защиты реактора.

Перед пуском реактора опускную трубу привода надвигают на направляющую трубу гильзы, штангу привода также опускают вниз и сцепляют с головкой стержня посредством ее захвата. После этого стержень извлекают приводом сначала в нижнее (б), затем в верхнее положение (в). С увеличением мощности реактора увеличивают расход теплоносителя основного контура так, что их отношение при этом выдерживают близким к единице. В верхнем положении стержня соотношение расходов Gст/Gщ значительно увеличивается по сравнению с нижним вследствие изменения соотношения сопротивлений трактов для указанных потоков, поскольку при этом зона перфорации соединительного звена выходит за пределы направляющей трубы гильзы; при этом общий расход теплоносителя через гильзу Gг остается постоянным. При достижении расхода теплоносителя основного контура >60% от номинального действующая на стержень выталкивающая сила начинает превышать вес стержня и он может подниматься и удерживаться потоком теплоносителя. После этого захват раскрывают и стержень удерживается в открытом захвате потоком теплоносителя. Продолжают дальнейшее увеличение мощности реактора.

При отключении одной из трех теплоотводящих петель реактора мощность и расход его снижаются до приблизительно 0,67 от номинального уровня. При этом стержень остается в верхнем положении. При сигнале на отключение реактора стержень вводится в нижнее положение от привода штангой с раскрытым захватом и останавливается в тормозе. При этом расход теплоносителя автоматически снижается до 0,25 от номинального. При уменьшении расхода через сборку до величины, при которой выталкивающая сила становится меньше веса стержня, он мягко опускается на упор гильзы. В случае отказа привода стержень вводится в активную зону под собственным весом при снижении расхода через реактор <0,6 от номинального. При входе нижнего торца удлинительного звена стержня в тормозную трубу стержень останавливается, а при дальнейшем снижении расхода мягко опускается на упор гильзы.

Введение зоны с искусственной шероховатостью на нижнем участке удлинительного звена h1, входящем в тормозную трубу, позволяет увеличить эффективность торможения стержня и тем самым уменьшить величину всплытия стержня в тормозе h1 при перегрузке реактора и номинальном расходе через него теплоносителя.

Введение зоны с искусственной шероховатостью на части 15 рабочего звена стержня позволяет увеличить сопротивление щели между стержнем и направляющей трубой и тем самым сократить величину номинального расхода теплоносителя через гильзу, приблизив его к расходу через штатную сборку А3. При этом также сокращается время ввода стержня в активную зону под собственным весом.

Для выгрузки гильзы из активной зоны имеется свободный доступ для штатного инструмента через тормозную трубу к узлу крепления хвостовика гильзы в коллекторе реактора.

Использование изобретения позволяет снизить скорость входа стержня на упор до безопасных величин (менее 0,1 м/с) и в этой связи проводить регулярное опробование устройства на срабатывание по снижению расхода теплоносителя; производить выгрузку гильзы из активной зоны штатным инструментом; обеспечить надежную стабильную гидравлическую характеристику стержня; уменьшить номинальный расход через сборку, приблизив его к расходу через сборку АЗ.

Изобретение позволяет реализовать принцип пассивности, основанный на подъеме и удержании регулирующего стержня потоком теплоносителя основного контура, применительно к системе АЗ ядерных реакторов с жидким теплоносителем.

Основные характеристики сборки ПАЗ для реактора типа БН-800 были обоснованы при экспериментальном изучении работоспособности макетов этой сборки.

Использование: может быть использована в реакторах с жидким теплоносителем для их остановки при авариях с отключением насосов первого контура. Сущность: гильза сборки содержит тормозную трубу, диаметр которой не менее наружного диаметра нижнего участка удлинительного звена стержня, на боковой поверхности которого выполнена искусственная шероховатость. Расстояние от верхнего торца тормозной трубы до верхнего края отверстий в направляющей трубе гильзы равно суммарной длине шарниров, рабочего звена, удлинительного звена и зоны отверстий соединительного звена стержня. Торец стержня заглушен, отверстия для входа в него теплоносителя выполнены на боковой поверхности удлинительного звена выше зоны шероховатости, а в рабочем звене установлена дроссельная шайба. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Сборка пассивной аварийной защиты (ПАЗ) с гидравлически взвешенным стержнем для реактора с жидким теплоносителем, включающая в себя гильзу, состоящую из наружного трубчатого корпуса с хвостовиком для соединения с напорным коллектором реактора, размещенной внутри корпуса и соединенной с ним своей верхней частью направляющей трубы с отверстиями для прохода теплоносителя и размещенный в направляющей трубе регулирующий стержень, омываемый изнутри и снаружи теплоносителем первого контура, состоящий из головки, соединительного, рабочего и удлинительного звеньев, соединенных шарнирами, дроссельной шайбы, при этом стенка соединительного звена в нижней части перфорирована сквозными отверстиями суммарной площадью, обеспечивающей необходимый для охлаждения стержня в нижнем его положении после срабатывания аварийной защиты реактора расход теплоносителя и гарантированное невсплытие стержня из активной зоны из этого положения при перегрузке реактора и номинальном расходе теплоносителя через реактор, отличающаяся тем, что в корпусе гильзы размещена соединенная с ним своей нижней частью тормозная труба диаметром не меньше диаметра находящегося в ней нижнего участка удлинительного звена стержня при крайнем нижнем его положении, высота этого участка составляет 0,1 3,0 его диаметра, расстояние от верхнего торца тормозной трубы до верхней границы зоны отверстий в направляющей трубе составляет не менее суммарной длины шарниров, рабочего и удлинительного звеньев и зоны перфорации соединительного звена, высота зоны размещения отверстий в направляющей трубе составляет не менее высоты зоны перфорации соединительного звена стержня, нижний торец стержня выполнен заглушенным, питательные отверстия для входа теплоносителя в стержень размещены на боковой поверхности удлинительного звена выше границы его участка, находящегося в тормозной трубе при крайне нижнем положении стержня, нижний торец направляющей трубы выполнен открытым и размещен на высоте не ниже верхней границы зоны питательных отверстий в удлинительном звене стержня при верхнем его положении. 2. Сборка по п.1, отличающаяся тем, что в его рабочем звене установлена дроссельная шайба. 3. Сборка по п.1, отличающаяся тем, что на части рабочего звена расположена зона с искусственной шероховатостью, причем нижняя ее граница расположена не ниже верхней границы зоны отверстий в направляющей трубе гильзы при верхнем положении стержня. 4. Сборка по п.1, отличающаяся тем, что на нижнем участке удлинительного звена, размещенном в тормозной трубе гильзы при крайнем нижнем положении стержня, расположена зона с искусственной шероховатостью. 5. Сборка по п.1, отличающаяся тем, что на участке тормозной трубы, не меньшем сопряженного с ним участка удлинительного звена стержня при крайнем нижнем его положении, расположена зона с искусственной шероховатостью.