РЕГУЛИРУЮЩИЙ СТЕРЖЕНЬ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА Российский патент 1997 года по МПК G21C7/10 

Регулирующий стержень ядерного реактора.

Область техники, к которой относится изобретение.

Изобретение относится к ядерной технике, в частности к устройствам системы управления и защиты (СУЗ) водо-водяных реакторов и может быть использовано в регулирующих органах, выполненных в виде одиночных стержней с различным поперечным сечением или сборок, содержащих набор регулирующих стержней или набор топливных и регулирующих стержней, предназначенных для компенсации избыточной реактивности, регулирования реактивности в процессе работы на мощности, при переходе с одного уровня мощности на другой и в качестве аварийных стержней, а также при использовании в управляющих системах с совмещенными функциями.

Нормальная и безопасная эксплуатация ядерного реактора обеспечивается поддержанием реактивности на необходимом уровне во время пуска, останова, переходных процессов, а также резким снижением реактивности при останове реактора. Для этого реактор оснащается регулирующими стержнями различного исполнения, соединенными с приводом, перемещающим их по высоте активной зоны для изменения в требуемых пределах реактивности.

Особенностью водо-водяных реакторов является то, что в связи с редкой перегрузкой ядерного топлива и высокой энергонапряженностью избыточная реактивность в них в расчете на выгорание топлива сравнительно велика. Кроме того, в таких реакторах значительны температурный и мощностный эффекты. Все это в конечном итоге приводит к тому, что в активной зоне водо-водяного реактора в начале компании может содержаться до нескольких десятков критических масс, для компенсации которых требуется значительная суммарная эффективность всех органов СУЗ, что создает проблему размещения механической системы регулирования.

Запас реактивности на выгорание топлива в современных реакторах ВВЭР-1000 компенсируется борной кислотой, растворенной в теплоносителе первого контура, которая постепенно выводится в ходе выгорания топливных загрузок. Рабочая группа органов регулирования при этом находится в частично погруженном состоянии. Остальные органы регулирования (около 90% от общего количества) выведены из зоны и находятся в режиме аварийной защиты (АЗ). В этом режиме работы нижняя часть поглощающих элементов фактически находится в зоне верхнего отражателя и интенсивно выгорает. Указанная специфика использования поглощающих элементов в водо-водяных реакторах приводит к существенной неравномерности выгорания поглотителя в элементах по их высоте.

По этой причине при разработке и совершенствовании поглощающих элементов большое внимание уделяется выбору нейтронопоглощающих материалов и их композиций. Тем более, что с течением времени при работе реактора, часть органов регулирования поднимается из активной зоны, другая часть меняет свое функциональное назначение, а органы регулирования, подвешенные над активной зоной могут быть введены в нее по различным причинам. Поэтому при конструировании регулирующих стержней следует учитывать характеристики стержней при различных режимах эксплуатации реактора.

Условия выбора сочетаний нейтронопоглощающих материалов, располагаемых в стержне, должны обеспечивать не только оптимальные нейтронно-физические характеристики стержня, но и удовлетворять определенным механическим параметрам. Это обусловлено тем, что при различном положении регулирующих органов относительно активной зоны, особенно при их перемещении, органы регулирования подвергаются различного рода нагрузкам. Механическое воздействие на органы регулирования вызвано также процессами взаимодействия нейтронопоглощающих материалов с излучением, что приводит к неравномерным напряжениям по высоте и сечению стержней. Поэтому при конструировании органов регулирования следует уделять внимание выбору материалов и их свойств, обеспечивающих необходимые прочностные характеристики.

Известен регулирующий стержень, содержащий загерметизированную с обоих концов наконечниками в несущую оболочку, в которой расположены таблетки из нейтронопоглощающего материала, в частности из карбида бора (см. Патент США N 4624827, кл. G 21 C 7/10, 1986). В нижней части стержня между таблетками карбида бора установлены таблетки из материала (например, из двуокиси циркония), поглощающего нейтроны в меньшей степени, чем карбид бора. В результате обеспечивается требуемый по высоте стержня профиль поглощательной способности, предполагающий понижение ее в нижней части стержня. Устойчивость данной конструкции обеспечивается оболочкой.

Известен также орган регулирования, содержащий столб поглотителя нейтронов, выполненный по высоте из двух частей, одна из которых включает материал, имеющий с нейтронами (n, α) реакцию, а другая, вдвигаемая в активную зону первой, включает материал, имеющий с нейтронами (n, g) реакцию (см. патент США N 4699756, кл. G 21 C 7/10, 1985). В части столба поглотителя нейтронов, имеющей с нейтронами (n, a) реакцию, расположен карбид бора, а в части, вдвигаемой в активную зону первой сплав серебра (Ag In Cd), имеющий с нейтронами (n, g) реакцию. Наличие сплава серебра в этой части стержня позволяет существенно снизить распухание карбида бора и газовыделение за счет экранирующего воздействия на карбид бора путем вывода его из областей с высокими потоками нейтронов при расположении стержня во время эксплуатации в верхней части активной зоны или над ней.

Тем не менее, во время кампании реактора в процессе облучения происходит изменение эффективности поглощения нейтронов сплавом серебра, что приводит к изменению его экранирующего воздействия на карбид бора и, как следствие, к изменению характеристик стержня в течение его эксплуатации, в частности к изменению суммарного физического веса стержня.

Причем в зависимости от флюенса эффективность поглощения нейтронов сплавом Ag In Cd меняется по нелинейному закону, что практически исключает возможность точного расчета эффективности всего стержня в целом от времени пребывания в различных участках активной зоны и над ней. При этом затрудняется прогнозирование срока службы стержней, а также усложняется создание систем перемещения стержней (устройств контроля, приводов и пр.), т.к. имеет место непредсказуемое неравномерное выгорание двух частей стержня.

Все вышеописанные элементы предполагают применение в верхней части стержня карбида бора или материала, включающего бор-10, которые являются хорошим поглотителем нейтронов, что существенно при функционировании стержня в режиме аварийной защиты. При поглощении карбидом бора нейтронов по реакции (n, a) происходит его распухание и интенсивное газовыделение, что снижает ресурс органов регулирования и требует конструктивных и технологических усовершенствований стержней, в частности необходимо увеличивать толщину оболочки для обеспечения достаточной прочности.

Наиболее близким к описываемому по технической сущности является регулирующий стержень ядерного реактора, содержащий столб поглотителя нейтронов, выполненный по высоте из двух частей, одна из которых выполнена из материала, имеющего с нейтронами (n, a) реакцию, а другая, вдвигаемая в активную зону первой, выполнена из материала, включающего гафний (патент США N 4678628, кл. G 21 C 7/10, 1987). Стержень имеет оболочку, заполненную таблетками из нейтронопоглощающих материалов с различными нейтронно-физическими параметрами. В качестве материала, имеющего с нейтронами (n, a) реакцию применен карбид бора. Устройство предполагает наличие набора стержней объединенных в единую связку кластер.

Использование в части столба поглотителя нейтронов, первой вдвигаемой в активную зону, гафния позволяет решить многие проблемы, связанные с физическими аспектами поглощения нейтронов. В отличие от сплава Ag In Cd, гафний имеет практически линейную зависимость изменения эффективности в зависимости от флюенса нейтронов, что позволяет обеспечить надежную защиту карбида бора во время кампании реактора, т.к. характеристики гафния со временем меняются незначительно и могут быть предварительно рассчитаны.

Однако карбид бора вследствие меняющегося потока нейтронов по высоте и радиусу стержня облучается неравномерно, особенно при расположении стержня в активной зоне. В результате различные участки части столба поглотителя нейтронов с таблетками карбидом бора имеют различное распухание, что приводит к возникновению различного рода механических напряжений. Наличие механических напряжений вызывает искривление стержня, которое можно снизить за счет увеличения толщины оболочки, препятствующей значительным деформациям. Но в этом случае существенно снижается эффективность органа регулирования за счет уменьшения объемной доли поглощающего материала. Искривление столба таблеток из карбида бора приводит к деформации той части оболочки, в которой размещены таблетки гафния, и который подвержен незначительному распуханию. Но таблетки гафния не могут препятствовать искривлению части оболочки с гафнием, т.е. они имеют возможность перемещения друг относительно друга. В результате за счет неравномерного распухания карбида бора имеет место искривление всей оболочки, что негативно сказывается при эксплуатации стержня, обладающего неплохими нейтронно-физическими параметрами.

В связи с достаточно большой протяженностью стержня по сравнению с его диаметром, даже незначительные деформации оболочки из-за распухания карбида бора приводят к существенным отклонениям от продольной оси той части стержня, которая включает гафний.

Задачей настоящего изобретения является создание регулирующего стержня ядерного реактора, обеспечивающего необходимое введение реактивности в различных динамических и аварийных режимах и имеющего при этом пониженное изменение формы во время эксплуатации.

При решении этой задачи реализуется новый технический результат, заключающийся в уменьшении суммарной деформации по длине стержня при одновременном обеспечении возможности уменьшения толщины оболочки.

Данный технический результат достигается тем, что в регулирующем стержне ядерного реактора, содержащем столб поглотителя нейтронов, выполненный по высоте из двух частей, одна из которых выполнена из материала, имеющего с нейтронами (n, a) реакцию, а другая, вдвигаемая в активную зону первой, выполнена из материала, включающего гафний, в виде жесткой продольной конструкции, длина которой составляет (5 30)% от длины столба поглотителя нейтронов.

Отличительной особенностью настоящего изобретения является выполнение части столба поглотителя нейтронов, включающей гафний в виде жесткой продольной конструкции при определенной высоте этой части от общей высоты столба поглотителя нейтронов, что позволяет уменьшить искривление стержня в целом, т. е. возможные формоизменения стержня за счет распухания карбида бора будут восприняты продольной конструкцией из гафния. Вышеуказанный технический результат будет реализован лишь при высоте части столба поглотителя нейтронов, содержащий гафний, составляющей (5 30)% от всей длины столба поглотителя нейтронов.

Нижний предел 5 длины части столба поглотителя нейтронов, содержащий гафний, обусловлен, с одной стороны, необходимой высотой гафния для экранирования материала, имеющего с нейтронами (n, a) реакцию, а, с другой стороны, требуемой жесткостью в продольном направлении всего стержня в целом.

В случае уменьшения длины стержня, содержащего гафний, менее 5% от длины столба поглотителя нейтронов, основной вклад в физический вес стержня вносит материал, имеющий с нейтронами (n, a) реакцию, т.е. карбид бора, поскольку в этом случае экранирующая роль гафния незначительна. Карбид бора имеет в этом случае неконтролируемое и более неравномерное выгорание и повышенное распухание, что в свою очередь увеличивает степень деформации стержня. Снижение длины части столба поглотителя нейтронов с гафнием ниже 5% от длины столба поглотителя нейтронов не позволяет уменьшить суммарное искривление стержня, поскольку величина жесткой части для этих целей мала. Конкретное значение минимально возможной длины части столба поглотителя, включающей гафний с учетом выполнения вышеназванных условий была определена экспериментально.

При увеличении длины части столба поглотителя нейтронов, занимаемой гафнием, более 30% от длины столба поглотителя нейтронов происходит значительное снижение интегральной эффективности поглощающего органа, поскольку карбид бора эффективнее гафния, т.к. имеет более высокое значение сечения поглощения нейтронов, что приводит к полной потере существенных преимуществ, обусловленных выбором вышеуказанной комбинации поглощающих материалов, что особенно важно при работе его в режиме аварийной защиты.

Часть столба поглотителя нейтронов, включающего гафний может быть выполнена в виде стержня из металлического гафния, который располагается внутри герметичной оболочки или соединяется с ней.

Возможно размещение стержня из металлического гафния с радиальным зазором внутри герметичной оболочки, а также наличие никелевой пробки между материалом, имеющим с нейтронами (n, a) реакцию (карбид бора) и стержнем из металлического гафния.

Между стержнем из металлического гафния и карбидом бора или никелевой пробкой выполнен зазор, в области которого герметичная оболочка имеет обжатие.

Кроме того, в качестве материала, имеющего с нейтронами (n, a) реакцию, применен порошок карбида бора с размерами зерен от 5 мкм до 160 мкм, виброуплотненный до плотности не менее 1,7 г/см³, а стержень из металлического гафния выполнен с внутренней полостью.

Целесообразно оболочку выполнить из нержавеющей стали или из хромоникелевого сплава.

На фиг. 1 изображен общий вид регулирующего стержня ядерного реактора, на фиг. 2 показан вариант исполнения регулирующего стержня.

Регулирующий стержень 1 ядерного реактора состоит из герметичной оболочки 2, внутри которой расположен столб 3 поглотителя нейтронов с длиной L. Одна часть 4 столба 3 включает материал, имеющий с нейтронами (n, a) реакцию, например порошок карбида бора. Другая часть 5, столба 3, вводимая в активную зону (на чертеже не показана) первой, длина которой l, содержит материал, включающий гафний.

Длина l части 5 составляет (5 30)% от длины L столба 3. Оболочка 2 загерметизирована, например сваркой, при помощи нижней 6 и верхней 7 концевых деталей.

Между верхней концевой деталью 7 и столбом 3 может быть предусмотрена полость 8 для сбора газов. В качестве материала, имеющего с нейтронами (n, a) реакцию, применен, в частности, порошок карбида бора с размерами зерен от 5 мкм до 160 мкм, виброуплотненный до плотности не менее 1,7 г/см³. Возможно использование и других материалов, имеющих с нейтронами (n, a) реакцию, параметры которых подбираются экспериментально с учетом требуемых характеристик. Оболочка 2 может быть выполнена из нержавеющей стали или хромоникелевого сплава.

Часть 5 столба 3 поглотителя нейтронов целесообразно выполнить в виде стержня из металлического гафния, который и является продольной жесткой конструкцией. Стержень из металлического гафния расположен внутри оболочки 2 или соединен с ней (см. левую часть фиг. 1). При размещении стержня из металлического гафния внутри оболочки 2, предпочтительно предусмотреть радиальный зазор 9 между ним и внутренней поверхностью оболочки 2, выбираемый при эксплуатации устройства за счет распухания гафния. Для исключения попадания порошка карбида бора в зазор 9 при изготовлении устройства, между стержнем из металлического гафния и частью 4, из порошка карбида бора размещена пробка 10 из никеля. Над частью 4 столба 3, заполненной карбидом бора, может быть установлена аналогичная пробка-фиксатор 11. Стержень из металлического гафния установлен относительно части 4, выполненной из карбида бора или относительно пробки 10 с продольным зазором 12. В области зазора 12 целесообразно в оболочке 2 выполнить обжатие 13, что дополнительно увеличивает жесткость конструкции. Стержень из металлического гафния может быть выполнен с внутренней полостью 14.

Конструктивно описываемые элементы устройства могут быть выполнены любым известным образом, учитывающим арсенал имеющихся средств.

Регулирующий орган функционирует следующим образом. В зависимости от условий эксплуатации и необходимого поддержания уровня мощности, стержень 1 может быть расположен в различных положениях относительно активной зоны. При расположении стержня над активной зоной или при частичном введении его в активную зону, часть 4 столба поглотителя нейтронов не имеет значительной неравномерности выгорания и мало подвержена негативному воздействию нейтронов, заключающемуся в ее распухании и газовыделении из нее, что обеспечивается наличием части 5, включающей гафний. Однако во время эксплуатации всегда имеет место пусть незначительное, но неравномерное распухание карбида бора по сечению и длине за счет невозможности обеспечения одинаковых условий взаимодействия карбида бора с потоком нейтронов. В результате появляются деформации части 4 столба 3, обусловленные напряжениями, возникающими вследствие неоднородных формоизменений части 4 с карбидом бора. Под действием таких напряжений оболочка 2 может значительно искривляться в различных направлениях. Особенно данный эффект проявляется при существенном превышении длины стержня в целом по сравнению с его диаметром, что предполагают реальные конструкции стержней регулирования. Часть 5 столба 3, выполненная в виде жесткой продольной конструкции (стержень из металлического гафния) препятствует суммарным деформациям стержня 1, воспринимая нагрузки и препятствуя отклонению стержня от продольной оси выше допустимого.

Стержень может использоваться автономно и иметь индивидуальный привод перемещения. Набор стержней может быть объединен в сборку (кластер) с общим приводом. Стержни могут быть установлены в тепловыделяющую сборку вместо твэлов. Но наличие жесткой продольной конструкции части стержня, включающей гафний позволяет положительно перераспределить нагрузки по длине стержня без увеличения толщины оболочки, являющейся несущим узлом.

Таким образом, описываемый стержень ядерного реактора имеет сниженную величину суммарной деформации и сохранение повышенной стабильности параметров за счет комбинации поглощающих элементов, что положительно сказывается при эксплуатации устройства.

Использование, изобретение относится к ядерной технике, в частности к устройствам системы управления и защиты водо-водяных реакторов. Сущность: регулирующий стержень содержит оболочку, заполненную столбом поглотителя нейтронов. Одна часть столба выполнена из материала, имеющего с нейтронами (n, α) реакцию, в частности из карбида бора. Другая часть столба поглотителя нейтронов, которая вдвигается в активную зону первой, включает гафний. Эта часть выполнена в виде жесткой конструкции, в частности в виде стержня из металлического гафния. Длина стержня из металлического гафния составляет (5 - 30)% от длины столба поглотителя нейтронов. В результате уменьшается суммарная деформация стержня при одновременном сохранении его параметров, обусловленных сочетанием материалов, поглощающих нейтроны. 10 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Регулирующий стержень ядерного реактора, содержащий столб поглотителя нейтронов, выполненный по высоте из двух частей, одна из которых выполнена из материала, имеющего с нейтронами (n, α) реакцию, а другая, вдвигаемая в активную зону первой, выполнена из материала, включающего гафний, отличающийся тем, что часть столба поглотителя нейтронов, включающего гафний, выполнена в виде жесткой продольной конструкции, длина которой составляет 5 30% от длины столба поглотителя нейтронов. 2. Стержень по п.1, отличающийся тем, что часть столба поглотителя нейтронов, включающего гафний, выполнена в виде стержня из металлического гафния. 3. Стержень по п. 2, отличающийся тем, что стержень из металлического гафния и материал, имеющий с нейтронами (n, α) реакцию, расположены внутри герметичной оболочки. 4. Стержень по п. 3, отличающийся тем, что стержень из металлического гафния расположен внутри герметичной оболочки с радиальным зазором. 5. Стержень по п.2, и/или 3, и/или 4, отличающийся тем, что между стержнем из металлического гафния и материалом, имеющим с нейтронами (n, α) реакцию, размещена пробка из никеля. 6. Стержень по п.2 и/или пп.3 5, отличающийся тем, что стержень из металлического гафния установлен с продольным зазором относительно материала, имеющего с нейтронами (n, α) реакцию, или относительно пробки из никеля. 7. Стержень по п.6, отличающийся тем, что герметичная оболочка имеет обжатие в области зазора. 8. Стержень по п.2, отличающийся тем, что материал, имеющий с нейтронами (n, α) реакцию, размещен в герметичной оболочке, а стержень из металлического гафния соединен с ней. 9. Стержень по пп.2 и/или пп.3 8, отличающийся тем, что стержень из металлического гафния выполнен с внутренней полостью. 10. Стержень по пп.1 и/или пп.2 9, отличающийся тем, что в качестве материала, имеющего с нейтронами (n, α) реакцию, применен порошок карбида бора с размерами зерен 5 160 мкм, виброуплотненный до плотности не менее 1,7 г/см³. 11. Стержень по пп.1 и/или пп.2 10, отличающийся тем, что оболочка выполнена из нержевающей стали или хромоникелевого сплава.