ОРГАН РЕГУЛИРОВАНИЯ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА Российский патент 1997 года по МПК G21C7/00 G21C7/10 

Изобретение относится к области устройств для регулирования высокотемпературных ядерных реакторов (ЯР) с органами регулирования, выполненными в виде поворотных цилиндров, расположенных в боковом отражателе ЯР и предназначенных для изменения характеристик в процессе работы.

Одной из проблем создания ЯР является разработка эффективной системы регулирования, обеспечивающей вывод ЯР на номинальный режим и поддержание его параметров на заданном уровне в течение всего ресурса.

Известна конструкция ЯР, в которой регулирование производится при помощи поворотных цилиндров снабженных нейтронопоглощающими секторами (см. например, устройство для регулирования ЯР, книга "Основы автоматического управления ядерными космическими энергетическими автоматическими установками", под редакцией академика Б.И. Петрова, М. Машиностроение, 1974, с.58-59).

Известен также ряд конструкций ЯР, в которых органы регулирования снабжены устройством выбора люфтов, обеспечивающим искусственную силовую выборку зазоров между сопрягающимися поверхностями элементов кинематических цепей при помощи предварительно деформируемых элементов пружин, торсионов и содержат барабаны грубого и точного регулирования, зубчатые передачи и пружины (см. например, устройство для регулирования ЯР, книга "Основы автоматического управления ядерными космическими энергетическими установками" под редакцией академика Б.И. Петрова, М. Машиностроение, 1974, с.45.).

Описанное устройство применялось на американской ядерной энергетической установке" SNAP-10A" в качестве системы одноразового вывода установки на номинальный режим с последующим отключением всех исполнительных механизмов.

Недостатком приведенной выше конструкции является то, что устройство не рассчитано на работу в течение длительного ресурса.

В отечественных ядерных энергетических установках привод с редуктором вынесен в относительно низкотемпературную зону, за отсек теневой радиационной защиты или в головную часть. Это потребовало создания развитой кинематической цепи. Надежная работа устройства для регулирования ЯР обеспечивается, в том числе, и размещением ее элементов в контролируемой газовой среде, что делает работу устройства для регулирования более стабильной.

Наиболее близким техническим решением к заявленному, является устройство для регулирования ядерного реактора термоэмиссионной энергетической установки "Топаз", в котором двенадцать органов регулирования поворотного типа, размещенные в боковом отражателе разбиты на 4 группы по три в каждой. По две группы предназначены для регулирования тепловой мощности и компенсации реактивности. Органы регулирования объединяются в группы в распределительном механизме. Каждая группа органов регулирования управляется своим приводом. Выходной вал привода соединен с ведущей шестерней группы органов регулирования, от которой приводятся в движение поворотные цилиндры. Полости приводов и органов регулирования герметичны и заполнены инертным газом. Орган регулирования ядерного реактора содержит неподвижный герметичный кожух с фланцами с размещенным внутри него поворотным цилиндром, в пазу которого установлена нейтронопоглощающая секторная вставка (НСВ), устройство для выбора люфтов. (см. журнал "Атомная энергия" т.70, вып.4, апрель 1991, с.211-214).

Недостатком приведенной выше конструкции является сравнительно небольшая чувствительность, сравнительно большие массогабаритные характеристики устройства для регулирования в целом и сравнительно небольшой ресурс работы устройства для ЯР в составе ядерной энергетической установки.

Задача, на выполнение которой направлено заявленное изобретение - увеличение ресурса работы органа регулирования ЯР, повышение его чувствительности, снижение массогабаритных характеристик устройства для регулирования в целом.

Технический результат выборка люфтов в кинематической цепи от привода до поворотного цилиндра на протяжении длительного ресурса, снижение жесткости пружины и, следовательно, уменьшение напряжений, возникающих в материале пружины, и увеличение ресурса работы пружины устройства для регулирования в целом, снижение момента инерции вращающихся частей и, следовательно, снижение массы устройства для регулирования ЯР в целом, увеличение его чувствительности.

Этот результат достигается тем, что орган регулирования ядерного реактора, содержащий неподвижный герметичный кожух с фланцами, с размещенным внутри него поворотным цилиндром, в пазу которого установлена нейтронопоглощающая секторная вставка, устройство для выбора люфтов, и соединенный кинематической цепью с приводом, выполнен таким, что нейтронопоглощающая секторная вставка, установленная в пазу поворотного цилиндра, расположена со сдвигом относительно плоскости, проходящей через оси ядерного реактора и поворотного цилиндра, в направлении движения поворотного цилиндра при пуске ядерного реактора на величину люфта в кинематической цепи от привода до поворотного цилиндра причем устройство для выбора люфтов поворотного цилиндра может быть выполнено в виде одной или двух спиральных пружин, соединено с фланцем неподвижного герметичного кожуха с обеспечением постоянного приложения крутящего момента к цилиндру в направлении, противоположном направлению поворота цилиндра при пуске реактора.

Дополнительно предлагаемый орган может быть снабжен упругим элементом, а паз поворотного цилиндра, в котором размещена нейтронопоглощающая секторная вставка, выполнена большим в угловом направлении, чем сама вставка, причем в зазоре между нейтронопоглощающей секторной вставкой и стенкой паза поворотного цилиндра расположен упругий элемент, а сам зазор расположен по направлению движения поворотного цилиндра при пуске ядерного реактора. Кроме того, орган регулирования ядерного реактора может быть снабжен элементом из водородосодержащего нейтронозамедляющего материала, причем поворотный цилиндр с нейтронопоглощающей секторной вставкой выполнен пустотелым, во внутренней полости которого расположен жестко прикрепленный к фланцу органа регулирования стержень из нейтроноотражающего материала, на котором размещен элемент из водородосодержащего нейтронозамедляющего материала, причем этот элемент расположен со стороны активной зоны ядерного реактора.

На фиг. 1 приведена конструктивная схема органа регулирования ядерного реактора, например, с двумя последовательно расположенными спиральными пружинами и разделяющим их диском в соответствии с признаками заявленного изобретения; на фиг. 2 характеристика для двух спиральных пружин разной длины, M = f(Φ) где прямая 1 (длина пружины l₁) и прямая 2 (длина пружины l₂), причем l₁>l₂; на фиг.3 поперечный разрез бокового отражателя ЯР с органами регулирования в исходном состоянии в положении максимальной подкритичности (НСВ находиться в положении " к активной зоне"); на фиг.4 и 5 поперечный разрез бокового отражателя ЯР с органами регулирования, имеющими пустотелый поворотный цилиндр в положении максимальной подкритичности (НСВ находиться в положении "к активной зоне") и в рабочем положении соответственно.

Орган регулирования ядерного реактора (см. фиг.1), закрепленный в корпусе ЯР, содержащий поворотный цилиндр 1, размещенный внутри неподвижного герметичного кожуха 2 с фланцами, нейтронопоглощающую секторную вставку 1, установленную в пазу поворотного цилиндра 1, и соединенный кинематической цепью с приводом, снабжен устройством для выбора люфтов. Нейтронопоглощающая секторная вставка 3, установленная в пазу поворотного цилиндра 1, расположена со сдвигом на угол α относительно плоскости, проходящей через оси ядерного реактора и поворотного цилиндра 1, в направлении движения поворотного цилиндра 1 при пуске ядерного реактора на величину люфта в кинематической цепи от привода до поворотного цилиндра 1. Причем поворотный цилиндр 1 снабжен диском 4, соединяющим последовательно две спиральные пружины 5 и 6, одна из которых 6 закреплена на фланце неподвижного герметичного кожуха 2 с обеспечением постоянного приложения крутящего момента к цилиндру в направлении, противоположном направлению поворота цилиндра при пуске реактора.

Дополнительно орган снабжен упругим элементом 7, а паз поворотного цилиндра 1, в котором размещена нейтропоглощающая секторная вставка 3, выполнена большим в угловом направлении, чем сама вставка 3, причем в зазоре между нейтронопоглощающей секторной вставкой 3 и стенкой паза поворотного цилиндра 1 расположен упругий элемент 7, а сам зазор расположен по направлению движения поворотного цилиндра 1 при пуске ядерного реактора.

И дополнительно орган снабжен элементом 8 из водородосодержащего нейтронозамедляющего материала, причем поворотный цилиндр 1, в пазу которого установлена нейтронопоглощающая секторная вставка 3, выполнен пустотелым, во внутренней полости которого расположен жестко прикрепленный к фланцу органа регулирования стержень 9 из нейтроноотражающего материала, на котором размещен элемент 8 из водородосодержащего нейтронозамедляющего материала, причем этот элемент расположен со стороны активной зоны ядерного реактора.

Предложенное устройство работает следующим образом.

Две спиральные пружины 5 и 6 соединены друг с другом через выступы диска 4, т.е. усилие с одной пружины 5 на другую 6 передается на большом диаметре, при этом возникают минимальные контактные усилия в месте присоединения диска 4 с пружинами 5 и 6. Две последовательно расположенные спиральные пружины 5 и 6 работает как одна пружина вдвое большей длины, но за счет расположения в два яруса диаметральные габариты значительно меньше, чем у одной пружины той же длины и тех же параметров, что позволяет разместить их в ограниченных габаритах органа регулирования ЯР.

Известно, что

а

где
M крутящий момент пружины;
l длина развертки спирали пружины;
J момент инерции сечения пружины;
n число полных оборотов при закрутке;
E_t модуль упругости материала;
σ_max напряжение в материале пружины;
h толщина сечения пружины.

Из формулы (1) видно, что при заданном моменте M₁ (см. фиг.2), необходимом для выбирания люфтов в кинематической цепи, чем больше длина пружины, тем более пологая характеристика пружины, т.е. при повороте НСВ 3 в рабочее положение на угол ΔΦ рост момента DM₁ будет меньше, чем ΔM₂ более короткой пружины и, следовательно, меньшим будет рост напряжения в материале пружины.

Величина M₁ зависит от конструкции органа регулирования и кинематической цепи и необходимой скорости движения поворотного цилиндра при остановке ЯР.

Люфт в кинематической цепи от привода до поворотного цилиндра 1 определяется суммой зазоров во всех местах соединения различных звеньев кинематической цепи, величина зазоров определяется условиями работы и допусками на изготовление сопрягаемых элементов. Антилюфтовые пружины 5 и 6 разворачивают поворотный цилиндр 1 с расположенной на ней НСВ 3 на величину, равную сумме зазоров и допусков на них, т.е. уводит поворотный цилиндр 1 от его номинального положения максимальной подкритичности (НСВ в положении "к центру активной зоны"). Разворот на эту величину поворотного цилиндра с закрепленной на нем НСВ 3 в направлении движения поворотного цилиндра 1 при пуске ЯР позволяет компенсировать наличие люфтов в кинематической цепи от привода до поворотного цилиндра 1.

Известно, что при длительном ресурсе люфты в кинематической цепи увеличиваются. Это означает, что поворотный цилиндр 1 органа регулирования в процессе работы пружины 5 и 6 поворачивается на больший угол, что приводит к дополнительной отработке этого поворота устройством для регулирования ЯР. Известно также, что при длительном ресурсе работы материалы НСВ (например B₄C) распухают, т.е. угол НСВ увеличивается, что также приводит к включению в работу устройства для регулирования ЯР. Направив это увеличение угла НСВ в сторону, противоположную развороту поворотного цилиндра, из-за увеличения люфта в процессе работы можно значительно скомпенсировать эти два фактора, и тем самым скорость нагрузки не привод, т.е. увеличить ресурс работы устройства для регулирования в целом.

Для компенсации распухания НСВ 3 при длительном ресурсе работы паз, в котором расположена НСВ 3, должен иметь по углу большие размеры, чем сама НСВ 3. В образовавшийся зазор для исключения неопределенного положения НСВ 3 в начале компании установлен упругий элемент 7, который фиксирует НСВ 3 в одном крайнем положении, не препятствуя, в то же время, распуханию НСВ 3. Элемент 7 расположен перед НСВ 3 по направлению движения поворотного цилиндра при пуске ЯР.

При технологических операциях с ЯР, например, при его перевозках НСВ 3 и элемента 8 находятся в положении "к активной зоне", чем обеспечивается максимальная подкритичность ЯР. При пуске ЯР элемент 8 стержня 9, жестко прикрепленный к фланцу кожуха 2 органа регулирования, остается "к активной зоне", а НСВ 3 поворачивается в критическое положение. Ввиду того, что эффективность органов регулирования, необходимая для регулирования работы ЯР, в ряде случаев, составляет примерно 50% от эффективной, необходимой для обеспечения технологических операций с ЯР, например, для его перевозок, критическое состояние может обеспечиваться только НСВ 3.

Возможность получения указанного выше результата подтверждается расчетами. По оценкам, выполненным на нашем предприятии, применение предложенного устройства с пустотелым поворотным цилиндром по сравнению с прототипом позволит уменьшить момент привода в 2,3 раза. При этом рассматривался орган регулирования ЯР на быстрых нейтронах. Момент инерции органа регулирования, в котором поворотный цилиндр выполнен сплошным, рассчитывался по стандартной методике из условия что масса поворотного цилиндра составляет 27 кг, равен 705 кг/см². Момент инерции пустотелого поворотного цилиндра равен 308 кг/см², при этом масса пустотелого поворотного цилиндра равняется 11,1 кг.

Таким образом, момент привода уменьшился при этом в 2,3 раза. Расчеты приведены для медленного поворота органов регулирования. При динамических режимах в условиях аварийных ситуаций (быстрый поворот органов регулирования) эффект от применения предложенной конструкции уменьшение момента привода
значительно увеличится (примерно в 4 раза). Габарит привода уменьшенного по 15% его масса на 10%
Эффективность органа регулирования в положении максимальной подкритичности ЯР (нейтронопоглощающая секторная вставка находится в положении "к центру активной зоны") составляет 10% К_эфф. Необходимая эффективность органов для эффекта кампании сопоставляет 5% К_эфф. В рабочем (критическом) положении эффективность НСВ с учетом действия на них водородосодержащего нейтронозамедляющего материала уменьшается на 20 30% по сравнению с прототипом, что означает, что разовый ход поворотного цилиндра необходимо увеличить на 20 30% что означает повышение чувствительности привода на 20 30%

Использование: в устройствах для регулирования высокотемпературных ядерных реакторов (ЯР) с органами регулирования, выполненными в виде поворотных цилиндров, расположенных в боковом отражателе ЯР и предназначенных для изменения характеристик в процессе работы. Цель изобретения: увеличение ресурса работы органа регулирования ЯР, повышение его чувствительности, снижение массогабаритных характеристик устройства для регулирования в целом, путем выборки люфтов в кинематической цепи от привода до поворотного цилиндра на протяжении длительного ресурса, снижение жесткости пружины и, следовательно, уменьшение напряжений, возникающих в материале пружины, и увеличение ресурса работы пружины устройства для регулирования в целом, снижение момента инерции вращающихся частей и, следовательно, снижение массы устройства для регулирования ЯР в целом, увеличение его чувствительности. Это достигается тем, что орган регулирования ядерного реактора, содержащий неподвижный герметичный кожух с фланцами с размещенным внутри него поворотным цилиндром с нейтронопоглощающей секторной вставкой и соединенным кинематической цепью с приводом, он снабжен диском и двумя спиральными пружинами, каждая из которых выполнена с противоположной навивкой, причем пружины расположены соосно и разделены диском, при этом подвижные наружные концы пружин закреплены на выступах диска по разные его стороны, а внутренние концы закреплены соответственно один на регулирующем цилиндре, другой - на фланце неподвижного кожуха. Кроме того, нейтронопоглощающая секторная вставка поворотного цилиндра расположена со сдвигом относительно плоскости, проходящей через оси ядерного реактора и поворотного цилиндра, в направлении движения поворотного цилиндра при пуске ядерного реактора на величину люфта в кинематической цепи от привода до поворотного цилиндра. Дополнительно орган снабжен упругим элементом, а паз поворотного цилиндра, в котором размещена нейтронопоглощающая секторная вставка, выполнен большим в угловом направлении, чем сама вставка, причем в зазоре между нейтронопоглощающей секторной вставкой и стенкой паза поворотного цилиндра расположен упругий элемент, а сам зазор расположен по направлению движения поворотного цилиндра при пуске ядерного реактора. И дополнительно орган снабжен элементом из водородсодержащего нейтронозамедляющего материала, причем поворотный цилиндр с нейтронопоглощающей секторной вставкой выполнен пустотелым, во внутренней полости которого расположен жестко прикрепленный к фланцу органа регулирования стержень из нейтроноотражающего материала, на котором размещен элемент из водородосодержащего нейтронозамедляющего материала, причем этот элемент расположен со стороны активной зоны ядерного реактора. Кроме того, поворотный цилиндр снабжен спиральной пружиной, соединенной с фланцем неподвижного герметичного кожуха с обеспечением постоянного приложения крутящего момента к цилиндру в направлении, противоположном направлению поворота цилиндра при пуске реактора. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Орган регулирования ядерного реактора, содержащий неподвижный герметичный кожух с фланцами с размещенным внутри него поворотным цилиндром, в пазу которого установлена нейтронопоглощающая секторная вставка, устройство для выбора люфтов и соединенный кинематической цепью с приводом, отличающийся тем, что нейтронопоглощающая секторная вставка, установленная в пазу поворотного цилиндра, расположена со сдвигом относительно плоскости, проходящей через оси ядерного реактора и поворотного цилиндра, в направлении движения поворотного цилиндра при пуске ядерного реактора на величину люфта в кинематической цепи от привода до поворотного цилиндра, причем поворотный цилиндр снабжен спиральной пружиной, соединенной с фланцем неподвижного герметичного кожуха с обеспечением постоянного приложения крутящего момента к цилиндру в направлении, противоположном направлению поворота цилиндра при пуске реактора. 2. Орган реактора по п. 1, отличающийся тем, что он снабжен упругим элементом, а паз поворотного цилиндра, в котором размещена нейтронопоглощающая секторная вставка, выполнен большим в угловом направлении, чем сама вставка, причем в зазоре между нейтронопоглощающей секторной вставкой и стенкой паза поворотного цилиндра расположен упругий элемент, а сам зазор расположен по направлению движения поворотного цилиндра при пуске ядерного реактора. 3. Орган реактора по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что он снабжен элементом из водородосодержащего нейтронозамедляющего материала, причем поворотный цилиндр, в пазу которого установлена нейтронопоглощающая секторная вставка, выполнен пустотелым, во внутренней полости которого расположен жестко закрепленный к фланцу органа регулирования стержень из нейтроноотражающего материала, на котором размещен элемент из водородосодержащего нейтронозамедляющего материала, причем этот элемент расположен со стороны активной зоны ядерного реактора.