ПОГЛОЩАЮЩИЙ СТЕРЖЕНЬ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА Российский патент 1997 года по МПК G21C7/10 G21C9/02 

Изобретение относится к атомной энергетике и может быть использовано в ядерных реакторах преимущественно на быстрых нейтронах с натриевым теплоносителем, содержащих самопроизвольно срабатывающие поглощающие стержни для дополнительной системы аварийного останова реактора при снижении расхода теплоносителя через активную зону.

Известен поглощающий стержень ядерного реактора с жидким теплоносителем [1] содержащий корпус с поглотителем нейтронов и головку для сцепления с исполнительным механизмом, соединенную с корпусом с помощью упругой связи.

Корпус стержня размещен с зазором в направляющей гильзе и его гидравлическое сопротивление выбрано таким образом, чтобы обеспечить создание гидродинамической силы, вызывающей перемещение корпуса относительно головки, когда стержень поднят исполнительным механизмом.

Для исключения всплытия поглощающего стержня, расцепленного с исполнительным механизмом, при несанкционированном увеличении расхода теплоносителя нижняя часть гильзы выполнена с увеличенным поперечным сечением таким образом, чтобы обеспечить свободное протекание теплоносителя через запиточные отверстия в нижней части корпуса стержня и снизить гидродинамическую силу.

Поглощающий стержень предназначен для быстрого самопроизвольного ввода корпуса с поглотителем в активную зону на небольшую (несколько см) величину под действием веса корпуса и упругой связи между корпусом и головкой при аварийном снижении расхода теплоносителя.

Недостатками данного поглощающего стержня являются небольшая величина вводимой реактивности, что не позволяет обеспечить глушение реактора; необходимость небольшого зазора между корпусом стержня и направляющей гильзой в районе активной зоны, что приводит к повышенной вероятности заклинивания стержня вследствие радиационных и термомеханических деформаций стержня и гильзы; наличие подвижного соединения головки и корпуса стержня с малыми зазорами, что приводит к снижению надежности конструкции; возможность самопроизвольного введения положительной реактивности при увеличении расхода теплоносителя, что может привести к скачку мощности и повреждению твэлов.

Известен поглощающий стержень ядерного реактора с жидким теплоносителем [2] содержащий полый корпус с поглотителем, внутри которого расположен шток для присоединения стержня к исполнительному механизму, способный перемещаться относительно корпуса. Корпус стержня размещен в направляющей гильзе, имеющей в верхней части уплотнительную поверхность, с которой взаимодействует верхняя часть корпуса стержня.

Перед выводом реактора на мощность корпус стержня с помощью штока, присоединенного к исполнительному механизму, выводится из активной зоны и удерживается в верхнем положении перепадом давления на уплотнительной поверхности, а шток опускается в нижнее положение.

При снижении расхода теплоносителя и соответственно перепада давления на уплотнительной поверхности, а также при сейсмическом воздействии или при перемещении штока исполнительным механизмом вниз до упора в корпус стержня происходит отрыв корпуса стержня от уплотнительной поверхности, что приводит к вводу поглотителя в активную зону и глушению реактора.

Недостатками известного поглощающего стержня являются сниженная эффективность (поглощающая способность) стержня вследствие уменьшения объема поглотителя на величину, занимаемую перемещающимся штоком; повышенная возможность заклинания стержня в связи с наличием штока, перемещающегося внутри корпуса стержня с небольшими зазорами; высокая чувствительность величины удерживающей корпус силы к качеству прилегания корпуса к уплотнительной поверхности, что может приводить к ложным срабатываниям поглощающего стержня.

Задачей изобретения является увеличение эффективности (поглощающей способности) поглощающего стержня, а также повышение надежности удержания корпуса стержня в верхнем положении и надежности срабатывания стержня при снижении расхода теплоносителя через активную зону.

Задача решается тем, что в поглощающем стержне ядерного реактора на быстрых нейтронах с натриевым теплоносителем, содержащем корпус с поглотителем нейтронов, соединенный с помощью штока с головкой для сцепления с исполнительным механизмом и размещенный в направляющей гильзе, имеющей в верхней части уплотнительную поверхность для обеспечения гидродинамического удержания корпуса стержня в верхнем положении восходящим потоком теплоносителя, уплотнительная поверхность гильзы выполнена в виде канала над активной зоной, приходное сечение которого выбрано из условия обеспечения гидродинамического взвешивания поглощающего стержня в верхнем положении при заданном расходе теплоносителя через гильзу, проходное сечение гильзы в районе расположения корпуса в нижнем положении поглощающего стержня выполнено большим по сравнению с сечением канала над активной зоной, шток выполнен полым, присоединен сверху к корпусу и неподвижен относительно корпуса, в стенке штока в нижней его части выполнены перепускные отверстия, сообщающие зазор между корпусом в нижнем положении стержня и гильзой с внутренней полостью штока, а головка стержня в верхнем положении расцеплена с исполнительным механизмом.

Конструктивное исполнение поглощающего стержня позволяет использовать весь объем корпуса для размещения поглотителя, например, в виде цилиндрических поглощающих элементов и соответственно позволяет увеличить эффективность стержня. Отсутствие перемещающихся частей в составе поглощающего стержня снижает вероятность заклинивания и соответственно повышает надежность срабатывания стержня. Выполнение уплотнительной поверхности в виде канала над активной зоной позволяет обеспечить низкую чувствительность гидродинамической силы, удерживающей стержень в верхнем положении, к отклонениям геометрических размеров и исключить ложные срабатывания стержня.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых на фиг.1 схематически изображен продольный разрез предлагаемого поглощающего стержня в верхнем положении, когда стержень взвешен в восходящем потоке теплоносителя и захват исполнительного механизма расцеплен с головкой стержня; на фиг.2 схематически изображен продольный разрез поглощающего стержня во введенном в активную зону положении при перегрузке; на фиг.3 приведены результаты расчетов изменения параметров реактора типа БН-800 при обесточивании циркуляционных насосов с отказом основных систем останова и самопроизвольным вводом в активную зону предлагаемых поглощающих стержней.

Поглощающий стержень содержит корпус 1 с поглотителем нейтронов, например, в виде цилиндрических элементов, заполняющих весь объем корпуса, присоединенный полым штоком 2 к головке 3 для сцепления с захватом 4 исполнительного механизма, перемещающимся в направляющей трубе 5.

Поглощающий стержень помещен в направляющую гильзу 6, имеющую переменное по длине проходное сечение: канал 7 в пространстве над активной зоной уменьшенное, а в районе расположения корпуса стержня в нижнем положении после срабатывания или при нагрузке увеличенное сечение 8.

В стенке штока в нижней части выполнены перепускные отверстия 9, которые в нижнем положении стержня находятся в зоне гильзы с увеличенным проходным сечением 8.

В нижней части корпуса стержня установлена дроссельная шайба 10, обеспечивающая требуемый расход теплоносителя на охлаждение поглотителя при работе реактора на мощности.

Величина зазора 11 между корпусом стержня и каналом 7 гильзы в пространстве над активной зоной выбрана таким образом, чтобы при заданном уровне расхода теплоносителя через активную зону, например, в диапазоне от 0,5 до 0,6 от номинального обеспечивалось гидродинамическое взвешивание поглощающего стержня восходящим потоком теплоносителя в направляющей гильзе.

При выводе реактора на мощность поглощающий стержень, сцепленный с захватом 4, поднимают исполнительным механизмом в верхнее положение и при уровне расхода теплоносителя через активную зону, превышающем взвешивающий, например, более 0,7 от номинального, расцепляют захват с головкой стержня.

При обесточивании или отключении циркуляционных насосов первого контура после уменьшения расхода теплоносителя через активную зону ниже взвешивающего поглощающий стержень самопроизвольно под собственным весом вводится в активную зону, что приводит к останову реактора независимо от срабатывания основных систем останова, срабатывающих по сигналам аварийной защиты.

Возможно также введение поглощающего стержня в активную зону перемещением захвата, расцепленного с головкой стержня, осуществляемое исполнительным механизмом по аварийным сигналам независимо от уровня расхода теплоносителя через активную зону.

После срабатывания или при перегрузке реактора расцепленный с захватом исполнительного механизма поглощающий стержень удерживается в нижнем положении даже при расходе теплоносителя через гильзу, превышающем номинальный, за счет открытия перепускных отверстий 9, байпасирующих корпус стержня с шайбой 10 и зазор 11, что обеспечивает существенное снижение перепада давления на стержне и соответственно гидродинамической силы, действующей на стержень.

Указанный поглощающий стержень является основой дополнительной пассивной системы останова реактора на быстрых нейтронах с натриевым теплоносителем БН-800, основные проектные данные которой приведены на фиг.3.

На фиг.3 приведены изменение относительного расхода через активную зону G_отн, изменение относительной мощности реактора N_отн, перемещение поглощающих стержней H и изменение температуры натрия на выходе из активной зоны tвых.а.з.

Как показывают расчеты, такие поглощающие стержни реактора БН-800 самопроизвольно вводятся в активную зону под собственным весом через ≈6 с момента достижения взвешивающего расхода, равного 0,5 от номинального, что обеспечивает останов реактора с достаточным запасом до температуры вскипания натрия на выходе из активной зоны (не менее 150^oC).

В ОКМБ проведены стендовые испытания макетного поглощающего стержня реактора БН-800 в условиях, максимально приближенных к натурным.

Испытания подтвердили проектные гидромеханические характеристики поглощающих стержней и показали высокую надежность их самосрабатывания при снижении расхода (испытания макетного стержня ПАЗ на СТ 1545. Отчет инв. 72135Л, ОКМБ, г.Н.Новгород, 1994 г.).

Использование: в ядерных реакторах преимущественно на быстрых нейтронах с натриевым теплоносителем для дополнительной системы аварийного останова реактора при снижении расхода теплоносителя через активную зону. Сущность изобретения: поглощающий стержень содержит корпус с поглотителем нейтронов, соединенный при помощи полого штока с головкой для сцепления с исполнительным механизмом. Стержень размещен в направляющей гильзе, имеющей в верхней части уплотнительную поверхность для обеспечения гидравлического удержания корпуса стержня в верхнем положении восходящим потоком теплоносителя. Уплотнительная поверхность гильзы выполнена в виде канала над активной зоной, проходное сечение которого выбрано из условия обеспечения гидравлического взвешивания поглощающего стержня в верхнем положении при заданном расходе теплоносителя через гильзу. Проходное сечение гильзы в районе расположения корпуса в нижнем положении поглощающего стержня выполнено большим по сравнению с сечением канала над активной зоной. В стенке штока в нижней его части выполнены перепускные отверстия, сообщающие зазор между корпусом в нижней части стержня и гильзой с внутренней полостью штока. Головка стержня в верхнем положении расцеплена с исполнительным механизмом. При снижении расхода теплоносителя через активную зону ниже взвешивающего поглощающий стержень самопроизвольно под действием собственного веса вводится в активную зону, что приводит к останову реактора. После срабатывания поглощающий стержень удерживается в нижнем положении даже при расходе теплоносителя через гильзу, превышающем номинальный. 3 ил.

Поглощающий стержень ядерного реактора преимущественно на быстрых нейтронах с натриевым теплоносителем, содержащий корпус с поглотителем нейтронов, соединенный с помощью штока с головкой для сцепления с исполнительным механизмом и размещенный в направляющей гильзе, имеющей в верхней части уплотнительную поверхность для обеспечения гидродинамического удержания корпуса стержня в верхнем положении восходящим потоком теплоносителя, отличающийся тем, что уплотнительная поверхность гильзы выполнена в виде канала над активной зоной, проходное сечение которого выбрано из условия обеспечения гидродинамического взвешивания поглощающего стержня в верхнем положении при заданном расходе теплоносителя через гильзу, проходное сечение гильзы в районе расположения корпуса в нижнем положении поглощающего стержня выполнено большим по сравнению с сечением канала над активной зоной, шток выполнен полым, присоединен сверху к корпусу и неподвижен относительно корпуса, в стенке штока в нижней его части выполнены перепускные отверстия, сообщающие зазор между корпусом в нижнем положении стержня и гильзой с внутренней полостью штока, а головка стержня в верхнем положении при работе реактора расцеплена с исполнительным механизмом.