УПРАВЛЯЮЩАЯ КОЛОНКА ИЗ ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩЕГО ЭЛЕМЕНТА И ПОГЛОЩАЮЩЕГО ЭЛЕМЕНТА ДЛЯ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА Российский патент 1998 года по МПК G21C7/103 

Изобретение относится к управляющей колонке из тепловыделяющего элемента и поглощающего элемента в соответствии с ограничительной частью 1 формулы изобретения, а также к тепловыделяющему элементу и поглощающему элементу этой управляющей колонки [1].

Подобные управляющие колонки, в которых поглощающий элемент через соединительные детали связан с верхним концом тепловыделяющего элемента, применяется в охлаждаемых водой под давлением реакторах советской конструкции. Тепловыделяющий элемент содержит заключенное в металлические структурные детали топливо, которое проходит от нижнего края топлива до верхнего края топлива, в то время как поглощающий элемент содержит расположенные ниже верхнего края поглотителя, удерживаемые металлическими структурными деталями тела из поглощающего материала, которые проходят до нижнего края поглотителя. Структурные детали выступают на головке тепловыделяющего элемента за верхний край топлива и выполнены там в виде соединительных деталей. Они входят в зацепление с соответствующими противоположными соединительными деталями, которые образованы выступающими ниже нижнего края поглотителя структурными деталями поглощающего элемента.

Верхний край топлива и нижний край топлива при этом не совпадают с концами тепловыделяющих стержней, которые выполнены в виде заполненных топливом, газоплотно закрытых трубок. Более того эти трубки содержат выше верхнего края топлива и ниже нижнего края топлива газосборные пространства для образующихся во время эксплуатации продуктов распада. Содержащая топливо активная зона тепловыделяющего элемента таким образом начинается выше нижних концов тепловыделяющих стержней и заканчивается ниже верхних концов. Имеются также управляющие колонки, в которых в режиме полной мощности верхний край топлива тепловыделяющего элемента лежит ниже границы, которая ограничивает активную зону реактора, так как тепловыделяющие стержни являются укороченными.

При полной мощности реактора управляющая колонка находится в положении, в котором ее тепловыделяющий элемент расположен примерно на той же высоте, что и тепловыделяющие элементы, расположенные в активной зоне реактора рядом с управляющей колонкой. Активная зона тепловыделяющего элемента таким образом совпадает с активной зоной реактора, которая определяется активными зонами других тепловыделяющих элементов. Для понижения мощности колонку сдвигают по оси, причем в активную зону реактора вводится часть управляющей колонки, которая не содержит ни топлива, ни поглощающего материала, а соединительные и структурные детали. При этом эти детали вытесняют только сравнительно малый объем воды, так что в этой области устанавливается повышенное замедление. Это положение устанавливается практически всегда при частичном регулировании.

Оказалось, что на верхних концах тепловыделяющих стержней в тепловыделяющем элементе управляющей колонки возникают пики мощности. Поэтому уже было предложено, укорачивать топливное заполнение тепловыделяющих стержней этого тепловыделяющего элемента и вместо этого располагать на верхнем конце имеющие примерно длину 100 мм стальные штифты, которые противодействуют повышению мощности в верхней области активной зоны этих тепловыделяющих стержней.

Однако наряду с этим наступает также повышение мощности в верхних частях соседних тепловыделяющих стержней, причиной которых вероятно является вызванное управляющей колонкой искажение нейтронного потока.

В основе изобретения лежит задача, создать управляющую колонку, которая по сравнению с условиями в обычных управляющих колонках, вызывает более равномерное распределение нейтронного потока и мощности, или соответственно подходящие для этого поглощающий элемент и тепловыделяющий элемент.

Эта задача решается за счет того, что поглощающий материал через соединительный элемент практически простирается до верхнего края топлива (п.1 формулы изобретения). Предпочтительные формы выполнения изобретения указаны в последующих пунктах формулы изобретения.

На фиг. 1 представлено продольное сечение примера выполнения соответствующего изобретению тепловыделяющего элемента управляющей колонки такого вида; на фиг. 2 - продольное сечение через соответствующий управляющий элемент; на фиг. 3 - продольное сечение через соединительные детали обоих элементов в соединенном состоянии.

Согласно фиг. 1 тепловыделяющий элемент (BE) содержит хвостовую часть 1, к которой примыкает проходящий до головной части 3 кожух 2 тепловыделяющего элемента. В упомянутых реакторах советской конструкции хвостовая часть, кожух и головная часть имеют гексагональное поперечное сечение.

Центральная гильза 5 соединяет плиту основания 4 с плитой перекрытия 6, между которыми расположены тепловыделяющие стержни 7.

Эти тепловыделяющие стержни являются параллельными к оси колонки трубками, которые заполнены топливом примерно до верхнего края топлива HF и газоплотно закрыты выше этого верхнего края HF. Соответственно заполнение часто доходит только до лежащего выше плиты основания 4 нижнего края топлива HL. Плоскости HL и HF ограничивают таким образом активную зону тепловыделяющего элемента. Если тепловыделяющий элемент введен полностью, то эти плоскости лежат на краях активной зоны ядра реактора.

При этом может быть предпочтительным, если в газоплотно закрытых трубках ниже верхнего края топлива примыкает экранирующее (Blanket-) пространство, в котором обычное обогащенное топливо заменено природным ураном, обедненным или использованным топливом. За счет этого в этой аксиальной области в среднем выделяется меньше мощности. Кроме того в значительной степени избегается, что устанавливаются нейтронные потери, направленные в аксиальном направлении вверх. Более того, увеличивается градиент нейтронного потока на верхнем конце тепловыделяющего стержня. В результате получается улучшение использования топлива при одновременной экономии топлива (более низкое среднее обогащение топлива стержня) и снижение потерь в контуре топлива.

Над плитой перекрытия в головной части 3 тепловыделяющего элемента BE фиг. 1 выступают детали 11 и 12, которые образуют гильзы для штыкового затвора, в которые могут входить соответствующие штекерные детали соответствующего поглощающего элемента. Позициями 13 и 14 при этом обозначены носки, которые представляют собой частично стопорные носки соответствующего штыкового затвора, частично поверхности зацепления для захватного и подъемного инструментов для манипулирования тепловыделяющего элемента.

Трубами 8 на фиг. 1 представлено, что в отдельных, лежащих между нормальными тепловыделяющими стержнями положениях расположены открытые сверху трубки, которые не заполнены топливом, а могут содержать замещающие стержни или также воду (замедлитель). Эти трубки закреплены внизу на плите основания 4 держателями 9, в то время как соответствующие держатели 10 на плите перекрытия 6 несут штифты 15, которые в этих положениях входят между заполненными топливом, нормальными тепловыделяющими стержнями. Эти штифты содержат материал с повышенным поглощением нейтронов, например, подверженное само по себе коррозии серебро-индий-кадмиевое заполнение, окруженное коррозионностойкой оболочкой.

Предпочтительный тепловыделяющий элемент соответствующей изобретению управляющей колонки содержит таким образом пучок из тепловыделяющих стержней, которые сидят в фиктивных ячейках регулярной решетки, в частности, гексагональной решетки и содержат окруженную газоплотно замкнутой покрывающей трубой колонку из топлива, причем над тепловыделяющими стержнями предусмотрено газосборное пространство. Эти тепловыделяющие стержни проходят примерно от плиты основания 4 до положения вблизи плиты перекрытия 6.

Тепловыделяющие стержни в отдельных аксиальных положениях удерживаются (не представленными) разделителями с соответствующей решетчатой структурой, причем однако отдельные ячейки решетки заняты не содержащими топлива тепловыделяющими стержнями или самое большее такими тепловыделяющими стержнями, которые содержат топливо только в нижней части элемента. В этих ячейках фиктивной решетки расположены штифты из поглощающего материала, которые проходят сквозь плиту перекрытия практически до верхнего края топлива тепловыделяющего элемента. Эти штифты могут образовывать верхнюю часть упомянутых тепловыделяющих стержней, которые содержат топливо только в нижней части.

Если таким образом при управлении на уменьшение мощности реактора управляющая колонка перемещается вниз, то поглощающие стержни выравнивают воздействия, которые возникают за счет того, что в активной зоне реактора газосборные пространства и свободная от топлива область приходят в положение вблизи плиты перекрытия управляющей колонки.

В поглощающем элементе согласно фиг. 2 между хвостовой частью 21 и головной частью 23 проходит кожух 22 поглощающего элемента, который вместе с проходящим через центральную гильзу 25 центральным стержнем 24 образует несущие металлические детали поглощающего элемента. Между центральной гильзой 25 и кожухом 22 находятся поглощающие тела 26, которые проходят от верхнего края поглотителя НО до нижнего края поглотителя HA в хвостовой части. На хвостовой части закреплена соединительная деталь 30, которая вместе с выступающим вниз концом центрального стержня 24 образует штекер для штыкового затвора, к которому относятся соответствующие гильзовые части на головке соответствующего тепловыделяющего элемента.

Чтобы избежать, что в соединенном состоянии соответствующие соединительные детали 30, 31 поглощающего элемента и относящиеся сюда соединительные детали 11, 12, 13, 14 тепловыделяющего элемента образуют свободное от поглотителя пространство, предусмотрен полый цилиндр 32 из материала, в частности, коррозионностойкого материала, такого как гафний или сплав гафния или соответственно соединение гафния. Этот полый цилиндр является механически защищенным сбоку от соединительных деталей 24, 25 и 30.

Фиг. 3 показывает готовый смонтированный соединительный элемент CE, который соединяет поглощающий элемент AE фиг. 2 с тепловыделяющим элементом BE фиг. 1.

При этом можно видеть, что между хвостовой частью 21 поглощающего элемента AE, над которым расположены доходящие до нижнего края поглотителя HA поглощающие тела 26, и верхним краем топлива HF, который лежит ниже головки 3 тепловыделяющего элемента BE, проходит поглощающий материал. То, что при этом вдоль небольшой аксиальной области G возникает свободный от поглотителя пояс, не имеет особого значения, однако может полностью исключаться путем соответствующего выполнения соединительных деталей.

Сущность изобретения в управляющей колонке, в которой поглощающий элемент (AE) через соединительный элемент (CE) связан с головкой тепловыделяющего элемента (BE), область, лежащая между нижним краем (HA) удерживаемых в поглощающем элементе поглощающих тел и верхним краем (HF) топлива, содержащего в тепловыделяющих стержнях тепловыделяющего элемента, содержит поглощающий материал, который проходит практически через весь соединительный элемент. В тепловыделяющем элементе для этого предусмотрены поглощающие штифты, которые проходят сквозь плиту перекрытия тепловыделяющего элемента и входят в промежуточные пространства между тепловыделяющими стержнями. Относящийся к ней поглощающий элемент содержит полый цилиндр, который окружен соединительными элементами. За счет этого исключаются искажения мощности в тепловыделяющих стержнях, которые могут возникать при работе реактора, если к верхнему краю (HF) топлива примыкает зона, которая не содержит топливо тепловыделяющего элемента и еще никакое поглощающее тепло поглощающего элемента. 3 с. и 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Управляющая колонка для ядерного реактора из а) тепловыделяющего элемента (ВЕ) с удерживаемым металлическими структурными деталями топливом, которое проходит от нижнего края топлива до верхнего края топлива (HF), и b) с соединенным на верхнем конце тепловыделяющего элемента (ВЕ) через соединительный элемент (СЕ) поглощающим элементом (АЕ) с расположенными ниже верхнего края поглотителя поглощающими телами (26), которые удерживаются металлическими структурными деталями (21, 22, 23, 25), отличающаяся тем, что поглощающий материал (15, 32) проходит сквозь соединительный элемент (СЕ) практически до верхнего края топлива. 2. Колонка по п.1, отличающаяся по меньшей мере одним окруженным деталями (30, 31) соединительного элемента полым цилиндром из поглощающего материала, в частности, содержащего гафний материала или другого коррозионно-стойкого материала. 3. Колонка по п.1 или 2, отличающаяся параллельными к оси колонки тепловыделяющими стержнями (7) и штифтами в тепловыделяющем элементе (ВЕ), причем по меньшей мере одна группа тепловыделяющих стержней (7) представляет собой заполненные топливом примерно до верхнего края топлива (HF) и газоплотно закрытые выше верхнего края трубки и штифты (15) входят сверху между тепловыделяющими элементами группы и выполнены примерно до верхнего края топлива из поглощающего материала или заполнены поглощающим материалом, предпочтительно содержащим серебро, индий и кадмий материалом. 4. Тепловыделяющий элемент для управляющей колонки ядерного реактора с а) пучком из тепловыделяющих стержней, которые сидят с ячейках фиктивной регулярной решетки, в частности решетки с гексагональными ячейками, причем каждый тепловыделяющий стержень содержит газоплотно заключенную в окружающей трубе колонку из топлива с расположенным над топливом газосборным пространством и проходит примерно от плиты основания (4) до положения вблизи плиты перекрытия (6), и b) выступающими над плитой перекрытия соединительными деталями (11, 12, 13, 14) для вхождения в соответствующие противоположные соединительные детали поглощающего элемента управляющей колонки, отличающийся тем, что некоторые ячейки решетки не заняты тепловыделяющими стержнями или, самое большее, тепловыделяющими стержнями, которые содержат топливо только в нижней части тепловыделяющего стержня, и что в эти некоторые ячейки входят штифты, которые проходят сверху сквозь плиту перекрытия примерно до высоты топлива в тепловыделяющих стержнях и содержат поглощающий материал. 5. Элемент по п.4, отличающийся тем, что в качестве штифтов с поглощающим материалом, в частности материалом, содержащим серебро, индий и кадмий, применяют заполненные в значительной степени замкнутые отрезки труб. 6. Элемент по п.4 или 5, отличающийся тем, что штифты входят в открытые верхние концы труб, которые не заполнены топливом. 7. Элемент по одному из пп.4 - 6, отличающийся тем, что по меньшей мере часть тепловыделяющих стержней в верхней части окружающей трубы содержит топливо, которое состоит из природного урана или обедненного топлива. 8. Поглощающий элемент для управляющей колонки ядерного реактора с а) поглощающими телами, которые окружены металлическими структурными деталями (22, 24, 25) и проходят до нижнего края поглотителя (НА), и в) выступающими над нижним краем поглотителя соединительными деталями (30, 31) для вхождения в соответствующие противоположные соединительные детали тепловыделяющего элемента колонки, отличающийся тем, что выступающие ниже нижнего края поглотителя соединительные детали охватывают полый цилиндр из поглощающего материала, в частности, содержащего гафний, или другого коррозионно-стойкого поглощающего материала.