СТЕРЖЕНЬ УПРАВЛЕНИЯ ТИПА ВОДОЛАЗНОГО КОЛОКОЛА С ОТВЕРСТИЕМ ДЛЯ ПРОТОКА НАТРИЯ Российский патент 1998 года по МПК G21C7/10 

Настоящее изобретение относится к стержню управления для использования в реакторе на быстрых нейтронах, который использует охладитель на жидком натрии (Na). В частности, настоящее изобретение относится к стержню управления типа водолазного колокола с отверстием для протока натрия для протока жидкого натрия внутрь элемента управления.

Стержни управления реакторов обычно имеют конструкцию, в которой набор элементов управления 51 сгруппирован в пучок, как показано на фиг. 2.

Элемент управления стержня управления для реактора на быстрых нейтронах состоит из обожженных гранул карбида бора (B₄C), используемых в качестве поглотителя нейтронов, помещенных в трубчатую оболочку из нержавеющей стали. Во время реакции (n,α) с нейтронами B₄C вырабатывает гелий (He). Эти гранулы обычно вступают в механическое взаимодействие с трубчатой оболочкой (механическое взаимодействие поглотитель-оболочка: МВПО) из-за разбухания увеличения объема). Поэтому очень важно найти возможность справиться как с увеличением внутреннего давления в элементе управления из-за выделения газообразного гелия, так и с эффектом МВПО одновременно.

В общем случае, конструкции стержней управления можно разделить на два типа: изолированный тип, который содержит вырабатываемый гелий в камере давления, расположенной внутри элемента управления и тип, имеющий вентиляционный канал, который позволяет гелию выходить из элемента управления. В конструкции с вентиляционным каналом, гранулы B₄C могут быть связаны либо гелием, либо натрием, в связи с чем конструкции с вентиляционным каналом разделяются на два типа с гелиевой связью и с натриевой связью.

Конструкции с вентиляционным каналом более предпочтительны, чем конструкции изолированного типа потому, что внутреннее давление в элементе управления с вентиляционным каналом не увеличивается.

Стержень управления типа водолазного колокола с гелиевой связью, представленный на фиг. 3, известен в качестве одного из типов конструкций с вентиляционным каналом. Увеличенное изображение области, в которой расположена его вентиляционная система, представлено на фиг. 4. В элементе управления управляющего стержня тонкая трубка из нержавеющей стали, называемая вентиляционной трубкой 53, прикреплена к промежуточной заглушке 52, как показано на фиг. 3 таким образом, чтобы выпускать гелий, вырабатываемый в гранулах 54, из вентиляционного отверстия 55 через вентиляционную трубку 53. Конструкция элемента управления будет пояснена более детально со ссылками на фиг. 4. Элемент управления включает камеру 57 для гранул, расположенную внутри трубчатой оболочки 56 для загрузки гранул 54, промежуточную заглушку 52, расположенную над камерой 57 для гранул, верхнюю камеру 58, расположенную над промежуточной заглушкой 52, вентиляционную трубку 53, расположенную таким образом, что она проходит через промежуточную заглушку 52 и соединяет камеру 57 для гранул с верхней камерой 58, и вентиляционное отверстие 55, расположенное так, что оно проходит через трубчатую оболочку 56 в нижней части верхней камеры 58.

Уровень B жидкого натрия определяется балансом между внешним давлением, приложенным к натрию так, что он заходит в элемент управления снаружи, и внутренним давлением газообразного гелия внутри элемента управления. Вентиляционная трубка 53 имеет удлиненную форму так, что натрий не входит в камеру 57 для гранул через ее верхнее торцевое отверстие. Этот стержень управления типа водолазного колокола с гелиевой связью уже доказал свою эффективность в реакторах на быстрых нейтронах в Японии и имеет высокую надежность.

С другой стороны, использование стержня с натриевой связью эффективно против МВПО. Это объясняется тем, что в стержне с натриевой связью можно увеличить промежуток между трубчатой оболочкой и гранулами, благодаря высокой теплопроводности натрия. Температура гранул B₄C значительно повышается из-за происходящей в них экзотермической реакции. В случае стержня с гелиевой связью теплопроводность гелия низкая. Поэтому, если промежуток между гранулами и трубчатой оболочкой слишком велик, излучение тепла гранулами снижается и температура конструкционного материала вблизи гранул, а также в центре гранул значительно повышается, что нежелательно. Напротив, в случае применения стержня с натриевой связью, теплопроводность промежутка, заполненного натрием, может быть существенно улучшена и излучение тепла гранулами также может быть повышено. В соответствии с этим, можно обеспечить значительный промежуток между трубчатой оболочкой и гранулами, т.е. большой исходный промежуток в стержне с натриевой связью, и контакта гранул с трубчатой оболочкой из-за разбухания гранул можно избежать в течение длительного времени, что позволяет увеличить срок службы стержня управления.

Вертикальный стержень с пористой заглушкой, представленный на фиг. 5, является типичным примером обычного стержня управления с натриевой связью (см. , например, заявку DE, A1, 2443705, кл. G 21 C 7/10, 1975). Пористые заглушки 73, расположены на верхней и нижней концевых заглушках 71 и 72 соответственно, и натрий проходит через нижнее впускное отверстие 74 для натрия элемента управления и свободно вытекает наружу из верхнего выпускного отверстия 75 для натрия. В стержне управления этого типа газообразный гелий выходит из выпускного отверстия 75 для натрия.

Однако, поскольку стержень управления, представленный на фиг. 3 и 4, является стержнем с гелиевой связью, невозможно обеспечить достаточную величину первоначального промежутка между гранулами с трубчатой оболочкой, и остаются проблемы, связанные с эффектом МВПО, который возникает при более низком выгорании ядерного топлива по сравнению со стержнями с натриевой связью.

С другой стороны, вертикальному стержню управления с пористыми заглушками с натриевой связью, представленному на фиг. 5, свойственны проблемы, обусловленные растрескиванием гранул поглотителя, в результате чего порошок B₄C увлекается потоком жидкого натрия, проходящим через впускное отверстие 74 элемента управления в натриевый охладитель первичной системы охлаждения.

Задачей изобретения является создание стержня управления типа водолазного колокола с отверстием для протока натрия, который имел бы длительный срок службы и был экономичным за счет преобразования стержня управления с гелиевой связью, имеющего высокую надежность, в стержень с натриевой связью, без существенных изменений конструкции, и в котором обеспечена защита от вымывания порошка B₄C из нижней части стержня управления нагнетанием натриевого охладителя из верхней его части.

Указанный результат достигается тем, что в стержне управления типа водолазного колокола, содержащем трубчатую оболочку, погружаемую по направлению вдоль продольной оси в жидкий натриевый охладитель и имеющую на концах соответственно верхнюю и нижнюю заглушки, камеру для гранул поглотителя, расположенную в трубчатой оболочке для помещения в нее определенного количества гранул карбида бора, промежуточную заглушку, расположенную над камерой для гранул поглотителя, верхнюю камеру, расположенную над промежуточной заглушкой, вентиляционную трубку, расположенную с возможностью прохода через промежуточную заглушку для соединения камеры для гранул поглотителя с верхней камерой, и вентиляционное отверстие, выполненное с возможностью прохода через трубчатую оболочку и расположенное в верхней камере, в соответствии с изобретением, в трубчатой оболочке выполнено дополнительное вентиляционное отверстие, при этом отверстия расположены в верхней камере на двух уровнях, верхнем и нижнем, дополнительно выполнено отверстие для ввода натрия, расположенное на уровне верхней плоскости промежуточной заглушки, и введена трубка для ввода натрия, расположенная так, что она проходит от отверстия для ввода натрия через промежуточную заглушку в положение ниже нижней торцевой плоскости вентиляционной трубки.

В стержне управления типа водолазного колокола с отверстием для протока натрия в соответствии с настоящим изобретением натриевый охладитель протекает из нижнего вентиляционного отверстия в верхнюю камеру, причем газообразный гелий внутри верхней камеры, который был предварительно герметизирован в процессе сборки элемента управления, выходит за пределы элемента управления через верхнее вентиляционное отверстие.

Натрий в верхней камере затем вводится в камеру гранул поглотителя через отверстие входа натрия и трубку ввода натрия, благодаря разности давлений между верхним вентиляционным отверстием и нижним вентиляционным отверстием. Газообразный гелий, герметизированный при сборке элемента управления, в этот момент выходит из верхнего вентиляционного отверстия через вентиляционную трубку. Поскольку нижний конец трубки ввода натрия расположен ниже нижней торцевой плоскости вентиляционной трубки, гелий, вырабатываемый из гранул B₄C в процессе использования, не входит в трубку ввода натрия, а выходит через вентиляционную трубку и верхнее вентиляционное отверстие.

Кратное описание чертежей.

На фиг. 1 представлено увеличенное продольное сечение, иллюстрирующее основные части элемента управления стержня управления типа водолазного колокола с отверстием для протока натрия, в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения.

На фиг. 2 представлен вид спереди примера выполнения стержня управления, содержащего пучок элементов управления.

На фиг. 3 представлено продольное сечение общего вида элемента управления стержня управления типа водолазного колокола с гелиевой связью, известного из предшествующего уровня техники.

На фиг. 4 представлено продольное сечение, иллюстрирующее увеличенную часть элемента управления по фиг. 3.

На фиг. 5 представлено продольное сечение элемента управления с пористой заглушкой и верхним и нижним двойным вентиляционным отверстием стержня управления с натриевой связью, выполненного в соответствии с другим примером, известным из предшествующего уровня техники.

Предпочтительные варианты осуществления изобретения.

Примеры осуществления настоящего изобретения будут поясняться со ссылками на фиг. 1.

На фиг. 1 представлен элемент управления, помещаемый в стержень управления типа водолазного колокола с отверстием для протока натрия, в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения. Этот элемент управления содержит трубчатую оболочку 1, погруженную в натриевый охладитель, камеру 3 для гранул поглотителя для загрузки гранул 2 B₄C, образованную внутри трубчатой оболочки 1, промежуточную заглушку 4, расположенную над камерой 3 для гранул поглотителя, и верхнюю камеру 5, сформированную над промежуточной заглушкой 4, вентиляционную трубку 6, расположенную так, чтобы камера 3 для гранул поглотителя сообщалась с верхней камерой 5 с прохождением через промежуточную заглушку 4, верхнее вентиляционное отверстие 7 и нижнее вентиляционное отверстие 8, сформированные на верхнем и нижнем уровнях, проходящие через трубчатую оболочки и расположенные в верхней камере 5, отверстие для входа 9 натрия, расположенное в верхней плоскости промежуточной заглушки 4, и трубку 10 ввода натрия, проходящую от отверстия 9 для входа натрия через промежуточную заглушку 4 внутрь камеры 3 для гранул поглотителя.

Элемент управления, представленный на фиг. 1, расположен и погружен в натриевый охладитель первичной системы охлаждения реактора на быстрых нейтронах в продольном направлении, как представлено на фиг.

Конструкция этого элемента управления аналогична применяемым в обычных стержнях управления типа водолазного колокола с гелиевой связью в том, что в ней имеется камера для гранул поглотителя, промежуточная заглушка, верхняя камера, вентиляционная трубка и вентиляционное отверстие. Однако элемент управления в соответствии с настоящим изобретением дополнительно содержит верхнее вентиляционное отверстие 7 и нижнее вентиляционное отверстие 8, сформированные на верхнем и нижнем уровнях, отверстие для ввода 9 натрия, расположенное в верхней плоскости промежуточной заглушки 4, и трубку для ввода натрия 10, проходящую от отверстия ввода натрия 9 через промежуточную заглушку 4 в камеру 3 для гранул поглотителя. Данный элемент управления преобразуется в элемент типа с натриевой связью за счет введения простых дополнительных компонентов. Поскольку элемент управления преобразовывается в элемент с натриевой связью, промежуток между трубчатой оболочкой 1 и гранулами поглотителя 2 может быть увеличен, поэтому эффекта МВПО можно избежать в течение длительного времени, и срок службы элемента управления может быть увеличен.

Причина, по которой вентиляционные отверстия 7 и 8 расположены на верхнем и нижнем двух уровнях, состоит в том, что газообразный гелий выходит наружу через верхнее вентиляционное отверстие 7, в то время как натрий может втекать через нижнее вентиляционное отверстие 8. Если вентиляционное отверстие расположено только на верхнем или нижнем уровне, внутреннее давление, обусловленное газообразным гелием, препятствует втеканию натрия внутрь камеры 3 с гранулами поглотителя.

Отверстие входа 9 натрия и трубка ввода 10 натрия расположены таким образом, что позволяют натрию из верхней камеры 5 протекать вниз в камеру 3 для гранул поглотителя.

Трубка ввода 10 натрия выполнена так, что ее нижний конец проходит вниз от плоскости 6А нижнего конца вентиляционной трубки 6. Это сделано для того, чтобы газообразный гелий, вырабатываемый из гранул 2 во время работы, мог быть введен в вентиляционную трубку 6 через плоскость 4А нижнего конца промежуточной заглушки 4, но не проходил бы в трубку ввода натрия 10.

Таким образом, путь подвода натрия может быть охарактеризован следующим образом: натрий снаружи элемента управления _ _ _→ нижнее вентиляционное отверстие 8 _ _ _→ верхняя камера 5 _ _ _→ отверстие ввода 9 натрия _ _ _→ трубка ввода 10 натрия _ _ _→ камера 3 для гранул поглотителя _ _ _→ вентиляционная трубка 6. С другой стороны, путь ввода гелия во время работы следующий: камера 3 гранул поглотителя _ _ _→ вентиляционная трубка 6 _ _ _→ верхняя камера 5 _ _ _→ пространство 12, заполненное гелием, _ _ _→ верхнее вентиляционное отверстие _ _ _→ натрий снаружи элемента управления (показано стрелками на фиг. 1). Таким образом, путь прохода натрия и путь выхода гелия являются взаимно независимыми внутри стержня управления, выполненного в соответствии с настоящим изобретением. Благодаря этому, по сравнению со случаем, когда ввод натрия и вывод гелия проходят по одному пути, настоящее изобретение обеспечивает возможность содержания порошка B₄C, распределенного в натрии внутри элемента управления, и предотвращения его выноса за пределы элемента управления.

Кроме того, благодаря тому, что путь ввода натрия сформирован так, что натрий протекает из верхней части внутрь, и благодаря тому, что в нижней части элемента нет никаких отверстий, может быть предотвращен вынос порошка B₄C за пределы элемента управления.

Поскольку устройство в соответствии с настоящим изобретением имеет функцию ввода натрия, стало возможным существенно уменьшить длину вентиляционной трубки 6 по сравнению со стержнем управления типа водолазного колокола с гелиевой связью, что исключает возможность проникновения натрия в камеру для гранул поглотителя посредством удлиненной вентиляционной трубки (сравни длину вентиляционной трубки 6, представленной на фиг. 1, с длиной вентиляционной трубки 53, представленной на фиг. 4).

Позицией 11 обозначена заглушка верхнего конца, а позицией 12 обозначено пространство, заполненное гелием. На нижнем конце элемента управления имеется нижняя концевая заглушка (не показана). Стержень управления формируется в результате группирования множества элементов управления, представленных на фиг. 1, в пучок.

В стержне управления типа водолазного колокола с отверстием для протока натрия, имеющим элемент управления с конструкцией, описанной выше, ввод натрия и вынос гелия осуществляются следующим образом.

При сборке элементов управления, верхнее и нижнее вентиляционные отверстия 7 и 8 герметизируются запаиванием, изолируя помещенный внутрь элемента управления гелий. Когда этот элемент управления погружается в натриевый охладитель реактора на быстрых нейтронах, припой, герметизирующий отверстия, расплавляется под действием тепла, выделяемого натрием, так что натриевый охладитель затекает в верхнюю камеру 5 через нижнее вентиляционное отверстие 8, в то время как газообразный гелий в верхней камере 5, предварительно герметизированный при сборке, выходит через верхнее вентиляционное отверстие 7 из элемента управления. Таким образом, натрий затекает в верхнюю камеру 5.

Затем натрий течет вниз в камеру 3 для гранул поглотителя из отверстия 9 через трубку ввода 10 натрия, благодаря разности давлений между верхним вентиляционным отверстием 7 и нижним вентиляционным отверстием 8.

Натрий в камере 3 для гранул поглотителя затем поднимается посредством вентиляционной трубки 6 вверх до уровня жидкости в верхней камере 5 за пределами вентиляционной трубки 6. Натрий в верхней камере 5 и в вентиляционной трубке 6 устанавливается на свободном уровне жидкости А.

Когда натрий протекает указанным образом, большая часть гелия, герметизированного в трубчатой оболочке 1 при сборке выходит наружу элемента управления следующим путем: камера 3 для гранул поглотителя _ _ _→ вентиляционная труба 6 _ _ _→ пространство 12, заполненное гелием, _ _ _→ верхнее вентиляционное отверстие 7.

Как описано выше, внутренний объем элемента управления, т.е. верхняя камера 5, камера 3 для гранул поглотителя, вентиляционная трубка 6 и пространство между поглотителем 2 и трубчатой оболочкой 1, заполнено натрием.

Газообразный гелий, вырабатываемый в гранулах 2 B₄C в процессе работы, входит в вентиляционную трубку 6 с нижней поверхности А4 промежуточной заглушки 4, и затем выходит через верхнее вентиляционное отверстие 7 за пределы элемента управления. Поскольку нижний конец трубки ввода натрия 10 выступает ниже нижней концевой плоскости 6А вентиляционной трубки 6, газообразный гелий не может проникнуть в трубку ввода 10 натрия.

Как следует из описанного выше, в стержне управления типа водолазного колокола с отверстием для протока натрия, в соответствии с настоящим изобретением натрий втекает в верхнюю камеру из нижнего вентиляционного отверстия, и натрий внутри верхней камеры протекает вниз в камеру для гранул поглотителя через отверстие для ввода натрия и через трубку ввод натрия, и поднимается по вентиляционной трубке. Таким образом, камера для гранул поглотителя оказывается заполненной натрием. В процессе этого заполнения натрием газообразный гелий, находящийся внутри трубчатой оболочки, выходит наружу через верхнее вентиляционное отверстие через вентиляционную трубку. Газообразный гелий, вырабатываемый в гранулах B₄C в процессе работы, не проходит в трубку ввода натрия, поскольку трубка ввода натрия выступает ниже нижней концевой поверхности плоскости вентиляционной трубки, а выводится наружу через вентиляционную трубку и верхнее вентиляционное отверстие.

Соответственно элемент управления, выполненный в соответствии с настоящим изобретением, отличается следующими свойствами.

Поскольку в элементе управления реализована функция ввода натрия подобно элементу управления с натриевой связью, эффект МВПО начинает проявляться значительно позже, что позволяет существенно увеличить срок службы.

Более того, поскольку настоящее изобретение предусматривает создание стержня управления типа водолазного колокола с гелиевой связью, отличающегося высокой эффективностью и надежностью, при одновременной реализации функции подачи натрия без существенных изменений конструкции, в результате настоящее изобретение позволяет создать элемент управления, имеющий высокую надежность и низкую стоимость производства.

Когда стержень управления загружается в реактор, натрий свободно проникает через нижнее вентиляционное отверстие, расположенное в верхней части элемента управления. Поэтому вынос порошка карбида бора из нижней части элемента управления в систему охлаждения может быть предотвращен. Натрий поступает через трубку ввода натрия, в то время как гелий выходит через вентиляционную трубку так, что путь прохода натрия и путь выхода гелия взаимно независимы. Поэтому порошок карбида бора, распределенный в натрии в элементе управления, может оставаться внутри элемента управления.

Более того, в обычной конструкции стержней управления типа водолазного колокола с гелиевой связью проход натрия в камеру, содержащую гранулы поглотителя, предотвращается увеличением длины вентиляционной трубки, в то время, как в настоящем изобретении элемент управления имеет функцию подвода натрия. Поэтому длина вентиляционной трубки может быть значительно уменьшена и общая длина стержня управления может быть уменьшена.

Изобретение относится к стержню управления для использования в реакторе на быстрых нейтронах, который использует охладитель на жидком натрии. Стержень управления содержит набор элементов управления, каждый из которых имеет камеру для гранул поглотителя для заполнения гранулами B₄C и промежуточную заглушку, расположенную в трубчатой оболочке над камерой для гранул поглотителя. Верхняя камера расположена над промежуточной заглушкой, вентиляционная трубка соединяет камеру для гранул поглотителя с верхней камерой и проходит через промежуточную заглушку. Верхнее и нижнее вентиляционные отверстия расположены на верхнем и нижнем уровнях в трубчатой оболочке в верхней камере. Отверстие для ввода натрия расположено на верхней поверхности промежуточной заглушки. Трубка ввода натрия проходит от отверстия ввода натрия в положение ниже нижней плоскости промежуточной заглушки. Достигаемый при использовании изобретения технический результат заключается в увеличении срока службы и повышении экономичности стержня управления. 5 ил.

Стержень управления типа водолазного колокола, содержащий трубчатую оболочку, погружаемую по направлению вдоль продольной оси в жидкий натриевый охладитель, причем оба конца трубчатой оболочки снабжены верхней и нижней заглушками, камеру для гранул поглотителя, расположенную в трубчатой оболочке и предназначенную для помещения в нее определенного количества гранул карбида бора, промежуточную заглушку, расположенную выше камеры для гранул поглотителя, верхнюю камеру, образованную над промежуточной заглушкой, вентиляционную трубку, расположенную так, что она проходит через промежуточную заглушку и соединяет камеру гранул поглотителя с верхней камерой, и вентиляционное отверстие, расположенное в верхней камере и выполненное так, что оно проходит через трубчатую оболочку, отличающийся тем, что в трубчатой оболочке выполнено дополнительное вентиляционное отверстие, при этом упомянутые отверстия расположены в верхней камере на двух уровнях, верхнем и нижнем, на уровне верхней плоскости промежуточной заглушки выполнено отверстие для ввода натрия, причем стержень управления дополнительно содержит трубку ввода натрия, расположенную так, что она проходит от отверстия для ввода натрия в положение ниже нижней торцевой плоскости вентиляционной трубки, проходя через промежуточную заглушку.