ПОГЛОЩАЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ ОРГАНА РЕГУЛИРОВАНИЯ АТОМНОГО РЕАКТОРА Российский патент 1999 года по МПК G21C7/10 

Изобретение относится к атомной технике и может быть использовано в органах регулирования атомных реакторов. В атомных реакторах в качестве органов регулирования используются поглощающие стержни системы управления и защиты (ПС СУЗ), содержащие поглощающие элементы (пэлы) в виде заключенного в защитную оболочку поглощающего нейтроны материала. Поглощающие элементы в количестве, достаточном, чтобы обеспечить необходимую эффективность поглощения нейтронов, собираются в единую конструкцию, которая, перемещаясь в активной зоне реактора, обеспечивает регулировку мощности реактора или его остановку за счет поглощения части нейтронов деления.

Известна конструкция поглощающего элемента ПС атомных реакторов на быстрых нейтронах [A.I.Efremov at all "Development and improvement of control rods for the BN-350 and BN-600 reactors"//Proceeding of a Technical Committee meeting held in Obninsk, Russian Federation, 3-7 July 1995 "Absorber materials, control rods and designs of Shutdown System for advanced liquid metal fast reactors", IAEA, 1996, p 19-32 ], которая включает поглощающий сердечник, состоящий из набора цилиндрических блочков из карбида бора, и защитную оболочку с приваренными к ней концевыми деталями. Для выхода гелия, образующегося при выгорании изотопа ¹⁰B по реакции (n, α ), в одной из концевых деталей имеется узел негерметичности. При установке ПС в реактор через узел негерметичности внутрь поглощающего элемента затекает теплоноситель - жидкий натрий, который не препятствует выходу гелия в теплоноситель первого контура реактора и, одновременно, служит для увеличения теплообмена и снижения температуры сердечника. Для обеспечения расчетной величины распухания карбида бора при облучении, между поглощающим сердечником и оболочкой создается зазор, который по мере распухания блочков поглотителя постепенно уменьшается. После исчерпания зазора распухающие блочки карбида бора оказывают давление на оболочку и деформируют ее. По достижении установленных допустимых деформаций оболочки, рабочий ресурс поглощающих элементов считается исчерпанным и их функционирование прекращается.

Данная негерметичная конструкция может использоваться в реакторах с жидкометаллическим теплоносителем, который совместим с карбидом бора. Для реакторов с водяным теплоносителем эта конструкция неприменима по следующим причинам:
- теплоноситель (вода под давлением) не должен контактировать с сердечником из-за ограниченной совместимости карбида бора с водой;
- габариты активных зон водо-водяных энергетических реакторов (типа ВВЭР-1000) требуют использования поглощающих элементов, длина которых в несколько раз больше, а диаметр в 2,5-3 раза меньше, чем для быстрых реакторов, что усложняет технологию, сильно удорожает изготовление сердечника из блочков карбида бора и операции контроля их размеров и величины зазоров.

В качестве прототипа принята конструкция поглощающего элемента органов регулирования реакторов типа ВВЭР-1000 [Пономаренко В.Б., Щеглов А.В., Рисованый В.Д. и др. "Анализ результатов ресурсных испытаний различных пэлов в составе ПС СУЗ реактора ВВЭР-1000 V блока НВ АЭС и последующих исследований отработавших изделий"// Сб. докладов 4 межотраслевой конференции по реакторному материаловедению, Димитровград 15-19 мая 1995 г, т.4, с 19-37], которая включает оболочку в виде трубы, загерметизированной с обоих концов приваренными концевыми деталями, поглощающий сердечник из порошка карбида бора со средней плотностью, обеспечивающей необходимую концентрацию атомов бора, газосборник в виде свободной полости в верхней части поглощающего элемента, отделенной от сердечника газопроницаемой пробкой из никелевой сетки. Газосборник служит для сбора выделяющегося при выгорании изотопа ¹⁰B гелия.

Эта конструкция поглощающего элемента обеспечивает более простую и дешевую технологию изготовления относительно конструкции с поглощающим сердечником в виде набора блочков.

Однако данная конструкция пэла имеет ряд недостатков:
- экспериментально показано, что выделившийся при выгорании бора гелий только частично (10-15% от общего количества) попадает в газосборник из-за высокого газового сопротивления порошкового сердечника на пути газа в газосборник. Основная его часть заполняет свободный объем между частицами карбида бора в нижней части сердечника, и, из-за малой его величины, создает значительное внутреннее давление под оболочкой в месте наибольшего выгорания бора;
- при эксплуатации ПС в реакторе в качестве стержней аварийной защиты (A3), поглощающие элементы большую часть времени эксплуатации (95-97%) находятся в верхнем положении, когда нижняя часть столба поглотителя расположена на 80-100 мм выше верхнего края активной зоны. В результате выгорание изотопа ¹⁰B в сердечнике весьма неравномерно: максимально на уровне нижнего края сердечника, экспоненциально снижается кверху ПС и, на длине 250 мм (при длине сердечника 3800 мм), уменьшается до пренебрежимо малых значений. Распухание сердечника из карбида бора, соответственно, максимально в нижнем конце поглощающего элемента. В результате распухания сердечника в оболочке создаются растягивающие напряжения и происходит ее деформация.

Таким образом, рабочий ресурс данной конструкции поглощающего элемента, ограниченный допустимой деформацией оболочки, определяется, во-первых, давлением на оболочку со стороны твердого распухающего сердечника в нижней части поглощающего столба и, во-вторых, давлением на оболочку со стороны скопившегося в нижней части выделившегося гелия.

Целью изобретения является увеличение ресурса поглощающих элементов органов регулирования атомных реакторов на основе поглощающих материалов, содержащих бор за счет снижения при эксплуатации в реакторе внутреннего давления на оболочку со стороны сердечника и выделяющегося газа, без существенного снижения исходной эффективности поглощения элементов в целом.

Указанная цель достигается в конструкции поглощающего элемента, содержащей оболочку, загерметизированную концевыми деталями, поглощающий сердечник из борсодержащего материала (например, карбида бора), и два газосборника в нижней и верхней частях элемента (нижний и верхний газосборники соответственно), отделенных от сердечника газопроницаемыми разделителями. Для компенсации снижения эффективности поглощения пэла из-за уменьшения длины сердечника, в него на всю длину газосборника в нижней части помещен, (n, γ)-поглотитель (например, гафний, дисперсионный поглощающий материал или другой поглотитель, обладающий высокой радиационной стойкостью и достаточной эффективностью поглощения). При этом свободный объем газосборника составляет 2-10% от общего внутреннего объема элемента.

За счет введения свободного объема в нижней части пэла снижается внутреннее газовое давление на оболочку со стороны образующегося при выгорании бора гелия. Одновременно, при эксплуатации в реакторе нижний край поглощающего сердечника располагается в положении, более удаленном от наиболее облучаемого конца элемента, что обеспечивает уменьшение темпа выгорания бора и, соответственно, снижение распухания сердечника, уменьшение накопления гелия и, как следствие, увеличение рабочего ресурса пэла в целом.

Газосборник в верхней части поглощающего элемента, как и в прототипе, выполняет функцию сбора части гелия поступающего из выгорающего сердечника.

Свободный объем газосборников выбирается таким образом, чтобы давление газа в нем при рабочих температурах эксплуатации не создавало напряжений в оболочке, превышающих предел текучести, что может привести к ее деформации и разрушению. С другой стороны, уменьшение длины сердечника, из-за создания нижнего газосборника, не должно снижать эффективность поглощения пэла ниже требуемого уровня.

Экспериментально получен диапазон величины объема нижнего газосборника, обеспечивающего оптимальное соотношение эффективности поглощения и внутреннего газового давления при выгорании бора. Этот диапазон составляет 2-10% от общего внутреннего объема поглощающего элемента.

Нижний предел объема определяется эффективным снижением давления под оболочкой при максимальном выгорании ¹⁰B до 50%. При меньшем объеме газосборника давление под оболочкой, при достижении этого выгорания, превышает предел текучести оболочки из нержавеющей стали.

Верхний предел обусловлен необходимым сохранением физической эффективности поглощения элемента. При большем объеме газосборника физическая эффективность поглощения элемента, даже в присутствии (n, γ)-поглотителя, становится ниже требуемой для режимов A3.

Объем верхнего газосборника может быть в диапазоне 3-10% от общего внутреннего объема поглощающего элемента, что одинаково обеспечивает его функции.

Новые существенные признаки заявляемого решения в научной и технической литературе не обнаружены, предложенное решение не следует явным образом из уровня техники, совокупность признаков обеспечивает новые свойства, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого решения критерию изобретательский уровень.

На чертеже изображен разрез заявляемого поглощающего элемента, где
1, 9 - концевые детали;
2 - (n,γ)- поглотитель;
3 - нижний газосборник;
4, 7 - газопроницаемые разделители;
5 - поглощающий сердечник;
6 - защитная оболочка;
8 - верхний газосборник.

В качестве примера конкретного исполнения может служить следующая конструкция поглощающего элемента ПС СУЗ для реактора ВВЭР-1000. В штатную оболочку (6) из нержавеющей стали 06Х18Н10Т диаметром 8,2 мм, толщиной стенки 0,6 мм и длиной 4220 мм в нижнем конце устанавливается газопроницаемый разделитель (4) в виде пробки из никелевой сетки и (n,γ)- поглотитель (5) в виде втулки из гафния диаметром 6,9 мм, толщиной стенки 1 мм, длиной 200 мм. Приваривается нижняя концевая деталь (1). Производится заполнение полученной заготовки материалом поглощающего сердечника (5), например порошком карбида бора методом виброуплотнения до плотности 1,75 г/см³ на длину, соответствующую высоте активной зоны (~ 3800 мм). Сверху сердечник ограничивается газопроницаемым разделителем (7). Приваривается верхняя концевая деталь (9). В результате внутри поглощающего элемента имеются свободные полости, образующие нижний (3) и верхний (8) газосборники. При этом соотношении размеров объем нижнего газосборника составляет ~3,8 см³, а верхнего ~7,7 см³, что составляет соответственно ~2,3% и ~4,8% от общего внутреннего объема поглощающего элемента.

В этой конструкции выделяющийся по n, α -реакции гелий собирается в нижний и верхний газосборники и при максимальном выгорании ¹⁰B до 50% газовое давление внутри поглощающего элемента не превысит 30-40 МПа. Это, в совокупности со снижением распухания сердечника из порошка карбида бора из-за уменьшения выгорания в нижней части сердечника на 50-70%, приведет к увеличению ресурса поглощающего элемента и ПС СУЗ в целом, как минимум в 2-2,5 раза по сравнению с конструкцией прототипа. При этом исходная физическая эффективность поглощения такого пэла соответствует требованиям к органам регулирования реакторов ВВЭР-1000.

Изобретение относится к атомной технике и может быть использовано в органах регулирования атомных реакторов. Изобретение позволяет увеличить рабочий ресурс поглощающих элементов на основе борсодержащих материалов без существенного снижения исходной эффективности поглощения нейтронов. С этой целью в нижней части оболочки поглощающего элемента под сердечником дополнительно выполняется газосборник, в который на всю его длину помещается (n, γ)-поглотитель, например, в виде втулки из гафния. При этом свободный объем газосборника составляет 2-10% от общего внутреннего объема элемента. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Поглощающий элемент органа регулирования атомного реактора, содержащий оболочку, загерметизированную концевыми деталями, поглощающий сердечник из борсодержащего материала и газосборник в виде свободной полости под оболочкой в верхней части поглощающего элемента, отличающийся тем, что в нижней части поглощающего элемента дополнительно выполнен газосборник, в него помещен (n,γ)-поглотитель, причем (n,γ)-поглотитель распространяется на всю длину газосборника, при этом свободный объем газосборника составляет 2 - 10% от общего внутреннего объема элемента. 2. Элемент по п.1, отличающийся тем, что (n,γ)-поглотитель в нижнем газосборнике выполнен в виде втулки. 3. Элемент по п.2, отличающийся тем, что втулка изготовлена из гафния.