АКТИВНАЯ ЗОНА БОЛЬШОГО РЕАКТОРА НА БЫСТРЫХ НЕЙТРОНАХ КЛАССА 1000 MWE Российский патент 1999 года по МПК G21C1/02 G21C7/02 G21C7/22 

Настоящее изобретение касается активной зоны большого реактора, в частности, оно касается активной зоны, имеющей комплект из нескольких тепловыделяющих сборок с ядерным горючим, установленных кольцеобразно в целом для образования в центре полости, тем самым она может подавлять реактивность натриевых пустот до минимального уровня и гарантировать неотъемлемую потенциальную безопасность даже в таком случае, как ожидаемый переходный процесс без аварийной остановки реактора (ATWS) и т.п.

Известно выполнение активной зоны быстрого ядерного реактора с центральной полостью из книги: Е.П.Шабалин, Импульсные реакторы на быстрых нейтронах, М., Атомиздат, 1976 г., стр. 16-19.

В данном источнике говорится об активной зоне для использования в быстром реакторе, включающей комплект из нескольких топливных сборок, расположенных по кольцу в целом с тем, чтобы образовать активную зону, в центре которой имеется полость, при этом управляющие стержни установлены в активной зоне на окружности, концентричной с кольцевой полой активной зоной.

В качестве наиболее близкого аналога может быть выбрана активная зона, например, реактора SUPER-PHENIX, мощность которого составляет 1000 МВт (см. Обзор по реакторам-размножителям на быстрых нейтронах с жидкометаллическим теплоносителем, вып. 1, Атомиздат, с. 34-37).

Предложенное изобретение отличается наличием полости в активной зоне диаметром примерно 1 м, что уменьшает пустотный коэффициент реактивности посредством увеличения утечки нейтронов через полость в центральной части активной зоны. При этом независимо от размеров полости ее наличие всегда увеличивает утечку нейтронов из активной зоны, что однозначно вытекает из физики реактора (см., например, В.Е.Левин, Ядерная физика и ядерные реакторы, М. , Атомиздат, 1968, с. 222-227). Таким образом, наличие центральной полости в активной зоне всегда предполагает утечку нейтронов в эту полость.

Известны факторы, влияющие на пустотный коэффициент реактивности натрия, ими являются: (1) увеличение жесткости спектра нейтронов, (2) увеличение утечки нейтронов, (3) уменьшенный захват нейтронов в натрии, и (4) вариации в самоэкранировании. Обычно доминируют факторы (1) и (2). (См. Алан Е. Уолтер и Альберт Б. Рейнольдз, "Реактор-размножитель на быстрых нейтронах", стр. 204-209, Пергамон Пресс).

Согласно настоящему изобретению возможно уменьшение пустотного коэффициента реактивности натрия путем образования полости диаметром, примерно 1 м, в центре активности зоны с наружным диаметром 3-4 м и высотой, примерно 1 м, для увеличения утечки нейтронов.

Когда из полости удаляют натрий или алюминий, коэффициент реактивности увеличивается из-за поглощения нейтронов, однако коэффициент реактивности уменьшается благодаря увеличению утечки нейтронов. Однако в граничной части активной зоны (часть, в которой угол наклона потока нейтронов изменяется в значительной степени) на пустотный коэффициент реактивности значительно влияет эффект утечки нейтронов, а не эффект поглощения нейтронов.

В известном техническом решении (Публикация А.Джадда) описан пример, в котором активная зона реактора не имеет полости в ее центральной части (то есть от несколько десятков до несколько сотен топливных стержней, заключенных в топливные сборки, загружаются также и в центральную часть активной зоны), и в активной зоне локально образуются вакантные участки для охладителя. Это отличается от кольцевой полой активной зоны реактора в соответствии с настоящим изобретением, имеющей полость, образованную в ее центральной части. Следует отметить, что настоящее изобретение направлено на уменьшение пустотного коэффициента реактивности за счет образования большой полости в центре активной зоны, что повышает отрицательную реактивность и осуществляет безопасное отключение реактора.

В ядерной технике широко известны решения, согласно которым над полостью в активной зоне расположен поглотитель, заполняющий полость при ненормальном повышении температуры (см. Ионайтис P. P., Шведов Н.Л., Прямодействующая аварийная защита. Атомная техника за рубежом, 1988, N 1, стр. 11, 12).

В этой публикации описаны системы защиты, в которых применяются различные плавкие вкладыши и поглотители нейтронов, которые проникают в активную зону реактора при ненормальном повышении мощности реактора.

Но в настоящем изобретении пустота в кольцевой полой активной зоне используется как место, в которое опускается поглотитель нейтронов, из-за чего повышается уже имеющаяся безопасность даже большой активной зоны.

Известно использование, керамических материалов, содержащих C или N, в частности, карбидов или нитридов бора, имеющих большое сечение поглощения в отношении нейтронов определенных энергий или большое (n, p) сечение взаимодействия, также известно из книги И.Я.Емельянова (см. с. 195 - 199).

Известно, что пустотный коэффициент реактивности увеличивают посредством увеличения жесткости спектра нейтронов (путем смещения спектра нейтронов в общем к стороне высокой энергии). Таким образом за счет включения материала, имеющего большое сечение (исключая ядерную реакцию деления) в отношении нейтронов на стороне высокой энергии, пустотный коэффициент реактивности можно уменьшить.

Из прилагаемого изобретения известно, что "большое сечение в отношении нейтронов высокой энергии" исключает ядерную реакцию деления, и указаны сечение поглощения нейтронов G_a и сечение G_p взаимодействия (n, р). Материал, имеющий эти сечения, действует так, что вклад быстрых нейтронов в ядерную реакцию деления уменьшается, тем самым уменьшается реактивность активной зоны реактора на быстрых нейтронах. В качестве примеров материала представлен ¹²C или ¹⁴N в описании заявки. Показано, что сечение поглощения нейтронов ¹²C и сечение взаимодействия (n, p) ¹⁴N увеличиваются на стороне высокой энергии нейтронов, то есть на стороне энергии нейтронов выше, чем несколько сотен keV (10⁵ eV).

С другой стороны, сечение реакции деления топлива для реактора на быстрых нейтронах, например 239Pu, едва ли изменяется на стороне высокой энергии нейтронов.

Таким образом, полая активная зона реактора, в которой керамический материал, содержащий ¹²C и ¹⁴N, расположен в полости, может обеспечить функцию саморегулирования для регулирования увеличения пустотного коэффициента реактивности в отношении увеличения жесткости спектра нейтронов.

Известно добавление в топливные элементы, тем самым и в кассеты, карбидного или нитридного топлива, нейтронно-физические характеристики которого обусловлены составом карбида или нитрида делящегося материала (см. Патент ФРГ N 2209660, G 21 C 3/58, 1982).

В заявленном изобретении топливо, содержащее материал с большим сечением, взаимодействуя с нейтронами большой мощности, представляет "карбидное или нитридное топливо, использующее ¹²C или ¹⁴N".

Известна конструкция коллектора, имеющего центральную выступающую часть и кольцевую выемку по периферии, который устанавливается под активной зоной для улавливания теплоносителя при аварийной ситуации (см. Патент ФРГ N P S 2363845, кл. G 21 C 9/00, 1982).

В предложенном изобретении предлагается сочетание этого коллектора и кольцевой полой активной зоны с полостью в центральной части.

В основу настоящего изобретения положена задача создания конструкции активной зоны для быстрого реактора, которая является простой, имеет низкий коэффициент реактивности, функцию саморелаксации реактивности при ненормальном увеличении мощности и другие признаки улучшенной безопасной и экономичной работы.

Поставленная задача решается тем, что согласно изобретению комплект топливных сборок расположен по кольцу с возможностью формирования в центральной части кольцевой полой активной зоны полости диаметром в 1 м, при этом множество управляющих стержней установлено в кольцевой полой зоне на окружности, концентричной кольцевой полой зоне.

Желательно, чтобы в полости был расположен плавкий материал, например алюминий или его сплав, ядерные свойства которого по существу такие же, как у охладителя, применяемого в активной зоне при чрезмерном повышении температуры охладителя, причем плавкий материал падает вниз, оставляя зону пустой.

Желательно, чтобы в ее полости был расположен контейнер, заполненный поглотителем нейтронов, например, борной кислотой или жидким литием.

Желательно, чтобы в ее полости был расположен керамический материал, содержащий ¹²C или ¹⁴N, имеющий большое сечение поглощения в отношении нейтронов высокой энергии.

Желательно, чтобы часть топливных сборок содержала карбидное или нитридное топливо, содержащее ¹²C и ¹⁴N.

Желательно, чтобы имелся коллектор, выполненный с возможностью улавливания активной зоны с центральной выступающей частью и кольцевой выемками по периферии, причем центральная выступающая часть коллектора расположена прямо под полостью в полой активной зоне.

Изобретение иллюстрируется чертежами, на которых изображено:
На фиг. 1A и 1B - схематичное изображение, показывающие в вертикальном и поперечном сечении соответственно кольцевой полой активной зоны в соответствии с настоящим изобретением;
на фиг. 2A и 2B - схематично показано распределение потока нейтронов в кольцевой полой активной зоне, изображенной на фиг. 1A и 1B;
на фиг. 2C - схематичное изображение трехмерного распределения потока нейтронов;
на фиг. 3 - схематичное изображение примера конструкции быстрого реактора с кольцевой полой активной зоной в соответствии с настоящим изобретением,
на фиг. 4 - схематичное изображение, показывающее пример устройства саморелаксации реактивности, использующего полость в кольцевой полой активной зоне;
на фиг. 5 - схематичное изображение, показывающее другой пример устройства саморелаксации реактивности, использующего полость в кольцевой полой активной зоне;
на фиг. 6 - схематичное изображение, показывающее еще один пример устройства саморелаксации реактивности, использующего полость в полой активной зоне;
на фиг. 7A и 7B - представлены графики зависимости между спектром нейтронов и сечениями поглощения нейтронов относительно ¹²C и ¹⁴N соответственно, а сечение реакции (n, p) ¹⁴N показано на фиг. 7B;
на фиг. 8A и 8B - схематичные изображения, показывающие вертикальное и поперечное сечение соответственно известной небольшой активной зоны;
на фиг. 9A и 9B - схематичные изображения радиального и осевого распределения потока нейтронов в известной небольшой активной зоне, представленной на фиг. 8A и 8B;
на фиг. 10A и 10B - схематичные изображения, показывающие вертикальное и поперечное сечения соответственно известной крупной активной зоны;
на фиг. 11A и 11B - схематичные изображения радиального и осевого распределений потока нейтронов соответственно в известной крупной активной зоне, как показано на фиг. 10A и 10B, и
на фиг. 12 - представлен график зависимости между коэффициентом реактивности пустот и размером активной зоны.

На фиг. 1A и 1B представлено схематичное изображение кольцевой полой активной зоны быстрого реактора в соответствии с настоящим изобретением, где на фиг. 1A дано вертикальное сечение, а на фиг. 1B - поперечное сечение. Она явно имеет конструкцию, которая получена путем выполнения полости в центральной части известной крупного размера активной зоне. То есть, большое число тепловыделяющих сборок с ядерным горючим установлены в целом по кольцу так, чтобы образовать полость 14 (с диаметром 2c) в центральной части активной зоны, тем самым создавая активную зону 16 реактора (наружный диаметр - 2d и высота - 2h). При такой конструкции кольцевой полой активной зоны часть нейтронов вылетает за счет утечки через полость из активной зоны. Таким образом, может быть получен предпочтительный коэффициент реактивности натриевых пустот в диапазоне, доступном для небольшой и среднего размера активной зоны. Хотя осевое распределение потока нейтронов становится колоколообразной формы, как показано на фиг. 2B, радиальное распределение потока нейтронов становится немного приплюснутым, как показано на фиг. 2A, центральная часть которого слегка деформирована ослаблением вследствие формирования полости 14. Тепловая энергия в активной зоне в целом может поддерживаться в несколько меньшем диапазоне, чем в известной сплошной активной зоне при условии, что диаметр полости не слишком большой. На фиг. 2C схематично показано трехмерное распределение потока нейтронов.

В качестве примера типичной конструкции активной зоны для крупномасштабного быстрого реактора, например, класса 1000 MW₁ высота активной зоны составляет 1 м, а наружный диаметр - примерно 3,3 м. Когда полость диаметром примерно 1 м выполнена в центральной части активной зоны, то для достижения такого же объема активной зоны необходимо увеличить ее наружный диаметр только примерно на 0,15 м (радиус 0,07 м). Таким образом, повышение стоимости, связанное с увеличением наружного диаметра, является небольшим.

Хотя в известной конструкции активной зоны необходимо было правильно распределить количество управляющих стержней в активной зоне, однако в соответствии с настоящим изобретением требуется только установить управляющие стержни в кольцевой полой активной зоне на одной окружности (обозначена пунктирными линиями 18 на фиг. 1B), поскольку поток нейтронов в активной зоне распределяется по кольцу, как показано на фиг. 2. Другими словами, как показано на фиг. 2A, управляющие стержни 20 могут располагаться на окружности в положение, где радикальное распределение потока нейтронов становится примерно максимальным. Поэтому, ограниченного числа управляющих стержней будет достаточно для осуществления их эффективного размещения.

На фиг. 3 показан один пример быстрого реактора, имеющего кольцевую полую активную зону в соответствии с настоящим изобретением. Внутри корпуса 30 реактора установлена кольцевая полая активная зона 32, которая поддерживается тороидальной формы несущей конструкцией 34. Под последней установлен коллектор 36 активной зоны, имеющий выступающую центральную часть и кольцевое более низкое углубление по периферии. Верхнее кольцевое отверстие корпуса 30 закрыто защитной пробкой 38. Внутри корпуса 30 реактора протекает жидкий натрий, служащий в качестве охладителя. Нижняя камера 40, находящаяся под полой активной зоной 32, заполняется низкотемпературным натрием, а внутренняя полость верхней камеры 42 сверху полой активной зоны высокотемпературным натрием. Верхняя часть поверхности жидкого натрия покрыта защитным газом 44. Над полостью 46 активной зоны установлен поглотитель 48 нейтронов. Последний падает под действием силы тяжести в случае аварии, чтобы изменить реактивность в активной зоне реактора в отрицательную сторону, тем самым служит для безопасной остановки реактора. Подробная работа последнего будет описана ниже, во время которой конструкция полой активной зоны также оказывается очень эффективной. Кроме того, в случае повреждения активной зоны, расплавленное топливо может распределяться по кольцу с помощью опорного механизма 34 активной зоны, а также коллектора 36, чтобы тем самым предотвратить возникновение повторного критического случая, облегчая, таким образом, гарантирование неотъемлемой безопасности. Это также является одним из преимуществ полой активной зоны.

На фиг. 4 показан пример формирования пути утечки нейтронов, который обеспечивает функцию неотъемлемой безопасности в быстром реакторе. В герметичном пространстве 50 внутри части полости полой активной зоны 32 размещается плавкий материал 52, обладающий по существу такими же ядерными свойствами, что и охладитель, и плавящийся при слишком большом повышении температуры теплоносителя. В случае ожидаемого переходного процесса без аварийной остановки реактора (ATWS) плавкий материал 52 плавится вследствие ненормального повышения температуры и падает в нижнее пространство 54, находящееся ниже полости. Пустая полость, образующаяся после падения плавкого материала 52, функционирует как пустота. Таким образом, коэффициент утечки нейтронов из активной зоны увеличивается, отрицательная реактивность добавляется к активной зоне и тем самым быстрый реактор безопасно останавливается. В качестве предпочтительного плавкого материала 52 может использоваться, например, алюминий, ядерные свойства которого очень близки натрию и точка плавления составляет 660^oC. Кроме того, рабочая температура (точка плавления) может изменяться за счет применения алюминиевых сплавов или т.п.

На фиг. 5 показан пример падения поглотителя нейтронов в полую активную зону настоящего изобретения, в качестве предпочтительного поглотителя нейтронов в данном примере используется жидкость, как то борная кислота, жидкий литий или аналогичная жидкость. Внутри полости полой активной зоны 32 установлен приемный резервуар 55, а над ним расположен верхний контейнер 58, заполненный поглотителем 56 нейтронов. Верхний контейнер 58 и приемный резервуар 55 соединены трубой 62, снабженной клапаном 60. Последний предпочтительно приводится в действие с помощью системы, обеспечивающей пассивное его включение или открытие при ненормальном повышении температуры в случае аварии. Например, клапан может приводиться в действие с помощью сплава, обладающего памятью на форму, или электромагнитом точки Кюри. Поскольку такая система, как описана выше, в принципе отличается от известного механизма остановки реактора, зависящего от ввода управляющего стержня, то обеспечиваются разнообразные системы безопасности, улучшая тем самым общую надежность системы выключения реактора. Кроме того, в качестве поглотителя нейтронов может использоваться твердый материал, как то B₄C, Z₂. H.

На фиг. 6 показана конструкция полой активной зоны 32, в полости которой расположен материал 64, имеющий большее сечение (исключая реакцию ядерного деления) относительно нейтронов большой энергии. В случае аварии, когда температура теплоносителя ненормально возрастает и натриевый теплоноситель закипает в активной зоне реактора, то тогда замедляющее действие натрия уменьшается и спектр нейтронов смещается в сторону большой энергии. Если материал, чье поглощающее нейтроны сечение увеличивается в зоне ядерной реакции нейтронов деления, расположен в полости активной зоны, то чрезмерное увеличение мощности в быстром реакторе сдерживается за счет присутствия материала 64 и через эту саморегулирующую функцию быстрый реактор гарантирует свою безопасную работу. В качестве предпочтительного материала такого типа может быть, например, углерод. На фиг. 7A показана зависимость между сечением поглощения нейтронов G_a у ¹²C и спектром нейтронов в быстром реакторе. Средняя величина энергии нейтрона в быстром реакторе составляет примерно 1•10⁵ - 2•10⁵ eV и в районе этой средней величины энергии нейтрона сечение поглощения нейтронов у ¹²C имеет минимальное значение. Поэтому, когда спектр нейтронов смещается в сторону большой энергии благодаря наличию натриевых пустот, то добавляется отрицательная реактивность в соответствии с поглощающим действием ¹²C, тем самым релаксируя чрезмерное увеличение мощности на выходе реактора. Можно также для тех же целей использовать ¹⁴N вместо ¹²C. как показано на фиг. 7B, хотя сечение поглощения нейтронов G_a Y ¹⁴N не увеличивается явно на 10⁵ e или больше, однако, сечение G_p реакции (n, p) вместо этого резко увеличивается, что эквивалентно поглощению нейтронов в том плане, что оно теряет нейтроны, которые способствуют цепной реакции. Хотя на фиг. 7A и 7B в качестве примеров показаны ¹²C и ¹⁴N, однако этим не ограничивается и могут быть другие варианты. За счет выбора соответствующего материала, обладающего такими же свойствами, может быть получена предпочтительная активная зона реактора, обладающая функцией саморегулирования реактивности. ¹²C и ¹⁴N могут располагаться в полости полой активной зоны в виде керамики, например, SiC и Si₃N₄, чтобы иметь возможность противостоять высокой окружающей температуре.

Кроме того, можно использовать топливо, содержащее материал, имеющий большое сечение (захват, реакцию (n, p) и т.д., исключая реакцию деления) по отношению к нейтронам большой энергии (например, карбидные или нитридные топлива, использующие ¹²C или ¹⁴N) и включать такие топлива по крайней мере в часть из большого числа топливных сборок, которые формируют кольцевую полую активную зону. Такое топливное устройство способно еще улучшить проникающее действие реактивности пустот.

Как отмечалось выше в настоящем изобретении, поскольку топливные сборки устанавливаются по кольцу в целом для образования полости в его центре, то стало возможным умеренно увеличить утечку нейтронов до предпочтительной величины и получить даже в активной зоне крупного размера низкий коэффициент реактивности пустоты, по существу эквивалентный тому, что имеет место в небольших или среднего размера активных зонах реакторов, тем самым повышая даже в крупной активной зоне присущую безопасность в отношении аварийного кипения натрия и т.п. Кроме того, благодаря кольцевой схеме активной зоны стало возможным расположить управляющие стержни на одной окружности в кольцевой активной зоне и уменьшить число управляющих стержней, а также взаимодействующих с ними приводных механизмов и, как результат, облегчить размещение приводного механизма. Кроме того, за счет установки коллектора активной зоны, имеющего кольцевые впадины под кольцевой активной зоной, даже в случае аварийной поломки активной зоны, предполагается, что расплавленные топлива могут быть распределены по кольцу с тем, чтобы предотвратить возникновение повторного критического случая.

В соответствии с кольцевой полой активной зоной настоящего изобретения можно использовать пространство полости полой активной зоны для обеспечения функции саморелаксации реактивности. За счет размещения в полости материала, обладающего ядерными свойствами, аналогичными теплоносителю, и плавящегося при ненормальном повышении температуры теплоносителя, утечка нейтронов из полости увеличивается, так как пустая полость, образовавшаяся после плавления материала, функционирует как пустота. Размещая поглотитель нейтронов над полостью активной зоны и устанавливая его так, чтобы он падал в полость активной зоны в момент ненормального повышения мощности на выходе, поглощение нейтронов увеличивается в момент ненормального увеличения мощности на выходе. Иначе говоря, за счет размещения в полости активной зоны материала, имеющего большое сечение в отношении нейтронной большой энергии, спектр нейтронов смещается к стороне большей энергии, даже если в активной зоне происходит аварийное кипение натрия, а число нейтронов, участвующих в цепной реакции уменьшается вследствие реакции нейтронов с материалом. При таком положении, как описано выше, можно создать активную зону реактора, которая реализует функцию саморелаксации реактивности, тем самым существенно улучшая безопасность работы активной зоны реактора.

Полая активная зона для реакторов на быстрых нейтронах содержит комплект из тепловыделяющих оборок с ядерным горючим, установленных по кольцу. Управляющие стержни размещены по окружности концентрично кольцевой полой активной зоне. Кольцевая полая активная зона способна подавлять реактивность натриевых пустот до минимального значения и гарантировать неотъемлемую потенциальную безопасность даже в случае ожидаемого переходного процесса без аварийной остановки реактора. Полость полой активной зоны может быть использована для размещения в ней различных механизмов саморелаксации реактивности. 5 з.п.ф-лы, 12 ил.

1. Активная зона большого реактора на быстрых нейтронах класса 1000 MWе, наружный диаметр 3,3 м, а высота составляет 1 м, содержащая комплект из нескольких топливных сборок, отличающаяся тем, что комплект топливных сборок расположен по кольцу с возможностью формирования в центральной части кольцевой полой активной зоны полости диаметром в 1 м, при этом множество управляющих стержней установлено в кольцевой полой зоне на окружности, концентричной кольцевой полой зоне. 2. Зона по п.1, отличающаяся тем, что в полости расположен плавкий материал, например алюминий или его сплав, ядерные свойства которого по существу такие же, как у охладителя, применяемого в активной зоне при чрезмерном повышении температуры охладителя, причем плавкий материал падает вниз, оставляя зону пустой. 3. Зона по п.1, отличающаяся тем, что в ее полости расположен контейнер, заполненный поглотителем нейтронов, например борной кислотой или жидким литием. 4. Зона по п.1, отличающаяся тем, что в ее полости расположен керамический материал, содержащий ¹²С или ¹⁴N, имеющий большое сечение поглощения в отношении нейтронов высокой энергии. 5. Зона по п.1, отличающаяся тем, что часть топливных сборок содержит карбидное или нитридное топливо, содержащее ¹²С или ¹⁴N. 6. Зона по п.1, отличающаяся тем, что имеет коллектор, выполненный с возможностью улавливания активной зоны с центральной выступающей частью и кольцевой выемкой по периферии, причем центральная выступающая часть коллектора расположена прямо под полостью в полой активной зоне.