СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ РЕАКТИВНОСТЬЮ НЕЙТРОННОЙ ЦЕПНОЙ РЕАКЦИИ В ЯДЕРНОМ РЕАКТОРЕ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2000 года по МПК G21C7/30 

Изобретение относится к способу управления реактивностью нейтронной цепной реакции в ядерных реакторах, а также к устройству для его осуществления.

Реактивность нейтронной цепной реакции ядерного реактора - это относительная норма увеличения нейтронной продукции. При стационарном нормальном режиме реактивность равна нулю. Для увеличения мощности реактивность временно повышается, для снижения мощности она временно снижается.

На реактивность оказывают влияние с помощью размещенных в реакционной зоне нейтронной цепной реакции поглотителей нейтронов. Эти поглотители размещены в подвижных поглотительных стержнях. Путем введения или выведения поглотительных стержней реактивность уменьшается или увеличивается.

На реактивность - наряду с положением поглотительных стержней - оказывают влияние многие дополнительные параметры нормального режима эксплуатации. В принципе существует опасность неконтролируемого освобождения избыточной реактивности, последствием чего может явиться взрывоподобное увеличение выхода нейтронов, что имеет следствием отклонение мощности. Это отклонение опять же может быть таким большим, что разрушается активная зона реактора и, тем самым, больше не будет важнейших барьеров для сдерживания радиоактивных веществ.

По этим причинам вызывает интерес возможность обеспечения и использования неотъемлемого надежного уменьшения реактивности нейтронной цепной реакции. Такие автоматически действующие свойства стабилизирующего типа имеются в наличии. Примерами этого являются отрицательный температурный коэффициент реактивности топлива и отрицательный коэффициент реактивности пузырьков хладоагента - кипящей воды.

Наиболее близким техническим решением к заявленному изобретению по совокупности существенных признаков и достигаемому результату является известный способ управления реактивностью нейтронной цепной реакции в ядерном реакторе и устройство для его осуществления, согласно выложенной заявке Германии DE-OS N 1220046, G 21 C 7/30, 1996.

Способ реализуют следующим образом. Перемещение части топлива обеспечивают за счет усилий, созданных посредством потока охлаждающего средства между положением, способствующим цепной реакции, и остановом.

Устройство для реализации вышеописанного способа содержит ядро (активную зону), часть которого объединена в подвижный узел и установлена с возможностью перемещения с помощью гидравлического устройства из положения останова в положение, способствующее цепной реакции. В этом положении топливо является критическим. Некритической радиоактивная масса является тогда, когда часть ядра перемещена в положение отключения. Для перемещения ядра, преодолевая напряжение смешения, в положение, способствующее цепной реакции, гидроприводы работают от потока охлаждающего средства. При прекращении потока охлаждающего средства часть ядра автоматически перемещается в положение останова.

Недостатком известного способа является сложность его реализации из-за наличия отдельных приводов, предусмотреть которые сложно, и они подвержены сбоям.

Задачей изобретения является создание способа автоматически действующего стабилизирующего управления реактивностью нейтронной цепной реакции и простого и надежного устройства для его осуществления.

Эта задача решается тем, что в способе управления реактивностью нейтронной цепной реакции в ядерных реакторах, при котором перемещение части топлива обеспечивают за счет усилий, созданных посредством потока охлаждающего средства между положением, способствующим цепной реакции, и остановом, согласно изобретению, часть топлива при прекращении действия потока охлаждающего средства удерживают в выступающей вниз из реакционной зоны нейтронной цепной реакции части полости, расположенной в центральной колонне кольцеобразной активной зоны и проходящей параллельно направлению силы тяжести.

Создание усилия с помощью потока нормального режима эксплуатации происходит, например, благодаря тому, что поток направляется через ситообразные входные или выходные отверстия по продольной полости противоположно силе тяжести. Тогда находящееся в этой полости топливо потоком вымывается в верхнюю часть полости и там удерживается. Так как эта верхняя часть полости находится в реакционной зоне нейтронной цепной реакции, то топливо способствует цепной реакции при функционирующем потоке. При прекращении потока опускается или подается топливо в нижнюю часть полости, которая лежит вне реакционной зоны. Тем самым уменьшается реактивность, что в некоторых случаях ведет к горячему отключению реактора.

Предпочтительно для полости и для находящегося в ней топлива выбираются такие размеры (параметры), что влияние этого топлива на реактивность составляет от 0,5% до 1%. Чтобы изменить реактивность на порядок величин, должно находиться около 0,5% до 1% всего количества ядерного топлива в верхней части зоны и при прекращении потока выпадать из нее.

Снижение реактивности на величину между - 0,5% до - 1% ведет к горячее отключению реактора.

Согласно последующему предпочтительному выполнению способа часть топлива в виде покрытых оболочкой частиц топлива добавляется к вспомогательному потоку, связанному с основный потоком; вспомогательный поток с частичками топлива направляется противоположно силе тяжести в предусмотренную полость и выводится из этой полости в направлении к верху через структуру, отсеивающую частички топлива.

Покрытые оболочкой частички топлива, известные, например, для высокотемпературных реакторов, транспортируются потоком до ситообразной структуры и способствуют цепной реакции до тех пор, пока хладагент течет через полость. Если возникает дефект - прекращение потока, - то автоматически по названным причинах снижается реактивность.

Целесообразно направлять поток через бестопливную зону. Следовательно, у реакторов на быстрых нейтронах вспомогательный поток нужно направлять через зону воспроизводства, а при тепловых реакторах - через отражатель реактора.

Согласно следующие примеру осуществления способа предпочтительно применять в полости более обогащенное топливо, чем топливо в остальной зоне реакции. Благодаря этому повышается эффективность.

Поставленная задача решается также тем, что в устройстве для управления реактивностью нейтронной цепной реакции в ядерном реакторе, в котором выделенная часть топлива реакционной зоны имеет возможность перемещения при помощи потока охлаждающего средства из положения, способствующего цепной реакции, в положение останова, согласно изобретению, активная зона выполнена кольцеобразной с центральной колонной, с предусмотренной в ней полостью, имеющей продольную ось и проходящей параллельно направлению силы тяжести, причем верхняя часть полости расположена в активной зоне нейтронной цепной реакции и полость своими концами через ситообразные структуры соединена с основным охлаждающим потоком с возможностью протекания через нее вспомогательного охлаждающего потока противоположно силе тяжести, и что между ситообразными структурами размещена засыпка из мелкодисперсных частичек топлива.

Такое конструктивное выполнение устройства просто и надежно в эксплуатации, что позволило отказаться от отдельных приводов, предусмотреть которые сложно и они подвержены сбоям.

Это устройство предназначено для осуществления способа. Частички топлива находятся вследствие потока в зоне реакции и выпадают из нее тогда, когда прекращается поток охлаждающей среды. Следовательно, автоматически снижается реактивность реактора.

Целесообразно так определить размеры (параметры) полости и находящегося в ней топлива, чтобы при прекращении охлаждающего потока от 0,5% до 1% всего количества ядерного топлива выпадало из зоны реакции. Тем самым обуславливается горячее отключение реактора.

Предпочтительно верхняя часть полости находится в быстрых реакторах в зоне воспроизводства, а в тепловых реакторах - в отражателе. Таким образом, находится устройство в бестопливной зоне.

В реакторах с кольцевой активной зоной реактора полость предпочтительно проходит через центральную колонну.

Для повышения эффективности топливо, находящееся в полости, обогащено больше, чем топливо в остальной реакционной зоне.

Пример осуществления изобретения приводится ниже с пояснениями на схематических чертежах, где показано:
фиг. 1 - поперечное сечение устройства при наличии потока;
фиг. 2 - поперечное сечение устройства при отсутствии потока.

На фиг. 1 представлена кольцевая активная зона 1 реактора 2 в поперечном сечении. В центральной колонне 3 находится продольная полость 4, содержащая частички 5 топлива. Полость 4 соединена ситообразными структурами 6, 6а в виде сит с активной зоной 1 таким образом, что протекающий через активную зону 1 поток 7 охлаждающей среды пронизывает полость 4 по длине. Направление потока 7 осуществляется против силы тяжести.

Ситообразные структуры 6, 6а расположены таким образом, что через них частички 5 топлива не могут быть вымыты из зоны нейтронной цепной реакции вверх и, правда, не могут быть удалены из полости 4 вниз, однако могут покинуть реакционную зону. Преимущественно частички 5 топлива посредством потока 7 удерживаются в реакционной зоне.

На фиг. 2 показано то же самое устройство с тем отличием, что больше теперь не обозначено наличия потока 7. По этой причине все частички 5 топлива находятся вне реакционной зоны на дне 4а полости 4, то есть таким образом не способствуют нейтронной цепной реакции. Следовательно, в отношении представленного на фиг. 1 случая, реактивность снижена.

Сущность изобретения: управление реактивностью осуществляется путем перемещения части топлива между положением, способствующим цепной реакции, и положением ее останова. Перемещаемая часть топлива расположена в полости центральной колонны, проходящей параллельно направлению силы тяжести и размещенной в кольцеобразной активной зоне, и представляет собой засыпку из мелкодисперсных частичек топлива. Через полость противоположно направлению силы тяжести протекает часть основного потока охлаждающей жидкости, удерживающая частички топлива в зоне реакции. При прекращении потока охлаждающего средства в полости частички топлива перемещаются в положение, способствующее останову цепной реакции. Технический результат заключается в обеспечении возможности автоматического управления реактивностью ядерного реактора. 2 с. и 9 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ управления реактивностью нейтронной цепной реакции в ядерном реакторе, при котором перемещение части топлива обеспечивают за счет усилий, созданных посредством потока охлаждающего средства между положением, способствующим цепной реакции, и остановом, отличающийся тем, что часть топлива при прекращении потока охлаждающего средства удерживают в выступающей вниз из реакционной зоны нейтронной цепной реакции части полости, расположенной в центральной колонне кольцеобразной активной зоны и проходящей параллельно направлению силы тяжести. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что полость и размещенное в ней топливо определяют по своим параметрам таким образом, чтобы влияние этого топлива на реактивность составляло от 0,5 до 1%. 3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что часть топлива в виде частичек топлива, имеющих оболочку, добавляют во вспомогательный поток, соединяющийся с основным потоком, что вспомогательный поток с частичками топлива направляют внутрь в предусмотренную полость противоположно силе тяжести, а из нее выводят вверх через структуры, отсеивающие частички топлива. 4. Способ по п.3, отличающийся тем, что вспомогательный поток направляют через бестопливные зоны. 5. Способ по одному из пп.1 - 4, отличающийся тем, что в полости используют топливо с большим обогащением, чем топливо в остальной реакционной зоне. 6. Устройство для управления реактивностью нейтронной цепной реакции в ядерном реакторе, в котором выделенная часть топлива реакционной зоны имеет возможность перемещения при помощи потока охлаждающего средства из положения, способствующего цепной реакции, в положение останова, отличающееся тем, что активная зона выполнена кольцеобразной с центральной колонной, с предусмотренной в ней полостью, имеющей продольную ось и проходящей параллельно направлению силы тяжести, причем верхняя часть полости расположена в активной зоне нейтронной цепной реакции и полость своими концами через ситообразные структуры соединена с основным охлаждающим потоком с возможностью протекания через нее вспомогательного охлаждающего потока противоположно силе тяжести, и что между ситообразными структурами размещена засыпка из мелкодисперсных частичек топлива. 7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что полость и находящееся в ней топливо имеют параметры, определяемые при прекращении потока охлаждающего средства выпадением от 0,5 до 1% всего количества ядерного топлива из реакционной зоны. 8. Устройство по п.6 или 7, отличающееся тем, что верхняя часть полости у реакторов на быстрых нейтронах расположена в зоне воспроизводства. 9. Устройство по п.6 или 7, отличающееся тем, что верхняя часть полости в тепловых реакторах расположена в отражателе. 10. Устройство по п.8 или 9, отличающееся тем, что полость в реакторах с кольцевой активной зоной проходит через центральную колонну. 11. Устройство по одному из пп.6 - 10, отличающееся тем, что находящееся в полости топливо обогащено в большей степени, чем топливо в остальной реакционной зоне.