СОСТАВНАЯ КАССЕТА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ МОЩНОСТЬЮ АКТИВНОЙ ЗОНЫ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА Российский патент 2001 года по МПК G21C7/103 G21C7/30 

Изобретение относится к ядерной энергетике, в частности к конструкции составной кассеты системы управления мощностью активной зоны энергетического реактора типа ВВЭР-440, и может быть использовано и в других конструкциях, когда необходимо снизить локальное повышенное нейтронное поле.

Известна конструкция активной зоны энергетического реактора типа ВВЭР-440, состоящая из тепловыделяющих рабочих кассет (РК) и 37 составных кассет системы управления мощностью активной зоны СУЗ, нижние части которых являются тепловыделяющими сборками, а верхние надставки изготовлены из материалов с высоким поперечным захватом тепловых нейтронов. Кассеты СУЗ разделены на 6 групп. Первые пять групп кассет СУЗ используются для выработки энергии и при необходимости в режиме аварийной защиты, а 6-я группа из 7-ми кассет и в режиме управления мощностью активной зоны реактора [1,2].

Тепловыделяющая кассета состоит из шестигранного чехла, внутри которого находятся 126 шт. стержневых твэлов с ядерным топливом из таблеток двуокиси урана, дистанционированных решетками. Внутри твэлов в верхней части имеется пружинный или разрезной втулочный фиксатор топливного столба и компенсационный объем для сбора газообразных осколков деления, выделяющихся из топлива в процессе эксплуатации. Чехловая труба, оболочки твэлов и дистанционирующие решетки изготавливаются из циркониевых сплавов с поперечным захватом тепловых нейтронов не выше 0,2 барн.

В кассетах СУЗ чехловая труба тепловыделяющей части кассеты жестко закреплена на соединительной головке поглощающей надставки, изготавливаемой из материалов с высоким поперечным захватом нейтронов. В соединении между верхними торцами твэлов и нижним торцом соединительной головки поглощающей надставки имеется зазор для свободного удлинения твэлов в процессе эксплуатации.

Регулирование мощности активной зоны осуществляется за счет вертикального перемещения кассет СУЗ внутри активной зоны и введения борной кислоты в теплоноситель. Для оперативного снижения мощности реакторной установки тепловыделяющие части кассеты СУЗ 6-ой группы выводятся из активной, а надставки из поглощающих нейтроны материалов, наоборот, вводятся в активную зону. Для полной остановки реактора все поглощающие надставки вводятся в активную зону.

Недостатком известной конструкции СУЗ является образование при регулировании мощности активной зоны повышенного количества тепловых нейтронов в стыке между тепловыделяющей и поглощающей частями кассеты, где расположены компенсационные объемы твэлов с малым захватом тепловых нейтронов и водяной зазор между верхними торцами твэлов и нижним торцом соединительной головки поглощающей надставки [3].

Избыток тепловых нейтронов приводит к повышенному тепловыделению в верхних топливных таблетках твэлов кассеты СУЗ и к повышенному локальному энерговыделению в твэлах рабочих кассет, окружающих кассету СУЗ.

Известна кассета, в которой во избежание всплеска нейтронов для регулирования мощности используются стержни с высоким поперечным захватом нейтронов. При регулировании мощности они перемещаются по направляющим каналам, расположенным внутри пучка твэлов в кассете [1]. Способ регулировки мощности поглощающими стержнями обеспечивает отсутствие всплеска нейтронов, но при этом снижается загрузка топлива в кассетах, т.к. часть объема занято направляющими каналами.

Известна составная кассета системы управления мощностью активной зоны реактора типа ВВЭР-440, взятая авторами за прототип, состоящая из нижней тепловыделяющей сборки и верхней надставки из материалов с высоким захватом тепловых нейтронов, нижняя сборка включает тепловыделяющие элементы в виде герметичных труб, заполненных топливными таблетками и имеющих в верхней части компенсационные газовые объемы, тепловыделяющие элементы собраны в пучок с помощью дистанционирующих решеток с ободом и помещены в чехловую трубу, верхняя часть которой жестко присоединена к соединительной головке поглощающей нейтроны надставки, в которой для устранения всплеска нейтронов в компенсационный объем твэлов, между верхней топливной таблеткой и фиксатором установлены стальные вкладыши, газовый компенсационный объем в твэле с вкладышами сохраняется [3] - прототип.

Недостатком известного технического решения является тот факт, что нержавеющие вкладыши в компенсационном объеме устраняют повышенное энерговыделение только в верхних таблетках твэлов СУЗ, но не устраняют повышенного локального энерговыделения в твэлах окружающих рабочих кассетах в районе расположения компенсационных газовых объемов кассет СУЗ.

Твэлы рассчитаны на эксплуатацию при определенной допустимой линейной тепловой мощности. Локальное повышение энерговыделения в твэлах ограничивает их эксплуатацию на 100% мощности по всей длине и снижает работоспособность. В 70% случаев разгерметизация происходит в рабочих кассетах, располагающихся вокруг шестой группы кассет СУЗ.

Технической задачей изобретения является ликвидация локального всплеска энерговыделения в твэлах рабочих кассет при регулировке мощности активной зоны кассетами СУЗ.

Решение технической задачи достигается тем, что в составной кассете системы управления мощностью активной зоны реактора, состоящей из нижней тепловыделяющей сборки и верхней поглощающей надставки, нижняя сборка включает тепловыделяющие элементы в виде герметичных трубок, заполненных топливными таблетками, и имеющих в верхней части компенсационные газовые объемы, на верхних топливных таблетках установлены стальные вкладыши, тепловыделяющие элементы собраны в пучок с помощью дистанционирующих решеток с ободом и помещены в чехловую трубу, верхняя часть которой жестко присоединена к соединительной головке поглощающей нейтроны надставки, отличающиеся тем, что в стыке кассеты вокруг пучка тепловыделяющих элементов, в районе компенсационных газовых объемов, размещен дополнительный поглощающий нейтроны элемент из гафния или его сплавов с цирконием, причем этот элемент установлен с отклонением не выше 30 мм от нижнего торца соединительной головки до уровня топлива в тепловыделяющих элементах с отклонением не ниже 30 мм от верхнего торца верхней топливной таблетки, при этом:
- дополнительный поглощающий элемент размещен с внутренней стороны чехловой трубы;
- дополнительный поглощающий элемент размещен с внешней стороны чехловой трубы;
- дополнительный поглощающий элемент выполнен из гафния или из его сплава с цирконием с содержанием циркония до 50%;
дополнительный поглощающий элемент выполнен в виде обечайки;
- дополнительный поглощающий элемент выполнен в виде шести отдельных пластин. закреплен на чехловой трубе и имеет толщину 0,3 - 0,8 мм;
- дополнительный поглощающий элемент закреплен на ободе верхней дистанционирующей решетки.

Изобретение поясняется чертежами. На фиг. 1 показаны места расположения рабочих кассет и кассет СУЗ в активной зоне реактора ВВЭР-440, где незаштрихованные шестигранники - рабочие кассеты, а заштрихованные шестигранники - места расположения шести групп кассет СУЗ. Каждая группа имеет свой вид штриховки.

На фиг. 2 показан стыковочный узел регулирующей кассеты, содержащей соединительную головку верхней поглощающей нейтроны надставку 1, на которой жестко крепится 6-гранная чехловая труба 2 нижней тепловыделяющей сборки с зазором между верхними торцами твэлов 3 и нижним торцом соединительной головки для свободного удлинения твэлов 4 в процессе эксплуатации.

Внутри чехловой трубы находится пучок твэлов, дистанционированный решетками с ободом 5, в верхней части твэла располагаются компенсационный газовый объем 6, фиксатор топливного столба 7, стальной вкладыш 8, расположенный между верхним торцом таблетки 9 и фиксатором топливного столба. Дополнительный поглотитель нейтронов из гафния 10 закреплен на гранях чехловой трубы и расположен между нижним торцом соединительной головки 1 и верхним торцом топливной таблетки 9.

На фиг.3 приведено энерговыделение в прототипе в твэлах рабочих кассет в районе расположения стыка кассеты СУЗ, где находятся компенсационные объемы твэлов и водяной зазор между торцами твэлов и нижним торцом соединительной головки. На кривой 1 фиг. 3 показано энерговыделение в твэлах окружающих рабочих кассетах в районе расположения стыка кассеты СУЗ прототипа. Максимальное локальное энерговыделение в твэлах рабочих кассет, на величину до 45% от номинальной, происходит в районе расположения верхних торцов твэлов в кассете СУЗ.

На кривой 2 фиг.3 показано энерговыделение в твэлах рабочих кассет, когда в районе стыка на шести внутренних гранях чехловой трубы кассеты СУЗ закреплены шесть пластин гафния размером 150х76х0,6 мм. Как следует из энерговыделения позиции 2, гафний на гранях чехловой трубы кассеты СУЗ практически полностью устраняет локальный всплеск энерговыделения в твэлах рабочих кассет.

Устройство работает следующим образом. В водо-водяных энергетических ядерных реакторах на тепловых нейтронах в качестве замедлителя и теплоносителя используется вода. При регулировании мощности активной зоны таких реакторов кассетами СУЗ внутри чехловой трубы 2, в районе стыковочного узла, где расположены газовые компенсационные объемы 6 твэлов с оболочками из циркониевых сплавов с поперечным захватом тепловых нейтронов ≤0,2 барн водяного зазора 3, между верхними торцами твэлов 4 и нижним торцом соединительной головки 1 образуется повышенное количество тепловых нейтронов по сравнению с остальной частью, тепловыделяющей частью кассеты, где расположены топливные таблетки с большим захватом тепловых нейтронов. Экран из гафния с поперечным захватом тепловых нейтронов 105 барн, размещенный вокруг пучка твэлов, где находятся газовые компенсационные объемы твэлов и водяной зазор, поглощает выходящие из кассеты тепловые нейтроны, образовавшиеся внутри кассеты. В стыке кассеты вокруг пучка твэлов размещают такое количество гафния, которое поглощает только избыточные нейтроны, вызывающие повышенное локальное энерговыделение в твэлах рабочих кассет, окружающих регулирующие кассеты СУЗ. Из представленных на фиг. 3 энерговыделение в зависимости от конструкции и стыковочного узла следует, что экран из гафния толщиною 0,6 мм в стыке кассеты СУЗ практически полностью устраняет 45% локальный всплеск энерговыделения в твэлах рабочих кассет.

Новый технический результат изобретения состоит в том, что при использовании кассет СУЗ с гафнием в стыковочном узле обеспечивается более равномерное глубокое выгорание топлива в твелах рабочих кассет, снижается себестоимость вырабатываемой на АЭС электроэнергии и повышается безопасность в аварийных ситуациях.

Источники информации
1. Емельянов И.Е. Энергетические ядерные реакторы. М., Энергоатомиздат, 1984 г., с. 18-30.

2. Решетников Ф.Г. Разработка производства и эксплуатации тепловыделяющих элементов энергетических реакторов. М., Энергоатомиздат, 1995 г., книга 1., с. 185.

3. Сидоренко В.А. Вопросы безопасной работы реакторов ВВЭР. М., Атомиздат, 1977, с. 141-142- прототип.

Использование: в конструкции составной кассеты системы управления мощностью активной зоны ядерного реактора типа ВВЭР-440, а также в других конструкциях реакторов, где необходимо снизить локальный всплеск нейтронов. Технический результат заключается в обеспечении более равномерного глубокого выгорания топлива в твэлах рабочих кассет, снижении себестоимости вырабатываемой электроэнергии и повышении безопасности АЭС. Сущность изобретения: устройство содержит сборку тепловыделяющих элементов в виде собранных посредством дистанционирующих решеток в пучок и помещенных в чехловую трубу герметичных трубок, заполненных топливными таблетками и имеющих в верхней части компенсационные газовые объемы, поглощающую нейтроны надставку, соединительная головка которой присоединена к чехловой трубе, и металлические вкладыши, установленные на верхних топливных таблетках, причем вокруг пучка тепловыделяющих элементов размещен дополнительный поглощающий нейтроны элемент из гафния или его сплавов с цирконием, окружающий компенсационные газовые объемы, торцы которого отстоят не выше 30 мм от нижнего торца соединительной головки и не ниже 30 мм от верхнего торца верхней топливной таблетки. 6 з.п. ф-лы., 3 ил.

1. Составная кассета управления мощностью активной зоны ядерного реактора, содержащая сборку тепловыделяющих элементов в виде собранных посредством дистанционирующих решеток в пучок и помещенных в чехловую трубу герметичных трубок, заполненных топливными таблетками и имеющих в верхней части компенсационные газовые объемы, поглощающую нейтроны надставку, соединительная головка которой присоединена к чехловой трубе, и металлические вкладыши, установленные на верхних топливных таблетках, отличающаяся тем, что вокруг пучка тепловыделяющих элементов размещен дополнительный поглощающий нейтроны элемент из гафния или его сплавов с цирконием, окружающий компенсационные газовые объемы, торцы которого отстоят не выше 30 мм от нижнего торца соединительной головки и не ниже 30 мм от верхнего торца верхней топливной таблетки. 2. Составная кассета по п.1, отличающаяся тем, что дополнительный поглощающий нейтроны элемент размещен с внутренней стороны чехловой трубы. 3. Составная кассета по п.1, отличающаяся тем, что дополнительный поглощающий нейтроны элемент размещен с внешней стороны чехловой трубы. 4. Составная кассета по п.1 или 2, отличающаяся тем, что дополнительный поглощающий нейтроны элемент закреплен на ободе верхней дистанционирующей решетки. 5. Составная кассета по любому из пп.1 - 4, отличающаяся тем, что дополнительный поглощающий нейтроны элемент выполнен в виде обечайки. 6. Составная кассета по любому из пп.1 - 4, отличающаяся тем, что дополнительный поглощающий нейтроны элемент выполнен в виде шести закрепленных на чехловой трубе пластин толщиной 0,3 - 0,8 мм. 7. Составная кассета по любому из пп.1 - 6, отличающаяся тем, что дополнительный поглощающий нейтроны элемент выполнен из сплава гафния с цирконием, с содержанием циркония до 50%.