СПОСОБ ПОСТРОЕНИЯ ЯДЕРНЫХ РЕАКТОРОВ И ЯДЕРНЫЙ РЕАКТОР С ЛАЗЕРНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ, ПОСТРОЕННЫЙ ПО ЭТОМУ СПОСОБУ Российский патент 2001 года по МПК G21C1/00 G21C5/00 G21C7/28 

Заявленное изобретение относится к области ядерного реакторостроения и может быть применимо в других областях техники, например лазерной.

Известен способ построения ядерных устройств, основанный на создании в активной зоне (АЗ) избыточной ядерной массы, заранее компенсированной поглотителями нейтронов, в которых реактивность регулируют, освобождая ее выводом из АЗ поглотителей нейтронов, например поглощающих стержней [1].

Известен способ построения ядерных устройств, основанный на создании в АЗ подкритической ядерной массы, в которых регулируют реактивность, дополняя ее до заданного критического или надкритического состояния, например, топливными сборками [1].

Общим недостатком известных способов является то, что в случае заклинивания управляющих реактивностью элементов сбросить реактивность в таких устройствах можно с помощью дополнительных (аварийных) элементов, вносящих в АЗ отрицательную реактивность. В больших промышленных реакторах такое построение сильно усложняет технологическую схему реактора, и уменьшение или полное удаление из АЗ, изменяющих реактивность элементов, является актуальной задачей [1].

Свободным от указанных недостатков и наиболее близким к предлагаемому изобретению является выбранный в качестве прототипа известный способ построения подкритических ядерных устройств при малых объемах АЗ с высокообогащенным топливом, в которых критичность достигается при воздействии на АЗ подвижных блоков в части отражателя, примыкающего к АЗ. Построение таких ядерных устройств основано на большой роли нейтронов утечки в общем нейтронном балансе [1].

Однако с увеличением размеров АЗ роль нейтронов утечки в общем нейтронном балансе снижается, что приводит к неэффективности подвижных блоков отражателя [1] . Падение эффективности отражателя объясняется тем, что нейтроны утечки вносят возмущение в нейтронный поток АЗ на глубину, равную приблизительно длине миграции нейтронов, что может составлять значительную часть АЗ малых размеров на высокообогащенном топливе [2].

Известный бустер-реактор [3], выбранный в качестве прототипа устройства, содержит линейный ускоритель, отражатель, коаксиально расположенные активные зоны АЗ1 и АЗ2, слой вольфрама, мишень ускорителя, полость для облучения. Специально для целей ядерной накачки лазеров реакторных устройств не разрабатывалось, а существующие не всегда способны обеспечить необходимые режимы [4]. Известный бустер-реактор без специальной доработки не пригоден для ядерной накачки оптимизированного блока лазерных элементов в силу недостаточных размеров полости и жесткого спектра нейтронов, неэффективного для ядерной накачки [3], [4].

Предлагаемыми изобретениями решается задача построения подкритических, без заранее скомпенсированной избыточной ядерной массы устройств с протяженными размерами и чувствительностью АЗ к локальным возмущениям нейтронного потока в любой ее точке, изменять реактивность которых можно вынесенными из АЗ элементами управления, исключая возможность образования локальных критических масс.

Данный технический результат получен на основе использования эффекта возрастания эффективности отражателей при наличии сквозных пустых каналов в АЗ (фиг. 3), выявленного заявителем при проведении численных экспериментов по расчету эффективного коэффициента размножения нейтронов. Сущность изобретения состоит в том, что в способе построения ядерных устройств, заключающемся в наборе ядерной массы активной зоны (АЗ) до подкритичного состояния и подготовке ее к надкритичности, согласно изобретению, подготовку к надкритичности осуществляют за счет повышения роли нейтронов утечки в общем их балансе, создавая пустоты в активной зоне и оптимизируя приращение эффективного коэффициента размножения нейтронов (K_эф), как функции отношения объема, занятого пустотами, ко всему объему АЗ. Кроме этого, в ядерном устройстве, содержащем активные зоны, замедлители нейтронов, делящиеся элементы, отражатели, согласно изобретению, в АЗ выполнены пустоты в виде сквозных каналов, часть отражателей выполнены подвижными, а размер АЗ ограничен верхней границей области возрастания K_эф, как функции размера АЗ.

Выполнение пустот в АЗ в виде сквозных каналов позволяет сделать вывод о едином изобретательском замысле двух заявляемых изобретений - способа и устройства.

Заявителем разработана математическая модель заявляемого способа построения ядерных устройств. Результаты расчетов K_эф устройства с лазерными элементами для ядерной накачки позволили на основе выявленного эффекта составить математическую модель построения ядерных подкритических устройств с протяженными размерами, в которых АЗ доводят до заданного критического (надкритического) состояния частью отражателя (подвижными блоками), окружающего АЗ.

Модельная постановка задачи состоит в следующем. Пусть необходимо построить ядерное устройство с известным материальным составом, габаритами x, у, z в заданных интервалах: X1≅x≅X2, Y1≅y≅Y2, Z1≅z≅Z2 и обеспечивающее значение Кэф = 1-α (где α>0 - заданная подкритичность) без перекрытия АЗ подвижными блоками, и значение Кэф = 1+β (где β>0 - заданная надкритичность) - при перекрытии ими АЗ.

В качестве исходной выбирают следующую конструкцию ядерного устройства. АЗ окружают отражателем, толщина которого равна двойной длине диффузии [2], а габариты равны X2, Y2, Z2 соответственно, и из физических соображений задают плотность топлива и обогащение по делящемуся элементу. АЗ строят в виде решеток из топлива, пронизанных сквозными пустыми каналами, а в местах выхода пустот из АЗ устанавливают подвижные блоки [5] Для дальнейшей оптимизации конструкции используют численный эксперимент, в котором рассчитывают значения K_эф (с подвижными блоками), K_эф (без подвижных блоков) и их разность ΔКэф = Кэф-Кэф. Оптимизацию осуществляют в два этапа. На первом этапе, дискретно изменяя отношение ν_j (j= 1,..., n) объема пустот к общему объему АЗ, для каждого значения ν_j проводят численный эксперимент и вводят градацию его исходов:
0 - если Кэф(ν_j)<1+β или ΔКэф(ν_i)<α+β;
1 - если Кэф(ν_j)≥1+β и ΔКэф(ν_i)≥α+β.
Для значений ν_j, , имеющих нулевой исход, но ΔКэф(ν_j)≥α+β, увеличивая плотность топлива или обогащение по делящемуся элементу, численный эксперимент повторяют с целью получения единичного исхода. Если же для всех значений ν_j на первом этапе получены нулевые исходы, то корректируют материальный состав АЗ и возвращаются к началу первого этапа На втором этапе для каждого значения ν_j, , имеющего единичный исход, минимизируют размеры АЗ, для чего, дискретно уменьшая какой-либо из ее размеров, например x, до значений меньших, чем X1 (в общем случае - все размеры), для каждого размера x_k (k= 1,..., m) определяют K_эф(x_k) устройства без подвижных блоков с целью нахождения значения X_max, при которых K_эф(x) выходит на стационарное значение, и вводят градацию:
0 - если X_max<X1;
1 - если X_max≥X1
При нулевых исходах, увеличивая x до требуемых размеров и располагая подвижные блоки дискретно вдоль протяженного размера с шагом ≅ X_max, можно построить устройство с Кэф = 1+β и ΔКэф = α+β, однако при несинхронной работе подвижных блоков в этом случае возможно образование локальных критических масс.

При единичных исходах выбирают те значения x_k из области [X1, X_max], при которых Кэф(ν_j,x_k) = 1+β,ΔКэф(ν_j,x_k) = α+β. B этом случае АЗ реактора будет чувствительна к локальным возмущениям нейтронного потока в любой ее точке.

Предлагаемые изобретения иллюстрируются графическими материалами, на которых изображены:
фиг. 1 - принципиальное строение устройства для осуществления способа,
фиг. 2 - вид сбоку устройства фиг. 1;
фиг. 3 - зависимость Δf1 = ΔКэф/2.49 устройства протяженностью 3 м от отношения объема пустот в А31 ко всему объему А31;
фиг. 4 - нарастание К_эф устройства без торцевых отражателей (подвижных блоков) с увеличением его протяженности.

Из перестроенного в соответствии с заявляемым способом бустер-реактора по результатам математической модели предложено устройство [6] с лазерными элементами для ядерной накачки (фиг. 1 и фиг. 2). А31 1 устройства зачехлена в оболочку из Al и заполнена цилиндрическими тепловыделяющими элементами 4 в количестве 547 штук и диаметром 2 см, установленными с шагом 4 см; топливом является соединение UAl₄ с плотностью 4,4 г/см³ и обогащением по урану 235 - 90%, имеется технологическая полость 8. А32 3 зачехлена в оболочку из стали и заполнена цилиндрическими тепловыделяющими элементами 4 в количестве 528 штук и диаметром 2 см, установленными с шагом 35 см; топливом является карбид урана 90% с плотностью 9 г/см³ в оболочке из нержавеющей стали. Промежуточная секция - тепловая ловушка (ТЛ 2) - зачехлена в оболочку из Al, заполнена водой и лазерными элементами 5 в количестве 522 штук, представляющими собой трубы из Al диаметром 5 см, на внутренней поверхности которых нанесен слой урана, с шагом решетки 5.4 см. Между А31 1 и ТЛ 2 имеется поглотитель нейтронов 9 (Cd). Радиальный 6 и торцевой 7 отражатели выполнены из WC или Be. Торцевой отражатель 7 состоит из:
- подвижных блоков - для А32 3;
- неподвижного блока с отверстиями для лазерных элементов - для ТЛ 2;
- набора соосных круговых секторов, которые при вращении полностью или частично перекрывают торцы, - для АЗ1 1.

Устройство с лазерными элементами работает следующим образом. При открытых торцевых поверхностях А31 1 и А32 3 в устройстве K_эф=0,93. Подвижными блоками отражателя 7 перекрывают А32 3, увеличивая K_эф до значения, близкого к единице. Рабочие переходы в реактивности осуществляют вращением круговых секторов отражателя 7, внося избыточную реактивность до 0,033. Для подготовки к рабочим режимам избыточную реактивность гасят неполным перекрытием торцов А32 3, а рабочие режимы получают перекрытием торцевых поверхностей А31 1. Аварийный сброс реактивности осуществляют открытием торцевых поверхностей А32 3. Более глубокий уход в подкритическое состояние осуществляют подвижными блоками радиального отражателя 6.

Заявленный способ применим и для ядерных устройств с низкообогащенным топливом, например известного реактора типа РБМК [7], содержащего: графитовую кладку, канальные трубы, технологические каналы, тепловыделяющие элементы, поглощающие стержни, жидкий поглотитель нейтронов, отражатель, водяной теплоноситель
Недостаток этого реактора заключается в том, что технологическая схема реактора сложна [1]. Освобождение и компенсирование избыточной ядерной массы возвратно-поступательным перемещением поглощающих стержней на глубину до 7 м приводит к большим перекосам в энерговыделении. При этом не исключается возможность образования локальных критических масс, непроизводительный захват нейтронов поглотителями, уменьшающий глубину выгорания топлива в АЗ [7].

В случае построения заявленным способом известного реактора РБМК (не показан), содержащего графитовые блоки, технологические каналы, тепловыделяющие элементы, отражатель, в котором, согласно изобретению, в графитовых блоках АЗ выполнены продольные и поперечные пустоты в виде сквозных каналов, теплоноситель в технологических каналах прокачивается через трубки, в которые с зазором помещены тепловыделяющие элементы, а между трубками выполнены пустоты, при этом в боковом отражателе выделены подвижные блоки, управление реактивностью осуществляется только подвижными блоками.

Работоспособность такого реакторного устройства обусловлена известными фактами и результатами, полученными при расчете устройства с лазерными элементами. Не исключается работа реактора на природном уране.

Известно [5] , что в уран-графитовых гетерогенных системах на природном уране значение бесконечного коэффициента размножения нейтронов достигают 1.09. Введение вокруг топливных элементов тонкого слоя воды приводит к снижению этого значения, которое, однако, превосходит единицу при отношении числа атомов углерода к числу атомов урана от 70 до 160, а с отношением равным 70 при обезвоживании решетки не достигает единицы, что приведет в перестроенном реакторе к превращению положительного парового коэффициента реактивности в отрицательный [5],[7]. В ядерном устройстве протяженностью 5 м (фиг. 4) торцевые отражатели из Be толщиной 10 см дают значение ΔКэф = 0.073. При такой толщине отражателя альбедо Be значительно выше, чем у графита, но при толщине 40 см различия в альбедо Be и графита несущественны [2], что позволит управлять реактивностью реактора из подкритического состояния подвижными блоками отражателя из графита.

Работа реакторного устройства состоит в выводе его подвижными блоками в рабочее состояние с K_эф > 1 и поддержании подвижными блоками рабочего состояния с K_эф = 1. Сброс реактивности осуществляют открытием подвижными блоками боковой поверхности реактора, а подъем - перекрытием боковой поверхности АЗ подвижными блоками.

Применяя выявленный заявителем эффект, удалось разработать способ построения подкритических ядерных устройств с протяженными размерами, управление которыми осуществляется частью отражателя, примыкающего к активной зоне, и провести критмассовые расчеты ядерного устройства с блоком 522 шт. лазерных элементов протяженностью 3 м. Конструктивное оформление устройства позволило сохранить в активных зонах спектры нейтронов, характерные для быстрых реакторов [6], получив при этом тепловой спектр нейтронов в полости с лазерными элементами.

Исходя из полученных результатов и известных фактов по реакторам типа РБМК, показано, что они могут быть преобразованы в подкритические реакторные устройства, управлять которыми достаточно частью бокового отражателя, исключая возможность образования локальных критических масс и преобразуя положительный паровой коэффициент реактивности в отрицательны.

Использование настоящих изобретений позволяет осуществить построение подкритических, без заранее скомпенсированной избыточной ядерной массы устройств с протяженными размерами и чувствительностью АЗ к локальным возмущениям нейтронного потока в любой ее точке, изменять реактивность которых можно вынесенными из АЗ элементами управления.

Литература
1. Б А.Демьянов. Кинетика и регулирование ядерных реакторов, "Атомиздат", Москва, 1973 г.

2. Т.Кахан, М.Гози. Физика и расчет ядерных реакторов, "Атомиздат", Москва, 1960 г.

3. А. И.Павловский и др. Двухсекционный бустер-реактор "КАСКАД" (ВР-К), "ВАНТ". Вып.3, Москва, 1992 г.

4. А.М Воинов. Применение импульсных ядерных реакторов для исследования лазеров с ядерной накачкой, "ВАНТ", Вып. 3, Москва, 1992 г.

5 А. Вейнберг, Е.Вигнер. Физическая теория ядерных реакторов, "Иностр. литер", Москва, 1961 г.

6. Н. П. Волошин, П.С.Ляпин, Г.Н.Малышкин. Способ управления реактивностью протяженных ядерных сборок и устройство для ядерной накачки лазеров. Отчет - предложение Снежинск, 1994 г.

7. Г.А.Бать. Основы теории и методы расчета ядерных энергетических реакторов,"Энергоиздат", Москва, 1982 г.

Использование: в области ядерного реакторостроения для построения подкритических без заранее скомпенсированной избыточной ядерной массы устройств с протяженными размерами и чувствительностью активной зоны (A3) к локальным возмущениям нейтронного потока в любой ее точке, изменять реактивность которых можно вынесенными из A3 элементами управления, исключая возможность образования локальных критических масс. Сущность изобретения: способ заключается в наборе ядерной массы активной зоны до подкритического состояния и подготовке ее к надкритичности, которую осуществляют за счет повышения роли нейтронов утечки в общем их балансе, создавая пустоты в активной зоне и оптимизируя приращение эффективного коэффициента размножения нейтронов (Кэф) как функции отношения объема, занятого пустотами, к всему объему A3. В ядерном реакторе, содержащем активные зоны, замедлители нейтронов, делящиеся элементы, отражатели, в A3 выполнены пустоты в виде сквозных каналов, часть отражателей выполнены подвижными, а размер A3 ограничен верхней границей области возрастания Кэф как функции размера A3. 2 с.п.ф-лы, 4 ил.

1. Способ построения ядерных реакторов, заключающийся в наборе ядерной массы активной зоны (А3) до подкритического состояния и подготовке ее к надкритичности, отличающийся тем, что подготовку к надкритичности осуществляют за счет повышения роли нейтронов утечки в общем их балансе, создавая пустоты в активной зоне и оптимизируя приращение эффективного коэффициента размножения нейтронов (Кэф) как функции отношения объема, занятого пустотами, к всему объему А3. 2. Ядерный реактор с лазерными элементами, содержащий активные зоны, замедлители нейтронов, делящиеся элементы, отражатели, отличающийся тем, что в А3 выполнены пустоты в виде сквозных каналов, часть отражателей выполнены подвижными, а размер А3 ограничен верхней границей области возрастания Кэф как функции размера А3.