ПОГЛОЩАЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ ДЛЯ УПРАВЛЯЮЩЕГО СТЕРЖНЯ АТОМНОГО РЕАКТОРА НА БЫСТРЫХ НЕЙТРОНАХ Российский патент 2001 года по МПК G21C7/10 G21C3/326 

Изобретение относится к поглощающему элементу, предназначенному для использования в управляющем стержне атомного реактора на быстрых нейтронах, охлаждаемого жидким металлом.

В атомных реакторах управление и остановка реакции деления, которая происходит в активной зоне реактора, осуществляются с помощью управляющих стержней, называемых также поглощающими стержнями.

В частном случае атомных реакторов на быстрых нейтронах управляющие стержни распределены между топливными сборками, которые образуют активную зону реактора, в виде поглощающих сборок.

Как описано, в частности, в патенте Франции A-2 570 214, каждая из поглощающих сборок, устанавливаемых в атомный реактор на быстрых нейтронах, содержит вертикальный неподвижный чехол, в котором может перемещаться подвижный узел, состоящий, в основном, из поглощающих элементов. Каждый из поглощающих элементов содержит удлиненную металлическую оболочку, в которой устанавливается с большим радиальным зазором столбик пластинок (таблеток) из материала, поглощающего нейтроны. Обычно этот материал состоит из карбида бора, обогащенного IO_B. Благодаря тому, что карбид бора является керамикой, таблетки производят обжигом под нагрузкой при высокой температуре (более 2000^oC) тонких порошков (с размеров зерен менее 5 мм).

При работе атомных реакторов в нормальных условиях карбид бора увеличивается в объеме и растрескивается из-за поглощения нейтронов вследствие высоких создаваемых при этом механических напряжений (высокий термический градиент, образование гелия, вызывающего значительное вспучивание). Это явление учитывается при конструировании поглощающих элементов и поэтому между таблетками и металлической оболочкой предусматривается большой радиальный зазор. Заполнение этого зазора является критерием конца срока службы управляющих стержней, так как сильное механическое взаимодействие таблеток с оболочкой вызывает разрыв последней. Однако вспучивание таблеток является фактором, который ограничивает срок службы управляющих стержней, так как их необходимо заменять в момент, когда израсходовано только 30% IO_B, содержащегося в карбиде бора.

Для устранения этого недостатка в патенте Франции FR-A-2 570 214 было предложено выполнять стопку таблеток в виде двух отдельных, установленных встык таблеток. Принимая во внимание, что при работе нижняя часть поглощающих элементов чаще всего располагается в средней части активной зоны таким образом, что она подвергается воздействию наиболее сильного потока нейтронов и разрушается быстрее, поэтому изготавливают таблетки нижней группы из карбида бора с концентрацией IO_B, которая меньше, чем соответствующая концентрация для таблеток верхней группы. Таким образом, обогащение IO_B карбида бора, который образует таблетки нижней группы составляет, например, только 48%, в то время как для таблеток, образующих верхнюю группу, оно достигает приблизительно 90%.

Однако в патенте FR-A-2 570 214 было предложено уменьшить диаметр таблеток, образующих нижнюю группу, и установить эти таблетки в конце металлической трубы, которая может удерживать осколки таблеток, образовавшиеся в результате разрушения.

По сравнению с поглощающими элементами, содержащими таблетки, которые все полностью имеют обогащение IO_B, приблизительно равное 90%, выполненные таким образом таблетки позволяют значительно увеличить срок службы управляющих стержней, что обеспечивает более высокую экономичность.

Однако, несмотря на то, что используются таблетки поглощающего элемента одного типа или двух различных типов, все они имеют всегда одну и ту же плотность, составляющую приблизительно 96% максимальной теоретической плотности. Изготовление всех таблеток, помещаемых в элементы посредством обжига, должно осуществляться обязательно под нагрузкой, что значительно повышает затраты на изготовление.

Задачей изобретения является создание поглощающего элемента, конструкция которого обеспечивает срок службы и эффективность работы, по меньшей мере равные сроку и эффективности элемента, описанного в патенте FR-A-2 570 214, но стоимость изготовления которого ниже при увеличении срока службы.

Согласно изобретению этот результат достигается с помощью поглощающего элемента для управляющего стержня атомного реактора на быстрых нейтронах, содержащего металлическую оболочку и столбик таблеток из поглощающего нейтроны материала, причем столбик включает по меньшей мере две группы различных таблеток, установленных встык в оболочке с заранее заданным радиальным зазором, отличающегося тем, что плотность материала, образующего таблетки в верхней группе таблеток, выше плотности материала таблеток в нижней группе таблеток.

Изобретение основано на результатах исследований, проведенных заявителем, согласно которым уменьшение плотности карбида углерода способствует значительному увеличению срока службы, при котором начинается вспучивание таблеток, при этом без значительного изменения скорости вспучивания. Благодаря этому, стоимость изготовления таблеток с низкой плотностью значительно меньше стоимости изготовления таблеток с высокой плотностью (температурные условия ниже и, следовательно, процесс дешевле); таким образом, срок службы управляющих стержней увеличивается, а стоимость их изготовления уменьшается без снижения эффективности их работы.

Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения плотность материала, образующего таблетки нижней группы, находится в пределах от приблизительно 80% до приблизительно 90% максимальной теоретической плотности этого материала и предпочтительно 84% этой максимальной теоретической плотности. Напротив, плотность материала, образующего таблетки верхней группы, превышает 90% этой максимальной теоретической плотности и, предпочтительно, равна приблизительно 96% этой максимальной теоретической плотности.

Выгодно, чтобы характеристики изобретения были объединены с характеристиками, описанными в патенте FK-A-2 570 214. Таким образом, в верхней группе материал, образующий таблетки, имеет концентрацию изотопа с большим эффективным сечением поглощения нейтронов, чем материал в нижней группе.

Более точно, материал, образующий таблетки нижней группы, имеет, предпочтительно, концентрацию, равную приблизительно 55% изотопа с большим эффективным сечением поглощения нейтронов, в то время как материал, образующий таблетки верхней группы, имеет концентрацию, равную приблизительно 90% этого изотопа.

В этом последнем случае столбик таблеток может также включать промежуточную группу, образованную таблетками, которые изготовлены из материала, плотность и концентрация которого являются промежуточными по сравнению с плотностью и концентрацией материалов нижней и верхней групп.

Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения в качестве материала, поглощающего нейтроны, использован карбид бора, обогащенный IO_B, с большим эффективным сечением нейтронов.

В качестве неограничивающих примеров будут описаны два предпочтительных варианта выполнения изобретения со ссылками на чертежи, на которых представлено следующее:
фиг. 1 - вид в продольном частичном разрезе, на котором схематично изображен поглощающий элемент согласно первому варианту выполнения изобретения;
фиг. 2 - вид в продольном разрезе, подобный представленному на фиг. 1, изображающий второй вариант выполнения изобретения;
фиг. 3 - объемное вспучивание (%) карбида бора в зависимости от коэффициента (числа) захвата нейтронов (10²⁰ захватов/см³) в случае карбида бора, плотность которого равна 96% максимальной теоретической плотности (прерывистые линии), и в случае карбида бора, плотность которого составляет 84% максимальной теоретической плотности (сплошная линия);
фиг. 4 - изменение коэффициента (числа) захватов (10²⁰ захватов/см³) в зависимости от размера по высоте (см), измеренного от нижнего конца поглощающего элемента, в случае, когда элемент содержит только один тип таблеток (пунктирная кривая 1), в случае, когда элемент сравним с элементом, описанным в патенте FR-A-2 570 214 (штрих-пунктирная линия, кривая II), и в случае элементов, изображенных на фиг. 1 (сплошная линия, кривая III) и 2 (удлиненные тире, кривая IV); и
фиг. 5 - для тех же обозначений изменение объемного вспучивания (%) таблеток в зависимости от размера (см), измеренного от нижнего конца поглощающего элемента в четырех случаях, рассмотренных на фиг. 4.

Детальное описание двух вариантов выполнения
Согласно обоим вариантам выполнения, изображенным соответственно на фиг. 1 и 2, поглощающий элемент согласно изобретению содержит металлическую удлиненную оболочку 10, изготовленную, например, из стали. Концы (не изображены на чертеже) оболочки 10 снабжены пористыми вентиляционными отверстиями, которые позволяют, с одной стороны, осуществлять циркуляцию жидкого металла, охлаждающего сердечник в оболочке, и с другой стороны, отвод выделенных поглощающим материалом газов (гелия, в случае карбида бора) и продуктов реакций захватов нейтронов.

Активная часть каждого поглощающего элемента состоит из столбика таблеток 12, установленного с заранее определенным зазором внутри оболочки 10. Эти таблетки 12 изготавливаются из поглощающего нейтроны материала, состоящего обычно из карбида бора.

Ввиду того, что бор, содержащийся в карбиде бора, состоит из двух изотопов, из бора 10 и бора 11, но только первый элемент является элементом, поглощающим нейтроны, поэтому необходимо обогащать карбид бора бором 10, так как его содержание в натуральном боре равно приблизительно 20%.

Однако ввиду того, что карбид бора является керамикой, то таблетки изготавливаются, как уже указывали, обжигом тонкого порошка (размер зерен менее 5 мм) при высокой температуре (более 2000^oC). Следует отметить, что простое изменение условий обжига (температуры и давления) позволяет получить материалы с различной плотностью от 70% и приблизительно до 100% максимальной теоретической плотности. Следует отметить, что процесс обжига не позволяет получить полностью плотное тело при реальных затратах. Следовательно, всегда существует остаточная пористость, приблизительно равная 4% в обычно применяемых материалах.

На фиг. 1 и 2 каждый столбик таблеток 12 установлен в трубчатую рубашку (кожух) 14 с отверстиями или без отверстий. При изготовлении элементов зазор между таблетками 12 и трубчатой рубашкой должен быть достаточным для того, чтобы обеспечить установку таблеток. Напротив, между рубашкой 14 и оболочкой 10 имеется радиальный зазор 13, заполнение которого предопределяет срок службы контрольного стержня, к которому относится поглощающий элемент. Рубашка предназначена, главным образом, для удержания кусочков карбида бора в случае разрушения таблеток 12.

В предусмотренном в верхней части пространстве установлена пружина, обеспечивающая удержание столбика таблеток при резких перемещениях (падение стержней, например, в случае срочных остановок).

Согласно изобретению таблетки 12 включают по меньшей мере две группы различных таблеток, установленных встык внутри оболочки 10. Кроме того, таблетки различных групп отличаются друг от друга по меньшей мере тем, что плотность таблеток нижней группы меньше плотности таблеток верхней группы.

Таким образом, согласно первому варианту выполнения изобретения, представленному на фиг. 1, столбик таблеток 12 включает две группы таблеток, образующих верхнюю группу 16 и нижнюю группу 18. Верхняя группа 16 образована одинаковыми таблетками 12a, обогащение и плотность которых являются обычными. Более точно, эти таблетки 12a выполнены из карбида бора, обогащенного приблизительно до 90% бором 10, а их плотность превышает 90% максимальной теоретической плотности.

Напротив, нижняя группа 18 образована одинаковыми таблетками 12b, обогащение и плотность которых меньше обогащения и плотности таблеток 12a. Точнее говоря, таблетки 12b нижней группы 18 изготовлены из карбида бора, который обогащен приблизительно до 55% бором 10 и плотность которого находится в пределах от приблизительно 80% до приблизительно 90% максимальной теоретической плотности. В качестве примера плотность этих таблеток 12b составляет приблизительно 84% максимальной теоретической плотности.

Согласно варианту выполнения, изображенному на фиг. 2, столбик таблеток 12 содержит три различные группы таблеток, которые включают верхнюю группу 16, нижнюю группу 18 и промежуточную группу 20. В каждой из этих трех групп таблетки одинаковые. Однако таблетки одной группы отличаются от таблеток другой группы.

Согласно второму варианту выполнения изобретения верхняя группа 16 и нижняя группа 18 образованы таблетками 12a и 12b, которые идентичны таблеткам 12a и 12b групп, обозначенных теми же позициями, как и в первом варианте выполнения. Промежуточная группа 20 образована таблетками 12c карбида бора, обогащение бором 10 которого составляет приблизительно 76%, а плотность находится в пределах от 80% до 90% максимальной теоретической плотности. Плотность таблеток 12c может быть существенно равна 84% максимальной теоретической плотности, как плотность таблеток 12b нижней группы 18.

Согласно изобретению снижение плотности материала, образующего таблетки 12b (и в случае необходимости 12c), расположенные в нижней части поглощающего элемента, позволяет увеличить при одинаковой степени радиации срок службы элемента, задерживая начало вздутия в нижней части элемента, которая находится под воздействием более интенсивной радиации. Это увеличение срока службы сопровождается также снижением стоимости изготовления, так как изготовление таблеток с низкой плотностью обходится значительно дешевле. Кроме того, следует отметить, что общая эффективность работы элемента остается при этом неизменной.

Что касается эффекта уменьшения твердости таблеток на вздутие под воздействием радиации, то обратимся к фиг. 3.

На этой фиг. 3 кривая A (прерывистая линия) показывает развитие объемного вздутия карбида бора, плотность которого равна приблизительно 96% максимальной теоретической плотности в зависимости от захватов нейтронов (в 10²⁰ захватов/см³). Кривая B (сплошная линия) представляет изменение объемного вздутия карбида бора, плотность которого равна приблизительно 84% максимальной теоретической плотности в зависимости от количества захватов нейтронов (10²⁰ захватов/см³). Сравнение кривых A и B на фиг. 3 ясно показывает, что вздутие карбида бора замедляется в случае уменьшения плотности. Точнее говоря, заметное вспучивание карбида бора с плотностью, равной 84%, начинается только при количествах захватов, превышающих приблизительно 5 • 10²¹ захватов/см³. При более высоком значении его скорость вспучивания аналогична скорости вспучивания карбида бора с плотностью, равной 96%. В обоих случаях эта скорость вздутия равна приблизительно 0,16 об.% на 10²⁰ захватов/см³.

На основании этих результатов было осуществлено моделирование для сравнения поведения элементов, выполненных согласно изобретению, которые были описаны выше со ссылками на фиг. 1 и 2, с поведением известных элементов для определения общей эффективности работы и их срока службы. Моделирование было осуществлено для четырех типов поглощающих элементов, характеристики которых приведены в таблице.

Элементы I-го типа образованы из одного типа таблеток, обеспечивающих максимальную эффективность.

Элементы II-го типа могут быть сравнимы с элементами, описанными в патенте FR-A-2 570 214. Они образованы из двух типов таблеток, которые имеют одинаковую относительную плотность.

Элементы III-го типа соответствуют ранее описанному со ссылками на фиг. 1.

Наконец, элементы IV-го типа соответствуют элементам, описанным со ссылками на фиг. 2.

На фиг. 4 и 5 приведены результаты моделирования, выполненные на четырех типах поглощающих элементов для условной продолжительности облучения, равной приблизительно 350 джепп в атомном реакторе с быстрыми нейтронами, таком как экспериментальный французский реактор Феникс.

На фиг. 4 представлено количество захватов нейтронов (10²⁰ захватов/см³) для вышеуказанной длительности радиации в зависимости от размера элемента (см), измеренного от нижней части этого элемента. Кривые I, II, III и IV соответствуют случаям элементов I-го типа, II-го типа, III-го типа и IV-го типа.

В случае элементов I типа осевой профиль количества захватов уменьшается приблизительно экспоненциально, по мере того как удаляются от нижней части.

В случае элементов II типа возникает нарушение сплошности при размере 35 см, которое возникает в результате изменения обогащения при этом размере. Следует отметить, что уменьшение эффективности в нижней части гарантирует, несмотря ни на что, управление остановкой реактора.

С точки зрения эффективности, проиллюстрированной на фиг. 4, элементы III типа не отличаются от элементов II типа, это объясняется тем, что они были созданы с учетом той же локальной эффективности поглощения нейтронов.

Напротив, элементы IV типа имеют два нарушения сплошности при размерах 20 см и 48 см таким образом, что их локальная эффективность поглощения нейтронов отличается от нарушения сплошности элементов II типа и III типа в их центральной части. Однако общая эффективность элемента такая же, как эффективность элементов II и III типа.

На фиг. 5 изображено объемное вспучивание (в %) всегда для одной и той же условной длительности радиации в зависимости от размера элемента (в см), измеренного от нижней части. Так же как и на фиг. 4, позиции I, II, III и IV обозначают соответственно кривые, полученные моделированием, т.е. предусматриваемое вспучивание для элементов I типа, II типа, III типа и IV типа.

В случае элементов I типа вспучивание в нижней части поглощающего стержня очень высокое (приблизительно 40 об.%). Такое вспучивание превышает заполнение зазора между таблетками и оболочкой и, следовательно, выходит за пределы конца срока службы.

В случае элементов согласно изобретению (III тип и IV тип) достигаются характеристики, превышающие характеристики элементов II типа. Таким образом, вспучивание элемента III типа ограничивается в нижней части по крайней мере на 15%. В случае элементов IV типа вспучивание также уменьшено по меньшей мере на 18% по всей длине элемента.

Результаты моделирования, проиллюстрированные кривыми на фиг. 4 и 5, подтверждают, следовательно, что элементы, выполненные согласно изобретению, позволяют увеличить срок службы поглощающих стержней без уменьшения эффективности работы.

Изобретение относится к поглощающему элементу, предназначенному для использования в управляющем стержне атомного реактора на быстрых нейтронах, охлаждаемого жидким металлом. Поглощающий элемент для управляющего стержня атомного реактора на быстрых нейтронах содержит по меньшей мере две группы различных таблеток. При этом плотность и, предпочтительно, концентрация изотопа с большим эффективным сечением поглощения нейтронов таблеток нижней группы меньшей плотности и концентрации таблеток верхней группы. Таким образом, плотности таблеток могут составлять приблизительно 84 и 96% максимальной теоретической плотности, в то время как концентрация изотопа с большим эффективным сечением может составлять приблизительно 55 и 90%. Технический результат: обеспечивается увеличение срока службы без ухудшения эффективности работы при одновременном снижений стоимости изготовления. 2 з.п.ф-лы, 1 табл., 5 ил.

1. Поглощающий элемент для управляющего стержня атомного реактора на быстрых нейтронах, содержащий металлическую оболочку и столбик таблеток из поглощающего нейтроны материала, включающего, по меньшей мере, две группы (16,18,20) различных таблеток (12а, 12b, 12с), которые размещены встык в оболочке с заранее заданным радиальным зазором, который имеет концентрацию изотопов с большим эффективным сечением поглощения нейтронов в верхней группе (16), которая превышает концентрацию в нижней группе (18), отличающийся тем, что плотность материала, образующего таблетки (12) в верхней группе (16) таблеток, выше плотности материала таблеток в нижней группе (18) таблеток, находящейся в пределах от 80 до 90% максимальной теоретической плотности этого материала, в то время как плотность материала, образующего таблетки (12а) верхней группы (16) выше 90% этой максимальной теоретической плотности, причем материал, образующий таблетки (12b) нижней группы (18), имеет концентрацию, равную 55% изотопа с большим эффективным сечением поглощения нейтронов, в то время как материал, образующий таблетки (12а) верхней группы (16), имеет концентрацию, равную 90% этого изотопа. 2. Поглощающий элемент по п.1, отличающийся тем, что столбик таблеток (12) содержит промежуточную группу (20), образованную таблетками (12с), которые изготовлены из материала, плотность и концентрация которого являются промежуточными по сравнению с плотностью и концентрацией материалов нижней и верхней групп. 3. Поглощающий элемент по п.1 или 2, отличающийся тем, что в качестве материала, поглощающего нейтроны, выбран карбид бора, обогащенный 10_в с большим эффективным сечением поглощения нейтронов.