ПОГЛОЩАЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА НА БЫСТРЫХ НЕЙТРОНАХ Российский патент 2003 года по МПК G21C7/04 G21C7/10 

Изобретение относится к ядерной технике и касается конструкции поглощающих элементов органов регулирования и защиты ядерных реакторов на быстрых нейтронах с жидкометаллическим теплоносителем, в частности с расплавом натрия.

Уровень техники
Поглощающие элементы в составе рабочих органов регулирования: регулирующие стержни (PC), компенсирующие стержни (КС) и стержни аварийной защиты (AЗ) должны обеспечивать нормальную эксплуатацию ядерного реактора, включая его пуск, работу на мощности, маневрирование на переходных режимах, а также экстренный аварийный останов реактора. Безусловным требованием к поглощающим элементам является достаточность их физической эффективности для компенсации всех эксплуатационных изменений реактивности как по абсолютному значению, так и по скорости в течение заданного ресурса работы без превышения допустимых для нормальной эксплуатации пределов повреждения тепловыделяющих элементов активной зоны реактора.

Известен стержневой тепловыделяющий или поглощающий элемент ядерного реактора, содержащий оболочку, заполненную поглощающим нейтроны материалом, и концевые детали (DE 2633352, G 21 С 3/04, 26.01.1978). В верхней концевой детали выполнено выпускное отверстие, закрываемое мембраной. При повышении давления газообразных продуктов деления, находящихся под оболочкой, соответственно повышается давление под мембраной, поскольку газообразные продукты деления попадают в полость под мембраной по зазорам между резьбой винта, ввинченного в концевую деталь, и ответной резьбой, выполненной в верхней концевой детали. Винт выполняет функцию дросселя и при разрыве мембраны замедляет скорость потока газообразных продуктов деления.

Наиболее близким к настоящему изобретению является поглощающий элемент ядерного реактора на быстрых нейтронах, содержащий поглощающий нейтроны материал, расположенный в оболочке, торцы которой заглушены верхней и нижней концевыми деталями, имеющими посадочные места, и средство для вывода газов из газосборника оболочки (GB 1225947, G 21 С 7/10, 24.03.1971). В известном устройстве газы, в частности гелий, образующиеся под воздействием ионизирующего излучения, выводятся из газосборника через шаровой клапан, или через пористую пробку из спеченного никелевого порошка, или через сквозное отверстие, выполненное в верхней концевой детали. При наличии в верхней концевой детали сквозного отверстия в нижней концевой детали выполнены три сквозных отверстия, минимальный диаметр которых составляет 6 мм. Расплав натрия поступает через эти отверстия в полость оболочки, заполняет поры в поглощающем нейтроны материале и выводится вместе с газами через сквозное отверстие в верхней концевой детали. В результате вместе с газообразными продуктами в теплоноситель могут попадать и твердые радиоактивные вещества, существенно повышающие загрязненность жидкого теплоносителя - расплава натрия. Кроме того, поток теплоносителя, поступающий через отверстия в нижней концевой детали, оказывает разрушающее воздействие на поглощающий нейтроны материал, который, попадая в теплоноситель, приводит к нарушению нейтронно-физического баланса активной зоны.

Сущность изобретения
Задачей настоящего изобретения является разработка и создание поглощающего элемента ядерного реактора на быстрых нейтронах, обладающего улучшенными параметрами.

В результате решения данной задачи возможно получение технических результатов, заключающихся в снижении загрязнения теплоносителя и исключении разрушения поглощающего нейтроны материала скоростным потоком теплоносителя.

Данные технические результаты достигаются тем, что в поглощающем элементе ядерного реактора на быстрых нейтронах, содержащем поглощающий нейтроны материал, расположенный в оболочке, торцы которой заглушены верхней и нижней концевыми деталями, имеющими посадочные места, и средство для вывода газов из газосборника оболочки, средство для вывода газов из газосборника оболочки выполнено в виде кольцевого зазора между оболочкой и посадочным местом верхней концевой детали, и двух пересекающихся отверстий, выполненных в верхней концевой детали, причем одно отверстие выполнено глухим вдоль продольной оси элемента со стороны открытого торца верхней концевой детали, а другое - сквозным и открыто в кольцевой зазор, причем длина L кольцевого зазора выбрана от 4,73 мм до 5,67 мм, ширина δ кольцевого зазора составляет от 0,038 до 0,132 L, а диаметр D отверстий выбран от 2,87 до 3,62 мм.

Отличительная особенность настоящего изобретения заключается в том, что средство для вывода газов из газосборника оболочки выполнено в виде кольцевого зазора между оболочкой и посадочным местом верхней концевой детали и двух пересекающихся отверстий, выполненных в верхней концевой детали, причем одно отверстие выполнено глухим вдоль продольной оси элемента со стороны открытого торца верхней концевой детали, а другое сквозным и открыто в кольцевой зазор. В результате газосборник оболочки имеет возможность сообщения с внешним пространством по тракту: кольцевой зазор - сквозное отверстие - глухое отверстие. По указанному тракту, с одной стороны, в теплоноситель выводятся из газосборника газы, а с другой стороны, внутрь оболочки поступает теплоноситель. Для гарантированного вывода из оболочки газов и обеспечения поступления внутрь оболочки теплоносителя необходимо выполнить отверстия и кольцевой зазор с определенными размерами. Экспериментально установлено, что длина L кольцевого зазора должна быть выбрана от 4,73 до 5,67 мм, ширина δ кольцевого зазора - от 0,038 до 0,132 L, a диаметр D отверстий следует выбрать от 2,87 до 3,62 мм. Выбор указанных размеров обусловлен гидравлически сопротивлением тракта, в котором имеются участки с резким изменением профиля тракта, например резкое сужение потока газов на входе в кольцевой зазор, существенный поворот потока газов на входе в сквозное отверстие и на входе в глухое отверстие. При несоблюдении вышеуказанных размеров кольцевого зазора и отверстий возможно исключение поступления теплоносителя внутрь оболочки вследствие запирания тракта выходящими газами или вывод достаточно больших пузырьков газов, воздействующих как поршень на теплоноситель в тракте. Таким образом, только указанные размеры средства для вывода газов из газосборника оболочки позволяют обеспечить надежный и слабовозмущенный массообмен между полостью оболочки и внешней средой.

Целесообразно в качестве поглощающего нейтроны материала использовать карбид бора, а наружной поверхности оболочки навить дистанционирующую проволоку.

Перечень чертежей
На фиг. 1 приведен общий вид поглощающего элемента ядерного реактора на быстрых нейтронах; на фиг.2 изображен (увеличено) узел А на фиг.1.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
Поглощающий элемент 1 ядерного реактора на быстрых нейтронах содержит поглощающий нейтроны материал, например в виде блочков 2, расположенных в оболочке 3. Торцы оболочки 3 заглушены верхней и нижней концевыми деталями 4 и 5, соответственно, имеющими посадочные места для установки в оболочку 3. Элемент 1 содержит также средство для вывода газов из газосборника 6 оболочки 3. Средство для вывода газов из газосборника оболочки выполнено в виде кольцевого зазора 7 между оболочкой 8 и посадочным местом верхней концевой детали 4 и двух пересекающихся отверстий 8 и 9, выполненных в верхней концевой детали 4. Диаметр D отверстий выбран от 2,87 до 3,62 мм.

Одно отверстие 8 выполнено глухим вдоль продольной оси элемента 1 со стороны открытого торца верхней концевой детали 4. Другое отверстие 9 выполнено сквозным и открыто в кольцевой зазор 7. Длина L кольцевого зазора 7 выбрана от 4,73 до 5,67 мм, ширина δ кольцевого зазора 7 составляет от 0,038 до 0,132 L. Для дистанционирования элементов 1 на наружной поверхности оболочки навита проволочная спираль 10, концы которой приварены к оболочке 3.

Поглощающий элемент функционирует следующим образом. В активной зоне ядерного реактора теплоноситель - расплав натрия - поступает по тракту: отверстие 8 - отверстие 9 - кольцевой зазор 7 внутрь оболочки 3 и заполняет зазоры между оболочкой 3 и блочками 2 из поглощающего нейтроны материала, а также зазоры между блочками 2. Наличие натриевого подслоя позволяет обеспечить любые зазоры для компенсации распухания карбида бора под действием облучения практически без повышения его температуры. В процессе облучения в карбиде бора происходят сложные микроструктурные изменения, связанные с условиями его облучения (выгорание, температура). Результатом этих изменений, их внешним проявлением являются распухание и растрескивание поглощающего нейтроны материала. С ростом выгорания увеличивается выход газов (особенно гелия), которые по кольцевому зазору и пересекающимся отверстиям выводятся в теплоноситель. За счет этого исключается напряжение в оболочке от давления газов в поглотительном элементе.

Изготовление описываемого поглощающего элемента осуществляется посредством любых известных технологий и оборудования и не требует создания оригинального специального инструмента.

Изобретение относится к ядерной технике и может быть использовано в органах регулирования и защиты ядерных реакторов на быстрых нейтронах с жидкометаллическим теплоносителем. Сущность изобретения: поглощающий элемент 1 ядерного реактора на быстрых нейтронах содержит оглощающий нейтроны материал, например, в виде блочков 2, расположенных в оболочке 3. Торцы оболочки 3 заглушены верхней и нижней концевыми деталями 4 и 5, имеющими посадочные места для установки в оболочку 3. Элемент 1 содержит также средство для вывода газов из газосборника 6 оболочки 3. Средство для вывода газов выполнено в виде кольцевого зазора 7 между оболочкой 8 и посадочным местом верхней концевой детали 4 и двух пересекающихся отверстий 8 и 9, выполненных в верхней концевой детали 4. Диаметр D отверстий выбран от 2,87 до 3,62 мм. Отверстие 8 выполнено глухим вдоль продольной оси элемента со стороны открытого торца верхней концевой детали 4. Отверстие 9 выполнено сквозным и открыто в кольцевой зазор 7. Длина L кольцевого зазора 7 выбрана от 4,73 до 5,67 мм, ширина δ кольцевого зазора 7 составляет от 0,038 до 0,132 L. Для дистанционирования элемента 1 на наружной поверхности оболочки навита проволочная спираль 10, концы которой приварены к оболочке 3. Преимущества изобретения заключаются в снижении загрязнения теплоносителя и исключении разрушения поглощающего нейтроны материала скоростным потоком теплоносителя. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Поглощающий элемент ядерного реактора на быстрых нейтронах, содержащий поглощающий нейтроны материал, расположенный в оболочке, торцы которой заглушены верхней и нижней концевыми деталями, имеющими посадочные места, и средство для вывода газов из газосборника оболочки, отличающийся тем, что средство для вывода газов из газосборника оболочки выполнено в виде кольцевого зазора между оболочкой и посадочным местом верхней концевой детали и двух пересекающихся отверстий, выполненных в верхней концевой детали, причем одно отверстие выполнено глухим вдоль продольной оси элемента со стороны открытого торца верхней концевой детали, а другое - сквозным и открыто в кольцевой зазор, причем длина L кольцевого зазора выбрана от 4,73 до 5,67 мм, ширина δ кольцевого зазора составляет от 0,038 L до 0,132 L, а диаметр D отверстий выбран от 2,87 до 3,62 мм. 2. Поглощающий элемент по п.1, отличающийся тем, что в качестве поглощающего нейтроны материала использован карбид бора. 3. Поглощающий элемент по п.1 или 2, отличающийся тем, что на наружной поверхности оболочки навита дистанционирующая проволока.