СПОСОБ СНИЖЕНИЯ НЕРАВНОМЕРНОСТИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИХ ЗАПАСОВ В ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩИХ СБОРКАХ АКТИВНОЙ ЗОНЫ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2003 года по МПК G21C3/326 

Область техники
Изобретение относится к атомной энергетике, а более конкретно к активным зонам водо-водяных ядерных реакторов на тепловых нейтронах.

Предшествующий уровень техники
Известен способ снижения радиальной неравномерности энерговыделения по ТВС путем радиального физического профилирования, заключающегося в полном по высоте снижении обогащения периферийных твэлов в ТВС [I]. Применение данного способа обеспечивает примерное равенство энерговыделений для твэлов периферийного ряда и твэлов внутри ТВС без учета всевозможных возмущений.

Недостатком известного способа является то, что он оставляет достаточно высокую степень неравномерности в распределении теплотехнических запасов в условиях реальной эксплуатации с учетом неопределенностей и возмущений параметров, в частности при искривлении ТВС в активной зоне, сопровождающемся отклонением величин межкассетных зазоров от номинального значения.

Известен также способ снижения аксиальной утечки нейтронов из активной зоны путем аксиального физического профилирования, заключающегося в снижении обогащения на торцах твэлов в ТВС [2], в частности в применении тонких аксиальных бланкетов из природного урана. Применение данного способа повышает экономическую эффективность использования ядерного топлива.

Недостатком известного способа является то, что он сопровождается увеличением неравномерности энерговыделения в активной зоне и снижением теплотехнических запасов.

Раскрытие изобретения
Целью изобретения является повышение безопасности ядерного реактора.

Задачей изобретения является снижение неравномерности распределения теплотехнических запасов в тепловыделяющих сборках активной зоны ядерного реактора.

Техническим результатом изобретения является повышение теплотехнической надежности тепловыделяющих сборок.

Поставленная задача решается тем, что способ снижения неравномерности распределения теплотехнических запасов в тепловыделяющих сборках активной зоны ядерного реактора, содержащих твэлы с топливом основного обогащения по делящимся изотопам, заключающийся в размещении в твэлах с повышенной неравномерностью теплотехнических запасов топлива более низкого обогащения по делящимся изотопам, отличается тем, что в твэлах с повышенной неравномерностью теплотехнических запасов, в зоне более высоких теплотехнических запасов размещено топливо более высокого обогащения по делящимся изотопам.

Поставленная задача решается также тем, что способ снижения неравномерности распределения теплотехнических запасов в тепловыделяющих сборках активной зоны ядерного реактора, содержащих твэлы с топливом основного обогащения по делящимся изотопам, заключающийся в размещении в периферийных твэлах топлива более низкого обогащения по делящимся изотопам, отличается тем, что в нижней части периферийных твэлов размещено топливо более высокого обогащения по делящимся изотопам.

Поставленная задача решается также тем, что способ снижения неравномерности распределения теплотехнических запасов в тепловыделяющих сборках активной зоны ядерного реактора, содержащих твэлы с топливом основного обогащения по делящимся изотопам, заключающийся в размещении в периферийных и предпериферийных твэлах топлива более низких обогащений по делящимся изотопам, отличается тем, что в нижней части периферийных и предпериферийных твэлов размещено топливо более высоких обогащений по делящимся изотопам.

Поставленная задача решается также тем, что способ снижения неравномерности распределения теплотехнических запасов в тепловыделяющих сборках активной зоны ядерного реактора, содержащих твэлы с топливом основного обогащения по делящимся изотопам, заключающийся в размещении в твэлах с повышенной неравномерностью теплотехнических запасов топлива более низкого обогащения по делящимся изотопам, отличается тем, что в твэлах с повышенной неравномерностью теплотехнических запасов, в зоне более высоких теплотехнических запасов, размещено топливо более высокого обогащения по делящимся изотопам, а в твэлах с топливом основного обогащения, в зоне более низких теплотехнических запасов размещено топливо более низкого обогащения по делящимся изотопам.

Предлагаемый способ является эффективным способом снижения неравномерности распределения теплотехнических запасов в тепловыделяющих сборках активной зоны ядерного реактора.

Краткое описание чертежей
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых представлены:
фиг. 1 - схема радиального размещения профилированных твэлов (с топливом пониженного обогащения) в периферийном ряду тепловыделяющей сборки;
фиг. 2 - схема радиального размещения профилированных твэлов (с топливом пониженного обогащения) в двух периферийных рядах тепловыделяющей сборки;
фиг. 3 - схема аксиального размещения топлива основного и пониженного обогащения в профилированных твэлах в периферийном ряду тепловыделяющей сборки;
фиг. 4 - схема аксиального размещения топлива основного и пониженного обогащения в профилированных твэлах в двух периферийных рядах тепловыделяющей сборки;
фиг. 5 - диаграмма аксиальных профилей энерговыделения, отражающая распределения теплотехнических запасов по высоте активной части непрофилированных и профилированных твэлов.

Варианты осуществления изобретения
Локальный теплотехнический запас приближенно оценивается запасом до предельного энерговыделения - отношением предельной величины энерговыделений для данной координаты по высоте твэла к фактическому значению энерговыделения в этой точке. Во многих случаях наблюдается значительное снижение локального теплотехнического запаса в верхней части твэлов 1 и 5, что и определяет высокую неравномерность теплотехнических запасов по высоте этих твэлов. А в некоторых случаях необходимость обеспечения локального теплотехнического запаса больше 1,0 вынуждает снижать энерговыделение в твэлах 1, 2 и 5 путем снижения интегральной мощности реактора. Чтобы избежать этого, существующий способ [1] обеспечивает снижение линейного энерговыделения в наиболее энергонапряженных твэлах 1 путем размещения в них по всей высоте топлива пониженного обогащения по делящимся изотопам. При этом снижается энерговыработка в тепловыделяющих сборках, содержащих профилированные таким образом твэлы 1.

Предлагаемый способ снижения неравномерности распределения теплотехнических запасов в тепловыделяющих сборках ядерного реактора предполагает дополнение существующей схемы радиального профилирования тепловыделяющих сборок, согласно которой среди твэлов (2) с основным обогащением по делящмся изотопам в зонах повышенных энерговыделений расположены твэлы (1) с топливом пониженного обогащения по делящимся изотопам [I], схемой аксиального профилирования периферийных твэлов (1). Такое суммарное применение схем профилирования приводит к тому, что в наиболее энергонапряженных твэлах (1) в нижней половине размещается топливо основного обогащения (3) по делящимся изотопам, а в верхней - топливо пониженного обогащения (4) по делящимся изотопам. В результате этого энерговыделение в этих твэлах перераспределяется таким образом, что в нижней половине оно возрастает, а в верхней половине уменьшается. Это, в свою очередь, приводит к соответствующему перераспределению локальных теплотехнических запасов по высоте твэлов. В нижней части (3) рассматриваемых твэлов (1) имевшиеся ранее большие теплотехнические запасы несколько снижаются, а в верхней части (4) малые запасы повышаются. Такое перераспределение теплотехнических запасов позволяет поддерживать требуемую мощность энерговыделений как в самих твэлах (1), так и в тепловыделяющей сборке в целом. А отсюда следует, что суммарная энерговыработка в твэлах и ТВС с предлагаемым профилированием выше, чем в твэлах и ТВС, профилированных по способу [I].

Повышение локальных теплотехнических запасов в верхней части в результате применения предлагаемого профилирования наиболее энергонапряженных твэлов 1 позволяет также компенсировать неблагоприятное влияние всплесков энерговыделений в зоне повышенных межкассетных зазоров на надежность охлаждения твэлов. Максимальное значение межкассетного зазора в активной зоне и его аксиальная форма обычно оценивается путем сложных термомеханических расчетов, погрешность которых довольно велика (до 40%); так для прогнозируемого значения максимального межкассетного зазора 13 мм диапазон фактических межкассетных зазоров с учетом погрешности может составить от 9 до 18 мм. Неопределенным также является местоположение максимальных межкассетных зазоров в активной зоне. Кроме того, как правило, прогнозируется одно - среднее значение межкассетного зазора вдоль каждой грани ТВС в плане, который в реальности непостоянен из-за "поворотных" деформаций, в результате чего локальный межкассетный зазор может оказаться вдвое больше среднего по грани. Отсюда вытекает требование оптимальности профилирования для широкого диапазона зазоров во всей активной зоне. Это невозможно обеспечить известным способом профилирования [I], увеличивая или уменьшая обогащение периферийных твэлов 1 по делящимся изотопам по всей высоте, поскольку при фактическом отклонении межкассетных зазоров в большую сторону от прогнозируемого максимального значения, в пределах расчетной погрешности существует опасность превышения предельно допустимой линии мощности энерговыделений 8, а при отклонении их в меньшую сторону возникает тенденция нежелательной недогруженности периферийного ряда твэлов 1 в тепловыделяющей сборке в сравнении с предпериферийным рядом 5 и внутренними твэлами 2. Кроме того, согласно расчетам [3-5], даже при условии более точного прогнозирования величины максимального межкассетного зазора в активной зоне с профилированием ТВС по схеме [1] будет иметься множество межкассетных зазоров с пониженной вплоть до нуля величиной, что также дает недогруженность массива периферийных твэлов 1.

Предлагается использовать комбинированное - радиально-аксиальное локальное профилирование, заключающееся в снижении обогащения топлива только в тех небольших областях активной зоны (областях "горячих пятен"), где реализуются минимальные теплотехнические запасы с учетом возмущения межкассетных зазоров в широком диапазоне, а также с учетом технологических неопределенностей и расчетных погрешностей, снижая степень неравномерности в распределении теплотехнических запасов и тем самым увеличивая данные запасы. Предлагаемый способ является эффективным способом компенсации неблагоприятного влияния повышенных межкассетных зазоров при искривлении тепловыделяющих сборок на теплотехнические запасы в условиях неполной определенности знания величин и местонахождения максимальных межкассетных зазоров в активной зоне.

Для выявления областей "горячих пятен" в активной зоне, что может быть корректно сделано только с учетом возмущения межкассетных зазоров, проводится анализ по специально разработанной методике (см. [3-5], с дальнейшим развитием данного подхода, позволяющей непосредственно оценить количественные показатели распределений энерговыделения в активной зоне с возмущенными межкассетными зазорами для различных групп твэлов, для различных топливных компоновок и моментов выгорания. Методика обеспечивает получение однозначной детализированной информации, с оценкой степени достоверности, в условиях неполной определенности знания величины и местонахождения максимального межкассетного зазора в активной зоне. Методика позволяет с достаточной чувствительностью анализировать эффективность различных радиальных и аксиальных схем профилирования тепловыделяющих сборок и формировать исходные данные для отдельного проведения теплогидравлических анализов безопасности, в которых количественно определяется повышение теплотехнических запасов.

На фиг. 5 представлен типичный пример предельно реализующихся аксиальных распределений энерговыделения для традиционно используемой схемы профилирования (кривая 9) и по предлагаемому здесь способу локального комбинированного профилирования (кривая 10). Количественно запасы по безопасности оценочно выражаются в создании и повышении запаса до кризиса кипения (DNBR) с 1.28 и менее 1,0 - "кризиса" (кривая 9) до 1.38 и 1.05 (кривая 10), соответственно для нормальных условий эксплуатации и для режимов с нарушениями (полное обесточивание).

Желаемый эффект получается в условиях реальных возможностей и без существенных усложнений производственного технологического процесса. Так, на фиг. 5 представлен пример (кривая 10), в котором обогащение периферийных твэлов 1 снижено только в верхней части 4 на длине 40%. Нижние 60% длины этих твэлов 3 составлены из таблеток основного обогащения. Таким образом, для кривой 10, как и для кривой 9, в тепловыделяющих сборках имеется два типа топливных таблеток по обогащению делящимися изотопами.

Основные варианты осуществления изобретения:
- снижение обогащения в верхней части 4 (на длине H1) периферийного ряда твэлов 1, тогда как в нижней части 3 этих твэлов обогащение снижено меньше или оставлено равным основному обогащению по делящимся изотопам (см. фиг. 1, 3);
- снижение обогащения в верхней части 4 (на длине H1) периферийного ряда твэлов и в верхней части 6 (на длине Н2) предпериферийного ряда твэлов 5, тогда как в нижней части этих твэлов обогащение снижено меньше или оставлено равным основному обогащению по делящимся изотопам (см. фиг. 2, 4).

При этом должно быть обеспечено следующее: аксиальный профиль наихудшего распределения энерговыделения смещается в нижнюю часть активной зоны и лучше соответствует предельно допустимой линии мощности энерговыделений 8.

Это обеспечивает создание или повышение запаса до предельного энерговыделения в верхней части активной зоны, тогда как в нижней части большой запас до предельного энерговыделения может быть уменьшен. Это также смещает полный усредненный по кампании реактора аксиальный офсет энерговыделения в активной зоне вниз, что повышает безопасность эксплуатации топлива.

Должно быть обеспечено создание запаса для периферийного 1 (см. фиг. 1, 3) или двух рядов (см. фиг. 2, 4) твэлов 1 и 5 в тепловыделяющих сборках для компенсации возможного увеличения межкассетных зазоров.

Аксиальное профилирование одного или двух периферийных рядов твэлов в тепловыделяющих сборках, используемое как управляющее воздействие, осуществляется по специально разработанной методике. При правильном выборе управляющего воздействия достигаются его цели - компенсация возмущения межкассетных зазоров и повышение безопасности эксплуатации топлива.

Таким образом получен способ для:
а) компенсации действия возмущений межкассетных зазоров;
б) снижения неравномерности распределения теплотехнических запасов;
в) снижения флюенса нейтронов на нижние участки поглощающих стержней системы управления и защиты ядерного реактора;
в активной зоне ядерного реактора, заключающийся в размещении топлива пониженного обогащения в твэлах одного или двух периферийных рядов тепловыделяющих сборок, отличающийся тем, что в верхней части этих твэлов размещено топливо более низкого обогащения, чем в нижней их части.

Промышленная применимость
Наиболее целесообразно предложенные решения использовать для эксплуатации на ядерных энергетических водо-водяных реакторах на тепловых нейтронах.

Источники информации
[1] Ф.Я. Овчинников, В.А. Вознесенский, В.В. Семенов и др. "Эксплуатационные режимы АЭС с ВВЭР-1000". Москва., Энергоатомиздат, 1992.

[2] Атомная техника за рубежом,1987, 9, л. 17-19.

[3] Статья Г.Л. Пономаренко "Учет влияния искривления ТВС ВВЭР-1000 на мощность твэлов". В журнале "Атомная энергия", сентябрь 1999 г., т. 87, вып. 3, с. 210-213.

[4] Доклад Г.Л. Пономаренко "Профилирование обогащения кассет для компенсации действия возмущений межкассетных зазоров в активной зоне ВВЭР-1000", Научная сессия МИФИ-2001. Сборник трудов. Том 8. Ядерная энергетика. С. 142-143.

[5] Статья Г.Л. Пономаренко, А.В. Воронкова, A.K.Горохова: "Вероятностный метод оценки влияния межкассетных зазоров на энерговыделение в активной зоне ВВЭР-1000". Направлена в журнал "Атомная энергия", исх. ОКБ "Гидропресс" 12-10/20 от 13.02.01.

Изобретение относится к активным зонам водо-водяных ядерных реакторов на тепловых нейтронах. Способ снижения неравномерности распределения теплотехнических запасов в тепловыделяющих сборках активной зоны ядерного реактора, содержащих твэлы основного обогащения по делящимся изотопам, заключается в размещение в твэлах с повышенной неравномерностью теплотехнических запасов топлива более низкого обогащения. В этих твэлах в зоне более высоких теплотехнических запасов размещено топливо более высокого обогащения, чем в зоне более низких теплотехнических запасов. В одном из вариантов способа в нижней части периферийных твэлов размещено топливо более высокого обогащения, чем в их верхней части. В другом варианте предложенного способа в нижних частях периферийных и предпериферийных твэлов размещено топливо более высокого обогащения, чем в их верхних частях. В результате применения изобретения повышается теплотехническая надежность тепловыделяющих сборок водо-водяных реакторов на тепловых нейтронах. 3 с.п.ф-лы, 5 ил.

1. Способ снижения неравномерности распределения теплотехнических запасов в тепловыделяющих сборках активной зоны ядерного реактора, содержащих твэлы (2) с топливом основного обогащения по делящимся изотопам, заключающийся в размещении в твэлах (1) с повышенной неравномерностью теплотехнических запасов топлива более низкого обогащения, отличающийся тем, что в твэлах(1) с повышенной неравномерностью теплотехнических запасов, в зоне более высоких теплотехнических запасов, размещено топливо более высокого обогащения (3), чем в зоне более низких теплотехнических запасов.2. Способ снижения неравномерности распределения теплотехнических запасов в тепловыделяющих сборках активной зоны ядерного реактора, содержащих твэлы (2) с топливом основного обогащения по делящимся изотопам, заключающийся в размещении в периферийных твэлах (1) топлива более низкого обогащения (4), отличающийся тем, что в нижней части периферийных твэлов (1) размещено топливо более высокого обогащения (3), чем в их верхней части.3. Способ снижения неравномерности распределения теплотехнических запасов в тепловыделяющих сборках активной зоны ядерного реактора, содержащих твэлы (2) с топливом основного обогащения по делящимся изотопам, заключающийся в размещении в периферийных и предпериферийных твэлах (1) и (5) топлива более низких обогащений (4) и (6), отличающийся тем, что в нижних частях периферийных и предпериферийных твэлов (1) и (5) размещено топливо более высоких обогащений (3) и (7), чем в их верхних частях.