РЕГУЛИРУЮЩИЙ ОРГАН ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА НА БЫСТРЫХ НЕЙТРОНАХ Российский патент 2004 года по МПК G21C7/04 G21C7/10 G21C7/103 

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

Уровень техники

Регулирование работы реактора осуществляют изменением коэффициента размножения нейтронов за счет изменения скорости их образования, поглощения или утечки. Способ управления цепной реакцией деления путем изменения количества поглощающих нейтроны веществ нашел наиболее широкое применение, особенно при введении в активную зону стержней-поглотителей нейтронов.

Поглощающие элементы в составе рабочих органов регулирования: регулирующие стержни (PC), компенсирующие стержни (КС) и стержни аварийной защиты (A3) 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. При этом необходимо обеспечить достаточную механическую прочность регулирующего органа при его перемещении внутри канала. Для этого регулирующие органы выполняют составными - из звеньев, по меньшей мере, одно из которых содержит поглощающие элементы, каждый из которых выполнен в виде оболочки, заполненной материалом, поглощающим нейтроны.

Известен регулирующий орган ядерного реактора на быстрых нейтронах, содержащий несколько последовательно соединенных звеньев, соединенных шарнирами (US 3945886, G 21 С 7/10, 23.03.1976). Внутри звеньев размещен материал, поглощающий нейтроны. По меньшей мере, одно звено не содержит такого материала и предназначено для сбора газов, выделяющихся при облучении материала, поглощающего нейтроны. Шарниры выполнены таким образом, что звенья имеют возможность поворота друг относительно друга вокруг продольной оси стержня. В шарнирах имеются также отверстия, гидравлически соединяющие внутренние полости звеньев. Каждый регулирующий стержень имеет собственный канал, а также привод, что увеличивает массу металла в активной зоне и металлоемкость системы регулирования в целом.

Наиболее близким к изобретению является регулирующий орган ядерного реактора на быстрых нейтронах, содержащий звенья, соединенные между собой шарнирами, и выполненные с возможностью гидравлического сообщения их внутренних полостей с окружающим стержень пространством И.Я.Емельянов и др. Конструирование ядерных реакторов, М., Энергоиздат, 1982, с.199-204, рис. 8, 4.). В известном устройстве шарниры выполнены в виде сферических поверхностей, которые взаимодействуют с ответными поверхностями гнезд в соседних секциях. В данном регулирующем органе поглощающие элементы объединены в едином кожухе и перемещаются единым приводом. Секции посредством отверстий гидравлически сообщены с окружающим пространством и при установке в активную зону внутренние полости секций заполнены натрием. Во время эксплуатации поток циркулирующего натрия проходит через секции и, омывая поглощающие элементы, охлаждает их. Однако секции соединены с окружающим пространством посредством отверстий относительно небольшого диаметра, что, несмотря на наличие отверстия в теле шарнира, снижает расход теплоносителя через секции в связи с повышенным гидравлическим сопротивлением. В результате поглощающие элементы эксплуатируются в условиях повышенных тепловых нагрузок. Кроме того, теплоноситель, попадая в зазор между шарниром и гнездом, может привносить в него различного рода частицы и скрап, что снижает надежность функционирования шарнира за счет загрязнения зазора.

Сущность изобретения

Задачей изобретения является разработка и создание регулирующего органа ядерного реактора на быстрых нейтронах, обладающего улучшенными характеристиками.

В результате решения данной задачи возможно получение технических результатов, заключающихся в снижении гидравлического сопротивления тракта прохода теплоносителя через регулирующий орган, в повышении надежности шарнирного соединения за счет снижения загрязненности и уменьшении перегрева поглощающих элементов.

Данные технические результаты достигаются тем, что в регулирующем органе ядерного реактора на быстрых нейтронах, содержащем звенья, соединенные между собой шарнирами, и выполненные с возможностью гидравлического сообщения их внутренних полостей с окружающим пространством, каждый шарнир выполнен в виде двух втулок, установленных на торцах соседних звеньев, причем на конце одной втулки выполнен наружный бурт, а на конце другой втулки - ответный внутренний бурт, охватывающий наружный бурт, причем поверхности взаимодействия буртов выполнены под острым углом к плоскостям торцов буртов.

Отличительная особенность изобретения заключается в том, что каждый шарнир выполнен в виде двух втулок, установленных на торцах соседних звеньев, причем на конце одной втулки выполнен наружный бурт, а на конце другой втулки - ответный внутренний бурт, охватывающий наружный бурт, причем поверхности взаимодействия буртов выполнены под острым углом к плоскостям торцов буртов. В результате звенья имеют возможность вращения друг относительно друга вокруг продольной оси регулирующего органа. При этом теплоноситель проходит через шарнир с минимальными гидравлическими потерями, что увеличивает его расход при неизменном напоре. Повышение расхода теплоносителя приводит к увеличению теплосъема с поглощающих элементов, что положительно сказывается на эксплуатации регулирующего органа в целом. Кроме того, вышеуказанное выполнение шарнира снижает вероятность попадания каких-либо включений (частиц, скрапа, шлама, различных включений и пр.) в зазор между взаимодействующими поверхностями буртов, поскольку зазор изнутри экранирован наружным буртом одной втулки, а снаружи - внутренним буртом другой втулки.

Целесообразно выбрать величину острого угла от 35 до 55 градусов.

Предпочтительно коаксиально втулке, имеющей наружный бурт, установить дополнительную втулку, торец которой служит ограничителем перемещения втулки, имеющей внутренний бурт.

Перечень фигур чертежей

На фиг. 1 приведен общий вид регулирующего органа ядерного реактора на быстрых нейтронах, на фиг.2 изображен (увеличено) узел А на фиг. 1, на фиг. 3 показан вариант ориентации шарнира по ходу движения теплоносителя.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

Регулирующий орган 1 ядерного реактора на быстрых нейтронах содержит звенья 2, соединенные между собой шарнирами 3. Звенья 2 выполнены с возможностью гидравлического сообщения их внутренних полостей с окружающим пространством за счет наличия отверстий (на чертеже не показаны) в хвостовике 4 и головке 5, а также за счет соединения звеньев с возможностью их гидравлического сообщения. Для этого каждый шарнир 3 выполнен в виде двух втулок 6 и 7, установленных на торцах соседних звеньев 2. На конце одной втулки 6 выполнен наружный бурт 8, а на конце другой втулки 7 - ответный внутренний бурт 9, охватывающий наружный бурт 8. Поверхности взаимодействия буртов 8 и 9 выполнены под острым углом α к плоскостям торцов буртов. Величина острого угла α составляет 35-55 градусов. Коаксиально втулке 6, имеющей наружный бурт 8, установлена дополнительная втулка 10, торец которой является ограничителем перемещения втулки 7, имеющей внутренний бурт 9. Теплоноситель через отверстия в хвостовике 4 поступает (стрелками показано направление движения теплоносителя) во внутреннюю полость первого по ходу его движения звена. Далее теплоноситель проходит через первый по ходу его движения шарнир и поступает во внутреннюю полость втулки 6, а затем через патрубки 11 направляется на охлаждение поглощающих элементов 12. После чего теплоноситель движется последовательно по звеньям и через шарниры в направлении отверстий в головке 5. Следует отметить, что расположение втулок 6 и 7 шарнира 3 по ходу движения теплоносителя может быть, как показано на фиг. 2, но также и в противоположном направлении (фиг. 3). Т.е. теплоноситель сначала поступает (стрелками показано направление движения теплоносителя) во внутреннюю полость втулки 6, а затем далее во втулку 7 и по следующим звеньям.

Регулирующий орган по изобретению функционирует следующим образом. Приводом с захватом за конический наконечник головки 5 регулирующий орган устанавливают в канал активной зоны. Во время эксплуатации в зависимости от энерговыделения осуществляют перемещение регулирующего органа по высоте активной зоны. При этом шарниры обеспечивают возможность отклонения звеньев друг относительно друга вдоль продольной оси регулирующего органа и их независимый поворот вокруг продольной оси регулирующего органа. При перемещении регулирующего органа в крайнее нижнее положение втулка 6 вдвигается в полость втулки 7 на величину зазора между торцом дополнительной втулки 10 и торцом внутреннего бурта 9 втулки 7. В результате между поверхностями взаимодействия буртов 8 и 9 образуется зазор, через который потоком теплоносителя вымываются попавшие туда ранее частицы.

Изготовление описываемого регулирующего органа осуществляется посредством любых известных технологий и оборудования и не требует создания оригинального специального инструмента и оснастки.

Изобретение относится к ядерной технике, в частности к конструкциям органов регулирования и защиты ядерных реакторов на быстрых нейтронах с жидкометаллическим теплоносителем. Регулирующий орган содержит звенья, соединенные между собой шарнирами и выполненные с возможностью гидравлического сообщения их внутренних полостей с окружающим пространством. Каждый шарнир выполнен в виде двух втулок, установленных на торцах соседних звеньев, причем на конце одной втулки выполнен наружный бурт, а на конце другой втулки - ответный внутренний бурт, охватывающий наружный бурт. Поверхности взаимодействия буртов выполнены под острым углом к плоскостям торцов буртов. Технический результат заключается в снижении гидравлического сопротивления тракта прохода теплоносителя через регулирующий орган, повышении надежности шарнирного соединения за счет снижения загрязненности и уменьшении перегрева поглощающих элементов. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Регулирующий орган ядерного реактора на быстрых нейтронах, содержащий звенья, соединенные между собой шарнирами, и выполненные с возможностью гидравлического сообщения их внутренних полостей с окружающим пространством, отличающийся тем, что каждый шарнир выполнен в виде двух втулок, установленных на торцах соседних звеньев, причем на конце одной втулки выполнен наружный бурт, а на конце другой втулки - ответный внутренний бурт, охватывающий наружный бурт, причем поверхности взаимодействия буртов выполнены под острым углом к плоскостям торцов буртов.2. Регулирующий орган по п.1, отличающийся тем, что величина острого угла составляет 35÷55°.3. Регулирующий орган по п.1 или 2, отличающийся тем, что коаксиально втулке, имеющей наружный бурт, установлена дополнительная втулка, торец которой является ограничителем перемещения втулки, имеющей внутренний бурт.