СПОСОБ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ГАРАНТИРОВАННОЙ ПОДКРИТИЧНОСТИ АКТИВНОЙ ЗОНЫ БЫСТРОГО РЕАКТОРА В УСЛОВИЯХ НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ ЕЕ НЕЙТРОННО-ФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК Российский патент 2015 года по МПК G21C1/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к способу обеспечения гарантированной подкритичности активной зоны реактора в условиях неопределенности ее нейтронно-физических характеристик с помощью подгоночных стержней реактивности к ядерной энергетике и может быть использован в энергетических установках на быстрых нейтронах.

Предшествующий уровень техники

Известен способ управления ядерным реактором, в соответствии с которым отражатель, окружающий активную зону ядерного реактора, состоит из множества элементов, установленных с возможностью вращательного движения друг относительно друга таким образом, чтобы варьировать размер пустот или пустот свободного пробега нейтронов через отражатель для управления реактивностью активной зоны (GB 1148093, G21C 7/28, 1969 г.).

Известен способ осуществления топливного цикла ядерного канального реактора путем формирования активной зоны загрузкой тепловыделяющих сборок с распределенным поглотителем нейтронов в процессе программных перестановок и извлечений тепловыделяющих сборок, программных перемещений стержней системы управления и защиты и замены дополнительных поглотителей на частично выгоревшие тепловыделяющие сборки, при этом в процессе работы реактора после выгрузки всех дополнительных поглотителей часть полностью погруженных стержней системы управления и защиты заменяют на стержни кластерной конструкции, а в качестве топлива с распределенным поглотителем нейтронов используют уран-эрбиевое топливо начального обогащения по U²³⁵ на 0,2-0,5% выше начального обогащения уран-эрбиевого топлива, загруженного до извлечения стержней системы управления и защиты (RU 2218613, G21C 7/04, G21D 3/08, 2003 г.).

Известен способ исследования физических характеристик активной зоны высокотемпературного ядерного реактора с шаровыми тепловыделяющими элементами на критической сборке, заключающийся в том, что разогревают активную зону нагревателем, создающим определенное поле распределения температур по шаровой засыпке, далее производят изменение положения и размеров активной зоны и отражателей относительно заданного поля температур, создаваемого нагревателем, путем частичной замены по периферии активной зоны тепловыделяющих элементов на шары из материала отражателя и наоборот (SU 1831170, G21C 17/00, G21C 1/00, 1995 г.).

Известен способ построения подкритических ядерных устройств, управление которыми осуществляется частью отражателя, примыкающего к активной зоне и ядерный реактор, в котором реализован данный способ (патент RU 2167456, G21C 1/00, G21C 5/00, G21C 7/28, 20.05.2001). В ядерном реакторе, содержащем активную зону, замедлители нейтронов, делящиеся элементы, отражатели, в активной зоне выполнены пустоты в виде сквозных каналов, часть отражателей выполнены подвижными. Конструктивное оформление устройства позволяет сохранить в активных зонах спектры нейтронов, характерные для быстрых реакторов, 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 отрицательный.

Описанные выше аналоги не предназначены для обеспечения гарантированной подкритичности активной зоны быстрого реактора в случае возникновения неопределенностей, приводящих к отклонению фактических характеристик от проектных значений.

В настоящее время в некоторых проектах реакторных установок на быстрых нейтронах для компенсации запаса реактивности на выгорание и управления нейтронной мощностью реактора используют алгоритм безопасного управления стержнями системы управления и защиты, в соответствии с которым от системы управления отключают часть стержней, погруженных в активную зону и компенсирующих выгорание. Остальные стержни обеспечивают поддержание критичности и управление мощностью. Таким образом, вся система компенсирующих стержней разделяется на две группы: группу отключаемых стержней, компенсирующих изменение реактивности за кампанию и не участвующих в автоматическом управлении установкой компенсирующей группы стержней, и группу рабочих компенсирующих стержней, которая совместно с регулирующими стержнями участвует в управлении установкой. Кампания реализуется интервалами (микрокампаниями), соответствующими выработке реактивности, равной эффективности одного или двух компенсирующей группы стержней.

Ближайшим аналогом изобретения является способ обеспечения гарантированной подкритичности активной зоны быстрого реактора с использованием "легких" регулирующих органов без предъявления к ним жестких требований по быстродействию и размещенных в блоках отражателя вблизи границы активной зоны, который примеряется в проекте реакторной установки на быстрых нейтронах БРЕСТ-ОД-300 с активной зоной, характеризуемой малыми величинами запасов и эффектов реактивности, позволяющей использовать "легкие" регулирующие органы без предъявления к ним жестких требований по быстродействию, разместив их в блоках отражателя вблизи границы активной зоны (http://technics.rin.ru/index/?a=3&id=610&).

Недостатком ближайшего аналога является ограничение его использования в случае неопределенности физических характеристик активной зоны ядерного реактора, обусловленной либо отсутствием экспериментальных данных о физических характеристик активной зоны, либо наличием запаса подкритичности меньшего доли запаздывающих нейтронов для соответствующей топливной загрузки реактора и не достаточного для компенсации неопределенностей, приводящих к отклонению фактических характеристик от проектных значений.

Раскрытие изобретения

Задача, решаемая изобретением, определяется необходимостью выполнения требований нормативной документации по подкритичности активной зоны РУ после взвода аварийной защиты не менее 1%, требует повышенной точности обоснования ключевых физических характеристик активной зоны, а именно точности определения загрузки активной зоны и точности определения весов стержней системы управления и защиты.

Решить поставленную задачу требуется в связи с тем, что при разработке и обосновании нейтронно-физических и теплогидравлических характеристик активной зоны должен быть учтен ряд неопределенностей, приводящих к отклонению фактических характеристик от проектных значений:

- технологических неопределенностей при изготовлении элементов активной зоны и составных частей РУ;

- погрешности расчетных значений основных функционалов (эффективного коэффициента размножения, «весов» стержней системы управления и защиты, полей энерговыделения);

- константных;

- методических;

- систематических.

Из уровня техники известно, что обеспечение точности определения загрузки активной зоны и точности определения весов стержней системы управления и защиты может быть достигнуто только физическими экспериментами на реакторе.

Заявленный способ позволяет обеспечить гарантированную подкритичность активной зоны быстрого реактора в условиях неопределенности ее нейтронно-физических характеристик при отсутствии экспериментов. Эта возможность обусловлена новыми существенными признаками изобретения, а именно, за счет размещения в боковом отражателе активной зоны подгоночных стержней реактивности, увеличивающих запас подкритичности (на величину не менее доли запаздывающих нейтронов), достаточный для компенсации неопределенностей, приводящих к отклонению фактических характеристик от проектных значений, при этом обогащение компенсирующих стержней активной зоны по изотопу бора B-10 меньше, чем обогащение подгоночных стержней реактивности в боковом отражателе активной зоны.

Техническим результатом, возникающим при реализации заявленного способа, является:

- исключение повышенного консерватизма, приводящего к более напряженным условиям работы поглощающих элементов (ПЭЛ) компенсирующей группы стержней (КС);

- исключение необходимости увеличения хода стержней компенсирующей группы и упрощение технологии контроля при изготовлении;

- исключение необходимости разработки ПЭЛ для каждого конкретного ядерного реактора, обеспечивающих требуемый запас подкритичности в течение всей кампании и обладающих соответствующей работоспособностью на весь срок службы активной зоны;

- упрощение алгоритма безопасного управления реактором.

Достижение всех указанных технических результатов обусловлено наличием в гнездах блока или блоков отражателя активной зоны или в гнездах отражателя активной зоны подгоночных стержней реактивности, установленных на уровне топливной части активной зоны, у которых обогащение стержней компенсирующих стержней активной зоны по изотопу бора B-10 меньше, чем обогащение подгоночных стержней реактивности в отражателе активной зоны.

При необходимости замену подгоночных стержней реактивности с недостаточным обогащением на подгоночные стержни реактивности либо установку таких подгоночных стержней с обогащением, обеспечивающим получение заданного в проекте значения подкритичности, производят путем замены части блоков отражателя активной зоны на сменные блоки отражателя с подгоночными стержнями реактивности с требуемым обогащением.

За счет наличия подгоночных стержней реактивности улучшаются условия работы ПЭЛ компенсирующей группы стержней, так как основную работу по устранению отклонений фактических нейтронно-физических и теплогидравлических характеристик активной зоны от проектных значений берут на себя подгоночные стержни реактивности бокового отражателя активной зоны. Соответственно упрощается алгоритм безопасного управления реактором. Вследствие того что обогащение подгоночных стержней реактивности в боковом отражателе активной зоны на уровне топливной части активной зоны выше, чем обогащение компенсирующих стержней активной зоны, более «грубое» регулирование производится за счет подгоночных стержней реактивности в боковом отражателе активной зоны. При этом получение характеристик активной зоны, приближенных к расчетным, при сборке активной зоны и при пуско-наладочных работах, а также в процессе эксплуатации обеспечивается меньшим ходом стержней компенсирующей группы.

Краткое описание фигур чертежей

На чертеже представлено схематическое изображение активной зоны ядерного реактора.

Осуществление изобретения

Ядерный реактор содержит корпус (на чертеже не показан), в котором размещены активная зона 1, вокруг которой расположен отражатель 2 активной зоны. Активная зона 1 содержит тепловыделяющие сборки, набранные из стержневых тепловыделяющих элементов (ТВЭЛов), при этом одна или несколько тепловыделяющих сборок содержат компенсирующие стержни с поглощающим элементом (ПЭЛом), образующие в совокупности компенсирующую группу стержней. Стержни компенсирующей группы стержней выполнены с возможностью их перемещения по высоте.

Отражатель 2 активной зоны может быть выполнен из отдельных блоков, установленных с возможностью замены (сменные блоки отражателя активной зоны). В конструкции отражателя 2 активной зоны (фиг.1) или в сменных блоках отражателя активной зоны предусмотрены гнезда, находящиеся на уровне топливной части активной зоны, предназначенные для установки в них подгоночных стержней реактивности. Отражатель 2 активной зоны или его отдельные блоки могут быть выполнены с возможностью установки и извлечения из их гнезд подгоночных стержней реактивности.

Обогащение стержней компенсирующей группы стержней активной зоны по изотопу бора B-10 выбирается меньшим, чем обогащение подгоночных стержней реактивности 3, установленных блоках отражателя активной зоны.

В соответствии с заявленным способом на этапе сборки активной зоны 1 производят компенсацию технологических неопределенностей, погрешностей (константная, методическая, систематическая) расчетных значений основных функционалов (эффективного коэффициента размножения, «весов» стержней системы управления и защиты, полей энерговыделения) следующим образом.

После сборки активной зоны 1 проводят физические измерения подкритичности активной зоны по известным методикам и производят сравнение полученных характеристик с проектными значениями.

При наличии расхождения значений полученных характеристик с проектными значениями, в реакторе на уровне топливной части активной зоны 4 устанавливают подгоночные стержни реактивности с обогащением, обеспечивающим получение заданного в проекте значения подкритичности.

После установки подгоночных стержней реактивности на уровне топливной части активной зоны проводят дополнительные физические измерения подкритичности активной зоны и в случае, если вновь будет выявлено расхождение значений полученных характеристик с проектными значениями, производят замену части блоков отражателя 2 активной зоны с подгоночными стержнями реактивности на сменные блоки отражателя с подгоночными стержнями реактивности, имеющими другое обогащение, а именно необходимое и достаточное для получения заданного в проекте значения подкритичности.

Кроме того, возможна компенсация технологических неопределенностей, погрешностей без замены части блоков отражателя активной зоны. В этом случае устанавливают подгоночные стержни реактивности в гнезда отражателя 2 или блока (блоков) отражателя либо извлекают подгоночные стержни реактивности из гнезд отражателя 2 или блока (блоков) отражателя и на их место устанавливают подгоночные стержни реактивности с требуемым обогащением, позволяющим обеспечить получение заданного значения подкритичности.

Более тонкое регулирование характеристиками активной зоны производится ПЭЛ стержней компенсирующей группы стержней активной зоны, установленных в активной зоне в тепловыделяющих сборках.

Количество подгоночных стержней реактивности и блоков бокового отражателя с установленными в них подгоночными стержнями реактивности определяется после проведения нейтронно-физических измерений по проверке сдаточных характеристик активной зоны при ее сборке.

Использование подгоночных стержней реактивности позволяет иметь больший запас регулирования в процессе эксплуатации ядерного реактора вследствие того, что на долю ПЭЛ компенсирующей группы стержней приходится регулирование характеристик активной зоны, работающей в режиме, приближенном к расчетному, как при пуско-наладочных работах, так и в процессе эксплуатации возможно за счет меньшего хода стержней компенсирующей групп.

Например, для конкретной конструкции активной зоны обогащение подгоночных стержней реактивности по изотопу бора B-10 может быть больше (до 80-90%), чем обогащение по изотопу бора B-10 компенсирующих стержней активной зоны, которые могут составлять 40-50%. В других случаях обогащение по изотопу бора B-10 компенсирующих стержней активной зоны может достигать 90%, тогда обогащение подгоночных стержней может быть до 96%. Но их эффективность будет зависеть от количества стержней в активной зоне с 93%. Если их мало и среднее обогащение менее 93%, тем выше будет эффективность подгоночных стержней, чем выше их обогащение.

Заявленное изобретение относится к способу обеспечения подкритичности активной зоны реактора в условиях неопределенности. В заявленном способе предусмотрено проведение физических измерений подкритичности активной зоны после сборки активной зоны и сравнение полученных характеристик с проектными значениями, после чего при наличии расхождения значений полученных характеристик с проектными значениями в реакторе на уровне топливной части активной зоны устанавливают подгоночные стержни реактивности. При этом обогащение подгоночных стержней реактивности по изотопу бора В-10 выбирают большим, чем обогащение по изотопу бора В-10 компенсирующих стержней активной зоны. Техническим результатом является оптимизация условий работы поглощающих элементов компенсирующей группы стержней, в том числе исключение необходимости увеличения их хода и упрощение технологии контроля при изготовлении, а также упрощение алгоритма безопасного управления реактором. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ обеспечения гарантированной подкритичности активной зоны реактора в условиях неопределенности, характеризующийся тем, что после сборки активной зоны проводят физические измерения подкритичности активной зоны и производят сравнение полученных характеристик с проектными значениями, после чего при наличии расхождения значений полученных характеристик с проектными значениями в реакторе на уровне топливной части активной зоны устанавливают подгоночные стержни реактивности с обогащением, обеспечивающим получение заданного в проекте значения подкритичности, причем подгоночные стержни реактивности располагают в отражателе активной зоны, при этом обогащение подгоночных стержней реактивности по изотопу бора В-10 выбирают большим, чем обогащение по изотопу бора В-10 компенсирующих стержней активной зоны.

2. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что подгоночные стержни реактивности располагают в одном, нескольких или во всех блоках отражателя активной зоны, при этом установку подгоночных стержней реактивности производят путем монтажа блоков отражателя активной зоны с установленными внутри них подгоночными стержнями реактивности, расположенными на уровне топливной части активной зоны.

3. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что подгоночные стержни реактивности устанавливают в гнездах отражателя активной зоны.

4. Способ по п. 2, характеризующийся тем, что после установки подгоночных стержней реактивности на уровне топливной части активной зоны проводят дополнительные физические измерения подкритичности активной зоны и при расхождении значений полученных характеристик с проектными значениями производят замену подгоночных стержней реактивности с недостаточным обогащением на подгоночные стержни реактивности с обогащением, обеспечивающим получение заданного в проекте значения подкритичности, причем замену подгоночных стержней реактивности производят путем снятия одного или нескольких блоков отражателя активной зоны и установки на их место сменных блоков отражателя с подгоночными стержнями реактивности с требуемым обогащением.

5. Способ по п. 3, характеризующийся тем, что после установки подгоночных стержней реактивности на уровне топливной части активной зоны проводят дополнительные физические измерения подкритичности активной зоны и при расхождении значений полученных характеристик с проектными значениями производят замену подгоночных стержней реактивности с недостаточным обогащением на подгоночные стержни реактивности с обогащением, обеспечивающим получение заданного в проекте значения подкритичности, причем замену производят путем извлечения из гнезд отражателя одних подгоночных стержней реактивности и установки на их место других с требуемым обогащением.