АКТИВНАЯ ЗОНА, ТВЭЛ И ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩАЯ СБОРКА РЕАКТОРА НА БЫСТРЫХ НЕЙТРОНАХ СО СВИНЦОВЫМ ТЕПЛОНОСИТЕЛЕМ Российский патент 2015 года по МПК G21C3/32 

Изобретение относится к ядерной технике и предназначено для использования в реакторах на быстрых нейтронах с жидкометаллическим теплоносителем, преимущественно в виде расплавленного свинца и его сплавов.

Перспективное развитие атомной энергетики связано с созданием энергетических реакторов на быстрых нейтронах, применение которых позволит решить принципиальные проблемы эффективного и безопасного использования ядерного топлива при замыкании ядерного топливного цикла и обеспечить экологическую безопасность. В настоящее время ведется разработка проектов реакторов на быстрых нейтронах нового поколения с нитридным уран-плутониевым топливом и свинцовым теплоносителем. Выбор принципиальных конструктивных решений и обеспечение безопасности таких ядерных реакторов в значительной мере базируется на исследовании различных коэффициентов и эффектов реактивности, значение которых зависит в первую очередь от ядерных и физических свойств топлива, теплоносителя и других материалов, а также от размеров и конструкции активной зоны.

Известна конструкция реактора БН-800, активная зона которого составлена из тепловыделяющих сборок (ТВС) шестигранной формы, в средней части которых размещено уран-плутониевое топливо, а в торцовых зонах размещены верхние и нижние воспроизводящие экраны (Багдасаров Ю.Е., Кочетков Л.А. и другие. Реактор БН-800 - новый этап развития реакторов на быстрых нейтронах. IAEA-SM, №284/41, vol. 2, р. 209-216, 1985). Внутри корпуса ТВС размещены стержневые тепловыделяющие элементы (твэлы), по зазорам между твэлами снизу вверх проходит теплоноситель - расплавленный натрий.

Недостатком реактора БН-800 с позиций ядерной безопасности является высокое значение натриевого пустотного эффекта реактивности. Это существенно снижает ядерную безопасность реактора в аварийных ситуациях, приводящих к кипению натрия или к осушению активной зоны.

Известна активная зона большого реактора на быстрых нейтронах с центральной полостью, которая способна подавлять натриевый пустотный эффект реактивности до минимального значения и гарантировать безопасность в переходных процессах без аварийной остановки реактора (RU 2126558). Активная зона в соответствии с этим изобретением выполнена в виде ТВС, которые установлены по кольцу и формируют центральную полость значительных размеров, системы управляющих стержней, а также устройств и материалов, которые могут поступать внутрь полости для аварийной остановки реактора. Изобретение позволяет уменьшить пустотный эффект реактивности за счет увеличения утечки нейтронов через полость значительного размера в центральной части активной зоны в условиях потери или кипения натриевого теплоносителя. Однако использование активной зоны такой конфигурации приводит к увеличению габаритов реактора и снижению экономических показателей РУ.

Известна модифицированная конструкция быстрого натриевого реактора с уран-плутониевым топливом (RU 2029397). Активная зона этого реактора как и реактора БН-600 составлена из ТВС шестигранной формы, в средней части которых размещено уран-плутониевое топливо, а в торцовых зонах размещены верхние и нижние воспроизводящие экраны. В центральной части каждой ТВС на высоту активной зоны и воспроизводящих экранов выполнена сквозная полость диаметром 0,3÷0,8 от эффектного диаметра ТВС. Остальные твэлы размещены внутри корпуса ТВС с зазорами между собой, по которым снизу вверх проходит теплоноситель - расплавленный натрий.

Такая конструкция ТВС обеспечивает увеличение утечки нейтронов из активной зоны реактора в торцовые отражатели при аварийных ситуациях, за счет чего достигается уменьшение натриевого пустотного эффекта реактивности. Снижение реактивности и увеличение утечки нейтронов через сквозную полость в ТВС достигается только при удалении значительного количества твэлов из центральной части ТВС. Использование такого решения приводит к снижению мощности реактора или к необходимости повысить обогащение ядерного топлива или увеличить размеры активной зоны.

Однако в активной зоне такой конструкции не обеспечивается высокий уровень утечки нейтронов из активной зоны реактора в торцовые отражатели при аварийных ситуациях, что не позволяет значительно уменьшить натриевый пустотный эффект реактивности. Это обусловлено тем, что утечка нейтронов и снижение пустотного эффекта реактивности реализуется за счет использования большого количества (n) полостей относительно небольшого диаметра, которые расположены в центре каждой ТВС. Расчеты показывают, что использование для этих целей одной полости заданного объема обеспечивает в √n раз большую эффективность утечки нейтронов по сравнению с суммарным эффектом утечки нейтронов через n каналов, которые имеют такой же суммарный объем.

Известен быстрый реактор со свинцовым теплоносителем, который включает активную зону с зональным распределением уран-плутониевого нитридного ядерного топлива по ее радиусу (RU 2173484). Ядерное топливо расположено в оболочках твэл, зазор между топливом и оболочкой заполнен материалом с высокой теплопроводностью, например свинцом. Твэлы собраны в ТВС, которые охлаждаются свинцовым теплоносителем. Массовое соотношение урана и плутония в топливе выбрано в интервале от 5,7 до 7,3 и одинаково по всей активной зоне. Активная зона выполнена с радиальным зонированием размещения топлива и содержит, по крайней мере, две подзоны: центральную и периферийную. В периферийной подзоне размещено больше топлива и меньше теплоносителя, чем в центральной подзоне. Распределение содержания ядерного топлива и теплоносителя в подзонах осуществляется путем изменения величины шага между твэлами и/или использования твэлов с разными диаметрами в центре и на периферии. В верхней части твэлов размещены газовые полости высотой не менее 0,8 высоты топливного столба.

Изобретение позволяет обеспечить равномерность скоростей выгорания топлива и скоростей воспроизводства плутония в центральной части и на периферии активной зоны, снизить разность температур твэлов и теплоносителя по радиусу, а также повысить ядерную безопасность реактора в случае возникновения аварийных ситуаций, например, связанных с потерей теплоносителя.

Подробно описанная в этом изобретении конструкция реактора, активной зоны, ТВС и твэлов позволяет получить и другие технические результаты, в частности снизить запас реактивности реактора до оптимального уровня, улучшить теплопередачу от топлива к оболочкам твэлов, снизить термомеханическое взаимодействие топлива с оболочками твэлов, снизить давление внутри твэлов.

Зональное профилирование содержания уран-плутониевого нитридного топлива и теплоносителя по радиусу активной зоны в изобретении по патенту RU 2173484 осуществляют или за счет использования в центральных и периферийных ТВС твэлов с разными диаметрами и/или использования разной плотности их компоновки. Так, в частности, отношение диаметров твэлов ТВС периферийной подзоны и твэлов ТВС центральной подзоны выбрано равным 1,12, а отношение шагов между твэлами ТВС центральной подзоны и между твэлами ТВС в периферийной подзоне выбрано равным 1,18. Таким образом практическое использование этого изобретения связано с необходимостью организации производства ядерного топлива, твэлов и ТВС нескольких типоразмеров, что приводит к увеличению затрат на производство ядерного топлива.

Задача изобретения состоит в создании простой конструкции активной зоны реактора на быстрых нейтронах со свинцовым теплоносителем большой мощности с высоким уровнем внутренне присущей безопасности.

Технический результат, достигаемый изобретением, состоит в формировании конструкции активной зоны с отрицательным или близким к нулю пустотным эффектом реактивности.

Увеличение избыточной генерации нейтронов в активной зоне реактора, как следует из баланса нейтронов, является основным «инструментом» снижения пустотных эффектов реактивности. Такое увеличение избыточной генерации нейтронов в активной зоне реактора способствует радикальному снижению положительных пустотных эффектов для активных зон больших объемов и даже достижению отрицательных пустотных эффектов для всех зон реактора.

Для повышения избыточной генерации нейтронов в активной зоне реактора используются:

- высокоплотное топливо, в том числе мононитридное;

- композиции активных зон с повышенной долей топлива, увеличенным диаметром твэл и т.п.;

- уплощенные геометрические формы активной зоны.

Геометрические размеры активной зоны напрямую определяют уровень утечки и величины пустотных эффектов. При жестких нейтронных спектрах, повышенных долях топлива в активной зоне и, следовательно, высоких уровнях избыточной генерации нейтронов в активной зоне реактора и экономном расходовании нейтронов максимизация утечки с целью подавления пустотных эффектов сводится, по существу, к двум типам геометрических компоновок:

радикально уплощенным активным зонам, в которых можно достигнуть относительно больших объемов и интегральных мощностей, и

модульных конфигураций с относительно небольшими единичными объемами и мощностями.

Расчеты подтверждают, что все активные зоны с плотным топливом, увеличенной долей топлива и, следовательно, повышенной генерацией нейтронов на одно деление обладают заметно сниженными пустотными эффектами.

Концепция активных зон с плотными топливами и плотными компоновками с относительно большими долями топлива в активной зоне, когда весь запас избыточных нейтронов направлен на снижение пустотных эффектов реактивности, является наиболее привлекательной для реализации гарантированного подавления риска тяжелых аварий.

Из общих соображений ясно, что для придания реакторам внутренне присущей безопасности, пустотные эффекты реактивности должны быть отрицательными по величине и небольшими по модулю, поскольку большие по модулю отрицательные эффекты реактивности в ряде аварийных ситуаций могут вызвать быстрый и опасный ввод положительной реактивности.

Технический результат достигается тем, что активная зона реактора большой мощности на быстрых нейтронах со свинцовым теплоносителем содержит однородное уран-плутониевое нитридное топливо с определенной массовой долей топлива (т.е. объемной долей с корректировкой на плотность топлива путем умножения на отношение плотности используемого топлива к теоретической плотности ε_m=ε_v·ρ_и/ρ_т), причем топливо размещено в геометрически одинаковых оболочках цилиндрических твэлов, твэлы размещены в ТВС, которые формируют центральную и периферийную части активной зоны, причем твэлы ТВС центральной и периферийной частей активной зоны выполнены с различной высотой топливного столба, а радиальное распределение топлива по объему активной зоны характеризуется в продольном осевом сечении U-образной формой.

В частном случае реализации изобретения при массовой доле ε_m>0,305 диаметр центральной части активной зоны составляет от 0,4 до 0,5 эффективного диаметра активной зоны, а высота топливного столба в твэлах ТВС центральной части активной зоны составляет от 0,5 до 0,8 от высоты топливного столба в твэлах, размещенных в ТВС периферийной части активной зоны.

Технический результат достигается также тем, что каждая ТВС (содержащая корпус, головку, чехол, хвостовик и размещенные между ними с помощью дистанцирующих элементов твэлы), предназначенная для формирования центральной части активной зоны, содержит твэлы с одинаковой высотой топливного столба, которая выбрана в диапазоне от 0,5 до 0,8 от высоты топливного столба в твэлах, размещенных в ТВС периферийной части активной зоны при массовой доле ε_m>0,305.

Технический результат достигается также тем, что твэл для ТВС центральной части активной зоны (содержащий трубчатую оболочку с торцевыми заглушками, внутри оболочки размещены уран-плутониевое топливо с массовой долей ε_m>0,305, конструктивные элементы и газовая полость) содержит топливный столб, высота которого составляет от 0,5 до 0,8 от высоты топливного столба в твэлах, размещенных в ТВС периферийной части активной зоны, а в верхней части газовой полости размещено средство для поглощения нейтронов, например стержень из карбида вольфрама.

Предлагаемая конструкция активной зоны, а также ТВС и твэла для формирования ее центральной части может быть положена в основу создания реактора с внутренне присущими свойствами безопасности:

- отрицательным пустотным эффектом при изменении плотности свинца во всем реакторе;

- отрицательным коэффициентом реактивности при изменении плотности свинца во всем реакторе,

- существенно меньшим положительным плотностным эффектом по теплоносителю в активной зоне реактора, что способствует росту иммунитета против ряда тяжелых аварий.

Сущность изобретения состоит в особенности конструкции центральной части активной зоны, которая оказывает значительное влияние на характеристики безопасности реактора на быстрых нейтронах. Предложенное распределение топлива в активной зоне, которое характеризуется в продольном осевом сечении U-образной формой, приводит к уплощению центральной части активной зоны, что увеличивает утечку нейтронов и позволяет достичь для этой части отрицательного значения пустотного эффекта. Этот эффект в совокупности с боковым и торцевыми отражателями обеспечивает достижение отрицательного значения пустотного эффекта и для всего реактора.

Достижение критической загрузки при уменьшении высоты топлива в центральной части активной зоны достигается путем некоторого увеличения высоты топливных столбов в периферийной зоне. Особенностью предлагаемого решения является реализация заданного радиального распределения топлива в центральной и периферийной частях активной зоны с помощью использования в этих частях активной зоны однородной по обогащению топливной композиции, ТВС с одинаковыми геометрическими характеристиками, твэлов с одинаковыми геометрическими параметрами оболочек, но имеющих разные высоты топливных столбов.

На фиг.1 приведены продольные сечения твэлов для ТВС периферийной и центральной частей активной зоны реактора, выполненные в соответствии с предложенным решением.

На фиг.2 приведена схема размещения ядерного уран-плутониевого топлива в активной зоне реактора в соответствии с предложенным решением, которое характеризуется в продольном осевом сечении U-образной формой.

Твэл ТВС для формирования периферийной части активной зоны (фиг.1а) состоит из трубчатой оболочки 1 с концевыми деталями 2 и 3, внутри оболочки 1 размещено уран-плутониевое топливо 4 в виде столба высотой Н. В верхней части твэла сформирована полость 5, заполненная инертным газом. В верхней части газовой полости 5 размещено средство для поглощения нейтронов, например стержень 6 из карбида вольфрама высотой 5 см, а также конструктивный элемент для фиксации топлива, выполненный, например, в форме пружины 7.

Твэл ТВС для формирования центральной части активной зоны, которая в продольном сечении характеризуется ступенчатой формой распределения топлива (фиг.1в), состоит из трубчатой оболочки 1 с концевыми деталями 2 и 3, внутри оболочки 1 размещено уран-плутониевое топливо 4 в виде столба высотой h. При массовой доле топлива ε_m>0,305 высота h задается в диапазоне от 0,5 до 0,8 Н. В верхней части твэла сформирована полость 5, заполненная инертным газом. В верхней части газовой полости 5 размещено средство для поглощения нейтронов, например стержень 6 из карбида вольфрама высотой 5 см, а также конструктивный элемент для фиксации топлива, выполненный, например, в форме пружины 7.

На фиг.2 представлена схема размещения уран-плутониевого топлива в активной зоне, которая в поперечном осевом сечении характеризуется U-образной формой. Для реализации этой схемы ТВС центральной части активной зоны в пределах диаметра d содержат твэлы, схема которых представлена на фиг.1в. Диаметр центральной части активной зоны d выбирается в диапазоне от 0,4 до 0,5 ее эффективного диаметра D при массовой доле ε_m>0,305.

В предлагаемом изобретении ТВС и твэлы активной зоны формируют U-образную форму распределения топлива, что позволяет увеличить утечку нейтронов в центральной части и получить в активной зоне большой мощности отрицательный или близкий к нулю пустотный эффект реактивности. В соответствии с изобретением предложена U-образная форма размещения топлива в активной зоне. Диаметр центральной части активной зоны d выбирается в диапазоне от 0,4 до 0,5 эффективного диаметра активной зоны D при массовой доле топлива ε_m>0,305, с высотой топливного столба h в твэлах ТВС центральной части активной зоны, лежащей в диапазоне от 0,5 до 0,8 от высоты топливного столба Н в твэлах, размещенных в ТВС периферийной части активной зоны.

Заявителем не обнаружено технических решений, содержащих признаки, связанные с формированием патентуемого распределения топлива в активной зоне, которое характеризуется в продольном осевом сечении U-образной формой. Такое решение по простоте и используемым средствам принципиально отличается от реализации зонального распределения топлива с помощью изменения диаметра твэлов или шага их размещения в активной зоне. Уменьшение высоты топлива в центральной части активной зоны приводит к пространственно-энергетическому перераспределению потока нейтронов, увеличению утечки нейтронов из активной зоны и, следовательно, к уменьшению положительной составляющей пустотного эффекта реактивности в реакторе. С учетом всех составляющих пустотный эффект реактивности при изменении плотности свинца во всем реакторе имеет отрицательное значение.

Использование в быстрых реакторах большой мощности предлагаемых конструктивных решений по активной зоне и формирующих ее ТВС и твэлов позволит повысить безопасность реактора, а также улучшить его технико-экономические показатели.

Пример реализации активной зоны реактора БР-1200 на основе предлагаемого технического решения, характеризующегося U-образной формой распределения топлива в осевом продольном сечении активной зоны. Активная зона реактора БР-1200 со свинцовым теплоносителем тепловой мощностью 2800 МВт с эффективным диаметром 576 см сформирована из 595 чехловых ТВС, каждая из которых содержит 169 твэлов с уран-плутониевым нитридным топливом. Подогрев теплоносителя в активной зоне составляет 120°C, а максимальная скорость теплоносителя около 2 м/с. Центральная часть активной зоны содержит 127 ТВС, каждая из которых сформирована твэлами с высотой топливного столба 50 см. Периферийная часть активной зоны содержит 468 ТВС, каждая из которых сформирована твэлами с высотой топливного столба 95 см. Все твэлы ТВС центральнойй и периферийной частей активной зоны выполнены с наружным диаметром оболочки 9,7 мм и размещены в треугольной решетке с шагом 13 мм. Отношение диаметра центральной части активной зоны к ее эффективному диаметру составляет 0,47, а отношение высоты топлива в твэлах центральной и периферийной части активной зоны составляет 0,52. При этом массовая доля топлива составляет 0,307.

В реализованном примере активной зоны быстрого реактора со свинцовым теплоносителем мощностью 2800 МВт, состоящей из чехловых ТВС, в которой используется способ профилирования топливной загрузки по радиусу активной зоны высотой топливного столба при сохранении одного типоразмера твэла, обеспечивается отрицательный пустотный эффект. Полученное преимущество позволяет повысить как безопасность реакторной установки со свинцовым теплоносителем большой мощности, так и его экономические характеристики.

Активная зона реактора, твэл и тепловыделяющая сборка для ее реализации предназначены для использования в реакторах на быстрых нейтронах с нитридным топливом и жидкометаллическим теплоносителем, преимущественно в виде расплавленного свинца и его сплавов. Активная зона содержит две части - центральную и периферийную. Зоны сформированы сборками, содержащими твэлы с геометрически одинаковыми оболочками, но с различной высотой топливного столба в твэлах центральной и периферийной частей. Радиальное распределение топлива по объему активной зоны характеризуется в продольном сечении U-образной формой. Диаметр центральной части активной зоны при массовой доле топлива ε_m>0,305 составляет от 0,4 до 0,5 эффективного диаметра активной зоны, а высота топливного столба в твэлах ТВС центральной части составляет от 0,5 до 0,8 от высоты топливного столба в твэлах, размещенных в ТВС периферийной части активной зоны. Технический результат - простота конструкции активной зоны с отрицательным пустотным эффектом реактивности. 3 н. и 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Активная зона реактора на быстрых нейтронах со свинцовым теплоносителем, которая содержит гомогенное уран-плутониевое нитридное топливо, которое размещено в геометрически одинаковых оболочках цилиндрических твэлов, твэлы собраны в ТВС, которые формируют центральную и периферийную части активной зоны, ТВС центральной и ТВС периферийной частей активной зоны содержат твэлы с различной высотой топливного столба, причем радиальное распределение топлива по объему активной зоны характеризуется в продольном осевом сечении U-образной формой.

2. Активная зона по п.1, отличающаяся тем, что при массовой доле топлива ε_m>0,305 диаметр центральной части активной зоны составляет от 0,4 до 0,5 эффективного диаметра активной зоны, а высота топливного столба в твэлах ТВС центральной части активной зоны составляет от 0,5 до 0,8 от высоты топливного столба в твэлах, размещенных в ТВС периферийной части активной зоны.

3. ТВС для формирования центральной части активной зоны по п.1, содержащая корпус, головку, хвостовик, дистанцирующие элементы и твэлы, закрепленные между головкой и хвостовиком, отличающаяся тем, что при массовой доле топлива ε_m>0,305 твэлы каждой ТВС выполнены с одинаковой высотой топливного столба, которая выбрана в диапазоне от 0,5 до 0,8 от высоты топливного столба в твэлах ТВС периферийной части активной зоны.

4. Твэл для ТВС центральной части активной зоны по п.1, включающий трубчатую оболочку с торцевыми заглушками, внутри оболочки размещено уран-плутониевое топливо, конструктивные элементы и полость с инертным газом, отличающийся тем, что при массовой доле топлива ε_m>0,305 высота топливного столба составляет от 0,5 до 0,8 от высоты топливного столба в твэлах ТВС периферийной части активной зоны.

6. Твэл по п.4, отличающийся тем, в верхней части газовой полости размещено средство для поглощения нейтронов, выполненное, например, в виде стержня из карбида вольфрама.