Способ сборки поглощающего элемента ядерного реактора Российский патент 2017 года по МПК G21C7/10 B23K11/04 

Изобретение относится к ядерной технике, в частности к процессу сборки поглощающих элементов (ПЭЛ) систем управления и защиты ядерных реакторов с водой под давлением, например ВВЭР-1000, АЭС-2006 и др.

Конструкция ТВС реактора ВВЭР-1000 (см. Кириллов П.Л. и др. Справочник по теплогидравлическим расчетам (ядерные реакторы, теплообменники, парогенераторы). М.: Энергоатомиздат,1990, рис. П8.3., стр. 318) содержит твэлы и направляющие каналы для ПЭЛ, расположенные по правильной треугольной сетке.

Как правило, ПЭЛ состоит из поглощающего материала, оболочки, верхнего наконечника, утяжелителя, хвостовой части для закрепления ПЭЛ в приводе, и нижнего наконечника, выполненного в виде цилиндра с коническим окончанием.

В настоящее время существует множество конструкций ПЭЛ, содержащих различные поглощающие материалы как в виде порошка, так и в виде спеченных таблеток. Оболочка и наконечники ПЭЛ выполнены из одного и того же материала, например сплава 42ХНМ.

Поглощающие материалы, расположенные внутри оболочки, обычно состоят из двух частей: верхней из карбида бора (В₄С), имеющей с нейтронами (n,α) реакцию, и нижней, которая первой вдвигается в активную зону реактора, имеющей с нейтронами (n, γ) реакцию.

Современная конструкция ПЭЛ ВВЭР-1000 имеет нижнюю часть поглотителя, выполненную из виброуплотненного титаната диспрозия (Dy₂O₃TiO₂) (см. В.К. Резепов и др. Реакторы ВВЭР-1000 для атомных электростанций, ФГУП ОКБ «ГИДРОПРЕСС». М.: Академкнига, 2004, стр. 272-276).

Выбор в качестве материала нижней части титаната диспрозия приводит к стабилизации основных параметров ПЭЛ, поскольку титанат диспрозия, во-первых, незначительно изменяет эффективность поглощения нейтронов в процессе облучения, а во-вторых, закон изменения эффективности поглощения нейтронов имеет выраженный линейный характер, что позволяет более точно проводить расчет эффективности ПЭЛ по кампании.

Достаточно надежная экранировка карбида бора от распухания обеспечивается при длине части столба поглотителя, занимаемой титанатом диспрозия, не менее 2% от всей длины столба поглотителя нейтронов.

Кроме того, наличие в нижней части ПЭЛ титаната диспрозия значительно увеличивает суммарную массу, т.к. плотность титаната диспрозия более чем в четыре раза выше плотности карбида бора. Увеличение массы ПЭЛ повышает скорость введения его в активную зону при срабатывании аварийной защиты, что повышает безопасность реактора.

Известный способ сборки таких ПЭЛ содержит операции подготовки оболочки в виде трубы и герметизации ее с нижнего торца с помощью нижнего наконечника посредством аргоно-дуговой сварки (АДС).

Далее производится загрузка оболочки поглощающими материалами в виде порошка с виброуплотнением и/или таблеток, фиксация поглотителя с помощью пробки и никелевой сетки от осевого перемещения.

В компенсационном объеме при выполнении карбида бора в форме таблеток может в финальной стадии загрузки поглотителя устанавливаться пружинный фиксатор (см. патент RU 2389088, 2010 г.).

После загрузки поглощающего материала ПЭЛ вакуумируется и заполняется инертным газом под давлением. Во внутреннюю полость ПЭЛ вводится утяжелитель, соединенный с верхним наконечником, и далее верхний наконечник соединяется с оболочкой посредством АДС.

При этом надежность и работоспособность ПЭЛ зависит от герметичности сварных соединений, что напрямую связано с точностью изготовления посадочных мест (наконечники и торцевые части оболочки) и их подготовкой, а также с квалификацией оператора, проводящего АДС.

Существенным недостатком известного способа сборки ПЭЛ является довольно длительный процесс сварки АДС, который занимает несколько минут на каждое сварное соединение.

За это время значительно снижается давление внутри ПЭЛ, а также возможно проникновение воздуха внутрь оболочки, что негативно сказывается на надежности и работоспособности элементов ПЭЛ.

Предлагается герметизацию ПЭЛ проводить с помощью контактно-стыковой сварки (КСС) верхнего наконечника и оболочки, что позволяет свести к минимуму указанные недостатки известного способа сборки ПЭЛ.

Данное сварное соединение находится выше активной зоны в зоне БЗТ, поэтому для обоснования его прочности не требуются реакторные испытания.

При данном способе герметизации существенно сокращается время сварки, при этом утяжелитель исключается из внутренней полости оболочки и переносится в верхний наконечник для исключения шунтирования сварочного тока, что приводит к уменьшению длины оболочки и что в свою очередь приводит к увеличению прочности и жесткости ПЭЛ.

Задачей изобретения является разработка способа сборки ПЭЛ, приводящего к увеличению его надежности и повышению работоспособности при сохранении эффективности ПЭЛ.

Задача решается тем, что герметизация ПЭЛ при сборке производится сваркой верхнего наконечника с оболочкой с помощью КСС, что дает заявленный эффект.

В настоящее время КСС широко применяется при изготовлении твэлов ядерных реакторов, причем процесс вакуумирования, заполнения инертным газом и сварки полностью автоматизирован.

На фиг. 1 приведен общий вид ПЭЛ, позволяющего реализовать предлагаемый способ сборки.

Оболочка 1 и нижний наконечник 2 подготавливаются для сварки АДС.

Первоначально оболочка 1 сваривается с нижним наконечником 2 с помощью АДС.

Затем в оболочку 1 засыпается и виброуплотняется порошок титаната диспрозия 3 в количестве не менее 2% общей длины поглощающего материала. Далее засыпается порошок карбида бора 4 и фиксируется с помощью пробки и никелевой сетки 5.

При выполнении карбида в форме таблеток фиксацию поглотителя можно проводить с помощью пружинного фиксатора, устанавливаемого в компенсационном объеме ПЭЛ (см. патент RU №2389088, 2010 г.).

Далее производится вакуумирование и заполнение внутренней полости ПЭЛ инертным газом. Одновременно ПЭЛ герметизируется верхним наконечником 6, содержащим утяжелитель, с помощью сварки КСС 9 с оболочкой 1.

На фиг. 2 приведен общий вид узла КСС 9 в ПЭЛ, при этом карбид бора загружен в виде спеченных таблеток 7, которые фиксируются в оболочке 1 с помощью пружинного фиксатора 8.

Изобретение поясняется следующими графическими материалами.

На фиг. 1 - общий вид ПЭЛ с поглощающими материалами в виде порошка.

На фиг. 2 - общий вид ПЭЛ с карбидом бора в виде таблеток.

Изобретение относится к ядерной технике. Способ сборки поглощающего элемента (ПЭЛ) ядерного реактора включает подготовку оболочки в виде трубы, герметизацию ее аргоно-дуговой сваркой с одного торца с помощью нижнего наконечника, имеющего коническую форму, загрузку оболочки поглощающими материалами в виде таблеток или порошка, фиксацию поглощающего материала от осевого перемещения c установкой прокладки при порошкообразном состоянии поглощающего материала, герметизацию оболочки с другого торца контактно-стыковой сваркой с помощью верхнего наконечника, содержащего утяжеляющую часть. Фиксация поглощающего материала от осевого перемещения производится с помощью пружинного фиксатора, устанавливаемого в компенсационном объеме ПЭЛ. Изобретение позволяет увеличить надежность способа сборки ПЭЛ и повысить работоспособность при сохранении эффективности ПЭЛ. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ сборки поглощающего элемента (ПЭЛ) ядерного реактора, включающий подготовку оболочки в виде трубы, герметизацию ее аргоно-дуговой сваркой с одного торца с помощью нижнего наконечника, имеющего коническую форму, загрузку оболочки поглощающими материалами в виде таблеток или порошка, фиксацию поглощающего материала от осевого перемещения c установкой прокладки при порошкообразном состоянии поглощающего материала, герметизацию оболочки с другого торца контактно-стыковой сваркой с помощью верхнего наконечника, содержащего утяжеляющую часть, отличающийся тем, что фиксация поглощающего материала от осевого перемещения производится с помощью пружинного фиксатора, устанавливаемого в компенсационном объеме ПЭЛ.

2. Способ сборки поглощающего элемента ядерного реактора по п. 1, отличающийся тем, что в верхнюю часть столба поглощающего материала загружается карбид бора (В₄С), а в нижнюю - титанат диспрозия (Dy₂O₃TiO₂).

3. Способ сборки поглощающего элемента ядерного реактора по п. 1, отличающийся тем, что герметизация оболочки производится с помощью наконечников, выполненных из того же материала, что и оболочка, например сплава 42ХНМ.