РЕАКТОРНАЯ УСТАНОВКА С ИЗМЕНЯЕМЫМ СПЕКТРОМ НЕЙТРОНОВ Российский патент 2017 года по МПК G21D1/00 

Изобретение относится к ядерным энергетическим установкам, а более конкретно к реакторным установкам с ядерными водоохлаждаемыми реакторами с водой под давлением и с техническими средствами воздействия на реактивность.

Известна реакторная установка ВВЭР-1000, содержащая комплекс систем и элементов, включающий реактор с активной зоной и непосредственно связанные с ним системы, необходимые для его нормальной эксплуатации, аварийного охлаждения, аварийной защиты и поддержания в безопасном состоянии (Ф.Я. Овчинников, В.В. Семенов «Эксплуатационные режимы водо-водяных энергетических реакторов». - М.: Энергоатомиздат, 1988, рис. 11.5 на стр. 284-286, а также стр. 55 и 11). Активная зона состоит из тепловыделяющих сборок (ТВС), замедлителя-теплоносителя и средств воздействия на реактивность.

Длительность кампании обеспечивается загрузкой делящихся материалов, т.е. созданием полного запаса реактивности, который в значительной мере компенсируется введением борной кислоты в теплоноситель реактора в начальный период кампании и со снижением ее концентрации до 0 в течение кампании. Необходимая концентрация борной кислоты в теплоносителе обеспечивается системой подпитки теплоносителя раствором борной кислоты в начале кампании и разбавлением теплоносителя реактора чистой водой в течение кампании.

Недостатком данного технического решения является поглощение избыточных нейтронов изотопом бора ¹⁰B в теплоносителе, т.е. имеет место неэффективное использование нейтронов для деления ядер урана и получения энергии.

Наиболее близким по технической сущности (прототип) является реакторная установка (И.Н. Васильченко и др. Расчетно-конструкторские проработки активных зон ВВЭР со спектральным регулированием, сборник тезисов 7-й МНТК «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР», Подольск, 17-20 мая 2011, стр. 68-69, доклад на СД «Материалы конференции 7-й МНТК», секция 3 http://www.gidropress.podolsk.ru/files/proceedings/mntk2011/autorun/index-ru.htm), содержащая комплекс систем и элементов, включающий реактор с активной зоной, состоящей из ТВС, замедлителя-теплоносителя и средств воздействия на реактивность, и непосредственно связанные с реактором системы, необходимые для его нормальной эксплуатации, аварийного охлаждения, аварийной защиты и поддержания в безопасном состоянии.

В данном устройстве длительность кампании обеспечивается загрузкой делящихся материалов, т.е. созданием полного запаса реактивности, который компенсируется изменением водо-уранового отношения (ВУО) в процессе кампании и исключается использование борного регулирования с вредным поглощением нейтронов.

В ТВС размещены каналы, в которые устанавливаются вытеснители в начальный период кампании для снижения ВУО, которые, по мере выгорания делящихся нуклидов, выводятся из канала с его заполнением водой и повышением ВУО. Первым недостатком этого устройства является ограниченность пространственной области регулирования, вторым недостатком - различие спектра по высоте при перемещении вытеснителя. Указанные недостатки обусловлены тем, что в гетерогенной решетке с водяными полостями (каналы, зазоры между ТВС) спектр будет переменным по сечению ТВС и при перемещении вытеснителей область изменения спектра определяется ее расположением относительно вытеснителя. Практически область ТВС с нерегулируемым или малорегулируемым спектром реализуется в массиве твэлов, отдаленных от каналов с вытеснителями на расстояние, сравнимое и большее, чем длина диффузии (в воде 2,9 см) и длина замедления - L_m=(6τ)^0,5 (τ - возраст, для воды L_m=14 см).

Наличие водяных прослоек между ТВС~0,4 см, а также 4-х и более рядов твэлов в области между каналами с вытеснителями и наличие каналов для перемещаемых вытеснителей (∅28…29 мм) создают условия для переменного спектра по сечению ТВС и ограниченности области с регулируемым спектром около каналов с вытеснителями.

Недостатком данного реактора является значительная неравномерность энерговыделения в твэлах по сечению ТВС, и эффективность спектрального регулирования не велика. Как результат, экономия топлива составляет до 12% и в 2 раза меньше ожидаемой экономии в 25% согласно оценке, полученной для «тесной» решетки (Ф. Ран и др. Справочник по ядерной энерготехнологии. Перевод с английского под редакцией В.А. Легасова. М.: Энергоатомиздат, 1989, стр. 344-345).

Цель изобретения - создание реакторной установки, позволяющей локально (в пределах энергонапряженных ТВС) регулировать спектр нейтронного потока в активной зоне реактора.

Указанная цель достигается тем, что в реакторной установке, содержащей систему теплоносителя первого контура и реактор с внутрикорпусными устройствами, имеющими нижние и верхние посадочные гнезда, в которых установлены соответственно нижними и верхними концевыми деталями тепловыделяющие сборки, согласно изобретению система теплоносителя первого контура снабжена системой подачи газа в нижние посадочные гнезда.

В результате регулирования спектра нейтронного потока улучшается топливоиспользование, под которым понимается наиболее полное использование делящихся изотопов как первичных, так и накопленных (вторичных) в ходе выгорания (Р.З. Аминов и др. АЭС с ВВЭР: Режимы, характеристики, эффективность. М: Энергоатомиздат, 1990, стр. 53-55).

По варианту исполнения система подачи газа имеет инжектор, установленный в нижнем посадочном гнезде внутрикорпусных устройств.

По варианту исполнения система теплоносителя первого контура имеет систему дегазации теплоносителя, выполненную после тепловыделяющих сборок.

Тепловыделяющие сборки (8) могут иметь чехол (12), соединяющий нижнюю (6) и верхнюю (7) концевые детали.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где:

на фиг. 1 изображена система теплоносителя первого контура с системой подачи газа и системой дегазации;

на фиг. 2 - схема внутрикорпусных устройств с системой подачи газа в нижние посадочные гнезда;

на фиг. 3 - тепловыделяющая сборка с чехлом, соединяющим нижнюю и верхнюю концевые детали.

Реакторная установка оснащена системой теплоносителя первого контура (1), содержит реактор (2) с внутрикорпусными устройствами (3), которые имеют нижние (4) и верхние (5) посадочные гнезда. Тепловыделяющие сборки (8) соответственно нижними (6) и верхними (7) концевыми деталями установлены в указанные гнезда (4 и 5).

Система теплоносителя первого контура (1) оснащена системой подачи газа (9) в нижние посадочные гнезда (4). Система подачи газа (9) имеет инжектор (10), установленный в нижнем посадочном гнезде (4) внутрикорпусных устройств (3). В качестве газа может использоваться, например, гелий - газ с высокой теплопроводностью.

Система теплоносителя первого контура (1) имеет систему дегазации (11) теплоносителя, расположенную в контуре и выполненную после тепловыделяющих сборок (8).

Тепловыделяющие сборки (8) могут оснащаться чехлом (12), соединяющим нижнюю (6) и верхнюю (7) концевые детали, или использоваться без чехла.

Работа реакторной установки по настоящему изобретению осуществляется следующим образом. В начальный момент кампании запас реактивности максимальный и обеспечивается загрузкой в активную зону свежих ТВС вместо выгоревших ТВС, например, заменяются части активной зоны для организации годичной кампании ВВЭР-1000 и четырехгодичной кампании топлива. На вход в ТВС по системе теплоносителя первого контура подается водяной теплоноситель, не содержащий борной кислоты. Из системы подачи газа (9) через инжектор (10) подается в ТВС газ, например гелий, равномерно распределенный по сечению на входе ТВС в виде пузырьков определенного размера (d), который больше минимального критического размера, при котором пузырьки не могут образовываться или продолжительно существовать в жидкости из-за эффекта схлопывания пузырей, и менее характерного размера в дистанционирующей решетке (Δ) для исключения разрушения пузырька при прохождении через решетку и последующего схлопывания или образования в решетке локальной газовой полости: Δ≤D-d_твэла, D – шаг топливной решетки, d_твэла - диаметр твэла. Размер пузырька определяется разностью давления газа и жидкости, коэффициентом поверхностного натяжения жидкости и рассчитывается по уравнению Лапласа. Объемная доля газа в потоке воды задается требуемым ВУО: ВУО~1 в начале кампании; ВУО~2 в конце кампании (Р.З. Аминов и др. АЭС с ВВЭР: Режимы, характеристики, эффективность. М.: Энергоатомиздат, 1990, стр. 53-59).

Следовательно, объемная доля пузырей газа должна быть равна или менее 0,5 в водо-газовой среде.

В начальный момент кампании реактора расход газа максимальный и снижается до 0 по мере выгорания в течение кампании. Применяется инертный, не неактивируемый газ, преимущественно, с высокой теплопроводностью, например, гелий. После ТВС за счет перемешивания происходит частичное или полное растворение гелия в теплоносителе и его последующее выделение в специальной байпасной части контура путем снижения его давления и достижения состояния насыщения. Далее гелий собирается в емкость и посредством компрессора (на чертеже не показано) подается на вход ТВС, в которой необходимо ужесточение спектра нейтронов (свежая ТВС) или сохраняется в балластной емкости.

Применение гелия - газа с высокой теплопроводностью (в 3 раза выше теплопроводности водяного пара и в 2 раза меньше теплопроводности воды) в виде пузырьков, направленно движущихся в потоке теплоносителя, приведет к дополнительному перемешиванию воды и улучшению теплообмена. Предельная растворимость гелия в воде ~3,5 см³/г (Сборник докладов «Теплофизика - 89», Обнинск, 1992, стр. 381-393).

Применение чехловых ТВС или бесчехловых ТВС позволяет изменять замедление нейтронов на границе между ТВС, тем самым достигая более эффективное топливоиспользование.

Использование заявляемого изобретения в сравнении с известными устройствами обеспечивает экономию топлива примерно в 2 раза большую, чем эффект экономии топлива в устройстве-прототипе.

Изобретение относится к реакторной установке с водоохлаждаемым реактором, предназначенной для локального регулирования спектра нейтронного потока в активной зоне и улучшения топливоиспользования. Система теплоносителя первого контура снабжена системой подачи газа в нижние посадочные гнезда, в которые устанавливаются хвостовики ТВС, а также инжектором для впрыска газа в теплоноситель в виде пузырьков газа в воде определенных размеров: более критического размера для исключения схлопывания пузырьков и менее разности шага топливной решетки и диаметра твэла для исключения образования газовых полостей в ТВС. Реакторная установка оснащена системой дегазации для удаления газа из теплоносителя в систему подачи газа для многократного применения газа. В качестве газа, например, может быть гелий – инертный газ с высокой теплопроводностью. Техническим результатом является возможность локально регулировать спектр нейтронного потока в активной зоне реактора. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Реакторная установка с изменяемым спектром нейтронов, содержащая систему теплоносителя первого контура и реактор с внутрикорпусными устройствами, имеющими нижние и верхние посадочные гнезда, в которые установлены соответственно нижними и верхними концевыми деталями тепловыделяющие сборки, отличающаяся тем, что система теплоносителя первого контура снабжена системой подачи газа в нижние посадочные гнезда.

2. Реакторная установка по п. 1, отличающаяся тем, что система подачи газа имеет инжектор, установленный в нижнем посадочном гнезде внутрикорпусных устройств.

3. Реакторная установка по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве газа используется гелий.

4. Реакторная установка по п. 1, отличающаяся тем, что система теплоносителя первого контура имеет систему дегазации теплоносителя, выполненную после тепловыделяющих сборок.

5. Реакторная установка по п. 1, отличающаяся тем, что тепловыделяющая сборка имеет чехол, соединяющий нижнюю и верхнюю концевые детали тепловыделяющей сборки.