КОЛЬЦЕВОЙ ПОГЛОЩАЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ Российский патент 2023 года по МПК G21C7/10 

Область техники

Изобретение относится к области ядерной энергетики и предназначено для регулирования мощности реактора, компенсации реактивности в активной зоне и обеспечения ядерной безопасности. Более конкретно, изобретение относится к поглощающему элементу преимущественно кольцевой формы в своем поперечном сечении, предназначенному для использования в ядерном реакторе с тяжелым жидкометаллическим теплоносителем.

Уровень техники

Поглощающий элемент (ПЭЛ), также известный как регулирующий стержень или стержень системы управления и зашиты ядерного реактора, используется для управления цепной реакцией и обеспечения безопасности ядерного реактора, в том числе для плановой или аварийной остановки при возникновении отказа в системе ядерного реактора.

Из патента РФ RU2529495 (МПК G21C7/10, опубл. 27.09.2014) известен стержень управления и защиты ядерного реактора, включающий корпус и закрепленные в нем один или несколько поглощающих элементов, по меньшей мере, один из которых содержит оболочку и две заглушки, между которыми размещены кольцевые блоки поглотителя нейтронов. Между оболочкой, верхней заглушкой и кольцевыми блоками поглотителя нейтронов, а также в их отверстии размещен упругий, газопроницаемый материал. Верхняя заглушка содержит сквозные отверстия во внутреннюю полость.

В патенте РФ RU2567874 (G21C7/08, 10.11.2015) описан управляющий стержень ядерного реактора, проходящий в продольном направлении и содержащий множество таблеток из материала-поглотителя нейтронов В₄С, скомпонованных друг с другом в виде столбика, и оболочку, охватывающую столбик таблеток, в котором в сечении, поперечном продольному направлению, оболочка и таблетки имеют круглое сечение. Между оболочкой и столбиком упакованных таблеток, по меньшей мере, по высоте последнего расположена промежуточная прокладка также круглой формы в сечении, поперечном продольному направлению, из материала, прозрачного для нейтронов. Промежуточная прокладка является структурой, механически не связанной одновременно с оболочкой и со столбиком таблеток, имеющей повышенную теплопроводность и открытую пористость и выполненной с возможностью деформироваться при сжатии по своей толщине таким образом, чтобы подвергаться сплющиванию под действием объемного распухания таблеток при облучении. Первоначальная толщина прокладки и ее коэффициент сжатия определены таким образом, чтобы механическая нагрузка, передаваемая на оболочку через таблетки при облучении, оставалась ниже заданного порогового значения. Промежуточная прокладка выполнена в виде оплетки, содержащей множество слоев углеродных волокон и множество слоев волокон карбида кремния, уложенных на слои углеродных волокон.

Регулирующий стержень ядерного реактора на быстрых нейтронах согласно патенту Японии JP4216763 (G21C7/10, 14.11.2008) включает цилиндрический корпус, в котором коаксиально размещены блоки с поглотителем нейтронов, охваченные цилиндрическим кожухом. Корпус закрыт сверху и снизу заглушками, в которых выполнены Г-образные каналы, вертикальные части которых снабжены фильтрами. Между верхней заглушкой и цилиндрическим кожухом установлена пружина, подпирающая столб блоков с поглотителем нейтронов. Между цилиндрическим корпусом и цилиндрическим кожухом выполнены эквидистантно расположенные вертикальные каналы для прохода теплоносителя.

Также из патента RU2468453 (G21C7/103, 27.11.2012) известен стержень управления и защиты ядерного реактора, включающий корпус и закрепленные в нем поглощающие элементы, по меньшей мере один из которых расположен соосно корпусу и содержит две кольцевые заглушки, наружную и внутреннюю оболочки, между которыми размещены кольцевые блоки поглотителя нейтронов. Между оболочками и блоками поглотителя нейтронов дополнительно размещен упругий газопроницаемый материал. Упругий газопроницаемый материал содержит проволоку из тугоплавких материалов с высокой способностью поглощать нейтроны.

Недостатками известных аналогов является невозможность равномерного заполнения ПЭЛ теплоносителем при вводе ПЭЛ в эксплуатацию, а также высокая вероятность, по крайней мере, частичного ограничения протока теплоносителя через ПЭЛ при изменении геометрии последнего под действием нагрузок, что особенно критично при использовании тяжелых жидкометаллических теплоносителей.

Задачей настоящего изобретения является устранение недостатков известных аналогов и обеспечение надежности работы ПЭЛ под нагрузкой.

Техническим результатом заявленного изобретения является повышение равномерности заполнения ПЭЛ теплоносителем и повышение надежности его работы под нагрузкой.

Краткое раскрытие сущности изобретения

Поставленная задача решается, а технический результат достигается в предложенном в настоящем изобретении кольцевом поглощающем элементе, содержащем цилиндрические, коаксиально расположенные наружную оболочку и внутреннюю оболочку; верхний хвостовик и нижний хвостовик; сердечник из поглощающего нейтроны материала, размещенный между указанными оболочками; верхнюю заглушку, размещенную между верхним торцом сердечника и верхним хвостовиком; нижнюю заглушку, размещенную между нижним торцом сердечника и нижним хвостовиком; и первый разделитель, размещенный между наружной оболочкой и сердечником. Между нижней заглушкой и нижним хвостовиком сформирована камера, заполненная газом и содержащая втулку из замороженного теплоносителя. Указанная камера в ее нижней части сообщается по потоку с объемом, в котором размещен сердечник, сформированным между верхней заглушкой и нижней заглушкой. Верхняя заглушка содержит отверстия, обеспечивающие сообщение по потоку объема, в котором размещен сердечник, с внешней средой, причем указанный объем заполнен замороженным теплоносителем.

Поставленная задача решается, а технический результат достигается также в частных вариантах исполнения ПЭЛ.

Так, ПЭЛ может содержать первый фильтр, размещенный между верхним торцом сердечника и верхней заглушкой. В дополнение к этому или альтернативно, ПЭЛ также может содержать второй фильтр, размещенный между нижним торцом сердечника и нижней заглушкой.

Является предпочтительным, если между верхней заглушкой и сердечником размещена пружина, прижимающая сердечник к нижней заглушке;

ПЭЛ может дополнительно содержать второй разделитель, размещенный между внутренней оболочкой и сердечником.

Первый разделитель и/или второй разделитель может быть выполнен в виде гофрированной металлической фольги, гофры которой проходят по существу вдоль сердечника. При этом указанная гофрированная фольга может быть изготовлена из молибдена или его сплавов.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 представлена конструкция поглощающего элемента и его расположение в канале.

На фиг. 2 показано заполнение внутренних полостей поглощающего элемента теплоносителем (средняя часть ПЭЛ условно не показана).

На фигурах позициями отмечены следующие элементы:

1 – поглощающий элемент (ПЭЛ);

2 – цилиндрический канал;

3 – наружная оболочка;

4 – внутренняя оболочка;

5 – сердечник;

6 – блок;

7 – первый разделитель;

8 – первый фильтр;

9 – второй фильтр;

10 – пружина;

11, 12 – шайба;

13 – верхняя заглушка;

14 – сквозное отверстие;

15 – нижняя заглушка;

16 – заправочная трубка;

17 – нижний хвостовик;

18 – втулка из замороженного теплоносителя;

19 – центрирующая втулка;

20 – верхний хвостовик;

21 – отверстие для выхода теплоносителя;

22 –заготовка из замороженного теплоносителя;

23 – камера;

24 – уровень расплавленного теплоносителя;

25 – срез заправочной трубки.

Подробное описание вариантов осуществления изобретения

Поглощающий элемент 1, или ПЭЛ 1, согласно настоящему изобретению располагается в цилиндрическом канале 2 системы управления и защиты ядерного реактора, обеспечивающем независимое от остальных элементов активной зоны и реактора охлаждение теплоносителем, поступающем в указанный канал 2 снизу, как это условно показано на фиг. 1 стрелками. Теплоноситель проходит вокруг ПЭЛ 1 по зазору между ПЭЛ 1 и стенками канала, в котором он размещен, и через ПЭЛ 1 с выходом через его верхний конец, что на фиг. 1также условно показано стрелками.

ПЭЛ 1 содержит две коаксиальные цилиндрические оболочки – наружную оболочку 3 и внутреннюю оболочку 4, между которыми помещен сердечник 5, набранный из блоков 6, выполненных из поглощающего нейтроны материала, в частности горячепрессованного карбида бора, и объединенных в несколько групп с высотным физическим профилированным обогащением по изотопу ¹⁰В от минимального в нижней части сердечника 5 до максимального в верхней части сердечника 5.

Между наружной оболочкой 3 и сердечником 4 размещен первый разделитель 7, который предотвращает контакт фрагментов карбида бора с наружной оболочкой 3 при распухании и растрескивании блоков 6 в процессе работы ПЭЛ 1. Помимо указанного, первый разделитель 7 должен обеспечивать беспрепятственное прохождение теплоносителя через ПЭЛ 1, в частности, через область между наружной оболочкой 3 и сердечником 5 даже при сильном распухании и растрескивании блоков 6. Особенно критичны указанные требования к первому разделителю 7 в случае использования тяжелых жидкометаллических теплоносителей, для чего наиболее предпочтительно выполнять первый разделитель 7 из гофрированной фольги, гофры которой проходят по существу вдоль сердечника 5 (соответственно, наружной оболочки 3). Указанная гофрированная фольга может быть выполнена из молибдена, его сплавов или другого подходящего материала, обеспечивающего одновременно достаточную упругость, жесткость и стойкость к нейтронному излучению.

Предпочтительно, но не обязательно, если по торцам сердечника 5 установлены два фильтра – первый фильтр 8 и второй фильтр 9, которые препятствуют выходу из сердечника 5 дисперсных частиц карбида бора в объемы соответственно над и под сердечником 5.

В верхней части ПЭЛ 1, в частности над фильтром 8, может быть установлена с поджатием пружина 10 для предотвращения осевых смещений сердечника 5. В этом случае между пружиной 10 и первым фильтром 8 целесообразно установить шайбу 11.

В нижней части ПЭЛ 1 может использоваться шайба 12, примыкающая к второму фильтру 9. В этом случае в шайбе 12 предпочтительно выполняют каналы для обезгаживания сердечника 5 и пропитки его заливкой (например, сплавом свинца и висмута).

Вверху ПЭЛ 1, между верхним торцом сердечника 5 и верхним хвостовиком 20, установлена верхняя заглушка 13 кольцевой формы со сквозными отверстиями 14 для заполнения внутренней полости верхней заглушки 13 теплоносителем и обеспечения выхода из ПЭЛ 1 газообразных продуктов. Также может использоваться центрирующая втулка 19, которая соединяется с наружной оболочкой 3 и верхним хвостовиком 20, при этом в верхнем хвостовике 20 выполнены отверстия 21 для выхода теплоносителя.

Внизу ПЭЛ 1, между нижним торцом сердечника 5 и нижним хвостовиком 17, установлена нижняя заглушка 15 кольцевой формы, соединенная с заправочной трубкой 16 и нижним хвостовиком 17. В полости, образованной нижней заглушкой 15, заправочной трубкой 16 и нижним хвостовиком 17, при сборке ПЭЛ 1 устанавливается втулка 18 из замороженного теплоносителя.

Теплоотвод от сердечника 5 существенно зависит от теплопроводности зазоров между сердечником 5 и оболочками 3, 4. При этом величина указанных зазоров должна быть минимальной. При наличии в зазорах газовых пузырьков, которые могут в них сохраниться при заполнении внутренних полостей ПЭЛ 1, происходит локальный рост температур в сердечнике 5. Температурные неоднородности в сердечнике 5 из-за снижения локальной теплопередачи приводят к локальным температурным напряжениям в блоках 6, их растрескиванию, дальнейшему локальному ухудшению теплопередачи, попаданию фрагментов блоков 6 в указанные зазоры и, в конечном итоге, к повреждению оболочек 3, 4.

Дополнительно к первому разделителю 7, описанному выше, может быть использован второй разделитель (на фигурах не показан), устанавливаемый между сердечником 5 и внутренней оболочкой 4. Как и в случае первого разделителя 7, второй разделитель призван обеспечивать беспрепятственное прохождение теплоносителя через ПЭЛ 1, в частности, через область между внутренней оболочкой 4 и сердечником 5 даже при сильном распухании и растрескивании блоков 6. Особенно критичны указанные требования в случае использования тяжелых жидкометаллических теплоносителей, для чего наиболее предпочтительно выполнять второй разделитель из гофрированной фольги, гофры которой проходят по существу вдоль сердечника 5 (соответственно, внутренней оболочки 4). Указанная гофрированная фольга может быть выполнена из молибдена, его сплавов или другого подходящего материала, обеспечивающего одновременно достаточную упругость, жесткость и стойкость к нейтронному излучению.

Для исключения описанных опасных для работоспособности ПЭЛ 1 явлений необходимо использовать специальные известные способы заполнения указанных зазоров теплоносителем, например, предварительное вакуумирование зазоров и передавливание теплоносителя в зазоры. Реализация такой процедуры возможна только в заводских условиях и достаточно затруднительна в случае использования тяжелых жидкометаллических носителей.

Для этих целей в настоящем изобретении предложено использовать упомянутую выше втулку 18 из замороженного теплоносителя (см. фиг. 1), устанавливаемую в нижней части ПЭЛ 1, а также заготовку 22 из замороженного теплоносителя, как показано на фиг. 2, где для упрощения приведены только верхний и нижний части ПЭЛ 1. Кроме того, как было описано выше, после окончательной сборки ПЭЛ 1 в нижнем хвостовике 17 образуется замкнутая полость – камера 23, ограниченная нижней заглушкой 15, заправочной трубкой 16 и нижним хвостовиком 17, в которой установлена втулка 18 из замороженного теплоносителя, а оставшийся свободный объем камеры 23 заполняют газом.

В таком состоянии ПЭЛ 1 поступает для его размещения в реакторной установке.

При погружении ПЭЛ 1 в расплавленный теплоноситель сверху вниз происходит нагрев и плавление твердого замороженного теплоносителя внутри ПЭЛ 1, а именно, втулки 18 из замороженного теплоносителя и заготовки 22 из замороженного теплоносителя. Скорость первоначального погружения ПЭЛ 1 в теплоноситель должна быть ограничена таким образом, чтобы осуществлялось постепенное направленное плавление указанного замороженного теплоносителя в направлении снизу вверх. Это необходимо для исключения нагружения элементов конструкции ПЭЛ 1 давлением плавящегося теплоносителя, так как из-за расширения теплоносителя при плавлении могут возникать существенные напряжения, приводящие к деформациям и даже разрушению металлических конструкций ПЭЛ 1. В связи с тем, что в нижней части ПЭЛ 1 имеется камера 23, заполненная газом, плавящийся теплоноситель не воздействует механически на окружающие конструктивные элементы.

После полного погружения ПЭЛ 1 в теплоноситель и завершения плавления всего находившегося в нем замороженного теплоносителя газ в полости 23 расширяется из-за нагрева и выталкивает часть теплоносителя из камеры 23 вверх по зазору между заправочной трубкой 16 и внутренней оболочкой 4. Для исключения попадания газа из камеры 23 в указанный зазор, откуда пузырьки могут всплыть и попасть в зазор между сердечником 5 и оболочками 3, 4, соотношение объемов газа и твердого теплоносителя в составе втулки 18 должно быть таким, чтобы уровень 24 расплавленного теплоносителя не опустился ниже среза 25 заправочной трубки.

При погружении в теплоноситель также заполняются полости в верхней части ПЭЛ 1. Так как полости в верхней части ПЭЛ 1 не затеснены и через них обеспечен проток теплоносителя через внутреннюю оболочку 4 и отверстия 21, обеспечивается удаление газов из верхней части ПЭЛ 1.

Пренебрегая весом столба расплавленного теплоносителя и капиллярными эффектами в зазорах для грубой оценки расширения газа можно применить закон Гей-Люссака. Принимая для простоты температуру газа в полости после ее заводской герметизации Т₀=20°С, а максимальную температуру нагрева нижнего хвостовика 17 T_max=600°С, получим отношение максимального увеличения газового объема V_max к первоначальному объему V₀:

Увеличение объема газа приблизительно в три раза может быть технически скомпенсировано соответствующим запасом твердого теплоносителя в составе втулки 18.

При этом решаются две технически важные задачи. Во-первых, обеспечивается сохранение работоспособности конструкции и равномерности заполнения теплоносителем ПЭЛ 1 при его разогреве снизу вверх, что имеет место при погружении ПЭЛ 1 в горячий теплоноситель. Во-вторых, исключается попадание газовых пузырей в зазор между сердечником 5 и оболочками 3, 4, что обеспечивает надежный теплоотвод от сердечника 5, а значит, повышает надежность работы ПЭЛ 1 под нагрузкой.

Изобретение относится к поглощающему элементу (ПЭЛ), предназначенному для использования в ядерном реакторе с тяжелым жидкометаллическим теплоносителем. ПЭЛ содержит цилиндрические, коаксиально расположенные наружную оболочку и внутреннюю оболочку, верхний хвостовик и нижний хвостовик, сердечник из поглощающего нейтроны материала, размещенный между указанными оболочками, верхнюю заглушку, нижнюю заглушку и первый разделитель, размещенный между наружной оболочкой и сердечником. Между нижней заглушкой и нижним хвостовиком сформирована камера, заполненная газом и содержащая втулку из замороженного теплоносителя. Камера в ее нижней части сообщается по потоку с объемом, в котором размещен сердечник. Верхняя заглушка содержит отверстия, обеспечивающие сообщение по потоку объема, в котором размещен сердечник 5, с внешней средой, причем указанный объем заполнен замороженным теплоносителем в виде заготовки из замороженного теплоносителя. Изобретение позволяет повысить равномерность заполнения ПЭЛ теплоносителем и надежность его работы под нагрузкой. 7 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Кольцевой поглощающий элемент, содержащий:

цилиндрические, коаксиально расположенные наружную оболочку и внутреннюю оболочку,

верхний хвостовик и нижний хвостовик,

сердечник из поглощающего нейтроны материала, размещенный между указанными оболочками,

верхнюю заглушку, размещенную между верхним торцом сердечника и верхним хвостовиком,

нижнюю заглушку, размещенную между нижним торцом сердечника и нижним хвостовиком, и

первый разделитель, размещенный между наружной оболочкой и сердечником,

отличающийся тем, что

между нижней заглушкой и нижним хвостовиком сформирована камера, заполненная газом и содержащая втулку из замороженного теплоносителя,

указанная камера в ее нижней части сообщается по потоку с объемом между верхней заглушкой и нижней заглушкой, в котором размещен сердечник,

верхняя заглушка содержит отверстия, обеспечивающие сообщение по потоку указанного объема, в котором размещен сердечник, с внешней средой, и

указанный объем, в котором размещен сердечник, заполнен замороженным теплоносителем.

2. Кольцевой поглощающий элемент по п. 1, дополнительно содержащий первый фильтр, размещенный между верхним торцом сердечника и верхней заглушкой.

3. Кольцевой поглощающий элемент по п. 1, дополнительно содержащий второй фильтр, размещенный между нижним торцом сердечника и нижней заглушкой.

4. Кольцевой поглощающий элемент по п. 1, отличающийся тем, что между верхней заглушкой и сердечником размещена пружина, прижимающая сердечник к нижней заглушке.

5. Кольцевой поглощающий элемент по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что первый разделитель выполнен в виде гофрированной металлической фольги, гофры которой проходят по существу вдоль сердечника.

6. Кольцевой поглощающий элемент по любому из пп. 1-5, дополнительно содержащий второй разделитель, размещенный между внутренней оболочкой и сердечником.

7. Кольцевой поглощающий элемент по п. 6, отличающийся тем, что второй разделитель выполнен в виде гофрированной фольги, гофры которой проходят по существу вдоль сердечника.

8. Кольцевой поглощающий элемент по любому из пп. 5, 7, в котором гофрированная фольга изготовлена из молибдена или его сплавов.