Тепловыделяющая сборка быстрого реактора Советский патент 1987 года по МПК G21C3/30 

Изобретение относится к атомной промьшшенности, а именно к активным зонам быстрых реакторов. Известна тепловьщеляющая сборка быстрого реактора, содержащая ТВЭЛы с керамическим топливом. Недостатком этой сборки является то, что быстрый реактор, собранный из них, характеризуется относительно низким избыточным воспроизводством вторичного топлива. Известна тепловыделяющая сборка быстрого реактора, содержащая в груп пе ТВЭЛов сырьевой материал по всей их длине. Heдoctaткoм этой сборки является неравномерность подогрева теплоносителя по длине групп ТВЭЛов и аксиаль ная неравномерность энерговьоделения, что уменьшает общую энерговыработку. Наиболее близким по своей технической сущности и достигаемому результату к описываемой является тепловыделяющая сборка быстрого реактора, содержащая тепловыделяющие элементы, в топливной части которых раз мещена воспроизводящая прослойка. Однако указанная сборка с воспроизводящей прослойкой характеризуется неравномерностью знерговьщеления, а прослойка представляет из себя значи тельный нейтронный барьер, уменьшая нейтронную связь между топливными частями. Целью изобретения является устранение указанных недостатков и разработка конструкции, которая характери зуется улучшением показателей воспро изводства, энерговыработки и упрощения управления реактором. Указанная цель достигается тем, что в тепловыделяющей сборке быстрого реактора, содержащей ТВЭЛы, в топ ливной части которых размещена воепроизводящая прослойка несимметрично относительно, поперечной плоскости сборки, причем у одной части тепловы деляющих элементов она смещена вверх а у другой - вниз. Целесообразно также, чтобы воспро изводящие прослойки были размещены несимметрично относительно поперечно плоскости и одинаково для каждой час ти тепловьщелякицих элементов. В результате такого выполнения сборки в средней по высоте части активной зоны быстрого реактора образу ется смещанная подзона, содержащая воспроизводящие прослойки с обедненным или естественным ураном и топливные части ТВЭЛов с обогащенным топливом. Вниз и вверх от этой подзоны будут расположены подзоны активной зоны, содержащие только топливные части ТВЭЛов. В предельном случае, когда воспроизводящие прослойки составляют половину ВЫСОТЫ;активной зоны, таких подзон активной зоны -не будет. При этом воспроизводящие прослойки будут примыкать к экранным частям ТВЭЛов (для ТВЭЛов с верхним размещением ппослойки - к верхнему, а для ТВЭЛов с нижним размещением прослойки - к нижнему торцевому экрану, который образуется совокупностью экранных частей ТВЭЛов). Следует отметить, что резистивность двух таких ТВЭЛов будет условной (если не рассматривать место расположения газовбй полости), так как каждый из них получается переворачиванием другого. Строгих требований к регулярности (чередованию) размещения разнотипных (по расположению воспроизводящих прослоек) ТВЭЛов в топливной сборке в предложенном техническом рещении нет, хотя, конечно, чередование (регулярность) разнотипных ТВЭЛов по рядам или внутри ряда является желательным и будет способствовать увеличению нейтронной связи. Это обусловлено тем, что длина пробега нейтронов значительно больще размеров ТВЭЛов. С точки зрения теплогидравлики также нет строгих требований к такой регулярности, так как по суммарному тепловьщелению и подогреву теплоносителя в ячейках, образованных ТВЭЛами, такая разнотипность влияния не оказывает. Поэтому ошибка при монтаже тепловыделяющей сборки (или конструктивная сложность размещения разнотипных ТВЭЛов в регулярной решетке, как, например, при нечетном количеств ТВЭЛов в ряду и в крайних рядах сборки и др.) практически не скажется на работоспособности сборки. То же самое относительно и к соотношению количества ТВЭЛов в сборке разнотипных по смешению воспроизводящей прослойки. Естественно, более оптимальным будет 50%-ное соотношение таких ТВЭЛов в сборке На фиг. 1 изображена ТБС по прототипу с симметрично расположенными воспроизводящими прослойками у всех ТВЭЛов сборки, продольный разрез; на (jMr,. 2 - разрез А-А фиг. 1; на фиг.З предлагаемая ТВС с несимметричным размещением воспроизводящей прослойки, продольный разрез; на фиг. 4 разрез Б-Б на фиг. 3; на фиг. 5 продольный разрез активной зоны пред лагаецого реактора; на (J9ir. 6 показано распределение нейтронного поля и поля тепловыделения по изобретению и прототипу; на 4мг. 7 - продольньй разрез ТВС по изобретению для предлагаемого случая, когда воспроизводящая прослойка простирается вплдть до экранных частей ТВЭЛов. Тепловьщелянядая сборка содержит топливную часть 1 ТВЭЛов с обогащенным топливом, воспроизводящую прослойку 2 с обедненным или естественным ураном, экранные части 3, боковой экран 4, окружающий активную зону 5 реактора; кривые распределения нейтронного потока 6 и поля тепповыделения 7 в известной конструкции реактора, а 8 и 9 - соответственно кривые распределения нейтронного потока и поля тепловьщеления в настоящей конструкции реактора характеризуют возможности выравнивания аксиального распределения процессов. Важным фактором в достижении высоких показателей воспроизводства является выбор материала воспроизво дящей прослойки. В настоящей конст рукцин реактора в качестве наиболее эффективной воспроизводящей прослой ки применен металлический уран. Настоящее техническое решение по воляет при необходимости увеличить долю металлического урана в активной зоне, не ослабляя нейтронной связи нижней и верхней частей активной зоны (за счет увеличения размера воепроизводящей прослойки) и повысить коэф щиент воспроизводства до требуемых значений. Другим вариантом исполнения настоящего технического решения является несимметричное размещение воспроизводящих прослоек в масштабе всей топливной сборки, т.е. для части сбо рок во всех ТБЭЛах воспроизводящие прослойки размещены вверху, а у остальных сборок - внизу от диаметраль ной плоскости. Таким образом, каждая сборка будет содержать однотипные по размещению воспроизводящей прослойки ТВЭЛы. Это позволяет упростить процесс сборки ТВЭЛор в ТВС и технологию переработки отработавших ТВС. Размещение разнотипных (по размещению воспроизводящих прослоек) ТВС в активной зоне может осуществляться по концентрическим зонам или в равномерной решетке ТВС. Предлагаемое техническое решение имеет следующие положительные качества: обеспечивает более сильную нейтронную связь подзон активной зоны, достигается дополнительное аксиальное выравнивание поля тепловыделения и нейтронного поля с сохранением его симметрга относительно диаметральной плоскости, повьш1ается накопление плутония в воспроизводящей прослойке и всей активной зоне, в результате чето существенно уменьшается темп изменения реактивности от выгорания.горючего, что позволяет увеличить дли- . тельность работы реактора без перегрузки и сократить число компенсаторов выгорания. Не менее важным факто ром является то, что эти эффекты не ослабляются с увеличением размера аксиальной воспроизводящей прослойки и при использовании в качестве материала прослойки плотного металлического урана. С точки зрения теплогидравлики предложенное техническое решение никаких особенностей по сравнению с прототипом (при симметричном размещении воспроизводящей прослойки), не имеет, поскольку все топливные элементы в сборке (со смещением вверх и вниз прослойки) будут иметь одинаковое тепловыделение и подогрев теплоносителя. Поэтому особых требований к идеальному перемешиванию теплоносителя соседних ТВЭЛов в данном случае не возникает. Эффективность настоящего технического решения рассчитана на примере реактора типа БН-1600 с гетерогенной активной зоной. Результаты расчетов приведены в таблице. Из этих результатов следует: - усиление нейтронной связи верхней и нижней частей активной зоны можно видеть по величине К, смешанной подзоны с воспроизводящими прослойками. Для прототипа ,5, т.е. смешанная подзона подкритична (поглощающая) и подзоны с топливными частями ТВЭЛов связаны слабо. Для предлагаемого технического решения этой подзоны возрастает до 1,1-1,2, т.е. подзона становится размножакяцей При этом исчезает спад нейтронного потока 8 в этой подзоне, поэтому не возникают трудности в управлении реактором;- внутренний коэффициент воспроиз водства КВА (активной зоны с воспроизводящей прослойкой) возрастает с 0,93 до 1,01, а изменение реактивности за интервал работ ы без перегрузки меняется от 1,6% до нуля, т.е достигается полная самокомпенсация выгорания и реактивности, что позволяет увеличить интервал работы без перегрузки в два раза при уменьшении числа компенсаторов в несколько раз; - аксиальный коэффициент неравномерности нейтронного поля по всей высоте активной зоны уменьшается с 1,3 до 1,08, до такой же величины уменьшается неравномерность тепловыделения в топливной части ТВЭЛов. В результате средняя линейная нагрузка ТВЭЛа увеличивается на 5%, что позволяет соответственно уменьшить число ТВС и критическую эагруэку. Таким образом, предлагаемое изобретение улучшает целый комплекс физических и экономических характеристик быстрых реакторов. Техническое решение применимо для быстрых реакторов с любым видом теплоносителя (натрий, пар, газ и др.) и топлива (оксидное, нидри хное, карбидное и т.д.).

1. ТЕППОЫВДЕЛЯЮЩАЯ СБОРКА ШСТРОГО РЕАКТОРА, содержащая тепловыделяющие элементы, в топливной части которых размещена воспроизводящая прослойка, отличающаяся тем, что, с целью улучшения показа-, телей воспроизводства, энерговьфаботки и упрощения управления реактором, воспроизводящая прослойка топливной части тепловыделякяцих элементов размещена несимметрично относительно поперечной плоскости сборки, причем у. одной части тепловыделяющих элементов она смещена вверх, а у другой вниз. 2. Сборка по п. 1,отличающая с я тем, что воспроизводящие прослойки размещены несимметрично относительно поперечной плоскости и одинаково для каждой части теплоО) вьщеляющих элементов. 00 х 00 сх 8./

Объем активной зоны, м Высота активной зоны, см

воспроизводящей

прослойки, см

Количество ТВС в активной

зоне (отн. ед.)

Критическая загрузка,

S, кг

Аксиальный коэффициент неравномерности по активной зоне

а)нейтронного потока

б)тепловыделения по топливной части

KB

КВА

Изменение реактивности (jkt 150 сут)

Количество компенсаторов

выгорания (bt 150 сут)

-0,5 О

О

-5% -175 кг

-17%

-4,4%

0,04

0,07

+ 1,4% -10

Интервал работы между

перегрузками, сут

Кд5 (смешенная подзона)

{Избыточное воспроизводство

Ри, кг/год

Средняя глубина выгорания

(при , 10%)%

Средняя энергонапряженность,

кВт/см

300в 2 раза

1,1-,20,6-0,7

40 кг/год

635

0.4

8,4

5Z

420

..

(риг.2

фиг. 7