ЯДЕРНЫЙ РЕАКТОР НА БЫСТРЫХ НЕЙТРОНАХ Советский патент 1996 года по МПК G21C1/02 

Изобретение относится к области ядерной техники и может быть применено преимущественно для энергетических установок с использованием ядерного реактора на быстрых нейтронах.

Известна конструкция ядерного газоохлаждаемого реактора-бридера на быстрых нейтронах, отличительные черты которой заключаются в высокой средней плотности топлива, низкой средней концентрации замедляющих ядер газового теплоносителя (например, гелия), а также высокой энергонапряженности Р/V (P мощность активной зоны, V ее объем). Эти конструктивные особенности обуславливают такие положительные характеристики как жесткий спектр нейтронов и соответственно высокий коэффициент воспроизводства, сравнительно малое время удвоения.

Недостатком газоохлаждаемого быстрого реактора является необходимость поддержания высокого давления газа в корпусе реактора, чтобы обеспечить необходимую скорость теплосъема.

Этот недостаток обусловлен использованием газового теплоносителя. Необходимость высокого давления внутри реактора приводит к опасности разрушения корпуса с последующей аварией реактора и, кроме того, приводит к повышенной стоимости конструкции.

Наиболее близкой к заявляемой конструкции реактора по технической сути является конструкция быстрого реактора с жидкометаллическим (натриевым) теплоносителем БН-800, взятая в качестве прототипа. Реактор состоит из активной зоны, содержащей смешанное керамическое топливо, например, VO₂ P₄O₂, и наружных зон воспроизводства (экранов). Жидкометаллический теплоноситель не требует высокого давления, так что в нем устранен указанный выше недостаток газоохлаждаемого реактора. Отличительные черты всех быстрых реакторов типа БН заключаются в использовании максимально высокой средней плотности топлива и максимально высокой средней энергонапряженности, а также в использовании натрия в качестве жидкометаллического теплоносителя. Эти черты приводят к принципиальной возможности получения хороших физических и технических характеристик (несмотря на несколько более мягкий спектр нейтронов по сравнению с газоохлаждаемым реактором) таких как высокий коэффициент воспроизводства, малая удельная загрузка и малое время удвоения, большая единичная мощность реактора (например, 800 МВт(э) и более). В существующих конструкциях реакторов типа БН такие параметры как мощность Р, объем активной зоны V, обогащение топлива и утечка нейтронов оказываются взаимосвязанными; мощность примерно пропорциональна объему (Р V), обогащение и утечка падают с ростом объема.

Активная зона реактора БН-800 заполнена тепловыделяющими сборками (ТВС) с плотной компоновкой, содержащими твэлы со смешанным VO₂-P₄O₂топливом. Натрий прокачивается через достаточно тесную решетку твэлов, заполняя как межтвэльное, так и межкассетное (т.е. между ТВС) пространство. Средняя по объему твэла и, соответственно, по ячейке реактора плотность топлива выбирается максимально возможной, практически в интервале 75-85% от теоретической плотности. Ограничение верхнего значения вызвано необходимостью запаса пористости для компенсации распухания топлива, так что с ростом глубины выгорания имеется тенденция снижения средней плотности топлива, в ущерб физическим характеристикам. Конструктивная особенность твэла, обусловленная желанием использовать топливо с повышенной средней плотностью, заключается в том, что топливная втулка имеет вид сплошного сердечника цилиндрической формы (стерженька). В процессе работы реактора в сердечнике возникает небольшое центральное отверстие; с учетом этого заводская технология иногда предусматривает наличие отверстия небольшого диаметра в свежем твэле для облегчения пускового режима работы. С помощью таких твэлов разработчики стремятся достигнуть максимально возможной средней по активной зоне энерговыработки за счет максимальных значений массовой тепловой нагрузки q_m и линейной тепловой нагрузки q_l твэла в условиях тесной решетки твэлов. Для максимизации значений q_m и q_l разработчики стремятся уменьшить диаметр твэла, с тем чтобы увеличить среднюю по объему твэла рабочую температуру топлива в условиях ограничения со стороны температуры плавления. При этом растет стоимость изготовления одного твэла и количество твэлов в активной зоне, т.е. топливная составляющая стоимость электроэнергии.

В прототипе используется топливо пониженного обогащения (15-20%), что ведет к некоторой специфике физических характеристик. Специфика заключается в том, что с ростом мощности реактора и, соответственно, снижением обогащения (как отмечалось выше) спектр нейтронов смягчается, падает утечка, уменьшается коэффициент воспроизводства (хотя подрастает коэффициент внутреннего воспроизводства), увеличивается натриевый пустотный эффект реактивности (НПЭР).

Недостатками прототипа являются:
1. Большое положительное значение НПЭР (на уровне не менее 5-6 β_эф), свидетельствующее о повышенной опасности реактора, и смягченный спектр нейтронов, обуславливающий пониженный коэффициент воспроизводства.

2. Ограничение глубины выгорания эффектами распухания материалов (топлива и стали), а также ограничение массовой и линейной тепловых нагрузок q_m и q_l, связанные с повышенной энергонапряженностью, что в целом снижает надежность работы реактора.

Эти недостатки обусловлены самой принятой концепцией БН как типа быстрого реактора с высокой средней плотностью топлива пониженного обогащения и достаточно высокой энергонапряженностью, и конструктивными решениями в рамках этой концепции использованием твэла стерженькового типа, тесной решетки твэлов, плотной компоновкой ТВС. Как отмечалось, стерженьковый твэл обеспечивает повышенную среднюю плотность топлива, но в нем образуется большой температурный перепад на топливном сердечнике, что ведет к ограничению q_m и q_l. Малый диаметр твэла приводит к росту топливной составляющей. Плотная компоновка твэлов ТВС в активной зоне уменьшает утечку, т.е. является причиной высокого НПЭР. Низкое обогащение приводит к смягчению спектра и уменьшению коэффициента воспроизводства.

В данном изобретении указанные недостатки устраняются, что приводит к увеличению надежности и безопасности, т.е. обеспечиваются:
1. Уменьшение значения НПЭР в реакторе БН большой мощности, увеличение коэффициента воспроизводства.

2. Увеличение глубины выгорания и значений массовой и линейной тепловых нагрузок в условиях снижения энергонапряженности за счет конструктивных изменений конструкций твэлов (ТВС).

Для достижения указанной выше цели устранения недостатков в прототипе с плотной компоновкой ТВС, содержащих пучок стерженьковых твэлов в потоке теплоносителя, активная зона выполнена из материалов, включая топлива, имеющих малую среднюю по ячейке плотность, т.е. повышенную эффективную пористость, причем пористость выполнена путем образования в активной зоне пустых (газонаполненных) объемов в одном из следующих вариантов внутритвэльная пористость, либо внутритвэльная в комбинации с межтвэльной или межкассетной, причем пористость заранее рассчитана в зависимости от мощности реактора. Предлагается реактор со следующими особенностями: введенная тем или иным способом пористость активной зоны обеспечивает выполнение требования (критерия)
НПЭР < β_эф (1)
Введение тем или иным конструктивным способом заранее рассчитанной пористости в конструкцию прототипа приводит к устранению его недостатков, т.е. к появлению следующих преимуществ:
увеличивается утечка нейтронов из активной зоны и, как следствие этого, уменьшается НПЭР, спектр нейтронов становится более жестким, увеличивается коэффициент воспроизводства;
появляются свободные объемы в активной зоне, которые можно использовать для компенсации распухания материалов, тем самым можно увеличить глубину выгорания;
уменьшается температурный перепад на топливном сердечнике и максимальная температура, тем самым, имея компенсационный объем на распухание, можно увеличить массовую и линейную тепловые нагрузки q_m и q_l;
внутритвэльный объем может быть использован как газосборник в пределах высоты активной зоны, тем самым можно уменьшить общую длину твэла, обычно включающую в себя газосборник, расположенный за пределами активной зоны.

Таким образом, уменьшение НПЭР, увеличение глубины выгорания, увеличение q_m и q_l, рассматриваются как следствия целенаправленно введенной и реализованной в конструкции твэлов и ТВС пористости активной зоны. В целом данный комплекс мероприятий может рассматриваться как улучшение технико-экономических показателей.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

Фиг. 1 ячейка твэлов с эффективной внутренней пористостью и гетерогенной структурой топливной втулки.

Фиг.2 ячейка твэлов с пористостью межтвэльного типа:
a) вариант использования полых вытеснителей;
б) вариант твэлов с внутренней прокачкой теплоносителя.

Фиг.3 вариант эффективной пористости межкассетного типа.

Заявляемая конструкция "пористого реактора" состоит из "пористой" активной зоны и наружных зон воспроизводства (экранов), композиция последних подлежит оптимизации в зависимости от требований к конкретному проекту. Активная зона набирается из ТВС, заполненных твэлами, причем конструкция ТВС и твэлов зависит от типа введенной пористости. Твэл с внутренней пористостью состоит из топливных втулок, заключенных в наружную оболочку 1, причем топливная втулка может изготавливаться из однородной (гомогенной) смеси урановой и плутониевой керамики либо иметь гетерогенную структуру. Наружный слой выполнен из керамики на основе делящегося материала 2, внутренняя часть из керамики на основе сырьевого материала 3. Во втулке имеются аксиальные отверстия 4 (одно центральное или несколько отверстий), заполненные инертным газом. На фиг. 1 показан пример твэла с втулкой, имеющей одно отверстие. В варианте ТВС с внутритвэльным типом проводимости охлаждение твэлов осуществляется теплоносителем, прокачиваемым через межтвэльное пространство.

В случае дополнительно введенной пористости межтвэльного типа предусматривается наличие "пустоты" в пространстве между твэлами, в качестве которых служат твэлы 6, описанные на фиг.1.

На фиг. 2а показан вариант полого вытеснителя 7 (тонкостенная трубка, наполненная инертным газом) когда каждый третий твэл в обычной треугольной ячейке твэлов заменяется таким вытеснителем. Вытеснитель может представлять также тонкостенный цилиндр не круглого, а фигурного сечения. Между твэлами и вытеснителями прокачивается теплоноситель 5. Другой вариант введения пористости межтвэльного типа показан на фиг.2б, когда ТВС состоит из пучка кольцевых твэлов, особенность которых прокачка натрия внутри них. В этом случае межтвэльное пространство заполнено инертным газом. Твэл состоит из наружной трубчатой оболочки 1, внутри которой находится собственно твэл внутренняя трубка 8, содержащая топливные втулки 9 (типа показанной на фиг.1). Между внутренней и наружной оболочками прокачивается теплоноситель 10, пространство между кольцевыми твэлами заполнено инертным газом 11.

В случае введенной пористости межкассетного типа конструкция активной зоны выполнена из неподвижных кожухов-каналов 12, фиг.3, внутри которых помещаются ТВС 13 из твэлов, конструкция которых аналогична конструкции, описанной на фиг. 1. Сборка твэлов может быть заключена в чехол, либо быть без чехла. Теплоноситель 14 прокачивается через ТВС и зазоры между чехлами ТВС (кассетами) и неподвижными кожухами. Наружное пространство между кожухами заполнено инертным газом 15, объемная доля которого конструктивно рассчитывается с учетом обсуждавшегося ранее критерия введенной общей средней пористости.

Реактор работает в стационарном состоянии следующим образом. После включения насосов циркуляции теплоносителя производится вывод реактора на номинальную мощность. Конструкция активной зоны в любом из описанных вариантов ТВС и твэлов предусматривает соответствие теплогидравлических характеристик проектной мощности. Введение пористости, как показано, не сопровождалось принципиальными дополнительными ограничениями на теплогидравлические характеристики. Тем самым, требование введения в активную зону дозированной пористости того или иного типа как средство достижения поставленной цели, оказывается выполненным. Коэффициент пористости оценивается в процессе проектирования и оптимизируется варьированием параметров, определяющих конструкции ТВС и твэлов и их геометрии (фиг.1-3).

Динамическая модель поведения реактора с большой пористостью предусматривает переход от стационарного штатного состояния к аварийному, при котором за счет несанкционированного введения положительной реактивной происходит быстрое вскипание теплоносителя в активной зоне с последующим его выбросом (опустошением). Особенностью пористого реактора является отрицательный коэффициент реактивности при опустошении активной зоны. Именно с этим эффектом и связан критерий НПЭР < β_эф, отражающий самогасящее действие реактора, т.е. характеризующий внутреннюю физическую безопасность реактора по отношению к явлению опустошения.

Теперь в плане дополнительного пояснения покажем, что положительный эффект (снижение НПЭР до уровня ниже β_эф) достигается при достаточно сильной эффективной пористости в реакторах типа БН большой мощности. Понятие "большая мощность" среди специалистов-реакторщиков ассоциируется с мощностью более 600 МВт(э). Практически изучаются проекты БН с мощностью в диапазоне 600-1600 МВт(э). Реакторы с мощностью заметно ниже 600 МВт(э) попадают в класс так называемых "модульных" реакторов и здесь не рассматриваются из-за их специфики.

Из принципа "оптического" подобия в условиях постоянства энерговыделения в единице массы топлива (q_m const) была выведена формула, связывающая коэффициент пористости π в пористом реакторе с большой мощностью Р, который оптически эквивалентен "плотному" ( π 0) "реактору-образцу" малой мощности Р_o, у которого НПЭР ≅β_эф. Формула имеет вид:
π 1- (2) Из этой формулы следует, что пористый реактор с мощностью Р 800 МВт(э), эквивалентный по своим физическим свойствам (значению НПЭР, жесткости спектра и т.д.) "реактору-образцу" с Р_o 200 МВт(э), должен характеризоваться коэффициентом пористости, введенной в композицию "реактора-образца", π 0,5. При π 0,4 отношение P/P_o 2,7, что тоже, хотя и на пределе, обеспечивает оптически эквивалентный переход от "реактора-образца" с НПЭР ≅β_эф к реактору с мощностью, близкой к 600 МВт(э), в связи с чем значение коэффициента пористости π 0,4 рассматривается нами как пороговое для достижения положительного эффекта. Этот вывод подтверждается прямыми расчетами, при которых рассматривается семейство реакторов, не вполне удовлетворяющих принципу оптического подобия. Дело в том, что с ростом коэффициента пористости в серии подобных реакторов высота активной зоны растет пропорционально коэффициенту подобия. Практически соображения говорят о целесообразности ограничения этого роста, т.е. с ростом пористости целесообразно производить уплощение активной зоны. В конечном итоге, проектные оценки будут выбираться в результате комплексного оптимизационного расчета.

Итак, за базу сравнения можно взять характеристики прототипа (реактор БН-800). По нашим расчетным оценкам, при выборе коэффициента пористости π 0,5 в конструкции пористого реактора БН-800 значение НПЭР может быть снижено от уровня 5-6 β_эф примерно до нулевого уровня (НПЭР < β_эф), требуемого по критерию безопасности, глубина выгорания, а также массовая и линейная тепловые нагрузки будут увеличены на величину, зависящую от конструкции твэла, значение коэффициента воспроизводства увеличивается на величину Δ КВ 0,05-0,10 (в зависимости от конструкции экранов). Эти улучшения показателей работы реактора предполагаются для условий существующих конструкционных и топливных материалов, в первую очередь, аустенитных сталей и оксидного топлива, и будут еще большими в перспективе при использовании также ферритно-мартенситных сталей и карбонитридной керамики. Ожидается также снижение топливной составляющей за счет увеличения диаметра твэла и уменьшения количества твэлов в активной зоне.

Ниже приводится зависимость теплофизических параметров твэла в условиях "оптической эквивалентности" при фиксированной удельной загрузке, а также реакторные физические характеристики в зависимости от геометрии (фиг.4-6).

В таблице приведены результаты расчетов, характеризующие переход от реактора БН с традиционным стержневым твэлом (столбец 1) к пористому реактору с полым твэлом (столбцы 1-5).

На фиг. 4 показана зависимость перепада температуры на радиальном слое топливного сердечника от отношения диаметра полости к диаметру сердечника.

На фиг.5 показан расчетный эффект уменьшения НПЭР при уменьшении объема (мощности) активной зоны реактора БН со смешанным оксидным топливом.

На фиг. 6 показана зависимость НПЭР активной зоны при мощности реактора 800 МВт(э) от коэффициента пористости для реактора типа БН со смешанным оксидным топливом с высотой активной зоны 0,75-0,9 м.

Сущность: в активной зоне выполнены газонаполненные полости внутри твэлов и, возможно, между твэлами и между кассетами так, что активная зона имеет средний коэффициент пористости не менее 0,4, что позволяет снизить натриевый пустотный эффект реактивности до величины не более доли запаздывающих нейтронов. 2 з. п. ф-лы., 1 табл., 6 ил.

1. ЯДЕРНЫЙ РЕАКТОР НА БЫСТРЫХ НЕЙТРОНАХ с жидкометаллическим теплоносителем с электрической мощностью не менее 600 МВт, содержащий активную зону, набранную из тепловыделяющих сборок, включающих пучки твэлов с керамическим топливом, отличающийся тем, что, с целью повышения ядерной безопасности за счет снижения натриевого пустотного эффекта реактивности до величины меньше доли запаздывающих нейтронов и уменьшения удельной энергонапряженности активной зоны, в активной зоне выполнены равномерно распределенные по объему газонаполненные полости в таком количестве, что средний коэффициент пористости активной зоны составляет величину не менее 0,4. 2. Реактор по п.1, отличающийся тем, что газонаполненные полости выполнены в топливе внутри твэлов. 3. Реактор по п.1, отличающийся тем, что газонаполненные полости выполнены в расположенных между твэлами вытеснителях. 4. Реактор по п.1, отличающийся тем, что газонаполненные полости выполнены в пространстве между тепловыделяющими сборками.