Устройство для управления энерговыделением в канале ядерного реактора Советский патент 1985 года по МПК G21C7/22 

Изобретение относится к средствам управления ядерными реакторами. Оно предназначено для использования на ядерных реакторах, оборудованных рабочими или экспериментальными кана лами, для обеспечения заданных режимов работы тепловыделяющих элемек-г тов.

Энерговьщеление облучаемых в канале ядерного реактора материалов определяется величиной плотности нейтронного потока облучения. Управление энерговыделением в канале можно осуществить изменением поглощающих свойств окружающей канал среды.

Известно устройство, в котором управляющий объем с газом-поглотителем нейтронов связан через регулируемые дроссели мембранного блока с баллоном высокого и низкого давлени разность давлений в которых поддерживается насосом СО Мембранный блок сравнивает давление в управляющем объеме с заданным и регулирует проходные сечения дросселей, осуществляя точную регулировку давлени в управляющем объеме. Диапазон изме нения давления в этом устройстве определяется разнбстью давлений в баллонах и может быть достаточно большим. однако поглощающий газ в этом устройстве загрязняется парами масл от насоса и проходит по коммуникациям с сальниковыми уплотнениями, что при больших давлениях резко уве личивает утечки поглотителя и радиационную опасность при разгерметизации устройства. Дпя повышения надежности газовых устройств их часто выполняют в виде замкнутого объема, без насосов и бе сальниковых уплотнений. Такие устройства, -содержащие в качестве регу лирующего элемента сильфов, мембран или нагреватель, более надежны, но регулировочные возможности у них ниже. Известно устройство представля-ющее собой замкнутый объем, содержащий по меньшей мере один нагреватель ЫЗ. Часть этого объема распол жена в активной зоне реактора, а другая часть - вне ее. Плотность газа-поглотителя в активной зоне изменяется при помощи нагревателя, который создает необходимый перепад температур газа в замкнутом объеме и перераспределяет, таким образом.

газ внутри этого объема. Это устройство высоконадежно, так как не содержит никаких пневмоэлементов, ПОДВИЖНЫХмеханизмов, разъемных

соединений, обладает высокой точностью регулирования. Однако небольшой диапазон изменения плотности поглотителя в активной зоне (в 2-3 дает возможности использовать это устройство, если требуется изменять энерго-, выделение в щироких пределах.

Известно устройство, содержащее замкнутый объем, разделенный сильфоном. на две секции Сз. Одна секция

находится в активной зоне реактора и наполнена, слабопоглощающим газом bOg, а другая расположена в выходном Потоке теплоносителя, который служит нагревателем газа. Последняя секция содержит сильнопоглощающий газ BFj , количество которого в активной зоИе зависит от положения сильфона и определяется степенью разогрева этого газа теплоносителем. Такое устройство работоспособно лишь на одном определенном уровне мощности и не использует преимущест-. ва газообразного поглотителя, так как поглощающий газ в нем управляет энерговьщелеНием аналогично твердому стержню, вводимому в активную зону сверху. Расположение подвижного механизма (сильфона) в зоне нейтронного потока снижает надежность и ухудшает эксплуатационные качества этого устройства. Наиболее близким к изобретению по технической сущности является устройство для управления энерговьщелением в канале ядерного реактора, содержащее емкость, наполненную газом-поглотителем нейтронов, управляющий объем, расположенный в активной зоне реактора, устройство очистки с цир-: кулятором газа и сильфон с приводом Сильфон с электрическим приводом, сжимая или расширяя газ-поглотитель BF, , изменяет его плотность в управляющем объеме, в активной зоне. Эффективное управление величиной энерговьщеления в зоне достигается за счет правильного соотношения объёмов. Объем, оборудованный сильфонным вытеснителем, должен быть в несколько раз больше управляющего объема. Для обеспечения продолжительной работы в устройстве предусмотрена. очистка от продуктов выгорания поглотителя, которая осуществляется циркуляцией газа-поглотителя через специальное устройство очистки. Однако в этом устройстве для широ кого диапазона изменение давления , поглотителя требуется объемный сильфон с мощным приводом, а отношение максимального и минимального давлений, создаваемых сильфоном прин ципиально ограничено. Например, если управляющий объем в активной зоне реактора равен 1 л, а давление газапоглотителя в нем требуется изменять от 0,2 до 10 атмосфер, то объем силь фонного вытеснителя должен быть не менее 49 л. Если учесть объем цир кулятора газа через устройство очист ки (допустим, он равен 4л), то при прежних размерах сильфона диапазон создаваемых им давлений уменьшитсяпочти в 5 раз. Для компенсации этого эффекта путем увеличения степени сжатия потребовалось бы увеличить объем сильфона до 245 л, а чем больше сильфон, тем мощнее требуется привод и тем сложнее осуществить точ ное регулирование, .Целью изобретения является расширение диапазона и повышение точности регулирования. Эта цель достигается тем, что в устройстве для управления знерговыделением в канале ядерного реактора содержащем емкость, наполненную газом-поглотителем нейтронов, управляющий объем, расположенный в активной зоне реактора, устройство очистк с циркулятором газа и сильфон с приводом, в качестве циркулятора газа применен термоусилитель давления, оборудованный активным охладителем, Емкость с газом-поглотителем нейтронов через отсечной клапан соединена с термоусилителем, который через впускной клапан соединен с управляющим объемом. Последний через дроссель и выпускной клапан соединен с термоусйлителем, к которому подключена плюсовая трубка дифференциального манометра, минусовая трубка которого подключена к управляющему объему. Термоусилитель давления выполнен в виде объема с нагревателем расположенным внутри него. Привод сильфона представляет собой насос к входу и выходу которого подключены первая и вторая пара клапанов. Первая пара подключена с другой стороны к сильфону, а вторая пара - к сбросному и всасывающему трубопроводу соответственно. Термоусилитель давления, который представляет собой объем, оборудованный нагревателем и активным охладителем газа, способен увеличить предельное давление сильфона в 4-5 раз без изменения его размеров. Поскольку этот термоусилитель является и точным регулятором, то требования к мощности привода сильфона снижаются, что позволяет сократить габариты и вес устройства. ; В предлагаемом устройстве с помощью сильфона осуществляется грубая регулировка в широком диапазоне, необходимая для выхода на заданный режим работы канала, а с помощью терморегулятора -, точная, оперативна:я регулировка в узком диапазоне при работе в заданном режиме. Как только сильфон устанавливает давление поглотителя, близкое к заданному, включается терморегулятор и в автоматическом режиме поддерживает необходимый уровень энерговыделения в канале. Во время работы терморегулятор обязательно отсечен от объема с сильфоном клапаном, чтобы отноше ние объема, где газ нагревается, к остальному газовому объему в устройстве бьшо оптимальным, т.е. равно 5-7. Только в этом случае терморегулятор эффективен. Термоусилитель увеличивает давление, которое устанавливается при помощи сильфона. Когда сильфон достигает предельного давления, термоуси- литель расширяет его диапазон в Ьсесколько раз. Характерно, что у такого усилителя верхний предел .рабочих давлений ограничен только прочностью корпуса устройства, и тим определяется его главное преимущество перед всевозможными механическими средствами усиления давления. К тому же, чем выше давление, тем сильнее должен быть механический привод, а термоусилитель одинаково хорошо работает при любом давлении. Использование активного охладителя, работающего асинхронно с нагревателем, позволяет расширить диапазон действия термоусилителя давления без значительного снижения быстродействия. Диапазон изменения давления термоусилителя увеличивается почти в 2 раза за счет повышения средней по объему температуры газа. Это достигас ГС я и:) интенсивности охлаж дения объема во время работы. Когда нлгреватель включен, активный охладитель, например вентилятор, выключен, средняя по объему термоусилителя температура газа повьппается за счет разогрева граничных слоев газа у стенок корпуса. Когда нагреватель отключен, включен охладитель и интенсивность охлаадения корпуса термоусилителя и газа в нем резко возрастает, температура газа быстро уменьшается. Коэффициент теплоотдачи при пере ходе теплообмена в воздухе от свободной конвекции к вынужденной может увеличиться более, чем в 10 раз, что доказывает эффектив-« ность такого простого активного охладителя как вентилятор, Элемент сравнения давлений в управляющем объеме и объеме усилите ля позволяет точно определить момент открытия впускного клапана, чт повышает точность регулировки. В качестве такого элемента может служить дифференциальный манометр с электрическим выходным сигналом. На чертеже показано устройство для управления энерговьщелением в канале ядерного реактора. В канал ядерного реактора 1 поме щен испытуемый тепловыделяющий элемент 2, который окружен коаксиальны управляющим объемом 3 с .газом-погло тителем и охлаждается теплоносителем, 4, В качестве поглотителя выбра гелий-3. Емкость 5, накопленная газом-поглотителзм с .сильфоном 6,служит для грубого задания режима рабо ты канала и обеспечивает широкий диапазон .изменения давления газапоглотителя в управляющем объеме. Для точного регулирования давления при обеспечении выбранного режима служит объем 7 с нагревателем 8, , представляющий собой термоусилитель Он оборудован активным охладителем и дифференциальным манометром 10 и выполняет также функции точного регулятора и циркулятора газа, В качестве активного охладителя испол зуется вентилятор. Блок очистки 11 освобождает гелий 3 от радиоактивного трития и водорода, которые накапливаются в устройстве вследствие ядерной реакции. Очистка производится химическим улавливанием. Вентили 12 служат дополнительными к клапанам 13 запорами при замене блока очистки. Клапаны 13 отключают блок очистки от остального объёма устройства и слу- жат выпускными клапанами, когда блок в работе. Когда блок очистки отключен, выпускным является клапан 14, который в остальное время закрыт, а впускным - клапан 15. Скорость истечения поглотителя из канала ограничивается регулируемым дросселем 16. Это защищает от чрезмерной скорости уменьшения реактивности. Во время работы термоусилителя впускной клапан открывается при поступлении поглотителя в управляющий объем, а . выпускной - при обратном движении газа. Так достигается циркуляция таза в управляющем объеме, которая необходима для эффективной очистки и равномерного пополнения новыми порциями газа из баллона 17. Этот баллон, в котором газ-поглотитель находится под высоким давлением, как средство подпитки подключается.к устройству через ограничивающий дроссель 18 и вентиль 19, а как средство защиты - через аварийный клапан 20, Вентиль 21 установлен для вакуумирования устройства и наполнения его поглотитетем. Клапан 22 отсекает термоусилитель в режиме работы от емкости с сильфоном и повыщает его эффективность за счет улучшения соотношения объемов. Привод сильфона образован форвакуумным насосом 23 и клапанами 24 и 25, при помощи которых осуществляется его реверс. Пневмопривод сильфона позволяет применить в устройстве электродвигатель меньшей мощности, чем требуется в случае электропривода. Это объясняется тем, что двигатель в электроприводе должен развивать усилие в несколько раз большее, чем в насосе пневмопривода, так как площадь поршня насоса может быть во много раз меньше площади сильфонного вытеснителя. Мановакууметры для контроля за рабочими давлениями газа в различных объемах устройства на чертеже не показаны. Устройство работает следующим образом. Чтобы установить нужный уровень ;энерговьщеления в канале, включается насос 23 и открывают клапаны 15, 22, 24. Насос нагнетает воздух в сильфон 6, увеличивает давление поглотителя в емкости 5, в объеме 7 с нагревателем 8 (термоусилителе) и управляющем объеме 3, Поглощающая способность управляющего объема 3 увеличивается, энерго вьщеление тепловьщеляющего элемента в канале з еньшается. Как только энерговьщеление приблизится к заданному, клапан 22 отсекает емкость 7 от остального объема устройства. Включ;ается нагреватель 8, газ в объе ме 7 разогревается, часть его вследствие термодиффузии переходит в управляющий объем 3, давление в кото ром, таким образом, повышается до тех пор, пока, энерговьщеление не достигнет точно заданной величины. Когда это произойдет, клапан 15 отсе кает управляющий объем 3 от термоуси лителя 7, нагреватель В выключается и одновременно включается вентилят тор 9. Газ в объеме 7 начинает охлаж даться, вследствие чего его давление в этом объеме становится меньще, чем в управляющем объеме 3, Если нейтрон ный поток в активной зоне реактора 1 уменьшится, уменьшится и энерговьщеление в канале. При этом открываются выпускные клапаны 13, и поглотитель через ограничивающий дроссель 16 и блок о.чистки 11 начнет выходить из управляющего объема 3, увеличивая энерговьвделение в канале. Когда энер говыделение будет вновь равно заданной величине, клапаны 13 закроются. Если нейтронный поток увеличит энергрвыделение, включится нагреватель В а вентилятор 9 выключится. Давление в объеме 7 вследствие разогрева газа начнет увеличиваться. Когда оно достигнет величины давления газа в объе |ме 3, элемент сравнения 10 (дифферен циальньй манометр) даст сигнал и включится впускной клапан 15, Давление в объеме 3 начнет возрастать, а энерговьщеление в канапе - уменьшаться. При ДОСТИЖЕНИИ заданной величины впускной клапан 15 снова закроется, нагреватель 8 отключится, и начнет работать вентилятор 9. : Переход на новый уровень энерговьщеления производится при помощи сильфона 6 при открытых клапанах 15 и 22. Затем клапан 22 закрывается и в работу опять включается термоусилитель.. -Когда непрерывной очистки газа не требуется, например, при малых величинах плотности нейтронного потока в активной зоне, а также во время замены устройства очистки 11, клапаны 13 закрыты. В это время роль выпускного выполняет клапан 14, который в остальное время закрыт. Если требуется увеличить интенсивность очистки, то искусственно создаются небольшие периодические колебания давления в термоусилителе 7, в соответствии с которыми работают клапаны 13 и 15, осуществляя непрерывную циркуляцию газа через устройство очистки 11, Режим очистки осуществляется в основном в перерывах работы устройства, когда управление энерговыделеНием в канале не осуществляется. .По сигналу аварийной защиты.клапаны 14 и 15 одновременно закрываются, а аварийный клапан 20 открывается.- Газ из баллона 17 под высоким давлением бысТро заполняет управляющий объем 3 и вносит отрицательнугс реактивность. Дроссель 16 при работе устройство ограничивает скорость истечения газа из объема 3 в соответствии с требованиями ядерной безопасности. Дроссель 18 ограничивает подачу новых порций газа из баллона 17, когда он подключается вентилем 19 для компенсации йыго1Ьания. Таким образом, в устройстве достигается увеличение диапазона регулирования за счет использования в качестве циркуляторагерМоусилИтеля давления и повышение Точности - за счет использования этого усилителя в качестве регулятора и оборудования его элементом сравнения давлений. Габариты и вес устройства снижаются вследствие уменьшения мощности привода сильфона, который служит лишь для грубого задания режима работы канала. Надежность устройства обеспечивается сварными соединениями и резервированием нагревателя. Ядерная безопасность гарант.ируется быстродействующей защитой, предусмотренной в устройстве, ограничением максимальной реактивности, вносимой устройством до величины 3 и ограничением скорости изменения этой реактивности.

1 . УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ЭНЕРГОВЬЩЕЛЕНИЕМ В КАНАЛЕ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА, содержащее емкость, наполненную газом-поглотителем нейтронов, управляющий объем, расположенный в активной аоне реактора, устройство очистки с циркулятором газа и сильфон с приводом, о т л и ч а ю щ ее с я тем, что, с целью расширения диапазона регулирования устройства и повышения точности регулирования, в качестве циркулятора газа применен термоусилителБ давления, оборудованный активным охладителем, причем емкость с газом-поглотителем нейтронов через отсечной клапан соединена с термоусилителем,который через впускной клапан соединен с управляющим объемом, который через дроссель и выпускной клапан соединен с термоусилителем, к которому подключена плюсовая трубка дифференциального манометра, минусовая трубка которого .подключена к управляющему объему. 2. Устройство по п. 1, о т h и(Л чающееся тем, что термоусилитель давления выполнен в виде объема с нагревателем, расположенным внутри него. 3. Устройство по п. 1 , о т л ич а ю щ е е с я тем, что привод | сильфона представляет собой насос, к входу и выходу которого подключены первая и вторая пары клапанов, при :о эо чем первая пара подключена с другой стороны к сильфону, а вторая пара к сбросному и всасывающему трубопроводу соответственно.