Тепловыделяющая сборка быстрого реактора

 

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./

СОЮЭ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУ6ЛИН (19) (11) (51) 4 0 21 С 3 30

«««7«««««Ж «ъ ее 1„««" f«3 «), «)

« (ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Ч «.-,,:,".": r «-,;,у/ 1 б

«««ай«"- ««:

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОсудАРстВенный нОмитет сссР

По ДЕЛАМ ИЗО6РЕТЕНИЙ И ОТНРЫТЬй (21) 3419834/18-25 (22 ) 09.04. 82 (46) 23.03.87. Бюл. И 11 (72) В.-И. Матвеев, А..И. Новожилов, Б. Ф. Шафрыгин и Б. А. Васильев (53) 621.039.5(088.8) (56) Багдасаров Ю. Е. и др. Технические проблемы реакторов на быстрых нейтронах М., Атомиздат, 1969, с. 20-40. о

Авторское свидетельство СССР по заявке 1) 2967548/18-25, кл. G 21 С 3/28, 1980.

Авторское свидетельство СССР

И 803715, кл. G 21 С 1/02, 1978. (54)(57) 1, ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩАЯ СБОРКА

БЫСТРОГО РЕАКТОРА, содержащая тепловыделя(ж(ие элементы, в топливной части которых размещена воспроизводящая прослойка, отличающаяся тем, что, с целью улучшения показа-. телей воспроизводства, энерговыработки и упрощения управления реактором, воспроизводящая прослойка топливной части тепловыделяющих элементов раз-. мещена несимметрично относительно поперечной плоскости сборки, причем у одной части тепловыделякицих элементов она смещена вверх, а у другойвниз.

2. Сборка по п. 1, о т л и ч аю щ а я с я тем, что воспроизводящие прослойки размещены несимметрично относительно поперечной плоскости и одинаково для каждой части тепловыделяющих элементов.

1078938

Изобретение относится к атомной промышленности, а именно к активным зонам быстрых реакторов.

Известна тепловыделяющая 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 группе ТВЭЛов сырьевой материал по всей их длине.

Недостатком этой сборки является неравномерность подогрева теплоносителя по длине групп ТВЭЛов и аксиальная неравномерность энерговыделения, что уменьшает общую энерговыработку.

Наиболее близким по своей технической сущности и достигаемому результату к описываемой является тепловыделяющая сборка быстрого реакто25 ра, содержащая тепловыделяющие элементы, в топливной части которых размещена воспроизводящая прослойка, Однако указанная сборка с воспроизводящей прослойкой характеризуется З0 неравномерностью энерговыделения, а прослойка представляет из себя значительный нейтронный барьер, уменьшая нейтронную связь между топливными частями, 35

Целью изобретения является устранение укаэанных недостатков и разработка конструкции, которая характеризуется улучшением показателей воспроизводства, энерговыработки и упрощения управления реактором.

Указанная цель достигается тем, что в тепловыделяющей сборке быстрого реактора, содержащей ТВЭЛы, в топливной части которых размещена вос- 45 производящая прослойка несимметрично относительно. поперечной плоскости сборки, причем у одной части тепловыделяющих элементов она смещена вверх, а у другой — вниз.

Целесообразно также, чтобы воспроизводящие прослойки были размещены несимметрично относительно поперечной плоскости и одинаково для каждой части тепловыделяющих элементов.

В результате такого выполнения сборки в средней по высоте части активной зоны быстрого реактора образуется смешанная 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 прослойкй составляют половину высоты. активной эоны, таких подзон активной зоны -не будет ° При этом воспроизводящие прослойки будут примыкать к экранным частям ТВЭЛов (для ТВЭЛов с верхним размещением плослойки — 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 решении— 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 больше размеров

ТВЭЛов. С точки зрения теплогидравлики также нет строгих требований к такой регулярности, так как IIQ суммарному тепловьщелению и подогреву теплоносителя в ячейках, образованных ТВЭЛами, такая разнотипноcTb влияния не оказывает. Поэтому ошибка при монтаже тепловыделяющей сборки (или конструктивная сложность размещения разнотипных ТВЭЛов в регулярной решетке, как, например, при нечетном количестве 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 50Х-ное соотношение таких ТВЭЛов в сборке, На фиг. 1 изображена ТВС по прототипу с симметрично расположенными

10789 воспроизводящими прослойками у всех

ТВЭЛов сборки, продольный разрез; на фиг 2 — разрез А-А фнг. 1; на фиг.3предлагаемая ТВС с несимметричным размещением воспроизводящей прослойки, продольный разрез; на фиг. 4 разрез Б-Б на фиг. 3; на фиг. 5 продольный разрез активной зоны предлагаемого реактора; на фиг. 6 показано распределение нейтронного поля f0 и поля тепловыделения по изобретению и прототипу; на фиг. 7 — продольный разрез ТВС по изобретению для предлагаемого случая, когда воспроизводящая прослойка простирается вплоть 15 до экранных частей ТВЭЛов.

Тепловьщеляющая сборка содержит топливную часть 1 ТВЭЛов с обогащенным топливом, воспроизводящую прослойку 2 с обедненным или естествен- 20 ным ураном, экранные части 3, боковой экран 4, окружающий активную зону 5 реактора; кривые распределения нейтронного потока 6 и поля тепловыделения 7 в известной конструкции реактора, а 8 и 9 — соответственно кривые распределения нейтронного поо тока и поля тепловыделения в настоящей конструкции реактора характеризуют возможности выравнивания акси- 30 ального распределения процессов.

Важным фактором в достижении высоких показателей воспроизводства является выбор материала воспроизводящей прослойки. В настоящей конструкции реактора в качестве наиболее эффективной воспроизводящей прослойки применен металлический уран.

Настоящее техническое решение поэ40 воляет при необходимости увеличить долю металлического урана в активной зоне, не ослабляя нейтронной связи нижней и верхней частей активной зоны (за счет увеличения РазмеРа вос 45 производящей прослойки) и повысить .коэффициент воспроизводства до требуемых значений.

Другим вариантом исполнения настоящего технического решения является несимметричное размещение воспроизводящих прослоек в масштабе всей топливной сборки, т.е. для части сборок во всех ТВЭЛах воспроизводящие прослойки размещены вверху, а у остальных сборок — внизу от диаметральной плоскости. Таким образом, каждая сборка будет содержать однотипные по размещению воспроизводящей прослойки

38 4

ТВЭЛы. Это позволяет упростить процесс сборки ТВЗЛов 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 нейтpoH Io связь подзон аКТНВНоА зоны достигается дополнительное аксиальное выравнивание поля тепловыделения

/ и нейтронного поля с сохранением его симметрии относительно диаметральной плоскости, повышается накопление плутония в воспроизводящей прослойке и всей активной зоне, в результате че -го 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 сравнений с прототипом (при симметричном размеще-. нии 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.

Иэ этих результатов следует: — усиление нейтронной связи верхней и нижней частей активной эоны можно видеть по величине К, смешанной подзоны с воспроизводящими прослойками, Для прототипа К 0,5, т.е.

00 смешанная подзона подкритична (поглощающая) и подзоны с топливными частями ТВЭЛов связаны слабо. Дпя предла10789 38

9,5

105

105

100

-5X

5295

5470

-175 кг

-17X

1,3

1,08

-4,4X

0,04

1,12

1,07

1,58

КВ

1,62

0,93

КВА

1,00

0,07

-1,3

+l,4X

+0,1

16 — 10 гаемого технического решения К этой подзоны возрастает до 1,1-1,2, т.е. подзона становится размножающей.

При этом исчезает спад нейтронного потока 8 в этой подзоне, поэтому не возникают трудности в управлении реактором; — внутренний коэффициент воспроизводства КВА (активной зоны с воспро- 10 изводящей прослойкой) возрастает с

0,93 до 1,01 а изменение реактивности за интервал работы без перегрузки меняется от 1,6Х 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;

Объем активной зоны, м з

Высота активной зоны, см

Высота воспроизводящей прослойки, см

Количество ТВС в активной зоне (отн. ед.) Критическая загрузка, кг

Аксиальный коэффициент неравномерности по активной зоне а) нейтронного потока б) тепловыделения по топливной части

Изменение реактивности (gt = 150 сут)

Количество компенсаторов выгорания (at = 150 сут) б — аксиальный коэффициент неравномерности нейтронного поля по всей высоте активной зоны уменьшается с

l,3 до 1,08, до такой же величины уменьшается неравномерность тепловыделения в топливной части ТВЭЛов. В результате средняя линейная нагрузка ТВЭЛа увеличивается на 57, что позволяет соответственно уменьшить число ТВС и критическую загрузку.

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, нидридное, карбидное и т.д.).

1078938

300

150

0,6-0;7

1,1-1,2

0,5

40 кг/год

635

595

0,4

8,4

420

400

Интервал работы между перегрузками, сут

К (смешенная подзона) Избыточное воспроизводство

Ри, кг/год

Средняя глубина выгорания (при S„.ö„=10 ) %

Средняя энергонапряженность, кВт/см

Продолжение таблицы в 2 раза

Ъ! 078938

1078938 (рог.7 Ъ

Редактор П. Горькова Техред A.Êðàâ÷óê

Корректор И. Муска

Заказ 908/3 Тираж 395

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Подписное

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4