Орган аварийной защиты ядерного реактора

 

Сущность изобретения: устройство содержит рабочий объем, разделенный одной или несколькими замкнутыми перегородками на две или более полостей. Полости соединены через впускное устройство с системой, заполненной газообразным поглотителем. Расстояние δ между наружной стенкой рабочего объема и ближней к нему, перегородкой, а также между перегородками выбрано из условия: , где π - численный коэффициент, равный 3,14...; K - коэффициент теплопроводности газообразного поглотителя, r - плотность газообразного поглотителя; C_p - удельная теплоемкость газообразного поглотителя; t - длительность гашения мощности реактора. Кроме того, рабочий объем может быть снабжен теплопоглощающей вставкой, выполненной в виде трубок из конструкционного материала. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к ядерной технике, в частности к устройствам аварийной защиты импульсных ядерных реакторов. Целью изобретения является повышение эффективности и быстродействия. На фиг. 1 представлена конструкция органа аварийной защиты ядерного реактора; на фиг. 2 поперечный разрез (А-А на фиг. 1) предлагаемого органа. Орган аварийной защиты (фиг. 1) содержит расположенные в цилиндрическом корпусе 1 (одновременно выполняющем роль внешней стенки органа аварийной защиты) диаметром 70х2,5 мм бронзовую диафрагму 2, разделяющую корпус 1 на контейнер 3 (система), заполненный газообразным поглотителем нейтронов ³He при давлении 80 атм и рабочий объем 4, заполненный не поглощающим нейтроны газом ⁴He при давлении 0,5 атм, и стальной пробойник 5 в виде крестообразно скрепленных двух ножей, соединенные с подвижным концом механизма осевого перемещения пробойника. Другой конец механизма осевого перемещения выполнен неподвижным, а сам механизм выполнен в виде сильфона 6, заполненного газообразным поглотителем нейтронов ³He с никелевой нитью 7. Нить 7 соединяет противоположные торцы сильфона 6, являющиеся указанными концами механизма, вдоль оси сильфона 6. Механизм осевого перемещения совместно с диафрагмой играет роль впускного устройства. Рабочий объем 4 снабжен теплопоглощающей вставкой из алюминия. Вставка выполнена в виде прилегающих друг к другу стержня 8 (фиг. 2) диаметром 2 см, трубок 9 и коаксиальных трубок 10, 11 диаметрами 52 и 39 мм с толщиной стенки 0,5 мм, выполняющих роль замкнутых перегородок. Трубки 9 имеют диаметр 6 мм с толщиной стенки 0,5 мм. Расстояние между трубками 10, 11 а также между трубками 11 и внешней стенкой корпуса 1 выбрано согласно формуле где p численный коэффициент, равный 3,14. K коэффициент теплопроводности газообразного поглотителя; r плотность газообразного поглотителя; C_p удельная теплоемкость газообразного поглотителя при постоянном давлении; t длительность гашения мощности реактора; Устройство работает следующим образом. В процессе поглощения нейтронов газом, заполняющим сильфон 6, его давление растет чем выше флюенс нейтронов, тем больше давление газа в сильфоне 6, тем большее усилие прикладывается к нити 7, и будучи откалиброванной на разрыв на определенную величину флюенса (при достижении последней) нить 7 разрывается, сильфон 6 приводит в движение пробойник 5, который разрушает диафрагму 2, и газ поступает в рабочий объем 4. Давление поглощающего газа, равное 8 атм в рабочем объеме 4, как показали расчеты методом Монте-Карло, обеспечивает для уран-графитового реактора с высотой активной зоны 150 см и радиусом активной зоны 80 см (толщина графитового отражателя 30 см) отрицательную реактивность, вводимую устройством, равную - 3% При указанных выше размерах орган аварийной защиты обеспечивает эффективное гашение мощности реактора за характерное время 0,19 с. Перегородки 10, 11 теплопоглощающей вставки препятствуют как перемещению газа в поперечном направлении, так и росту его температуры из-за теплоотвода на эти перегородки. Рост температуры газа обусловлен энерговыделением в реакциях взаимодействия нейтронов с ядрами атомов газа. Само распределение температуры в перпендикулярном центральной оси рабочего объема 4 направлении круто растет от центра к периферии, что объясняется заметным снижением потока нейтронов по мере углубления от боковой границы поглощающего газа к оси рабочего объема 4. Наличие неоднородного распределения температуры при отсутствии перегородок (в заявленном устройстве роль таких перегородок выполняют трубки 9, 10, 11 вставки) является причиной падения плотности газа от центра к периферии из-за того, что основная масса поглощающего газа после истечения из контейнера сосредоточивается вблизи оси рабочего объема, так как происходит перераспределение плотности газа, вызванное неоднородностью энерговыделения в нем при поглощении нейтронов. Перераспределения плотности газа к оси рабочего объема эквивалентно уменьшению поперечного размера поглощающего стержня. Последнее приводит к уменьшению скорости гашения мощности реактора известно, что эффективность поглощающего стержня однозначно связана с его поперечным размером. Расчет энерговыделения при поглощении нейтронов в заявленном устройстве, введенном в упомянутый выше уран-графитовый реактор, выполненный в предположении, что теплопередача в газе полностью отсутствует, а сам газ остается после заполнения устройства неподвижным, показывает, что распределение температуры T(r, t) в газе по радиусу устройства с высокой точностью апроксимируется степенной функцией где T₀ начальная температура устройства;
r радиальная координата;
j(t) флюенс нейтронов в реакторе вдали от устройства, начиная с момента заполнения этого устройства, поглощающим газом (н/см²);
t время, отсчитываемое от момента заполнения этого устройства поглощающим газом. При флюенсе Ψ= 6·10¹⁴ н/см² температура поглощающего газа (³He) у внутренней поверхности корпуса 1 рассматриваемого органа аварийной защиты должна составить T 1540^oC. Если же допустить, что все тепло, выделившееся в поглощающем газе, мгновенно будет передано материалу коаксиальных трубок 10, 11 и корпусу 1, приращение их температуры не превысит нескольких градусов. Это даже без учета дополнительного поглощения тепла трубками 9. В действительности характерное время выравнивания температуры газа между коаксиальными трубками связано с расстоянием между трубками и теплофизическими параметрами газа. Пространственно-временное распределение температуры газа между коаксиальными трубками описывается уравнением теплопроводности, которое в цилиндрических координатах имеет вид

где a=K/ρCp коэффициент температуропроводности газа;
K коэффициент теплопроводности газа;
ρ плотность газа;
C_p удельная теплоемкость газа при постоянном давлении;
f(r, t) мощность источников тепла в единице объема газа. Учитывая, что температура трубок даже при полном поглощении тепла, выделившегося в газе, остается практически неизменной в качестве граничных условий следует
T(r₁, t) T₀; T(r₂, t) T₀,
где r₁, r₂ координаты внешней и внутренней цилиндрических поверхностей, на которых рассматриваемый слой газа контактируется с ограничивающими его трубками. Начальное условие (на момент заполнения газом рабочего объема устройства t 0) должно быть записано следующим образом
T(r, o) T₀
Мощность источников f(r, t) в соответствии с равенством (1) можно представить в форме

где α,β константы;

Решение краевой задачи (2) (4) с источниками (5) имеет вид

где собственные функции Ф_n(r) есть

а их собственные значения λ_n являются корнями уравнения

Квадрат нормы собственной функции равен

Здесь I_ν, N_ν функции Бесселя и Неймана порядка n Полином же b(x) записывается

Если выполняется условие цилиндрические функции можно, пользуясь их асимптотическими представлениями

выразить через тригонометрические функции. В частности из уравнения (8) для собственных значений λ_n получаем

откуда

Например, для цилиндрического слоя газа, заключенного между внутренней поверхностью цилиндрического корпуса газового стержня и внешней поверхностью трубки 11, имеем

Коэффициент теплопроводности гелия при температуре T 298 K составляет K 1,515·10^-3 Вт/см·К и растет с ростом температуры до K 3,87·10^-3 Вт/см·К при T 1100 K. Для подсчета температуропроводности газа будем пользоваться наименьшим значением его коэффициента теплопроводности, соответствующим T 298 K. Ясно, что в действительности (с учетом зависимости от температуры) эффективность теплоотвода из газа на трубки и, следовательно, эффективность срабатывания устройства могут только возрастать по сравнению с соответствующими характеристиками, найденными для T 298 K. Удельная теплоемкость гелия 3 (на единицу массы) равна C_p 6,91 Дж/г·К, его средняя плотность в устройстве (что соответствует давлению P_o 8 атм. При температуре T 298 K). Соответственно, коэффициент температуропроводности для гелия 3 составляет

В силу условия λ₁<λ₂<λ₃<... слагаемые суммы в (6) убывают с ростом n. Ввиду наличия сомножителя exp{-aλ_nt} перед каждым членом указанной суммы с течением времени t происходит экспоненциальное уменьшение этих членов, причем вклад каждого последующего члена падает заметно быстрее, чем предыдущего. Следовательно, если характерное время τ действия нейтронов Q(t) превосходит величину (aλ₁)^-1, искажение температурного поля за счет неоднородности энерговыделения при поглощении нейтронов будет невелико. Последнее условие можно записать

или с учетом (13) и определения коэффициента температуропроводности (14)

Для рассматриваемого варианта расположения трубок 10, 11 имеем t ≥ 0,19 с.
Пространственное распределение плотности газа обратно пропорционально распределению температуры

где R газовая постоянная. Давление P(t) в каждый момент практически однородно по сечению рассматриваемого цилиндрического газового слоя. Последнее является следствием того, что характерное время распространения возмущений в этом слое (где u приблизительно 10⁵ см/с скорость звука в гелии 3) существенно меньше предполагаемой длительности гашения мощности реактора τ~ 1c.. Таким образом, характерное время выравнивания плотности в зазоре между коаксиальными трубками совпадает с характерным временем выравнивания температуры, т. е. величина необходимого зазора между трубками 10, 11, а также между трубкой 11 и корпусом 1 связана с теплофизическими параметрами газа и характерной длительностью гашения мощности реактора неравенством (16). Для достижения цели заявленного решения достаточно одной перегородки, находящейся на расстоянии δ от стенки рабочего объема. Это объясняется тем, что из-за сильного поглощения нейтронов в газе пространственное распределение плотности потока нейтронов очень круто спадает от стенки рабочего объема к его центру. Поэтому наиболее эффективными, с точки зрения достижения поставленной цели, являются слои газа, прилегающие к стенке. При использовании одной перегородки может иметь место перераспределения газа к центру во внутренней полости. Однако ввиду того, что плотность потока нейтронов во внутренней полости значительно ниже, чем в слоях газа, прилегающих к стенке рабочего объема, влияние внутренней полости на вносимую отрицательную реактивность устройства заметно слабее, чем внешней полости. Если же и во внутренней полости поместить перегородку, отстоящую также на расстоянии от первой перегородки, то и в ней вновь введенная перегородка будет препятствовать перераспределению газа, что дополнительно повысит эффективность устройства. Величина d не может быть взята сколь угодно малой, так как это может воспрепятствовать обеспечению надежного снижения мощности реактора из-за уменьшения относительного объема газа в устройстве (поскольку при уменьшении возрастает объемная доля перегородок). Поэтому целесообразно выбирать величину практически равной значению, определяемому формулой (16). Величина t в каждом конкретном варианте реактора определяется требованиями по допустимой величине флюенса, который набирается в реакторе, начиная от момента срабатывания устройства в аварийной ситуации, и до выведения реактора в глубоко подкритическое состояние. Трубки 9 и стержень 8 выполняют две функции. Во-первых, они играют чисто конструктивную роль, обеспечивая заданное расстояние между трубками 10, 11 и корпусом 1 и придавая жесткость всей системе. Во-вторых, они выполняют роль дополнительных поглотителей тепла. Из описания работы видно, что заявляемый объект обладает повышенной эффективностью и быстродействием. Это обусловлено тем, что выбор расстояния между внешней стенкой рабочего объема органа аварийной защиты и внутренней замкнутой перегородкой согласно условию (16) предотвращает перераспределение плотности поглощающего газа в рабочем объеме органа и, таким образом, исключает уменьшение эффективного поперечного размера поглощающего газового стержня, что препятствует снижению скорости гашения мощности реактора за счет указанного уменьшения эффективного поперечного размера.

Формула изобретения

1. Орган аварийной защиты ядерного реактора, содержащий рабочий объем, разделенный замкнутой перегородкой на две полости, соединенные через впускное устройство с системой, заполненной газообразным поглотителем, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности и быстродействия, расстояние δ между наружной стенкой рабочего объема и перегородкой выбрано из условия

где К коэффициент теплопроводности газообразного поглотителя;
ρ _ плотность газообразного поглотителя;
С_р удельная теплоемкость газообразного поглотителя при постоянном давлении;
τ - длительность гашения мощности реактора. 2. Орган аварийной защиты ядерного реактора по п.1, отличающийся тем, что содержит две замкнутых перегородки, расстояние между которыми равно δ.
3. Орган аварийной защиты ядерного реактора по п.1, отличающийся тем, что рабочий объем снабжен теплопоглощающей вставкой, выполненной в виде трубок из конструкционного материала.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2