Устройство для поддержания номинального режима работы реактора

 

Использование: в области ядерной физики и ядерной энергетики для обеспечения безопасности эксплуатации ядерных реакторов. Сущность изобретения: устройство для поддержания номинального режима работы содержит регулирующие элементы, установленные в активной зоне, каждый из которых состоит из двух коаксиальных труб, имеющих на нижних концах заглушки, и вставленных одна в другую так, что образуются цилиндрический и торцевой зазоры, причем торцевой зазор заполнен поглощающим нейтроны жидким веществом. Повышение точности работы и полная автономность поддержания режима работы реактора достигается за счет того, что в каждом регулирующем элементе на заглушке внешней коаксиальной трубы с внутренней стороны укреплен сильфон с нижней цилиндрической частью, внутри которой укреплена шайба, выполненная из материала с низкой теплопроводностью, например, керамики, и заполненный веществом, например, жидкостью, с заданной температурой кипения, а снаружи на нижнюю цилиндрическую часть сильфона надето кольцо ядерного топлива. 1 ил.

Изобретение относится к области ядерной физики и ядерной энергетики и может быть использовано для обеспечения безопасности эксплуатации ядерных реакторов деления.

Известно устройство управления ядерного реактора (1), имеющее регулирующие стержни, входящие в активную зону, привод стержней, датчики и систему автоматики управления привода стержней. Устройство контролирует мощность и температурный режим реактора на номинальном уровне. При отклонении мощности от номинала в систему автоматики управления поступает сигнал, в соответствии с которым привод перемещает регулирующие стержни, заполненные поглощающим веществом.

Недостатками данного устройства являются: неавтономность в виду наличия автоматики. Электронные блоки находятся вдали от активной зоны и доступны, в том числе, и для "электронной диверсии". Смена знака обратной связи приводит к тому, что реактор идет "вразнос", перегревается и взрывается. Считается, что надежность автоматики обеспечивается тем, что параллельно и независимо работает несколько каналов, и при выходе одного или нескольких каналов из строя регулирование обеспечивается работающими каналами. Однако, во-первых, если в одном из каналов изменился знак обратной связи, то нагрузка на остальные каналы растет они должны не только работать за этот канал, но и преодолевать его дестабилизирующее действие. Во-вторых, при электронной диверсии предположение о независимости работы различных каналов может оказаться неверным. В аппаратуру каналов незаметным образом может быть вставлены микросхемы, которые могут "переговариваться" и синхронизироваться через объект регулирования. Эти микросхемы, или точнее микропроцессоры, могут быть вставлены и в периодически меняемые элементы -- цоколя ламп, реле и т.д. поэтому здесь трудно все предусмотреть и организовать надежное противодействие. Важно, что полную гарантию от таких диверсий могут дать только автономные устройства, не содержащие электроники; привода стержней укреплены на крышке реактора, т.е. механически привязаны к крышке. Если крышка давлением пара сброшена, то выбрасываются и стержни, что приводит к резкому увеличению мощности реактора. Это увеличение происходит очень быстро на мгновенных нейтронах, что приводит к перегреву реактора и его разрушению; движению стержней вниз при перегреве противодействует давление пара; сравнительно малое быстродействие, связанное с медленностью движения стержней.

Известно также устройство с жидким поглотителем нейтронов для регулирования реактивности ядерного реактора (2).

Устройство содержит две коаксиальные трубы, между стенками которых помещен жидкий поглотитель нейтронов. Высота столба поглотителя обостряется давлением газа, подаваемого в трубы. Недостатком известного устройства является его неавтономность: давление газа должно создаваться компрессором, который управляется автоматикой.

Наиболее близким техническим решением является устройство нейтронного поглотителя в ядерном реакторе (3), каждый поглотитель которого содержит две коаксиальные трубы, имеющие на нижних концах заглушки, и вставленные с торцевыми и цилиндрическим зазорами одна в другую. Причем внутренняя труба выполнена из материала, имеющего больший коэффициент линейного расширения. Зазор между коаксиальными трубами заполнен поглощающим веществом. Устройство работает следующим образом: при увеличении температуры происходит расширение объема внутренней коаксиальной трубы, что влечет за собой уменьшение объема, находящегося между трубами Вследствие этого происходит подъем поглотителя и, таким образом, происходит регулирование работы реактора.

Недостатками известного устройства являются: недостаточная точность, так как разница коэффициентов расширения для металлов не превышает 2·10^-5. Если наружная труба выполнена из инвара, то его коэффициент расширения очень мал, а внутренняя труба выполнена из нержавеющей стали или меди, то имеем разницу 2·10^-5. Это означает, что при высоте трубы 10 м (высота активной зоны) на каждый градус уменьшения торцевого зазора будет составлять 0,02 см. Отношение сечения: πr²/2πrΔr, где r≈ 40 мм внутренний радиус наружной трубы; Δr ≈ 1 мм -- цилиндрический зазор. Получаем, что отношение сечения ≈20, поэтому на каждый градус столба поглотителя поднимается на 4 мм. Если взять более эффективный поглотитель и уменьшить цилиндрический зазор, то отношение сечений возрастает приблизительно до 50 и на каждый градус столб поднимается на 1 см. При отношении сечения трубы к сечению зазора между трубами ≈ 50 имеем, что на каждый градус температуры уровень поглотителя поднимается на 1 см. Для того, чтобы поглотитель поднялся до верха трубы, нужно повышение температуры порядка 1000^oC, что совершенно недопустимо (конструкция расплавится). В формуле изобретения патента говорится только о тепловом расширении внутренней трубы. При большом торцевом объеме весьма существенным становится и тепловое расширение поглощающей нейтроны жидкости. Это позволяет существенно уменьшить перепад температуры, но он все же остается существенно большим. Практически необходимо, чтобы все регулирование происходило при изменении температуры не более, чем на 40^oС (точность ± 20^oС); инерционность, т. е. устройство обладает большой теплоемкостью, в связи с чем происходит запаздывание срабатывания устройства; уменьшение быстродействия, так как реагирует только на температуру, и, вследствие этого, устройство не срабатывает на увеличение нейтронного потока, пока не поднимается температура.

Перед авторами стояла задача создать устройство для поддержания номинального режима работы реактора, лишенное недостатков, которые присущи описанным выше устройствам, которое бы полностью автономно осуществляло бы свою функцию поддержания режима реактора без автоматики, и поэтому не было бы подвержено электронной диверсии. Устройство должно обеспечивать высокую надежность работы реактора. Вероятность крупной аварии должна быть <10 ед. /реактор в год. Кроме того, важно, чтобы это устройство могло бы быть вставлено как в строящиеся, так и в эксплуатируемые реакторы с помощью штатного оборудования реактора.

При решении поставленной задачи авторами предлагается устройство для поддержания номинального режима работы реактора, техническим результатом которого является повышение точности работы и полная автономность поддержания режима работы реактора.

Технический результат достигается тем, что в устройстве для поддержания номинального режима работы реактора, содержащем регулирующие элементы, установленные в активной зоне, каждый из которых состоит из двух коаксиальных труб, имеющих на нижних концах заглушки, и вставленных одна в другую так, что образуются цилиндрический и торцевой зазоры, причем торцевой зазор заполнен поглощающим нейтроны жидким веществом, в каждом регулирующем элементе на заглушке внешней коаксиальной трубы с внутренней стороны укреплен сильфон с нижней цилиндрической частью, внутpи которой укреплена шайба, выполненная из материала с низкой теплопроводностью, например, керамики, и заполненный веществом с заданной температурой кипения, а снаружи на нижнюю цилиндрическую часть сильфона надето кольцо ядерного топлива.

Сравнение заявленного устройства с другими техническими решениями показывает, что она отличается от известных решений наличием новых блоков и схемных узлов, не известных из других технических решений, и которые в совокупности направлены для достижения указанного выше технического результата.

Повышение точности работы всего устройства осуществляется за счет: применения сильфона позволяет и для поглощения и для кипения использовать разные вещества; использования фазового перехода-кипения вещества в сильфоне;
при использовании, например, в качестве поглощающей нейтроны жидкости лития-6, имеющего плотность 0,5 г/см³, давление столба жидкости высотой 10 м равняется 0,5 атм. Для ртути это приводит к повышению температуры кипения на 20^oС, которые обеспечивают полный диапазон регулирования.

нижняя часть сильфона выполнена цилиндрической для обеспечения хорошего теплового контакта с кольцом из ядерного топлива. Наличие кольца ядерного топлива, размещенного вокруг нижней цилиндрической части сильфона, приводит к тому, что температура топлива и температура жидкости определяется также и нейтронным потоком, и тем самым устройство реагирует на изменение нейтронного потока. Малое расстояние между кольцом и жидкостью обеспечивает быстродействие, что повышает точность работы. Независимой работой большого количества элементов устройства, находящихся в активной зоне реактора, и своевременной сменой устройства, в соответствии с их сроком службы, достигается надежность работы.

Для увеличения точности и быстродействия необходимо минимальное количество кипящего вещества в сильфоне. Это вещество должно быть расположено вблизи нагреваемой поглотителем и ядерным топливом стенки нижней шайбы цилиндрической части сильфона, для этого внутрь сильфона помещена шайба, являющаяся одновременно тепловым сопротивлением.

Автономность достигается тем, что устройство не связано с какой-либо автоматикой вне реактора. Все элементы устройства функционируют независимо друг от друга, ни от внешних (вне реактора) воздействий. Выход из строя некоторых элементов не влияет на функционирование остальных элементов устройства.

Высокая надежность достигается тем, что в реакторе размещается избыточное количество таких устройств, и допустим выход из строя части устройства.

Устройство для поддержания номинального режима работы реактора представлено на чертеже и содержит регулирующие элементы, каждый из которых состоит из двух коаксиальных труб 1,2, имеющих на нижних концах заглушки 3, 4 и вставленных с цилиндрическим 5 и торцевым 6 зазорами одна в другую. Торцевой зазор 6 заполнен поглощающим нейтроны жидким веществом. Верхняя заглушка 3 плоская, нижняя 4 имеет цилиндрическую часть. На заглушке 4 внешней коаксиальной трубы 1 с внутренней стороны укреплен сильфон 7, с нижней цилиндрической частью 8, напаянный на цилиндрическую часть заглушки 4. Сильфон 7 заполнен веществом с заданной температурой кипения. Внутри сильфона 7 укреплена шайба 9, например, из керамики. На нижнюю цилиндрическую часть 8 сильфона 7 надето кольцо 10 ядерного топлива. Для увеличения металлической прочности внутренняя коаксиальная труба 2 выполнена толстостенной и механические усилия передаются на нее с внешней коаксиальной трубы 1 через бобышки 11 (А-А). В верхней части имеется стандартный хвостовик 12, как и у ТВЭЛов, с дренажными отверстиями 13 для выхода газа, выделяемого поглощающим веществом при ядерных реакциях. При применении поглотителей не выделяющих газ, например, кадмия, дренажные отверстия не нужны. Сверху также имеется полость 14 для уменьшения давления газа при быстром подъеме поглотителя. Регулирующие элементы вставляются в каналы активной зоны 15 реактора.

Устройство работает следующим образом. В номинальном режиме температура вещества с заданной температурой кипения внутри сильфона 7 определяется следующими факторами:
общей температурой реактора или точнее температурой охлаждающей воды;
теплом, выделяющимся в поглощающем нейтроны жидком веществе и в кольце ядерного топлива при поглощении нейтронов.

Эти величины подобраны так, что в номинальном режиме температура вещества в сильфоне 7 равна температуре кипения при номинальном давлении. Давление паров в сильфоне 7 атмосферное, при дренажном варианте или номинальное при отсутствии дренажа. При повышении температуры или нейтронного потока повышается температура жидкости и давление ее насыщенных паров внутри сильфона 7. В результате этого сильфон 7 расширяется и вытесняет поглощающее нейтроны жидкое вещество из торцевого зазора 6 в цилиндрический зазор 5. Высота столба поглощающей нейтроны жидкости определяется давлением насыщенных паров внутри сильфона 7. При увеличении температуры кипящего вещества внутри сильфона 7 возрастает высота столба поглощающей нейтроны жидкости и, тем самым, мощность реактора возвращается к номиналу. Следовательно, все регулирующие элементы устройства отслеживают за режимом, поддерживая его номинальным. При уменьшении интенсивности реакции уровень поглощающей нейтроны жидкости в регулирующих устройствах снижается, тем самым обеспечивается возвращение к номинальному режиму. Стандартный хвостовик обеспечивает возможность смены элементов устройства с помощью устройства штатного оборудования реактора, в ряде реакторов возможна замена без останова реактора.

Вещество (жидкость) внутри сильфона должна удовлетворять следующим требованиям:
фазовый переход кипение должен происходить обратимым образом без химического разложения;
слабая зависимость температуры кипения от давления насыщенных паров;
должно обладать радиационной стойкостью конкретные требования по радиационной стойкости определяются конструкцией;
должно обладать термической стойкостью;
не должно быть химического взаимодействия с материалом, из которого выполнен сильфон.

В качестве вещества с заданной температурой кипения в нашем устройстве могут быть использованы для дренажного варианта, например, следующие жидкости:
ртуть (температура кипения 357^oС),
йодистый кремний тетрайодсилан (температура кипения 290^oС,
роданид кремния (температура кипения 313^oС),
возможно также применение кремнеорганических жидкостей.

Для бездренажного варианта, по-видимому, наиболее целесообразно использование раствора кальций-хлор, это вещество сильно сдвигает точки кипения.

В качестве жидкого вещества, поглощающего нейтроны, могут быть использованы соли кадмия, гадолиния, бора или изотоп лития с атомным весом 6, для бездренажного варианта кадмий-хлор. Все металлические части устройства могут быть выполнены из хромоникелевой стали, например, Х18110Т, Х18119Т. В случае, если в качестве жидкости с заданной температурой кипения применяется ртуть, то внутренние стенки сильфона хромируются. Шайба может быть выполнена из любого керамического материала, например, 22ХС. Кольцо, расположенное вокруг нижней цилиндрической части сильфона, выполнено из типового ядерного топлива.

Рассмотрим теперь необходимый объем сильфона. Полагая, по-прежнему, что отношение сечения приблизительно 50, как и при оценке прототипа, получаем, что при высоте столба поглощающего нейтроны жидкого вещества 10 м, ход сильфона должен превышать 20 см. При верхнем положении сильфона, давление насыщенных паров жидкости сильфона должно быть равным 1,5 атм, что и определяет необходимое минимальное количество кипящей жидкости в сильфоне.

Для ликвидации аварии в Чернобыле потребовалось участие всей страны, поэтому любые меры по повышению надежности реакторов экономически оправданы. Существенным преимуществом предложенного устройства является то, что полностью автономно осуществляется поддержание режима реактора без автоматики и поэтому не подвержено электронной диверсии.

Важно то, что устройство может быть вставлено как в строящиеся, так и в эксплуатируемые реакторы с помощью штатного оборудования реактора. Причем, если устройство вставляется в каналы для тепловыделяющихся элементов (ТВЭЛов), то их установка может быть произведена без остановки реактора. Экономический эффект подсчитать в настоящее время не представляется возможным.

Формула изобретения

Устройство для поддержания номинального режима работы реактора, содержащее регулирующие элементы, установленные в активной зоне, каждый из которых состоит из двух коаксиальных труб, имеющих на нижних концах заглушки и вставленных одна в другую так, что образуются цилиндрический и торцевой зазоры, причем торцевой зазор заполнен поглощающим нейтроны жидким веществом, отличающееся тем, что в каждом регулирующем элементе на заглушке внешней коаксиальной трубы с внутренней стороны укреплен сильфон с нижней цилиндрической частью, внутри которой укреплена шайба, выполненная из материала с низкой теплопроводностью, например керамики, заполненный веществом, например жидкостью с заданной температурой кипения, а снаружи на нижнюю цилиндрическую часть сильфона надето кольцо ядерного топлива.

РИСУНКИ

Рисунок 1