Прямодействующее устройство для управления реактивностью ядерного реактора

 

Прямодействующее устройство для управления реактивностью ядерного реактора относится к ядерной технике и может быть использовано в органах регулирования и в устройствах аварийной защиты ядерного реактора. Технический результат заключается в том, что функции нейтронопоглощающего элемента и приводного элемента совмещены и выполняются одним и тем же конструктивным элементом устройства для управления реактивностью ядерного реактора, что позволяет исключить электромеханическую связь между нейтронопоглощающим и приводным элементами, и тем самым устранить вероятность заклинивания элементов механической связи и других отказов срабатывания устройства. Кроме того, совмещение функций в одном элементе позволяет создать систему прямодействующей (пассивной) аварийной защиты ядерного реактора, характеристики которой зависят только от температуры в активной зоне и величины плотности нейтронного потока. Устройство для управления реактивностью ядерного реактора содержит нейтронопоглощающий элемент с изменяемой эффективной поверхностью поглощения нейтронов, выполненный из пластин, имеющих общую ось и снабженных покрытием из нейтронопоглощающего материала. Пластины нейтронопоглощающего элемента выполнены из материала с термомеханической памятью формы и представляют собой приводной элемент, при этом пластины закручены по спирали вокруг общей оси в виде рулона. 6 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к ядерной технике, а более конкретно к устройствам для управления реактивностью ядерного реактора и может быть использовано в органах регулирования и в устройствах аварийной защиты ядерного реактора.

Известно устройство для управления реактивностью ядерного реактора, которое содержит нейтронопоглощающий элемент с изменяемой эффективной площадью поглощения нейтронов и соединенный с ним приводной элемент. Нейтронопоглощающий элемент выполнен из двух коаксиальных труб: внешней и внутренней, одна из которых неподвижна, например, внешняя, а другая имеет возможность вращения вокруг общей оси и соединена с приводным элементом. Трубы выполнены из не поглощающего нейтроны материала, но каждая из них имеет цилиндрические вставки из материала, поглощающего нейтроны, например, кадмий или бористая сталь. Внутренняя труба имеет две цилиндрические вставки из материала, поглощающего нейтроны, на всю высоту. При этом угол сектора цилиндрических поглощающих вставок равен 90 градусам. Внешняя труба имеет четыре поглощающие цилиндрические вставки длиной, равной половине длины трубы, причем ориентация секторов цилиндрических поглощающих вставок верхней половины этой трубы повернута вокруг оси труб относительно ориентации секторов поглощающих вставок нижней половины этой трубы на угол, равный углу сектора цилиндрической поглощающей вставки (а.с. СССР N 913832, МПК G 21 C 7/08, заявл. 1980 г. ).

При изменении угла поворота труб друг относительно друга меняется эффективная поверхность поглощения нейтронов нейтронопоглощающего элемента. Изменение эффективной поверхности поглощения при повороте внутренней трубы происходит вследствие экранировки ее цилиндрических вставок, поглощающих нейтроны, поверхностью вставок из поглощающего материала внешней трубы.

В номинальном положении эффективные поверхности поглощения нейтронов верхней и нижней половин нейтронопоглощающего элемента одинаковы. При необходимости увеличить мощность верхней половины активной зоны осуществляют поворот внутренней трубы в таком направлении, при котором эффективная поверхность поглощения верхней половины нейтронопоглощающего элемента уменьшится, а следовательно, увеличится поглощающая способность нейтронопоглощающего элемента в нижней половине активной зоны.

Недостатком известного устройства для управления реактивностью ядерного реактора является малая эффективность возрастания поглощающей способности относительно начальной за счет большого паразитного поглощения нейтронов, которое объясняется большой исходной неизменяемой эффективной площадью поглощения нейтронопоглощающего элемента. Кроме этого, известное устройство не является прямодействующим, т.е. срабатывающим непосредственно от аварийного режимного параметра, например, от роста плотности нейтронного потока. Поэтому для его срабатывания требуются детекторы, линии связи, усилители, преобразователи, подающие сигналы на приводной элемент, что усложняет конструкцию, увеличивает общие габариты устройства, а наличие электромеханической связи между нейтронопоглощающим и приводным элементами может привести к отказу срабатывания устройства.

Известно устройство для управления реактивностью ядерного реактора, которое содержит нейтронопоглощающий элемент с изменяемой эффективной площадью поглощения нейтронов и соединенный с ним приводной элемент. Нейтронопоглощающий элемент выполнен в виде сборки Y-образного сечения из трех V-образных пластин, обращенных друг к другу наружными боковыми поверхностями. Пластины установлены с возможностью перемещения относительно друг друга вдоль продольной оси. На пластинах смонтированы три одинаковых тонких сегмента, которые выполнены из материала с высокой поглощающей способностью для нейтронов. Ширина каждого сегмента более чем в три раза превышает эффективную толщину сборки из перекрывающих сегментов и обеспечивает поглощение по меньшей мере 8 процентов потока нейтронов (патент США N 4941158, НКИ 376-332, опубл. 1990 г.).

При движении V-образных пластин меняется эффективная поверхность поглощения нейтронов нейтронопоглощающего элемента за счет перекрытия сегментов из поглощающего материала.

Недостатком известного устройства для управления реактивностью ядерного реактора является малая эффективность возрастания поглощающей способности относительно начальной за счет большого паразитного поглощения нейтронов, которое объясняется большой исходной неизменяемой эффективной площадью поглощения нейтронопоглощающего элемента. Кроме этого, известное устройство не является прямодействующим, т.е. срабатывающим непосредственно от аварийного режимного параметра, например, от роста плотности нейтронного потока. Поэтому для его срабатывания требуются детекторы, линии связи, усилители, преобразователи, подающие сигналы на приводной элемент, что усложняет конструкцию, увеличивает общие габариты устройства, а наличие электромеханической связи между нейтронопоглощающим и приводным элементами может привести к отказу срабатывания устройства.

Наиболее близким к изобретению по совокупности существенных признаков является устройство для управления реактивностью ядерного реактора, которое содержит нейтронопоглощающий элемент с изменяемой эффективной площадью поглощения нейтронов и соединенный с ним приводной элемент. Нейтронопоглощающий элемент выполнен в виде веера и состоит из пластин, которые имеют общую ось. На пластины нанесено покрытие из материала, поглощающего нейтроны. Веерообразный нейтронопоглощающий элемент установлен на конце приводного вала подвижно с возможностью раскрытия и закрытия. Приводной вал соединен с электродвигателем (акцепт. заявка Японии N 61-22794, МПК G 21 C 7/10, опубл. 1986 г.).

При повороте вала на заданный угол меняется эффективная поверхность поглощения нейтронопоглощащего элемента за счет раскрытия или закрытия веерообразного нейтронопоглощающего элемента.

Недостатком известного устройства для управления реактивностью ядерного реактора является малая эффективность возрастания поглощающей способности относительно начальной за счет большого паразитного поглощения нейтронов, которое объясняется большой исходной неизменяемой эффективной площадью поглощения нейтронопоглощающего элемента. Кроме этого, известное устройство не является прямодействующим, т.е. срабатывающим непосредственно от аварийного режимного параметра, например, от роста плотности нейтронного потока. Поэтому для его срабатывания требуются детекторы, линии связи, усилители, преобразователи, подающие сигналы на приводной элемент, что усложняет конструкцию, увеличивает общие габариты устройства, а наличие электромеханической связи между нейтронопоглощающим и приводным элементами может привести к отказу срабатывания устройства.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является создание прямодействующего (пассивного) устройства для управления реактивностью ядерного реактора с исходными минимальными габаритами, с высокой надежностью срабатывания при одновременном сохранении быстродействия.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении настоящего изобретения, заключается в том, что функции нейтронопоглощающего элемента и приводного элемента совмещены и выполняются одним и тем же конструктивным элементом устройства для управления реактивностью ядерного реактора, что позволяет исключить электромеханическую связь между нейтронопоглощающим и приводным элементами, и тем самым устранить вероятность заклинивания элементов механической связи и других отказов срабатывания устройства. Кроме этого, совмещение функций в одном элементе позволяет создать систему прямодействующей (пассивной) аварийной защиты ядерного реактора, характеристики которой зависят только от температуры в активной зоне и величины плотности нейтронного потока.

Кроме этого, использование настоящего изобретения позволяет получить технический результат, который заключается в том, что в холодном состоянии ниже пороговой температуры материала с термомеханической памятью формы в активной зоне обеспечивается минимальное поглощение нейтронов площадью нейтронопоглощающего элемента и максимальное - при нагреве выше пороговой температуры.

Использование настоящего изобретения в органах регулирования ядерного реактора позволяет получить незначительную величину паразитного поглощения нейтронов, поскольку исходная площадь поглощения нейтронов нейтронопоглощающего элемента мала. Это приводит к увеличению эффективности возрастания поглощающей способности нейтронопоглощающего элемента относительно начальной и, как следствие, к уменьшению общего количества устройств для управления реактивностью. Это позволит разместить в надреакторном пространстве дополнительную биологическую защиту и повысить тем самым безопасность ядерного реактора.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном устройстве для управления реактивностью ядерного реактора, содержащем нейтронопоглощающий элемент с изменяемой эффективной поверхностью поглощения нейтронов, выполненный из имеющих общую ось пластин с покрытием из нейтронопоглощающего материала, и приводной элемент, пластины нейтронопоглощающего элемента выполнены из материала с термомеханической памятью формы и представляют собой приводной элемент, при этом пластины закручены по спирали вокруг общей оси в виде рулона.

Кроме этого, описанный периметр нейтронопоглощающего элемента в холодном состоянии ниже пороговой температуры материала с памятью формы, а в нагретом состоянии выше пороговой температуры имеет соответственно меньший и больший размеры.

Кроме этого, пластины имеют покрытие из материала, обладающего свойством превращения энергии нейтронов в тепловую.

Кроме этого, покрытие из нейтронопоглощающего материала выполнено на обеих сторонах пластины или на одной стороне.

Кроме этого, покрытие из материала, обладающего свойством превращения энергии нейтронов в тепловую, выполнено на обеих сторонах пластины или на одной стороне.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображено устройство для управления реактивностью ядерного реактора в холодном состоянии (при температуре ниже пороговой температуры материала с термомеханической памятью формы); на фиг. 2 изображено устройство для управления ядерным реактором в нагретом состоянии (при температуре выше пороговой температуры материала с термомеханической памятью формы); на фиг. 3 показано поперечное сечение пластины из материала с термомеханической памятью формы в нагретом состоянии (при температуре выше пороговой температуры материала с термомеханической памятью формы).

Устройство для управления ядерным реактором содержит нейтронопоглощающий элемент 1 и приводной элемент 2. Нейтронопоглощающий элемент 1 содержит, например, четыре пластины 3, выполненные из материала с термомеханической памятью формы, на поверхность которых нанесено покрытие 4 из нейтронопоглощающего материала. Пластины 3 установлены длинными боковыми кромками друг к другу и соединены между собой вдоль общей оси 5, например, точечной сваркой. Пластины 3 закручены вокруг общей продольной оси 5 по спирали в виде рулона. Пластины 3 из материала, обладающего термомеханической памятью формы, выполняют функцию приводного элемента 2, поскольку при нагревании свыше заданной пороговой температуры закрученные по спирали пластины 3 начинают распрямляться и увеличивают эффективную площадь поглощения нейтронов нейтронопоглощающего элемента 1. Покрытие 4 может быть выполнено сплошным, по обеим сторонам пластины 3, по одной стороне пластины 3 или дискретным, например, в виде чередующих между собой полос по обеим сторонам пластины 3, по одной стороне пластины 3. Для увеличения скорости нагрева и срабатывания устройства на пластины 3 может быть нанесено дополнительное покрытие 6 из материала, выделяющего тепло при облучении его потоком нейтронов. Покрытие 6 может быть выполнено сплошным, по обеим сторонам пластины, по одной ее стороне или дискретным, например, в виде чередующих между собой полос по обеим сторонам пластины 3, по одной стороне пластины 3. Нейтронопоглощающий элемент 1 может содержать любое число пластин 3 из материала с термомеханической памятью формы. В качестве материала с термомеханической памятью формы могут быть использованы сплавы на основе титана с никелем, бронзовые сплавы на основе меди, алюминия, никеля, марганцовистые сплавы - на основе марганца, меди, хрома и другие. В качестве нейтронопоглощающего материала могут быть использованы гадолиний, кадмий, бор. В качестве материала, который выделяет тепло при облучении его потоком нейтронов, могут быть использованы кадмий и бор.

При температурах ниже пороговых для материала с термомеханической памятью формы пластины сохраняют форму рулона, закрученного по спирали вокруг продольной оси нейтронопоглощающего элемента, при этом диаметр окружности, описанной вокруг свободных кромок пластин, имеет минимальный размер, который позволяет значительно уменьшить габариты устройства в целом и расположить его в стесненных условиях надзонного пространства или иметь малое паразитное поглощение в случае постоянного размещения в активной зоне. Минимальный диаметр D определяется из соотношения: D_min= δ/ε при ε = ε_вб где ε - деформация, производимая в пластинах при закручивании вокруг общей оси; δ - толщина пластин; ε_в - деформация восстановления материала с термомеханической памятью формы, принимаемая за 4 - 8 процентов.

При толщине пластины, равной 0,1 - 0,2 мм, диаметр закрученного рулона может быть равен: (0,1 - 0,2)/(0,04 - 0,08) = (1,25 - 5) мм.

Максимальный размер раскрытого устройства для управления реактивностью определяется шириной пластин и в пределе достигает внутреннего диаметра окружающего канала, охлаждаемого теплоносителем, или внешнего кожуха, или внутреннего описанного диаметра окружающих устройство для управления конструкционных элементов.

В аварийном режиме работы ядерного реактора, когда температура в активной зоне превышает пороговую температуру материала с термомеханической памятью формы, пластины нагреваются и при достижении пороговой температуры распрямляются и приобретают форму, приближающуюся к плоской, при этом диаметр окружности, описанной вокруг свободных кромок пластин, имеет максимальный размер, приблизительно равный удвоенной ширине пластин. При этом эффективная площадь поглощения нейтронов нейтронопоглощающего элемента увеличивается пропорционально диаметру окружности, описанной вокруг свободных кромок пластин.

Устройство для управления реактивностью ядерного реактора работает следующим образом.

При использовании устройства для управления реактивностью ядерного реактора в качестве органа регулирования его устанавливают непосредственно в активную зону. При этом устройство выполняет функцию поглотителя с рабочей степенью поглощения нейтронов, соответствующей нормальному режиму работы реактора. При превышении заданного уровня нейтронного потока происходит нагрев пластин из материала с термомеханической памятью формы до температуры выше пороговой температуры для этого материала. В результате пластины изменяют свою форму, увеличивая тем самым эффективную площадь поглощения нейтронов, и восстанавливают нормальную работу реактора.

При использовании устройства для управления реактивностью ядерного реактора в качестве органа регулирования паразитное поглощение нейтронов минимально, что объясняется малой величиной исходной эффективной площади поглощения нейтронов. Это позволяет уменьшить общее количество органов управления и соответственно уменьшить габариты реактора.

При использовании устройства для управления реактивностью ядерного реактора в качестве органа аварийной защиты устройство устанавливают над активной зоной и фиксируют с помощью запорного сбросного механизма. При аварийной ситуации, когда начинает увеличиваться нейтронный поток и повышается температура в активной зоне, на запорный сбросный механизм поступает сигнал об аварийной ситуации. Запорный сбросный элемент раскрывается, и под действием гравитации устройство для управления ядерным реактором падает в активную зону. Попав в активную зону, устройство нагревается до температуры, превышающей пороговую температуру. Пластины из материала с термомеханической памятью формы распрямляются до максимального размера и увеличивают до максимума эффективную площадь поглощения нейтронов. В результате плотность нейтронного потока уменьшается и реактор останавливается.

При использовании устройства для управления реактивностью ядерного реактора в качестве органа аварийной защиты требуется меньшее пространство над активной зоной для размещения устройства, т.е. освобождается место для расположения дополнительной биологической защиты, и, следовательно, увеличивается безопасность ядерного реактора.

Устройство для управления реактивностью ядерного реактора может иметь пластины, которые покрыты нейтронопоглощающим материалом и материалом, которое нагревается при облучении его нейтронами. Это позволяет сократить время нагрева пластин до температуры выше пороговой и уменьшить время приведения реактора в рабочее состояние.

Использование прямодействующих устройств для управления ядерным реактором позволяет повысить безопасность эксплуатации реактора, уменьшить время приведения реактора в рабочее состояние (после срабатывания прямодействующих устройств), сократить габариты ядерного реактора, существенно сократить массу требуемого поглотителя, что в целом повышает экономичность изготовления и эксплуатации реактора.

Формула изобретения

1. Устройство для управления реактивностью ядерного реактора, содержащий нейтронопоглощающий элемент с изменяемой эффективной площадью поглощения нейтронов, выполненный из имеющих общую ось пластин с покрытием из нейтронопоглощающего материала, и приводной элемент, отличающееся тем, что пластины нейтронопоглощающего элемента выполнены из материала с термомеханической памятью формы и представляют собой приводной элемент, при этом пластины закручены по спирали вокруг общей оси в виде рулона.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что описанный периметр нейтронопоглощающего элемента в холодном состоянии ниже пороговой температуры материала с памятью формы, а в нагретом состоянии выше пороговой температуры имеет соответственно меньший и больший размеры.

3. Устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что пластины имеют покрытие из материала, обладающего свойством превращения энергии нейтронов в тепловую.

4. Устройство по пп.1, 2 или 1 - 3, отличающееся тем, что покрытие из нейтронопоглощающего материала выполнено на обеих сторонах пластины.

5. Устройство по пп.1, 2 или 1 - 3, отличающееся тем, что покрытие из нейтронопоглощающего материала выполнено на одной стороне пластины.

6. Устройство по п.3, отличающееся тем, что покрытие из материала, обладающего свойством превращения энергии нейтронов в тепловую, выполнено на обеих сторонах пластины.

7. Устройство по п.3, отличающееся тем, что покрытие из материала, обладающего свойством превращения энергии нейтронов в тепловую, выполнено на одной стороне пластины.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3