Способ эксплуатации уран-графитового канального ядерного реактора и регулирующий орган уран-графитового канального ядерного реактора

 

Изобретение относится к ядерной технике, в частности к системам управления и защиты (СУЗ) ядерных реакторов. Способ включает аварийный ввод отрицательной реактивности путем перемещения на рабочий ход в активную зону, по крайней мере, одного органа регулирования. При этом средняя скорость W аварийного ввода отрицательной реактивности на величине рабочего хода должна удовлетворять условию W = K•[ρ/(N)], где ρ- значение величины отрицательной реактивности, β_эфф; N - количество органов регулирования, перемещаемых на рабочий ход в активную зону; К - расчетно-экспериментальный коэффициент, выбранный в пределах 0,133 - 0,223 1/с. Регулирующий орган содержит подвеску и устанавливаемые на ней в охлаждаемый канал звенья с поглощающим нейтроны материалом. Звенья выполнены с возможностью перемещения вдоль канала. В регулирующий орган также введена гильза, предпочтительно из алюминиевого сплава. Гильза содержит расположенные на равноудаленном расстоянии от ее продольной оси 12 индивидуальных каналов, в которых установлены звенья, причем каждое звено соединено с подвеской посредством серег, а наружный диаметр d_зв звена выбран в пределах 0,102 d - 0,106 d, где d - наружный диаметр гильзы, мм. Технический результат: обеспечение возможности введения регулирующего органа на всю глубину активной зоны, уменьшения объема воды в канале СУЗ в пределах активной зоны, снижение нагрузки на привод, увеличение скорости введения регулирующего органа в активную зону в режиме аварийной остановки. 2 с. и 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

Область техники Изобретение относится к ядерной технике, в частности к способам эксплуатации уран-графитовых канальных ядерных реакторов типа РБМК (реактор большой мощности канальный) в режимах аварийного ввода отрицательной реактивности, и к системам управления и защиты (СУЗ) ядерных реакторов РБМК.

Уровень техники Регулирование работы реактора осуществляется изменением коэффициента размножения нейтронов за счет изменения скорости их образования, поглощения или утечки. В случае увеличения плотности потоков нейтронов выше заданного значения осуществляют быстрый ввод органов регулирования в активную зону, преимущественно за счет сброса органов регулирования.

Конструкция органов регулирования зависит от типа реактора, конструкции активной зоны и технологических параметров реактора. Тип реактора характеризует свойства теплоносителя и определяет его воздействие на органы регулирования. Однако невозможно рассматривать тот или иной теплоноситель в отрыве от его рабочих параметров: температуры, давления и фазового состояния. В зависимости от типа реактора каналы, в которых размещают органы регулирования, могут быть сухими или мокрыми, охлаждаемыми или неохлаждаемыми. Конструкция активной зоны определяет форму и основные геометрические размеры органа регулирования.

Известен способ эксплуатации уран-графитового канального ядерного реактора, используемый на Белоярской АЭС им. И.В. Курчатова, включающий ручное регулирование для компенсации запаса реактивности и автоматическое регулирование для поддержания заданного уровня мощности, а также обеспечивающий возможность аварийного введения отрицательной реактивности (И.Я. Емельянов и др., Конструирование ядерных реакторов, М., Энергоиздат, 1982, с. 199, 200). Для функционирования в аварийном режиме в известном способе используется орган регулирования, состоящий из пяти звеньев, соединенных с помощью шарниров. Каждое звено представляет собой набор втулок из бористого сплава. Втулки из бористого сплава насажаны на жаропрочные трубы. Звенья имеют также направляющие ролики, обеспечивающие перемещение стержня внутри сухого вертикального канала с двойными концентрическими тонкими стенками, изготовленными из материала, слабо поглощающего нейтроны. Выполнение органа регулирования в сухом исполнении приводит к тому, что температура стержней при номинальной мощности составляет (600÷650)^oС. Прекращение охлаждения канала повышает температуру стержней на (200÷250)^oС.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к описываемому способу является способ эксплуатации уран-графитового канального ядерного реактора, включающий аварийный ввод отрицательной реактивности путем перемещения на рабочий ход в активную зону, по крайней мере, одного органа регулирования, содержащего подвеску и звенья с поглощающим нейтроны материалы Н. А. Доллежаль, И.Я. Емельянов, Канальный ядерный энергетический реактор, М., Атомиздат, 1980, с. 121-125).

Физическая эффективность органа регулирования при его перемещении в активную зону на рабочий ход в значительной степени определяется наружным диаметром поглотителя нейтронов, содержащегося в поглощающем стержне. Поэтому для увеличения физической эффективности СУЗ при ограниченном числе каналов СУЗ следует выбирать конструкцию с наибольшим диаметром поглотителя. Однако для гарантии свободного перемещения органа регулирования с последовательно установленными звеньями с поглощающим нейтроны материалом ширина газового зазора должна быть не менее (2÷5) мм. Тепловыделение в звеньях с поглощающим нейтроны материалом при таком газовом зазоре приведет к разогреву оболочек звеньев до температур, допускаемых лишь для дорогостоящих жаропрочных материалов.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к описываемому устройству является регулирующий орган уран-графитового канального ядерного реактора, содержащий устанавливаемые на подвеске в охлаждаемый канал звенья с поглощающим нейтроны материалом, выполненные с возможностью перемещения вдоль охлаждаемого канала (И.Я. Емельянов и др., Конструирование ядерных реакторов, М., Энергоиздат, 1982, с. 200, 201). Регулирующий орган перемещается в охлаждаемом канале, пронизывающем графитовую кладку. В охлаждаемом канале циркулирует вода для отвода тепла, выделяющегося в регулирующем органе. Регулирующий орган состоит из пяти последовательно соединенных посредством шарниров звеньев. С первым по ходу движения регулирующего органа звеном телескопически соединен вытеснитель. Последнее по ходу движения регулирующего органа звено соединено с подвеской, которая соединена с гибкой тягой. Каждое звено представляет собой трубу, концы которой заварены герметично. Звенья вытеснителя заполнены графитом. В известном устройстве вытеснитель необходим для вытеснения воды в охлаждаемом канале при полностью извлеченных из активной зоны звеньях с поглощающим нейтроны материалом. Это обусловлено тем, что вода, являясь достаточно сильным поглотителем нейтронов, влияет на нейтронно-физические характеристики реактора, а именно на эффект реактивности при аварии с обезвоживанием регулирующего органа СУЗ и на эффективность регулирующего органа. Спецификой РБМК является то, что высота канала СУЗ под активной зоной меньше высоты активной зоны Поэтому длина вытеснителя меньше высоты активной зоны и соединение вытеснителя с поглотителем выполнено телескопическим, т.е. в пределах активной зоны при извлеченных звеньях с поглощающим нейтроны материалом имеются невытесненные столбы воды в канале СУЗ. Для уменьшения этих столбов воды в известном устройстве увеличена длина вытеснителя, что не позволяет обеспечить перекрытие поглотителем всей высоты активной зоны.

Кроме того, время ввода известного органа регулирования в активную зону в режиме аварийной защиты составляет около (12÷17)^oC.

Сущность изобретения Задачей настоящего изобретения является разработка и создание способа эксплуатации уран-графитового канального ядерного реактора и регулирующего органа уран-графитового канального ядерного реактора, обладающих улучшенными параметрами и впервые реализующих кластерную конструкцию для реактора типа РБМК.

В результате решения данной задачи возможно получение технических результатов, заключающихся в том, что обеспечивается возможность введения регулирующего органа на всю глубину активной зоны, уменьшается объем воды в канале СУЗ в пределах активной зоны, снижется нагрузка на привод, увеличивается скорость введения регулирующего органа в активную зону в режиме аварийной остановки.

Данные технические результаты достигаются тем, что в способе эксплуатации уран-графитового канального ядерного реактора, включающем аварийный ввод отрицательной реактивности путем перемещения на рабочий ход в активную зону, по крайней мере, одного органа регулирования, содержащего подвеску и звенья с поглощающим нейтроны материалы, в качестве органа регулирования используют параллельно расположенные звенья с поглощающим нейтроны материалом, каждое из которых соединено с подвеской, причем, по крайней мере, один орган регулирования перемещают на рабочий ход в активную зону на всю ее высоту таким образом, чтобы средняя скорость W аварийного ввода отрицательной реактивности на величине рабочего хода удовлетворяла условию W = K•[ρ/(N)], где ρ - значение величины отрицательной реактивности, введенной органами регулирования при перемещении на рабочий ход в активную зону, β_эфф; N - количество органов регулирования, перемещаемых на рабочий ход в активную зону; К - расчетно-экспериментальный коэффициент, выбранный от 0,133 до 0,223, 1/с.

В регулирующем органе уран-графитового канального ядерного реактора, содержащем устанавливаемые на подвеске в охлаждаемый канал звенья с поглощающим нейтроны материалом, выполненные с возможностью перемещения вдоль охлаждаемого канала, введена гильза, содержащая расположенные на равноудаленном расстоянии от продольной оси гильзы 12 индивидуальных каналов, в которых установлены звенья с поглощающим нейтроны материалом, причем с подвеской соединено каждое звено с поглощающим нейтроны материалом, а наружный диаметр d_зв звена с поглощающим нейтроны материалы выбран от 0,102d мм до 0,106d мм, где d - наружный диаметр гильзы.

Отличительная особенность настоящего изобретения состоит в том, что в качестве органа регулирования используют параллельно расположенные звенья с поглощающим нейтроны материалом, каждое из которых соединено с подвеской, т. е. одновременно перемещают не моностержень, в котором звенья расположены последовательно, а установленные параллельно друг другу по окружности звенья, эффективность которых не ниже моностержня. Причем орган регулирования перемещают в аварийном режиме на всю высоту активной зоны, что существенно повышает поглощение нейтронов по всему объему активной зоны. Поскольку общий путь, проходимый органом регулирования равен высоте активной зоны, необходимо обеспечить такой закон перемещения органа регулирования, при котором средняя скорость W аварийного ввода отрицательной реактивности на величине рабочего хода удовлетворяет условию W = K•[ρ/(N)], где ρ- значение величины отрицательной реактивности, введенной органами регулирования при перемещении на рабочий ход в активную зону, β_эфф;
N - количество органов регулирования, перемещаемых на рабочий ход в активную зону;
К - расчетно-экспериментальный коэффициент, выбранный от 0,133 до 0,223, 1/с. Данное условие определено расчетно-экспериментальным путем. Формирование необходимого закона перемещения органа регулирования и подача соответствующего сигнала на привод, осуществляется любыми известными путями и не требует специальных знаний.

Экспериментально установлено, что при величине К менее 0,133 1/с средняя скорость W аварийного ввода отрицательной реактивности на величине рабочего хода не достаточна для требуемого уровня безопасности при остановке реактора. Если величина К более 0,223 1/с, средняя скорость W аварийного ввода отрицательной реактивности на величине рабочего хода приводит к значительным перекосам поля энерго выделения по высоте активной зоны.

Отличительная особенность устройства состоит в том, что введена гильза, содержащая расположенные на равноудаленном расстоянии от продольной оси гильзы 12 индивидуальных каналов. В каналах установлены звенья с поглощающим нейтроны материалом, причем с подвеской соединено каждое звено с поглощающим нейтроны материалом. Наружный диаметр d_зв звена с поглощающим нейтроны материалом выбран от 0,102d мм до 0,106d мм, где d - наружный диаметр гильзы. Если наружный диаметр d_зв звена с поглощающим нейтроны материалом менее 0,102d мм, то эффективность органа регулирования не достаточна для введения требуемой отрицательной реактивности на величине рабочего хода. При величине наружного диаметра d_зв звена с поглощающим нейтроны материалы более 0,106d мм 12 звеньев с поглощающим нейтроны материалом затруднительно разместить с обеспечением зазоров в индивидуальных каналах в габаритах гильзы.

Для свободной проходимости звеньев поглотителя целесообразно, по крайней мере, одно звено с поглощающим нейтроны материалом выполнить, по крайней мере, из двух частей, соединенных шарниром, а звенья с поглощающим нейтроны материалом соединить с подвеской посредством серег.

В качестве поглощающего нейтроны материала может быть использован титанит диспрозия, а гильза может быть выполнена из алюминиевого сплава и заполнена воздухом под атмосферным давлением.

Перечень фигур чертежей
На фиг. 1 изображен общий вид регулирующего органа уран-графитового канального ядерного реактора, на фиг.2 приведено сечение А-А на фиг.1.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
Регулирующий орган уран-графитового канального ядерного реактора содержит устанавливаемые на подвеске 1 в охлаждаемый канал 2 звенья 3 с поглощающим нейтроны материалом. С подвеской 1 посредством, например, серег 4 соединено каждое звено 3 с поглощающим нейтроны материалом. Звенья 3 выполнены с возможностью перемещения вдоль охлаждаемого канала посредством гибкой тяги 5, соединенной с подвеской 1. Гибкая тяга 5 соединена с приводом (на чертеже не показан). В устройство введена гильза 6, содержащая индивидуальные каналы 7, расположенные на равноудаленном расстоянии от продольной оси гильзы. В индивидуальных каналах 7 расположены звенья 3 с поглощающим нейтроны материалом. Наружный диаметр d_зв звена с поглощающим нейтроны материалы выбран от 0,102d мм до 0,106d мм, где d - наружный диаметр гильзы. Целесообразно звенья 3 с поглощающим нейтроны материалом выполнять составными, по крайней мере, из двух частей, соединенных шарниром, что снизит трение при перемещении внутри индивидуальных каналов 7. Звенья 3 содержат оболочку, внутри которой размещен поглощающий нейтроны материал, в качестве которого использован титанит диспрозия. Гильза 6 может быть отлита из алюминиевого сплава с образованием индивидуальных каналов 7. Гильза 6 может быть заполнена воздухом или иным газом при атмосферном давлении. В верхней части гильза 6 закрыта пробкой 8. Для охлаждения звеньев 3 с поглощающим нейтроны материалом в зазор между гильзой 6 охлаждаемым каналом 2 по трубопроводу 9 подают воду.

Функционирует устройство следующим образом. Гильзу 6, закрытую пробкой 8, устанавливают в охлаждаемый канал 2 вместо штатного органа регулирования. Звенья 3 с поглощающим нейтроны материалом, соединенные посредством серег 4 с подвеской 1 одновременно перемещаются при помощи ленточной тяги 5. Команды на перемещение регулирующего органа формирует вычислительный комплекс с учетом плотности нейтронного потока, всплесков энерговыделения и пр. При этом аварийный ввод отрицательной реактивности производят перемещением, по крайней мере, одного органа регулирования на рабочий ход в активную зону на всю ее высоту таким образом, чтобы средняя скорость W аварийного ввода отрицательной реактивности на величине рабочего хода удовлетворяла условию (1).

Формула изобретения

1. Способ эксплуатации уран-графитового канального ядерного реактора, включающий аварийный ввод отрицательной реактивности путем перемещения на рабочий ход в активную зону, по крайней мере, одного органа регулирования, содержащего подвеску и звенья с поглощающим нейтроны материалом, отличающийся тем, что в качестве органа регулирования используют параллельно расположенные звенья с поглощающим нейтроны материалом, каждое из которых соединено с подвеской, причем по крайней мере один орган регулирования перемещают на рабочий ход в активную зону на всю ее высоту таким образом, чтобы средняя скорость W аварийного ввода отрицательной реактивности на величине рабочего хода удовлетворяла условию:
W = K•[ρ/(N)],
где ρ - значение величины отрицательной реактивности, введенной органами регулирования при перемещении на рабочий ход в активную зону, β_эфф;
N - количество органов регулирования, перемещаемых на рабочий ход в активную зону;
К - расчетно-экспериментальный коэффициент, выбранный в пределах 0,133 - 0,223 1/с.

2. Регулирующий орган уран-графитового канального ядерного реактора, содержащий устанавливаемые на подвеске в охлаждаемый канал звенья с поглощающим нейтроны материалом, выполненные с возможностью перемещения вдоль охлаждаемого канала, отличающийся тем, что введена гильза, содержащая расположенные на равноудаленном расстоянии от продольной оси гильзы 12 индивидуальных каналов, в которых установлены звенья с поглощающим нейтроны материалом, причем с подвеской соединено каждое звено с поглощающим нейтроны материалом, а наружный диаметр d_зв звена с поглощающим нейтроны материалы выбран в пределах 0,102 d - 0,106 d, где d - наружный диаметр гильзы, мм.

3. Регулирующий орган по п. 2, отличающийся тем, что, по крайней мере, одно звено с поглощающим нейтроны материалом выполнено, по крайней мере, из двух частей, соединенных шарниром.

4. Регулирующий орган по п. 2 или 3, отличающийся тем, что звенья с поглощающим нейтроны материалом соединены с подвеской посредством серег.

5. Регулирующий орган по п. 2, или 3, или 4, отличающийся тем, что в качестве поглощающего нейтроны материала использован титанат диспрозия.

6. Регулирующий орган по п. 2, или 3, или 4, или 5, отличающийся тем, что гильза выполнена из алюминиевого сплава.

7. Регулирующий орган по п. 2, или 3, или 4, или 5, или 6, отличающийся тем, что гильза заполнена воздухом под атмосферным давлением.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2