Отражатель нейтронов ядерного реактора

 

Изобретение относится к области атомной энергетики, а именно к конструкциям отражателей нейтронов из бериллия исследовательских энергетических реакторов. Изобретение позволяет увеличить ресурс отражателя нейтронов из бериллия. С этой целью отражатель выполнен из трех и более частей в сечениях под углом 0-180^o к вертикальной оси блока. Опорная конструкция соединяет верхний и нижний фланцы и включает элементы, проходящие внутри и снаружи блока. Опорные элементы могут быть выполнены в виде пластин, стержней или труб из конструкционных материалов, например циркония или нержавеющей стали. Между верхним и/или нижним торцами блока и соответствующими фланцами размещены упругие элементы в виде тарельчатой или иного типа пружины из материала с пределом прочности не менее чем на 50% ниже предела прочности бериллия при одинаковых температурах испытания в области температур до 200^oС. 7 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области атомной энергетики, а именно к конструкциям отражателей нейтронов из бериллия исследовательских и энергетических реакторов.

Наиболее важными требованиями, предъявляемыми к конструкции отражателя из бериллия, являются его высокое сопротивление радиационному повреждению и сохранение целостности изделия вплоть до флюенсов ~1,5•10²³ cм^-2 (Е>0,1 МэВ).

В ядерных реакторах в качестве отражателей и замедлителей нейтронов, как правило, используются конструкции в виде массивных, цельных пластин или блоков из металлического бериллия высотой до полуметра и более (Исследовательские реакторы института и их экспериментальные возможности. /Под ред. В. Л.Цыканова, НИИАР, Димитровград, 1992, с. 13). Сверху и снизу такой блок ограничен металлическими фланцами (обычно из нержавеющей стали), а несущим нагрузку, обеспечивающим цельность и жесткость конструкции, является сам материал блока - бериллий. Недостатком данной конструкции является подверженность материала блока растрескиванию и последующему разрушению в процессе эксплуатации в активной зоне реактора при достижении флюенса из интервала (3-6)•10²² cм^-2 (Е>0,1 МэВ). Причинами этого эффекта являются накопление радиационных повреждений в бериллии (радиационные дефекты типа дислокационных петель и атомы гелия, появившиеся при протекании ядерных реакций атомов бериллия с нейтронами) и наличие значительных по величине термических и других напряжений в массиве блока, возникающих вследствие неравномерности разогрева и радиационного повреждения блока по сечению и высоте. В результате деградации механических свойств бериллия, что выражается в охрупчивании и разупрочнении материала, напряжения в блоке приводят к образованию трещин и последующему их распространению по массиву блока, что ведет к его преждевременному разрушению.

В качестве прототипа, то есть наиболее близкого аналога к настоящему изобретению, рассматривается конструкция бериллиевого блока (З.И.Чечеткина, В. П.Гольцев, В.И.Клименков, С.Н.Вотинов, В.А.Цыканов. Поведение металлического бериллия в реакторе СМ-2. Атомная энергия, т. 29, вып. 3, 1970, с. 174-177), в которой блок выполнен составным по высоте из двух частей. Необходимые целостность и жесткость конструкции блока обеспечиваются наличием опорной конструкции, представляющей собой размещенную внутри блока вертикальную трубу из циркония, которая крепится к нижнему и верхнему фланцам, выполненным из нержавеющей стали. Недостатком данной конструкции является недостаточное разбиение блока, всего лишь на две части по высоте. Данное разбиение возникло из-за отсутствия на тот момент времени технологии изготовления крупногабаритных, цельных бериллиевых блоков. Разбиение блока на две части по высоте практически не обеспечивает снятия возникающих в нем в процессе облучения напряжений и соответственно не ведет к увеличению его ресурса. Кроме того, опорная конструкция, состоящая только из вертикальной циркониевой трубы, не обеспечивает в достаточной степени необходимую надежность, жесткость и целостность конструкции блока, особенно в облученном состоянии, когда появляются трещины и сколы на блоке. Это приводит к сокращению ресурса вследствие необходимости выгрузки блока из активной зоны реактора при фиксации начала образования трещин на его гранях.

Целью данного изобретения является увеличение ресурса отражателя нейтронов из бериллия путем создания конструкции, обладающей повышенным сопротивлением радиационному повреждению.

Поставленная цель достигается - увеличением количества частей блока до трех и более; - выполнением опорной конструкции в виде опорных элементов; проходящих внутри и снаружи блока; - размещением упругих элементов между верхним и/или нижним торцами блока и соответствующими фланцами.

Разбиение блока из бериллия на три и более частей позволяет значительно снизить уровень напряжений, возникающих в материале при эксплуатации блока в реакторе, поскольку величина термических напряжений и напряжений, возникающих в массиве бериллиевого блока вследствие неравномерности радиационного повреждения различных его областей, пропорционально зависит от размера блока. Чем больше размер блока, тем выше напряжения. Поэтому разбиение блока на автономные части позволяет снизить общий уровень напряжений в материале блока. Поскольку величина нейтронного потока зависит от высоты активной зоны по функции косинуса, то степень радиационного повреждения материала блока и уровень возникающих напряжений в соответствующих точках будет находиться в такой же зависимости от высоты. Поэтому разбиение блока по высоте на несколько частей позволит в несколько раз снизить напряжения. Разбиение же всего на две части совершенно недостаточно, поскольку согласно проведенным прочностным расчетам снижение величины напряжений при этом происходит незначительное. Разбиение блока на составные части может быть проведено не только в сечениях по высоте и в перпендикулярном направлении, но и в промежуточных сечениях, то есть под углом 0-180^o к вертикальной оси блока в зависимости от расчетной эффективности снижения уровня термических напряжений в блоке в результате подобного разбиения.

Выполнение опорной конструкции в виде опорных элементов, проходящих внутри и снаружи блока, позволяет обеспечить необходимую жесткость и целостность конструкции при наличии нескольких автономных частей блока. Например, выполнение опорных элементов снаружи в виде каркаса обеспечит возможность продолжения эксплуатации блока даже при появлении трещин. Опорные элементы могут существовать в виде пластин, стержней или труб, изготовленных из конструкционного материала, в зависимости от конкретной конструкции бериллиевого блока, его размеров и результатов нейтронно-физических расчетов, поскольку при разработке блока необходим точный учет влияния появления дополнительного количества конструкционного материала на нейтронно-физические характеристики реактора. В качестве конструкционного материала опорных элементов могут использоваться нержавеющая сталь или цирконий, обладающие соответствующими ядерно-физическими характеристиками, позволяющими их применять в активной зоне реактора.

Согласно экспериментальным данным бериллий при облучении в реакторе подвержен распуханию. Его распухание, то есть увеличение объема при ресурсных флюенсах до ~ 1,5•10²³ см^-2 (Е>0,1 МэВ), может достигать 3%, то есть 1% на линейный размер. Поэтому появление в конструкции опорных элементов предусматривает необходимость введения так называемых компенсаторов распухания материала блока для того, чтобы исключить появление дополнительных напряжений в материале блока вследствие контакта между ним и опорными элементами. Ими служат упругие элементы, размещенные между верхним и/или нижним торцами блока и соответствующими фланцами, и зазоры, которые оставлены между поверхностями частей блока и соответствующими опорными элементами. Без компенсации распухания при контакте с опорными элементами, как указано выше, в материале блока возникнут значительные по величине напряжения, которые приведут к преждевременному его разрушению при эксплуатации в реакторе. Упругий элемент представляет собой тарельчатую или иного типа пружину, выполненную из конструкционного материала (нержавеющей стали или циркония) или иного материала. Наибольшего увеличения ресурса можно добиться при установке упругого элемента, имеющего предел прочности не менее чем на 50% ниже предела прочности бериллия при одинаковых температурах испытания в области температур до 200^oС. В эти 50% входит и компенсация радиационного упрочнения самого материала упругого элемента и разупрочнения бериллия, что будет иметь место в процессе облучения блока в реакторе. В сечениях, расположенных под углами больше нуля и меньше 180^o, ожидаемое распухание бериллия компенсируется оставлением зазоров величиной 1% между поверхностями частей блока и опорными элементами. Таким образом, дополнительная жесткость конструкции, связанная с появлением опорных элементов, не препятствует распуханию бериллия и соответственно не приводит к появлению дополнительных напряжений в блоке.

Новые существенные признаки в научной и технической литературе не обнаружены, предложенное решение не следует явным образом из уровня техники, совокупность признаков обеспечивает новые свойства, что позволяет сделать вывод, что заявляемое решение соответствует критерию изобретательский уровень.

На фиг.1 представлен отражатель нейтронов, на фиг.2 и 3 - соответственно горизонтальные сечения. Отражатель нейтронов состоит из отдельных бериллиевых частей блока 1, которые размещены последовательно друг за другом по высоте. Сверху и снизу блок ограничен фланцами 2, части блока нанизаны на стержни 3, жестко связанные с фланцами. Снаружи блок ограничен вертикально расположенными пластинами 4, которые утоплены в материал блока, но расположены с расчетным зазором к прилегающим поверхностям блока. Эти пластины также жестко связаны с фланцами. Между верхней поверхностью верхней части бериллиевого блока и верхним фланцем размещен упругий элемент 5.

Данный вариант конструкции отражателя нейтронов из бериллия соответствует существующей компоновке активной зоны реактора СМ. Поперечное сечение отражателя прямоугольное, он расположен более протяженной стороной в направлении активной зоны. Количество частей, на которое производится разбиение исходного блока, зависит от высоты активной зоны и нейтронно-физических характеристик реактора. В данном случае при высоте активной зоны 350 мм общая длина блока из бериллия составляет 500 мм, и блок может быть разделен по высоте на 8 частей. Все опорные элементы должны быть выполнены из одного конструкционного материала, нержавеющей стали или циркония для ликвидации возможности появления дополнительных напряжений из-за несовпадения коэффициентов линейного расширения материалов отдельных его частей. Необходимая жесткость и устойчивость конструкции обеспечивается использованием двух опорных стержней, проходящих внутри блока, и четырех пластин - снаружи блока. Упругий элемент выполнен в виде тарельчатой пружины из нержавеющей стали марки Х13, имеющей предел прочности при температурах до 200^oС 200-150 МПа против 600-400 МПа у бериллия, и размещен в верхней части, между верхним фланцем и верхней поверхностью блока. Расчетные зазоры между пластинами и соответствующими поверхностями частей блока составляют в одном направлении величину не более 0,3 мм, так как максимальный размер в этом поперечном сечении блока составляет величину около 30 мм, во взаимно перпендикулярном направлении 2 мм (максимальный размер 200 мм).

Предлагаемое техническое решение (конструкция) приблизительно в полтора-два раза увеличит ресурс отражателя нейтронов из бериллия, что позволит достичь цели изобретения.

Формула изобретения

1. Отражатель нейтронов ядерного реактора, включающий блок из бериллия, составленный из частей, верхний и нижний фланцы, опорную конструкцию, отличающийся тем, что блок составлен из не менее чем трех частей, опорная конструкция выполнена в виде опорных элементов, проходящих внутри и снаружи блока, при этом между верхним и/или нижним торцами блока и соответствующими фланцами размещены упругие элементы.

2. Отражатель по п. 1, отличающийся тем, что блок составлен из частей в сечениях под углом 0 - 180^o к вертикальной оси блока.

3. Отражатель по п. 1, отличающийся тем, что опорные элементы выполнены в виде пластин, стержней или труб.

4. Отражатель по п. 1, отличающийся тем, что опорные элементы выполнены из конструкционного материала.

5. Отражатель по п. 4, отличающийся тем, что в качестве конструкционного материала использована нержавеющая сталь или цирконий.

6. Отражатель по п. 1, отличающийся тем, что упругий элемент выполнен из материала с пределом прочности не менее чем на 50% ниже предела прочности бериллия при одинаковых температурах испытания в области температур до 200^oС.

7. Отражатель по п. 1, отличающийся тем, что упругий элемент выполнен в виде тарельчатой или иного типа пружины.

8. Отражатель по п. 1, отличающийся тем, что опорные элементы установлены с зазором, причем суммарный зазор между поверхностями частей блока и элементами не превышает 1% от максимального линейного размера блока в этом сечении.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3