Облучательное устройство уран-графитового реактора для радиационного облучения материалов

Изобретение относится к технологии нейтронно-трансмутационного легирования кремния при промышленном производстве на энергетических реакторах типа РБМК. Устройство содержит проходной тракт с сильфонным компенсатором, расположенную внутри проходного тракта и жестко соединенную с ним наружную оболочку в виде последовательно соединенных гильзы, тракта наращивания и головки, причем гильза верхней частью установлена на опорный бурт проходного тракта, а нижней частью расположена с зазором в расточке графитовых блоков отражателя нейтронов, при этом устройство снабжено внутренней трубой, смонтированной с зазором внутри наружной оболочки, и узлами подвода и отвода охлаждающей жидкости, образующими вместе с наружной оболочкой и внутренней трубой систему охлаждения, при этом снаружи и внутри наружной оболочки установлены средства защиты от ионизирующего излучения, а устройство снабжено расположенной во внутренней трубе телескопической подвеской облучательного контейнера, с которым соединена нижняя секция подвески, при этом подвеска снабжена приводом вертикального перемещения и вращения, расположенным в верхней части наружной оболочки, а с внешней стороны наружной оболочки размещена система контроля целостности гильзы. Изобретение позволяет улучшить свойства легированного кремния: равномерность легирования, вероятность возникновения дефектов. 3 з.п. ф-лы, 7 ил.

 

Изобретение относится к технологии нейтронно-трансмутационного легирования кремния при промышленном производстве на энергетических реакторах типа РБМК.

В качестве ближайшего аналога выбрана конструкция [Патент РФ № 2147147, G 21 C 1/12, 1998 г.], согласно которой в активной зоне уран-графитового реактора, в верхней металлоконструкции, в районе коллектора парогазовой смеси, между трактами технологических каналов и каналами охлаждения отражателя выполнен вертикальный герметичный канал, в который устанавливают гильзу для размещения устройства радиационной обработки материала, в частности кремния, с диаметром 100-305 мм. При этом обеспечивается контакт графитовых блоков с наружной поверхностью гильзы. Гильза крепится с помощью сильфонного компенсатора к верхней металлоконструкции реактора.

К недостаткам аналога можно отнести то, что он не обеспечивает организацию эффективного облучения материала при одновременном обеспечении требуемого уровня ядерной и радиационной безопасности. Наличие контакта гильзы с графитовыми блоками исключает наружный контроль целостности гильзы. Загрузочное устройство расположено под плитным настилом реактора, что сильно затрудняет загрузку и выгрузку кремния, а также не защищает от ионизирующего излучения. Кроме того, не предусмотрено вращение кремния во время облучения, что приводит к неравномерному распределению легирующей примеси по объему кремния. При этом отсутствует охлаждение кремния во время облучения, что приводит к сильному радиационному разогреву кремния, нарушающему его целостность.

Задачей, решаемой заявленным изобретением, является создание условий для эффективного радиационно-безопасного нейтронно-трансмутационного легирования слитков кремния диаметром от 100 мм до 305 мм и высотой столба до 2000 мм в уран-графитовом реакторе.

Технический результат заключается в создании облучательного устройства, обеспечивающего получение нейтронно-трансмутационно легированного кремния, обладающего свойствами (равномерность легирования, вероятность возникновения дефектов), заметно лучшими, чем у выбранного прототипа, за счет применения системы охлаждения кремния и обеспечения вращения и вертикального перемещения кремния в процессе облучения, а также в повышении уровня ядерной и радиационной безопасности при эксплуатации устройства за счет применения дополнительных средств защиты от ионизирующего излучения и системы контроля целостности оболочки.

Указанный технический результат достигается за счет того, что облучательное устройство уран-графитового реактора для радиационного облучения материалов, содержащее проходной тракт с сильфонным компенсатором, расположенную внутри проходного тракта и жестко соединенную с ним наружную оболочку в виде последовательно соединенных гильзы, тракта наращивания и головки, причем гильза верхней частью установлена на опорный бурт проходного тракта, а нижней частью расположена с зазором в расточке графитовых блоков отражателя нейтронов, при этом устройство снабжено внутренней трубой, смонтированной с зазором внутри наружной оболочки, и узлами подвода и отвода охлаждающей жидкости, образующими вместе с наружной оболочкой и внутренней трубой систему охлаждения, при этом снаружи и внутри наружной оболочки установлены средства защиты от ионизирующего излучения, а устройство снабжено расположенной во внутренней трубе телескопической подвеской облучательного контейнера, с которым соединена нижняя секция подвески, при этом подвеска снабжена приводом вертикального перемещения и вращения, расположенным в верхней части наружной оболочки, а с внешней стороны наружной оболочки размещена система контроля целостности гильзы.

Узлы подвода и отвода охлаждающей жидкости выполнены в виде подводящего и отводящего трубопроводов, штуцеры которых смонтированы соответственно в тракте наращивания и головке, смонтированной в верхней части наружной оболочки.

Кроме того, средства защиты от ионизирующего излучения выполнены в виде защитных коробов и защитных втулок, расположенных соответственно снаружи и внутри тракта наращивания наружной оболочки.

Система контроля целостности гильзы содержит трубопровод отвода газа, штуцер которого смонтирован в проходном тракте, кольцевые зазоры между гильзой, графитовыми блоками отражателя нейтронов и проходным трактом, и датчики температуры и влажности.

Заявителем не обнаружено источников информации, содержащих одинаковую общую совокупность признаков, указанных в п.1 формулы изобретения, что позволяет сделать вывод о соответствии предложенного технического решения критерию “новизна”.

Для установления соответствия предложения “изобретательский уровень” проведен дополнительный поиск уровня техники в данной области, в результате которого не найдены аналоги, содержащие признаки предложенного решения, отличающие предложенное решение от ближайшего аналога и выполняющие аналогичные функции с достижением аналогичного предложенному результата, что позволяет сделать вывод о соответствии предложения критерию “изобретательский уровень”.

Фиг.1 - устройство, общий вид в разрезе.

Фиг.2 - узел А на Фиг.1.

Фиг.3 - узел Б на Фиг.1.

Фиг.4 - узел В на Фиг.1.

Фиг.5 - узел Г на Фиг.1.

Фиг.6 - узел Д на Фиг.1.

Фиг.7 - узел Е на Фиг.1.

Устройство монтируется в графитовые блоки 1 и верхнюю металлоконструкцию реактора 2 и включает в себя узлы: “тракт с сильфонным компенсатором”, “дополнительную защиту”, “систему охлаждения”, “систему контроля целостности канала”.

Устройство представляет собой сварную конструкцию, предназначенную для создания полости в отражателе реактора и организации охлаждения кремния при облучении и для установки облучательного контейнера и телескопической подвески.

Устройство содержит гильзу 3, соединенную с трактом наращивания 4, внутреннюю трубу 5 и головку 6. Гильза 3 представляет собой сварную тонкостенную трубу из коррозионно-стойкого металла, установленную в графитовые блоки 1, образующие кладку, и является наружной оболочкой канала. Крепление гильзы 3 к тракту с сильфонным компенсатором осуществляется путем установки на опорный бурт 7 и герметизации сварным соединением 8.

Тракт наращивания 4 представляет собой сварную трубу из коррозионно-стойкого металла, приваренного к верхнему торцу гильзы 3, и, являясь конструктивным продолжением гильзы 3, служит наружной оболочкой канала, а также воспринимает нагрузку от установленного облучательного устройства.

Верхняя часть тракта наращивания 4 представляет собой головку 6, выполненную из коррозионно-стойкого металла, имеющего резьбовые отверстия (на фиг.1 не показано) для крепления облучательного контейнера 21 с телескопической подвеской и имеет посадочное место для герметизирующей прокладки.

Для установки внутренней трубы 5 на тракте наращивания 4 предусмотрен опорный бурт 10. Внутренняя труба 5 представляет собой сварную тонкостенную оболочку из коррозионно-стойкого металла, установленную внутрь гильзы 3 и тракта наращивания 4 и служит для разделения восходящего и нисходящего потоков охлаждающей воды 11.

Для обеспечения диаметральных зазоров между внутренней трубой 5 и гильзой 3 на наружной поверхности внутренней трубы 5 приварены дистанционаторы 12, представляющие собой разрезные трубки. Внутренняя труба 5 устанавливается на опорный бурт 10 тракта наращивания 4 и приваривается усиковым сварным швом.

Для уменьшения влияния прострельных излучений к наружной поверхности внутренней трубы 5 приварена защитная втулка 13 из коррозионно-стойкого металла, представляющая собой цилиндр с выфрезерованными винтовыми канавками.

Проходной тракт с сильфонным компенсатором 22 служит для закрепления канала, герметичности металлоконструкции 2 реактора и компенсации температурных перемещений. Он состоит из проходной трубы 14, приваренной к нижней плите металлоконструкции 2; наружной трубы 15, приваренной к верхней плите металлоконструкции 2; опорной втулки 16, приваренной к верхнему торцу проходной трубы 14; сильфона 17, приваренного нижним торцом к опорной втулке, а верхним торцом к верхнему торцу наружной трубы 15; штуцера 18 отвода газа в систему целостности канала, вваренного в опорную втулку 16.

Защита от ионизирующих излучений представляет собой защитный короб 19, выполненный из металла, заполненный смесью серпентинитовой гали и чугунной дроби и установленный на наружной поверхности тракта наращивания 4, а также защитные плиты 20, установленные в районе головки тракта наращивания 4, выполненные в виде коробов, заполненных смесью серпентинитовой гали и чугунной дроби.

Облучательное устройство состоит из облучательного контейнера 21, телескопической подвески, состоящей из звеньев 23, передающих вращение и осевое перемещение, сервопривода 24, герметизирующей крышки 25 с отверстиями для закрепления облучательного устройства на головке тракта наращивания 4. Облучательный контейнер 21 представляет собой тонкостенную трубу с отверстиями для прохода воды к кремнию, выполненную из материала, имеющего малое сечение поглощения тепловых нейтронов. Внутри облучательного контейнера 21 установлен вытеснитель 26, позволяющий осуществлять облучение материалов различного типоразмера, удаляя избыточное количество воды, и внутри которого располагаются облучаемые слитки кремния 27.

Система подвода и отвода охлаждающей жидкости состоит из штуцера 28, подводящего воду трубопровода 29, штуцера 30, отводящего воду трубопровода 31, которые подключены к штатным системам реактора. Данная система служит для охлаждения кремния 27 во время облучения до температуры 45°С-70°С.

Система охлаждения используется следующим образом: от штатной системы реактора химобессоленная вода по трубопроводу 29 через штуцер 28 подается в полость канала (узел охлаждения), образованную наружной поверхностью внутренней трубы 5 и внутренней поверхностью гильзы 3, и внутренней поверхностью тракта наращивания 4. Вода по этой полости спускается вниз канала, а затем поднимается вверх, заполняя внутреннюю полость внутренней трубы 5, облучательный контейнер 21, охлаждая кремний 27 и поднявшись до верха канала, сливается через штуцер 30 по трубопроводу 31 в штатную систему реактора.

Система контроля целостности установки состоит из штуцера 18, трубопровода 32, газа 33, зазора 34, образованного наружной поверхностью гильзы 3 и графитовыми блоками 1, зазора 35, образованного наружной поверхностью гильзы 3 и проходной трубой 14, штатной контрольно-измерительной аппаратуры реактора. Система контроля целостности установки позволяет осуществлять постоянный мониторинг целостности оболочки.

Система контроля целостности установки работает следующим образом: газ 33, используемый для продувки реакторного пространства с определенной влажностью и температурой, проходя через зазоры графитовых колонн, попадает в зазор 34 и по этому зазору, обдувая наружную поверхность канала, поступает в штуцер 18 и по трубопроводу 32 поступает к штатной контрольно-измерительной аппаратуре реактора, где анализируется его влажность и температура. В случае появления дефекта оболочки значения влажности и температуры газа 33 изменяются (повышаются), что и сигнализирует о наличии дефекта.

Устройство работает следующим образом: в облучательный контейнер 21 загружается вытеснитель 26, соответствующий диаметру кремния, и затем загружается кремний 27. К облучательному контейнеру 21 присоединяется телескопическая подвеска, состоящая из звеньев 23, сервопривода 24, затем собранный модуль устанавливается в канал на головку тракта наращивания 4 и герметизируется.

При помощи сервопривода 24 облучательный контейнер 21 опускается на уровень активной зоны реактора, где и осуществляется нейтронно-трансмутационное легирование кремния 27, при этом сервоприводом 24 обеспечивается вращение телескопической подвески вместе с облучательным контейнером 21. Кремний облучается до требуемого расчетного времени.

По истечении расчетного времени облучения вращение телескопической подвески прекращается и посредством сервопривода 24 облучательный контейнер 21 с кремнием 27 выводится из активной зоны реактора.

Использование предлагаемого устройства для облучения материалов позволит производить нейтронно-трансмутационное легирование кремния диаметром от 100 мм до 305 мм и высотой столба до 2000 мм, что невозможно осуществить имеющимися в настоящее время техническими средствами, включая ближайший аналог, значительно уменьшить радиационные дефекты в легированном кремнии и вследствие этого, возможно, исключить такую операцию, как отжиг кремния после облучения, который проводится с целью исправления радиационных дефектов, возникающих при облучении кремния.

В то же время использование устройства для облучения материалов не оказывает влияния на работу уран-графитового канального реактора большой мощности, обеспечивая ядерную и радиационную безопасность.

1. Облучательное устройство уран-графитового реактора для радиационного облучения материалов, содержащее проходной тракт с сильфонным компенсатором, расположенную внутри проходного тракта и жестко соединенную с ним наружную оболочку в виде последовательно соединенных гильзы, тракта наращивания и головки, причем гильза верхней частью установлена на опорный бурт проходного тракта, а нижней частью расположена с зазором в расточке графитовых блоков отражателя нейтронов, при этом устройство снабжено внутренней трубой, смонтированной с зазором внутри наружной оболочки, и узлами подвода и отвода охлаждающей жидкости, образующими вместе с наружной оболочкой и внутренней трубой систему охлаждения, при этом снаружи и внутри наружной оболочки установлены средства защиты от ионизирующего излучения, а устройство снабжено расположенной во внутренней трубе телескопической подвеской облучательного контейнера, с которым соединена нижняя секция подвески, при этом подвеска снабжена приводом вертикального перемещения и вращения, расположенным в верхней части наружной оболочки, а с внешней стороны наружной оболочки размещена система контроля целостности гильзы.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что узлы подвода и отвода охлаждающей жидкости выполнены в виде подводящего и отводящего трубопроводов, штуцеры которых смонтированы соответственно в тракте наращивания и головке, смонтированной в верхней части наружной оболочки.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что средства защиты от ионизирующего излучения выполнены в виде защитных коробов и защитных втулок, расположенных соответственно снаружи и внутри тракта наращивания наружной оболочки.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что система контроля целостности гильзы содержит трубопровод отвода газа, штуцер которого смонтирован в проходном тракте, кольцевые зазоры между гильзой, графитовыми блоками отражателя нейтронов и проходным трактом, и датчики температуры и влажности.