Способ изготовления блоков замедлителя и отражателя нейтронов ядерного реактора
Владельцы патента RU 2524689:
Открытое акционерное общество "Государственный научный центр Научно-исследовательский институт атомных реакторов" (RU)
Изобретение относится к ядерной технике и может быть использовано при изготовлении блоков замедлителя и отражателя нейтронов, содержащих бериллий, преимущественно для исследовательских реакторов. Способ изготовления блоков замедлителя и отражателя нейтронов ядерного реактора предусматривает размещение бериллия в герметичном чехле. Чехол, определяющий форму блока, герметично соединяют с нижним концевиком, внутрь чехла засыпают гранулы бериллия, производят их уплотнение, затем герметично соединяют чехол с верхним концевиком. При этом при изготовлении блоков замедлителя уплотнение осуществляют до плотности 70-85% от теоретической, а при изготовлении блоков отражателя - до плотности 60-90% от теоретической. Технический результат - повышение экологичности изготовления за счет исключения технологических операций механической обработки, а также уменьшение влияния эффекта «отравления» бериллия из-за накопления 3Не. 7 з.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к ядерной технике и может быть использовано при изготовлении блоков замедлителя и отражателя нейтронов, содержащих бериллий, преимущественно для исследовательских реакторов, с целью существенного снижения стоимости изготовления и повышения экологичности за счет исключения технологических операций механической обработки, а также уменьшения влияния эффекта «отравления» бериллия из-за накопления 3Не.
Бериллий широко применяют в ядерных реакторах в качестве замедлителя и отражателя нейтронов. Его использование обусловлено лучшими по сравнению со многими другими материалами нейтронно-физическими характеристиками. Как правило, используют конструкции в виде массивных, цельных или составных пластин и блоков из металлического бериллия высотой до метра и более.
Известен способ изготовления блоков замедлителя и отражателя нейтронов ядерного реактора [Б.Г.Игнатьев, Л.А.Ижванов, Н.И.Полторацкий и др. Технология изготовления реакторных конструкций из металлического бериллия и его окиси. Труды третьей Женевской конференции по использованию атомной энергии в мирных целях. Доклад Р/351, Т.9, реакторные материалы, стр.301-308. United Nations, New York, 1965]. Пластины и блоки изготавливают из заготовок металлического бериллия, которые получают путем спекания, горячего или холодного прессования, а также горячего выдавливания с использованием бериллия в порошкообразной форме. Требуемые геометрические размеры получают, обрабатывая заготовки с применением токарных, фрезерных, сверлильных работ. Готовые блоки, как правило, сверху и снизу соединяют с концевыми деталями (обычно из сплавов алюминия, циркония или нержавеющей стали), которые обеспечивают сопряжение с элементами конструкции реактора и приспособлениями для выполнения перегрузочных операций.
Подобный способ изготовления блоков замедлителя и отражателя обладает следующими недостатками. Бериллий является чрезвычайно токсичным материалом, и для его механической обработки необходима реализация специальных технических мер и организационных мероприятий по обеспечению безопасности. Механические свойства металлического бериллия таковы, что при изготовлении заготовок и их обработке велика вероятность образования брака в виде недопустимых расслоений, царапин, сколов, трещин. Это приводит к существенному увеличению цены бериллия в виде изделия, по сравнению с ценой в виде порошка.
При взаимодействии бериллия с нейтронами в результате ядерных реакций образуется тритий, который распадаясь, превращается в 3Не, обладающий большим сечением поглощения тепловых нейтронов. Это приводит к значительной потере запаса реактивности реактора во время остановок («отравление» бериллия). Известен случай (реактор BR-2), когда после длительной остановки из-за накопления 3Не запас реактивности снизился настолько, что реактор не удалось вывести в критическое состояние и пришлось полностью заменить бериллиевую кладку.
Кроме того, в процессе облучения, при достижении флюенса быстрых нейтронов (2-4)·1022 см-2 в результате накопления радиационных повреждений и значительных по величине термических напряжений в массиве блока, возникающих вследствие неравномерности разогрева по сечению и высоте, бериллий начинает растрескиваться. Это вызывает выкрашивание фрагментов блоков, которое может привести к повреждению элементов активной зоны реактора. Поэтому при появлении трещин требуется замена блоков.
В качестве прототипа рассматривается способ изготовления элементов отражателя ядерного реактора, предусматривающий размещение бериллиевого блока в герметичном кожухе [Отражатель нейтронов ядерного реактора. Патент РФ №2344503]. Предложенный способ устраняет возможность выкрашивания бериллия и повреждения элементов активной зоны. Однако недостатки, связанные с необходимостью изготовления заготовок и их механической обработки, а также с накоплением в бериллии 3Не, остаются.
Цель предлагаемого решения состоит в существенном снижении стоимости изготовления и повышении экологичности за счет исключения технологических операций механической обработки, а также в уменьшении влияния эффекта «отравления» бериллия из-за накопления 3Не.
Поставленная цель достигается тем, что в способе изготовления блоков замедлителя и отражателя нейтронов ядерного реактора, заключающемся в размещении бериллия в герметичном чехле, чехол, определяющий форму блока, герметично соединяют с нижним концевиком, внутрь чехла засыпают гранулы бериллия, производят их уплотнение, затем герметично соединяют чехол с верхним концевиком.
При изготовлении блоков замедлителя уплотнение осуществляют до плотности 70-85% от теоретической. В этом случае запас реактивности реактора из-за меньшей плотности бериллия снижается незначительно, зато тритий и 3Не имеют большую свободу миграции, что позволяет значительно уменьшить влияние эффекта «отравления» бериллия, за счет создания в блоке объема для сбора газов выше активной зоны.
При изготовлении блоков отражателя уплотнение производят до плотности 60-90% от теоретической в зависимости от желаемого распределения плотности потока нейтронов в экспериментальных устройствах отражателя.
При изготовлении блока, через который предусмотрено прохождение каналов, внутри чехла размещают одну или несколько обечаек, которые герметично соединяют с нижним концевиком, имеющим в местах размещения обечаек сквозные отверстия соответствующего диаметра, гранулы бериллия засыпают между чехлом и обечайками, а после уплотнения верхний концевик с отверстиями соответствующего диаметра в местах размещения обечаек также герметично соединяют с обечайками и чехлом.
В качестве материала чехла и обечаек используют конструкционные материалы, обеспечивающие устойчивость конструкции блока и ее работоспособность в заданных условиях в течение назначенного срока службы, преимущественно сплавы на основе алюминия, циркония или нержавеющие стали.
Герметичность соединения нижнего и верхнего концевиков с чехлом и обечайками обеспечивают за счет сварки.
Уплотнение бериллия осуществляют за счет вибрации.
Для изготовления блоков используют не менее трех фракций гранул бериллия, что значительно повышает достигаемую плотность.
Изготавливают блок таким образом, чтобы высота столба бериллия превышала высоту активной зоны реактора, а в верхней его части (над активной зоной) был обеспечен объем для сбора газов, выделяемых в результате ядерных реакций бериллия с нейтронами (гелий, тритий).
Новыми существенными признаками по сравнению с прототипом являются:
- использование гранул бериллия непосредственно при изготовлении блока;
- применение уплотнения гранул бериллия непосредственно в изготавливаемой конструкции;
- обеспечение различной конечной плотности бериллия для блоков разного назначения.
Новые существенные признаки заявляемого изобретения в научной и технической литературе не обнаружены, предложенное решение не следует явным образом из уровня техники, а его применение обеспечивает новые свойства. Это позволяет сделать вывод, что заявляемое решение соответствует критериям новизна и изобретательский уровень.
Способ иллюстрируется следующими рисунками, где:
на рис.1 приведено полученное расчетом изменение эффекта реактивности в зависимости от уменьшения плотности бериллия в блоках замедлителя. Цифрами обозначены:
1 - изменение эффекта реактивности без учета накопления 3Не;
2 - изменение эффекта реактивности с учетом накопления и миграции 3Не.
Из приведенных данных видно, что если не учитывать накопление 3Не (кривая 1), то с уменьшением плотности бериллия отрицательный эффект реактивности увеличивается. Учет накопления 3Не (кривая 2) при максимальной плотности бериллия приводит к значительному отрицательному эффекту реактивности. С уменьшением плотности бериллия тритий и 3Не получают большую свободу миграции и выходят в верхний газосборник. Чем меньше плотность бериллия, тем меньше газа в нем остается. Это приводит к уменьшению значения отрицательного эффекта реактивности. По значению отрицательного эффекта реактивности оптимальная плотность бериллия находится в диапазоне 70-85% от теоретической.
На рис.2 приведено расчетное изменение плотности потока быстрых (а) и тепловых (б) нейтронов в зависимости от удаленности от центра реактора при различных значениях плотности бериллия в блоках отражателя. За единицу на графиках принята плотность потока нейтронов для блоков с металлическим бериллием. Цифрами обозначены:
1 - изменение плотности потока нейтронов при плотности бериллия 0,6;
2 - изменение плотности потока нейтронов при плотности бериллия 0,7;
3 - изменение плотности потока нейтронов при плотности бериллия 0,8;
4 - изменение плотности потока нейтронов при комбинированном отражателе, который набран слоями из блоков с плотностью бериллия 0,9, затем 0,8, затем 0,6.
Видно, что с уменьшением плотности бериллия (кривые 1, 2, 3) плотность потока быстрых нейтронов возрастает. Особенно этот рост заметен для наиболее удаленных от активной зоны участков отражателя. Для этих же участков отражателя увеличение плотности потока тепловых нейтронов несколько меньше. Но рядом с активной зоной происходит незначительное снижение плотности потока тепловых нейтронов. Использование комбинированного отражателя (кривая 4) дает минимальное изменение плотности потока быстрых и тепловых нейтронов по сравнению с использованием металлического бериллия. Поэтому плотность бериллия необходимо выбирать в зависимости от желаемого распределения плотности потока нейтронов.
Варианты исполнения блоков, изготовленных с использованием предлагаемого способа, приведены на рисунках 3 и 4, где:
1 - нижний концевик;
2 - обечайка для прохода канала;
3 - чехол;
4 - бериллий;
5 - объем для сбора газов;
6 - верхний концевик.
Блок замедлителя реактора МИР (рисунок 3) изготавливают в следующей последовательности. К нижнему концевику (1) приваривают сначала обечайку (2) для прохода канала, затем чехол (3), имеющий шестигранную форму. В зазор между чехлом (3) и обечайкой (2) засыпают гранулы бериллия (4) различного фракционного состава и производят уплотнение на вибростенде до требуемой объемной плотности. Количество засыпаемого бериллия выбирают так, чтобы после его уплотнения в верхней части блока остался объем для сбора газов (5). Затем герметизируют блок за счет сварки верхнего концевика (6) с обечайкой (2) и чехлом (3).
В аналогичной последовательности изготавливают блок отражателя реактора СМ-3. Если через блок не проходит канал (рисунок 4), то операции, связанные с наличием обечайки, не выполняют.
1. Способ изготовления блоков для замедлителя и отражателя нейтронов ядерного реактора, заключающийся в размещении бериллия в герметичном чехле, отличающийся тем, что чехол, определяющий форму блока, герметично соединяют с нижним концевиком, внутрь чехла засыпают гранулы бериллия, производят их уплотнение, затем герметично соединяют чехол с верхним концевиком.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при изготовлении блоков замедлителя уплотнение осуществляют до плотности 70-85% от теоретической, а при изготовлении блоков отражателя - до плотности 60-90% от теоретической.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что внутри чехла размещают одну или несколько обечаек, которые герметично соединяют с нижним концевиком, имеющим в местах размещения обечаек сквозные отверстия соответствующего диаметра, гранулы бериллия засыпают между чехлом и обечайками, верхний концевик с отверстиями соответствующего диаметра в местах размещения обечаек также герметично соединяют с обечайками.
4. Способ по п.3, отличающийся тем, что чехол и обечайки изготавливают из конструкционных материалов, преимущественно из сплавов на основе алюминия, циркония или нержавеющие стали.
5. Способ по п.1 и 2, отличающийся тем, что герметичность соединения нижнего и верхнего концевиков с чехлом и обечайками обеспечивают за счет сварки.
6. Способ по п.2, отличающийся тем, что уплотняют гранулы бериллия вибрацией.
7. Способ по п.1 и 2, отличающийся тем, что изготавливают блоки как минимум из трех фракций гранул бериллия.
8. Способ по п.1 и 2, отличающийся тем, что изготавливют блок, высота столба бериллия в котором превышает высоту активной зоны реактора, с свободным объемом в верхней его части.
