Тепловыделяющий элемент исследовательского реактора



Тепловыделяющий элемент исследовательского реактора
Тепловыделяющий элемент исследовательского реактора

 


Владельцы патента RU 2535935:

Федеральное Государственное Бюджетное Учреждение "Петербургский институт ядерной фзизики им.Б.П.Константинова" (ФГБУ "ПИЯФ") (RU)

Изобретение относится к ядерной технике, а именно к конструкции и материалам тепловыделяющих элементов (твэлов), используемых для формирования активных зон высокоэнергонапряженных исследовательских реакторов. Твэл имеет крестообразную форму и вытеснитель из водородосодержащего материала (вода, гидрид) в центре топливного сердечника. Технический результат - увеличение запаса реактивности реактора. 2 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к ядерной технике, к конструкции тепловыделяющих элементов (твэлов), используемых для формирования активных зон ядерных реакторов, в частности для высокоэнергонапряженных активных зон исследовательских реакторов. К настоящему времени известно множество конструкций твэлов, в частности стерженьковых твэлов.

Известен твэл типа СМ, который хорошо зарекомендовал себя в работе и подробно описан в литературе [1] (Цыканов В.А. Тепловыделяющие элементы для исследовательских реакторов. Монография. Димитровград, 2001, 250 с.). Твэл типа СМ имеет поперечное сечение крестообразной формы, лопасти, топливный сердечник, оболочку. По длине ТВЭЛа лопасти закручены и образуют винтовую линию, этим обеспечивается дистанционирование твэлов в треугольной решетке кассеты. Между лопастями образована впадина.

Этот твэл планируется использовать в реакторе ПИК [2] (Агеенков В.И., Волков B.C., Солонин М.И.и др. Параметры и технология изготовления твэлов реактора ПИК. Атомная Энергия, 2002, т.92, вып.6, с.438-444).

Из-за утолщения сердечника между впадинами возникает неравномерность температуры по периметру твэла. Это обстоятельство не желательно, так как ограничивает допустимую максимальную удельную мощность в реакторе.

Для снижения температуры сердечника и выравнивания температуры по периметру твэла создан экспериментальный твэл типа СМ с центральным вытеснителем из алюминия: (В.А. Цыканов, В.А. Старков, А.В. Клинов, и др. Высокопоточный реактор СМ-2 и его роль в развитии ядерной науки и техники. Сборник докладов международной научной конференции «Исследовательские реакторы в разработке ядерных технологий нового поколения и фундаментальных исследованиях», Димитровград, 2012, с.473-471) [3]. Твэл состоит из оболочки, топливного сердечника, вытеснителя.

В качестве прототипа рассмотрен твэл, описанный в патенте RU 2389089 «Тепловыделяющий элемент для ядерных реакторов (варианты) и способ изготовления (варианты)», (А.В. Ватулин, В.С. Волков, С.А. Ершов и др.) [4]. Твэл состоит из оболочки, топливного сердечника, вытеснителя, расположенного в центре топливного сердечника. Твэл имеет лопасти, топливный сердечник, оболочку. По длине твэла лопасти закручены и образуют винтовую линию. Поперечное сечение имеет вид четырехлучевой звезды. Для вытеснителя предлагается использовать цирконий или алюминий.

Как было сказано выше, вытеснитель служит для снижения температуры сердечника и выравнивания температуры по периметру твэла, т.к. из-за утолщения сердечника между впадинами возникает неравномерность температуры по периметру твэла, что ограничивает допустимую максимальную удельную мощность в реакторе.

Однако наличие вытеснителя в твэл(е) частично исключает общий полезный объем активной зоны, что приводит к ухудшению нейтронных характеристик реактора.

Задачей предлагаемого изобретения является создание твэла с центральным вытеснителем внутри, обеспечивающего улучшение нейтронных параметров исследовательского реактора (на примере пучкового высокопоточного реактора для физических исследований ПИК).

Техническим результатом является возможность увеличить запас реактивности реактора, несмотря на уменьшение объема сердечника твэлов, обусловленного наличием вытеснителя в твэле. Предлагаемый твэл может быть использован полезным образом или для увеличения числа облучаемых устройств в реакторе, или для увеличения продолжительности кампании реактора, и тем самым экономии расходуемого урана.

Поставленная задача достигается тем, что в известном тепловыделяющем элементе исследовательского реактора, имеющем поперечное сечение в виде четырехлучевой звезды и вытеснитель, расположенный в центре топливного сердечника ТВЭЛа, новым является то, что вытеснитель выполнен из водородосодержащего вещества, например, легкой воды или гидрида.

Вытеснитель выполнен из гидрида титана либо гидрида циркония.

Вытеснитель выполнен в виде канала, обеспечивающего протекание легкой воды теплоносителя реактора.

Заявляемая совокупность признаков не обнаружена в открытой печати и основана на впервые выполненных расчетах авторов данного изобретения применительно к штатным твэлам, используемым в реакторе ПИК.

ПИК - это высокопоточный реактор для физических исследований [5] (Ерыкалов А.Н., Захаров А.С., и др. Конструкция активной зоны и отражателя реактора ПИК. Препринт ПИЯФ 2472, Гатчина, 2003, 30 с.).

На фиг.1 показано поперечное сечение заявляемого твэла, где 1 - лопасть твэла, 2 - впадина между лопастями, 3 - топливный сердечник твэла, 4 - оболочка твэла, 5 - водородосодержащий вытеснитель.

На фиг.2 приведена расчетная зависимость эффективного коэффициента размножения нейтронов реактора ПИК (Кэфф) от времени выгорания активной зоны на мощности 100 МВт при использовании в твэлах центрального вытеснителя диаметром 1.7 мм из алюминия (кривая 0), без вытеснителя (кривая 1), из легкой воды (кривые 2, 3, 4), из гидрида циркония (кривая 5) и из гидрида титана (кривая 6).

Влияние материала центрального вытеснителя твэла на нейтронофизические параметры выполнено расчетным образом по программе Монте Карло МСВ [6] (Cetnar J. Wallenius J. Gudowski W. МСВ: A continuous energy Monte Carlo burn up simulations code. In “Actinide and Fission Product Partitioning and Transmutation”. EUR 18898 EN, OECD/NEA, 1999, p.523).

Для расчетов взяты размеры и характеристики твэла реактора ПИК [2]. Штатный твэл реактора ПИК имеет поперечное сечение крестообразной формы. Твэл имеет лопасти, топливный сердечник, оболочку. По длине твэла лопасти закручены и образуют винтовую линию. Этим обеспечивается дистанционирование твэлов в треугольной решетке кассеты. Между лопастями образована впадина. Размер внешне описанной окружности составляет 5.15 мм; радиус впадины 1 мм; радиус лопасти 0.5 мм; толщина стальной оболочки 0.15 мм. По длине твэла лопасти закручены и образуют винтовую линию с шагом 30 см. Этим обеспечивается дистанционирование твэлов в треугольной решетке кассеты с шагом 5.23 мм. Поперечное сечение топливного сердечника составляет Sc=7.23 мм2, поперечное сечение оболочки So=2.50 мм2, смачиваемый периметр Р=17.17 мм, поперечное сечение ячейки в топливной сборке S=23.69 мм2, хорошо развитая поверхность теплопередачи в ячейке составляет P/S=7.25 1/см. Сердечник твэла состоит из диоксида урана с обогащением 90% в меднобериллиевой матрице. Для твэлов реактора ПИК загрузка штатного твэла по урану-235 составляет 7.14 г.

Из-за утолщения сердечника между впадинами возникает неравномерность температуры по периметру твэла. Отношение максимальной температуры к средней по периметру твэла составляет около 1.4. [7] (патент RU 2360305, «Тепловыделяющий элемент реактора» А.Н. Ерыкалов. Как было сказано выше, это ограничивает допустимую максимальную удельную мощность в реакторе.

В таблице 1 приведены расчетные значения длительности кампании и расхода урана в реакторе ПИК на мощности 100 МВт при использовании различных вытеснителей и без вытеснителя вообще.

Таблица 1
Расчетные значения длительности кампании и расхода урана в реакторе ПИК на мощности 100 МВт
Материал централь
ного вытеснителя в твэле
Диаметр вытеснителя Относительная концентрация урана в сердечнике твэла Длительность кампании Относительная доля расходуемого урана при одинаковой энерговыработке со штатными твэлами реактора ПИК № кривой на фиг.2
мм суток
1 алюминий 1.70 1.00 19 1.26 0
2 нет вытеснителя 0.0 1.00 35 1.00 1
3 легкая вода 1.70 1.00 31 0.77 2
4 легкая вода 1.70 1.20 43 0.67 3
5 легкая вода 1.70 1.04 35 0.71 4
6 гидрид циркония 1.70 1.20 45 0.64 5
7 гидрид титана 1.70 1.20 37 0.78 6

Расчетный коэффициент размножения реактора ПИК с загрузкой штатными твэлами составляет 1.1384(10) и уменьшается до 1.1079(12) при использовании твэлов с центральным вытеснителем диаметром 1.7 мм из алюминия. Реактивность реактора при этом уменьшается на 2.42(14)%. Это обстоятельство, например, приводит к уменьшению длительности кампании реактора для твэлов с вытеснителями. При диаметре вытеснителя 1.7 мм оставшееся количество топлива в твэле составляет 0.686 от штатного количества топлива. Из-за меньшего количества топлива активная зона с вытеснителем из алюминия выгорит за 19 суток (кривая 0 на фиг.2) вместо выгорания штатной активной зоны 35 суток (кривая 1 на фиг.2). При одинаковой энерговыработке расход урана составит 0.686(35/19)=1.26 от штатного.

Таким образом, использование алюминиевого вытеснителя, т.е. прототипа, снижает реактивность реактора и тем самым укорачивает кампанию и увеличивает расход урана. Это относится к критике прототипа, и это есть цена за выравнивание температуры по периметру твэла.

По своим физическим характеристикам охлаждаемая легкой водой компактная активная зона является “недозамедленной”. [8] (А.Н. Ерыкалов, О.А. Колесниченко, К.А. Коноплев, В.А. Назаренко, Ю.В. Петров, С.Л. Смольский. Реактор ПИК. Препринт ПИЯФ №1784, С-Петербург, 1992, 41 стр.). Из такой активной зоны часть нейтронов, не достигнув энергии, при которой значение сечения захвата ураном достаточно велико, вытекает из нее. Для таких реакторов уменьшение доли воды в активной зоне приводит к ухудшению замедления нейтронов и уменьшению реактивности, а увеличение доли воды - к увеличению реактивности.

Как следует из расчетов, для реактора ПИК замена части топливного сердечника на легкую воду приводит даже к увеличению реактивности, и тем самым к появлению возможности или увеличить загрузку реактора облучаемыми устройствами, или увеличить время кампании за счет увеличения глубины выгорания, что приводит к сокращению расхода урана (табл.1).

Расчеты, выполненные для твэлов реактора ПИК, показали, что замена центральной части сердечника твэла диаметром 1.7 мм на легкую воду приводит к увеличению реактивности реактора ПИК на 0.95(12)% (фиг.2, кривые 1-2). Этому обстоятельству способствует частичная самоблокировка топлива в центральной части сердечника твэла.

При диаметре вытеснителя 1.7 мм оставшееся количество топлива в твэле составляет 0.686 от штатного количества топлива. Из-за меньшего количества топлива такая активная зона выгорит за 31 сутки (кривая 2 на фиг.2) вместо выгорания штатной активной зоны 35 суток (кривая 1 на фиг.2). При одинаковой энерговыработке расход урана составит 0.686(35/31)=0.77 от штатного.

Если увеличить загрузку ураном в оставшемся объеме сердечника в 1.04 раза, то время работы реактора с водным вытеснителем сравняется со временем работы штатного (кривая 4 на фиг.2), и расход урана составит 0.686(1.04)=0.71 от штатного.

В работе [3] сообщается о возможности использования твэлов с увеличенной на 20% загрузкой ураном сердечника. Если увеличить загрузку в оставшемся объеме сердечника в 1.2 раза, то время работы реактора составит 43 сутки (кривая 3 на фиг.2). В этом случае расход урана составит 0.686×1.2(35/43)=0.67 от штатного расхода.

Как следует из фиг.2, использование вытеснителя таких же размеров из гидрида циркония (кривая 5 на фиг.2) приводит к 45 суткам работы, т.е. даже к большей, чем с легководным вытеснителем энерговыработке из-за большей плотности водорода в гидриде циркония, чем в воде. Расход урана составит 0.686×1.2(35/45)=0.64 от штатного расхода.

Использование для вытеснителя более поглощающего нейтроны гидрида титана позволяет проработать только 37 суток (кривая 6, фиг.2). В этом случае используется 0.686×1.2(35/37)=0.78 от штатного в активной зоне количества урана.

Таким образом, использование в твэле легководного вытеснителя или вытеснителя из гидрида циркония позволяет сократить приблизительно на треть расход урана при одинаковой энерговыработке с загрузкой штатными твэлами. При этом остается положительный эффект от введения вытеснителя, т.е. снижение температуры в сердечнике и выравнивание теплового потока по периметру твэла [3], [4]. Это получилось благодаря наличию хорошо замедляющего нейтроны водорода в центральном вытеснителе твэла.

Если провести сравнение предлагаемых твэлов с легководным центральным вытеснителем с твэлами прототипа (где вытеснитель: алюминий или цирконий) в реакторе ПИК, то расход урана в реакторе на предлагаемых твэлах будет в (31/19)=1.6 раза меньше.

Конструктивно легководный вытеснитель можно выполнить в виде канала для теплоносителя по оси в центре твэла. Очевидно, что можно за счет изменения глубины впадины согласовать гидравлический диаметр этого центрального канала с гидравлическим диаметром ячейки вне твэла.

Возможность замены алюминиевого или циркониевого вытеснителя на вытеснитель из гидрида циркония (или гидрид титана) не вызывает сомнений.

Литература

1. Цыканов В.А. Тепловыделяющие элементы для исследовательских реакторов. Монография. Димитровград, 2001, 250 с.

2. Агеенков В.И., Волков B.C., Солонин М.И.и др. Параметры и технология изготовления твэлов реактора ПИК. Атомная Энергия, 2002, т.92, вып.6, с.438-444.

3. В.А. Цыканов, В.А. Старков, А.В. Клинов, и др. Высокопоточный реактор СМ-2 и его роль в развитии ядерной науки и техники. Сборник докладов международной научной конференции «Исследовательские реакторы в разработке ядерных технологий нового поколения и фундаментальных исследованиях», Димитровград, 2012, с.473-471.

4. Патент RU 2389089 «Тепловыделяющий элемент для ядерных реакторов (варианты) и способ изготовления (варианты)», МПК7 G21C 3/02 - прототип.

5. Ерыкалов А.Н., Захаров А.С., и др. Конструкция активной зоны и отражателя реактора ПИК. Препринт ПИЯФ 2472, Гатчина, 2003, 30 с.

6. Cetnar J. Wallenius J. Gudowski W. MCB: A continuous energy Monte Carlo bum up simulations code. In “Actinide and Fission Product Partitioning and Transmutation”. EUR 18898 EN, OECD/NEA, 1999, p.523.

7. Патент RU 2360305, МПК G21C 3/02.

8. А.Н. Ерыкалов, О.А. Колесниченко, К.А. Коноплев, В.А. Назаренко, Ю.В. Петров, С.Л. Смольский. Реактор ПИК. Препринт ПИЯФ №1784, С-Петербург, 1992, 41 стр.

1. Тепловыделяющий элемент исследовательского реактора, имеющий поперечное сечение в виде четырехлучевой звезды и вытеснитель в центре топливного сердечника, отличающийся тем, что вытеснитель выполнен из водородосодержащего вещества, например, воды или гидрида.

2. Тепловыделяющий элемент исследовательского реактора по п.1, отличающийся тем, что центральный вытеснитель выполнен из гидрида титана либо гидрида циркония.

3. Тепловыделяющий элемент исследовательского реактора по п.1, отличающийся тем, что центральный вытеснитель выполнен в виде канала, обеспечивающего протекание легкой воды теплоносителя.



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к композиционному топливному модельному материалу, состоящему из инертной к облучению матрицы и частиц материала, моделирующего ядерный делящийся материал (младшие актиниды).

Изобретение относится к ядерной технике, в частности к технологии изготовления оксидного ядерного топлива для тепловыделяющих элементов, и может быть использовано для изготовления таблетированного ядерного топлива на основе диоксида урана для АЭС.

Изобретение относится к ядерной энергетике, в частности к активным зонам ядерного реактора с бегущей (дефлаграционной) волной деления ядер и их внутренним устройствам.

Изобретение относится к ядерной технике, в частности к конструкциям тепловыделяющих элементов (твэлов) и набранных из них рабочих кассет (РК), используемых в водо-водяных ядерных энергетических реакторах тепловой мощностью от 1150 МВт до 1700 МВт.

Изобретение относится к ядерной технике, а именно к конструкции тепловыделяющих элементов (твэлов), используемых для формирования активных зон ядерных реакторов, в частности для высоко энергонапряженных активных зон исследовательских реакторов.
Изобретение относится к области ядерной энергетики, в частности к способам исследования микротвэлов высокотемпературных газоохлаждаемых реакторов. .

Изобретение относится к области атомной техники и может быть использовано в производстве твэлов ядерных реакторов, преимущественно водо-водяных. .

Изобретение относится к пластинчатому ядерному топливу, содержащему регулярно размещенные крупные частицы сплава U-Mo или U-Mo-X гамма-фазы, и к способу его изготовления, а в частности к пластинчатому ядерному топливу, содержащему сферические частицы сплава U-Mo или U-Мо-Х стабильной гамма-фазы.

Изобретение относится к ядерным реакторам на бегущей волне, в частности к способам управляемого удаления летучих продуктов ядерного деления и тепла, высвобождаемого волной горения в ядерном реакторе. В способе используется тепловыделяющая сборка, которая содержит кожух, выполненный с возможностью вмещения пористой массы ядерного топлива с летучим продуктом ядерного деления. Способ включает соединение подузла управления текучей средой с кожухом, выполненным с возможностью управления удалением по меньшей мере части летучих продуктов ядерного деления из пористой массы ядерного топлива, и циркуляцию отводящей тепло текучей среды через пористую массу ядерного топлива для удаления тепла, произведенного массой ядерного топлива. Технический результат - обеспечение глубокого выгорания топлива и длительной кампании. 15 з.п. ф-лы, 213 ил.

Изобретение относится к тепловыделяющим элементам (ТВЭЛам) ядерного реактора. ТВЭЛ содержит металлическое топливо в виде частиц, по меньшей мере, одного обогащенного сплава, причем частицы спрессованы в топливную загрузку. ТВЭЛ, содержащий металлическое топливо в виде частиц, также может включать в себя оболочку и/или газовый объем. В ядерном реакторе, содержащем топливную загрузку из упакованного металлического топлива в виде частиц, используются инертный газ в качестве теплоносителя и жидкий натрий. Технический результат -возможность использования отработанного ядерного топлива легководных реакторов в быстрых реакторах, возможность перехода к замкнутому топливному циклу. 3 н. и 18 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к области ядерной энергетики и может быть использовано при изготовлении тепловыделяющих элементов (твэлов) и тепловыделяющих сборок (ТВС) для реакторов с тяжелым жидкометаллическим теплоносителем (ТЖМТ), а также при изготовлении имитаторов твэлов для использования в облучательных устройствах, предназначенных для исследования работоспособности реальных твэлов. Оболочка твэла для реакторов с ТЖМТ представляет собой цельнокатаный трубчатый элемент со спирально закрученными ребрами, расположенными на наружной поверхности упомянутого элемента, выполненный из хромокремнистой стали ферритно-мартенситного класса с величиной зерна феррита не менее номера 7 по ГОСТ 5639. При этом каждое ребро имеет угол раскрытия от 22 до 40° (преимущественно, от 30 до 40°), а форма поперечного сечения ребра представляет в сечении трапецию со скругленными углами при вершине трапеции и со сглаженными углами в основании трапеции. Также раскрывается твэл, включающий данную оболочку и ТВС. Техническим результатом изобретения является улучшение эксплуатационных характеристик тепловыделяющих элементов и сборок за счет обеспечения длительной стойкости оболочки в среде ТЖМТ, такого как свинец или эвтектический сплав свинца и висмута. 3 н. и 8 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к ядерной энергетике. Тепловыделяющий элемент ядерного реактора содержит оболочку, компенсационный объем, сердечник из таблеток делящегося материала, ограниченный торцами отражателей. На оболочке между отражателями выполнено «n» продольных гофров, где «n» - целое число больше двух, а между верхним торцом нижнего отражателя и компенсационным объемом размещен кольцевой гофр, воспринимающий вес вышестоящих деталей. Технический результат - сохранение симметрии теплового потока без использования вставок. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к ядерной технике, в частности к сборке стержневых тепловыделяющих элементов (твэлов), и может быть использовано в ядерных реакторах разного типа. Пружинный фиксатор топливного столба, располагаемый в компенсационном объеме твэла, имеет последовательно расположенные от торца топливного столба компенсирующую, буферную и фиксирующую группы витков. Фиксатор устанавливается в оболочку твэла цилиндрическим трехступенчатым штоком, имеющим длину ступени наименьшего диаметра, обеспечивающую требуемое усилие поджатия топливного столба, а общую длину ступеней с наименьшим и средним диаметрами менее длины компенсационного объема на 1,5…2,0 диаметра твэла. Перемещение штока продолжается до упора компенсирующей части фиксатора в топливный столб и сжатия ее до момента касания штоком торца топливного столба. Далее шток извлекается из твэла, а открытый торец оболочки герметизируется с помощью заглушки. Технический результат - уменьшение разброса и длины пружинного фиксатора топливного столба после установки, что обеспечивает возможность увеличения загрузки топлива в твэл, повышения его энерговыработки. 8 ил.

Изобретение относится к атомной энергетике. Твэл ядерного реактора на быстрых нейтронах имеет оболочку, выполненную из дистанционированной и гладкой частей, которые соединены через нижний отражатель. Сердечник из таблеток делящегося материала перекрыт фольгой из тугоплавого материала, например из молибдена, а верхний отражтель составляет единую сборочную единицу с шайбой из тугоплавкого материала. В качестве дистанционатора применены ребра или проволока, опоясывающие по спирали наружную поверхность части оболочки твэла. Технический результат - снижение гидравлического сопротивления твэла. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.
Наверх