Регулюючий стрижень корпусного водоохолоджуваного ядерного реактора

1. Регулюючий стрижень корпусного водоохолоджуваного ядерного реактора, що містить оболонку, все редині якої розміще ний стовп поглинача нейтронів, виконаний по довжині L з двох частин, одна з яких включає матеріал, що вступає в реакцію з нейтронами (n, a), а інша, яка втискується в активну зону першої, включає мате ріал на основі диспрозію, який відрізняється тим, що довжина l частини стовпа поглинача нейтронів з матеріалу на основі диспрозію вибрана з виразу: C2 (54) РЕГУЛЮЮЧИЙ СТРИЖЕНЬ КОРПУСНОГО ВОДООХОЛОДЖУВАНОГО ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА 29541 Винахід відноситься до ядерної техніки, зокрема до пристроїв систе ми управління і захисту (СУЗ) корпусних водоохолоджуваних ядерних реакторів і може бути використаний в регулюючих органах, виконаних в вигляді одиночних стрижнів з різним поперечним перетином або в вигляді зборок, що містять набір регулюючих (керуючих) стрижнів, або набір паливних і регулюючих стрижнів, призначених для компенсації надлишкової реактивності, регулювання реактивності в процесі роботи на потужності, і особливо в якості аварійних стрижнів, а також при використанні в керуючих системах із суміщеними функціями. Нормальна і безпечна експлуата ція ядерного реактора забезпечується підтриманням реактивності на необхідному рівні під час пуску, з упинки, перехідних процесів, а також різким зниженням реактивності при зупинці реактора. Для цього реактор оснащується регулюючими стрижнями різноманітного виконання, сполученими з приводом, що переміщує їх по висоті активної зони для зміни реактивності в необхідних межах. Особливістю водоохолоджуваних ядерних реакторів є те, що, в зв'язку з достатньо чималим часом експлуатації ядерного палива без перезавантаження і високою енергонапруженістю, надлишкова реактивність в них, в розрахунку на вигорання палива, порівняно велика. Крім того, в таких реакторах значні температурний і потужносний ефекти. Все це, в кінцево му підсумку, призводить до того, що в активній зоні корпусного во доохо лоджуваного реактора на початку компанії може міститися до декількох десятків критичних мас, для компенсації яких необхідна значна сумарна ефективність всіх органів СУЗ, що створює проблему розміщення механічної систе ми регулювання. Запас реактивності на вигорання палива в сучасних водоохолоджуваних реакторах, зокрема на ВВЭР-1000, компенсується борною кислотою, розчиненою в теплоносії першого контуру, що поступово виводиться впродовж вигорання паливних завантажень. Робоча група органів регулювання (приблизно 10% від загальної кількості) при цьому знаходиться у на півзавантаженому ста ні. Інші органи регулювання (близько 90% від загальної кількості) виведені із зони і знаходяться у ре жимі аварійного захисту (АЗ). В цьому режимі роботи нижня частина поглинаючих елементів фактично знахо диться в зоні верхнього відбивача й інтенсивно вигорає. Означена специфіка використання поглинаючих елементів у во доохолоджуваних реакторах призводить до істотної нерівномірності вигорання поглинача в органах регулювання по їхній довжині в залежності від положення відносно активної зони. З цієї причини, при розробці та вдосконаленні поглинаючих елементів для даного типу реакторів велика увага приділяється вибору нейтронопоглинаючих матеріалів і композицій. Тим більш, що з плином часу при роботі реактора, частину органів регулювання підіймають з активної зони, змінюють функціональне призначення іншої частини органів регулювання, а органи регулювання, піднесені над активною зоною, можуть бути введені до неї з різних причин. Тому при конструюванні регулюючих стрижнів слід врахо вувати характеристики стрижнів при різних режимах експлуа тації реактора, зокрема для забезпечення не обхідного профі лю поглинальної спроможності і при функціонуванні стрижня в режимі аварійного захисту. Одержання необхідного профі лю поглинальної спроможності по довжині стрижня реалізується різноманітними конструктивними рішеннями. Наприклад, за рахунок установки в нижній частині стрижня між таблетками з карбіду бору, таблеток з мате ріалу, поглинаючого нейтрони в меншій мірі - двуокису цирконію (див. Патент США № 4624827, кл. G21C7/10, 1986 р.). Необхідне зменшення поглинаючої спроможності в нижній частині стрижня можна забезпечити зменшенням діаметру таблеток зверху донизу з одночасним зменшенням концентрації поглинаючого матеріалу - карбіду бо ру (див. Заявка Франції № 2570214, кл. G21C7/10, 1986 р.). Відомий також стрижень, що включає три секції, верхня з яких має найбільший перетин поглинання і виконана з карбіду бо ру, в нижній частині розміщений поглинач з меншим перетином поглинання, ніж в верхній секції, а між ними розміщена середня секція, матеріал якої практично не поглинає нейтрони (див. Патент США № 4062725, кл. G21C7/10, 1977 р.). В даній конструкції також реалізується задана поглинаюча спроможність по довжині стрижня. Всі описані вище конструкції припускають застосування в якості частини стрижня карбіду бору або матеріалу, що включає бор-10, який є добрим поглиначем нейтронів, що є суттєвим при функціонуванні стрижня в режимі аварійного захисту. Проте, при поглинанні карбідом бору нейтронів по реакції (n, a) відбувається його розпушення і інтенсивне газовиділення, що знижує ресурс органів регулювання і вимагає конструктивних і технологічних удосконалень стрижнів. Розміщення в нижній частині стрижня, що вводиться в активну зону першої, сплаву срібла (Ag-In-Cd), що вступає в реакцію з нейтронами (n, g) дозволяє істотно знизити розпушення карбіду бору і газовиділення за рахунок екрануючого впливу на карбід бору шляхом ви ведення його з областей з високими потоками нейтронів при розміщенні стрижня під час експлуа тації в верхній частині активної зони або на ній (див. Патент США № 4699756, кл. G21C7/10, 1985 р.). Проте, під час кампанії реактора в процесі опромінення відбувається зміна ефективності поглинання нейтронів сплавом срібла, що призводить до зміни його екранізуючого впливу на карбід бору і, як наслідок, до зміни характе ристик стрижня впродовж його експлуата ції, зокрема до зміни сумарної фі зичної ваги стрижня. Причому, в залежності від флюенса ефективність поглинання нейтронів сплавом Ag-In-Cd змінюється за нелінійним законом, що практично виключає можливість точного розрахунку ефективності всього стрижня в цілому від ча су перебування в різних ділянках активної зони і над нею. При цьому ускладнюється прогнозування терміну служ би стрижнів, а також ускладнюється створення систем переміщення стрижнів (пристроїв контролю, приводів та ін.), бо має місце непередбачуване нерівномірне вигорання двох частин стрижня. Найбільш близьким до того, що описуєть ся, що до технічної сутності, є ре гулюючий стрижень 2 29541 корпусного во доохо лоджуваного ядерного реакто ра, що містить обо лонку, все редині якої розміще ний сто вп по глинача нейтронів, ви конаний по довжині L з дво х частин, о дна з яких вк лючає мате ріал, що вступає в реакцію з нейтронами (n, a), а друга , що всо вується в активну зо ну першої, включає мате ріал на основі дисп розію (див. В.М. Черныше в, В.И. Ря хо вских и др., "Усо вершенствован ные поглощающие стержни реактора ВВЭР-1000". Док лад на семинаре "VVER Fuel Reliability and Fle xibili ty". Че хия, г. Ржеж, 17-22 июня 1996 г.). Вибір в якості матеріалу, що вступає в реакцію з нейтронами (n, g), сполук диспрозію (Dy2O3 x TiO2, Dy2O 3 x TiO 7, Dy2O3 x HfO2), призводить до стабілізації параметрів стрижня, оскільки дані сполуки диспрозію, по-перше, незначно змінюють ефективність поглинання нейтронів в процесі опромінення, а, по-друге, закон зміни ефективності поглинання нейтронів має яскраво виражений лінійний характер. Достатн ьо надійне екранування карбіду бо ру від розпушення забезпечується при довжині части ни, займаної матеріалом на основі диспрозію, не менш 2% від всієї довжини стовпа поглинача нейтронів. Крім того, наявність в частині стовпа матеріалу на основі диспрозію значно підвищує сумарну масу стрижня, оскільки густина диспрозію більш, ніж у чо тири рази вище густини карбіду бору. Збільшення маси стрижня підвищує швидкість введення стрижня до активної зони в режимі АЗ при його вільному падінні, що спричиняє позитивний вплив на безпеку реакто ра. Однак, значна довжина части ни сто впа поглинача нейтронів, що її зай має мате ріал на основі дисп розію, яка ск ладає у ві домому пристрої по над 20% від за гальної до вжини стовпа, знижує е фективність стрижня в цілому, бо суттєво зменшується кількість карбіду бо ру, що характе ризуєть ся більшою у порівнянні з диспрозієм поглинальною спроможністю, і це виявляє негати вний вплив на ха ракте ристи ки орга ну регулюван ня. В основу да ного винаходу покладене розв'язання задачі по опрацюванню та створенню органу регулювання, що має підвище ну фі зичну масу при одночасному забезпеченні достатньої ефективності (поглинальної спроможності). Технічним результа том цього винахо ду є збільшення швидкості падіння органу регулювання в режимі аварійного захисту при необхідних нейтронопоглиначих характеристиках. Поставлене завдання вирішуєть ся тим, що в регулюючому стрижні корпусного водоохо лоджуваного ядерного реактора, що містить оболонку, всередині якої розміще ний стовп поглинача нейтронів, ви конаний по довжині L з двох частин, одна з яких включає матеріал, що вступає в реакцію з нейтронами (n, a), а друга, що всо вується в активну зону першої, вк лючає матеріал на основі диспрозію, довжина l частини стовпа поглинача нейтронів з матеріалу на основі диспрозію визначається з виразу: ö l ælö ælö æ E £ ç ÷max = ç ÷ ç 1 + дод ÷ , ç L èLø Eo ÷ è L øo è ø æl ö де ç max÷ - максимально можливе значення веL è ø личини відношення l до L, що забезпечує необхідну е фективність; ælö ç ÷ - розрахункова величина, при якій è L øo ефективність органу регулювання дорівнює мінімально необхідній ефективності (Ео) однорідного по довжині стрижня довжиною L, повністю заповненого поглиначем, що вступає в реакцію з нейтронами (n, g); Едод - додаткова ефективність для забезпечення мінімально необхідної сумарної ефективності по довжині органу регулювання при збільшенні довжини поглинача, що вступає в реакцію з нейтронами (n, g). Крім того, що як матеріал, що вступає в реакцію з нейтронами (n, g), використаний карбід бору, а в якості матеріалу, що вступає в реакцію з нейтронами (n, g), ви користаний монотитанат диспрозію (Dy2О 3 x TiO 2) і/або дититанат диспрозію (Dy2O 3 x TiO7), і/або гафнат диспрозію (Dy2O 3 x HfO2). Карбід бору і матеріал на основі диспрозію можуть бути застосовані в вигляді порошку і/або в вигляді таблеток. При застосуванні карбіду бору в вигляді порошку доцільно вибирати розмір зерен від 5 мкм до 160 мкм, а порошок віброущільнювати до густини не менш 1,7 г/см 3. При ви користан ні мате ріалу на основі диспрозію в вигляді по рошку, роз мір зерен обраний від 5 мкм до 315 мкм, а густи на моноти та нату диспрозію або ди ти танату дисп розію після віброущі льнення складає від 4,9 г/см 3 до 7 г/см 3. Порошок га фнату дисп розію віброущіль нюють до густини 7 г/см 3 або 9 г/см 3 . Відзначальною особливістю даного винаходу є ви бір довжини l частини стовпа поглинача нейтронів з матеріалу на основі диспрозію за певним співвідношенням, що обмежене максимально можливим значенням величини сумарної маси складеного стрижня, і врахо вує необхідну е фективність (поглинальну спроможність) стрижня. Збільшення довжини l части ни стовпа поглинача нейтронів з матеріалу на основі диспрозію, що призводить до зростання сумарної маси стрижня, а отже і до підвищення швидкості його введення (падіння) в активну зону, є можливим лише до та кого значення, при якому відношення l до L не перевищує максимального (порогового) значення. Максимальне значення відношення l до L, з одного боку обмежене розрахунковою ве личиною відношення l до L, при якій ефективність органу регулювання дорівнює мінімально необхідній ефективності (Ео) однорідного по довжині стрижня довжиною L, повністю заповненого поглиначем, що вступає в реакцію з нейтронами (n, a), а з іншого боку припускає можливість збільшення за рахунок створення додаткової ефективності (Едод) для забезпечення мінімально необхідної сумарної ефективності по довжині органу регулювання при збільшенні довжини поглинача, що вступає в реакцію з нейтронами (n, g). Внесення додаткової ефективності може бути здійснене, наприклад, збільшенням загально 3 29541 го числа органів регулювання, за рахунок підвищення поглинаючої сп роможності частин стрижня, а також будь-якими відомими засобами. Означені переваги, а також особливості даного ви нахо ду роз'яснюються при наступ ному розгляді найкращого ва ріанту реалізації винахо ду. На фіг. 1 зображено загальний вид регулюючого стрижня корпусного водоохолоджуваного ядерного реактора, на фіг. 2 показаний варіант виконання регулюючого стрижня, в якому матеріал (карбід бору), що вступає в реакцію з нейтронами (n, a), застосований в вигляді таблеток, а матеріал на основі диспрозію використаний в вигляді віброущільненого порошку, на фіг. 3 наведено варіант конструкції, в який матеріал, що вступає в реакцію з нейтронами (n, a), застосований в вигляді віброущільненого порошку, а матеріал на основі диспрозію виконаний в вигляді таблеток, на фіг. 4 представлено варіант, що передбачає виконання всього стовпа поглинача нейтронів з різноманітних матеріалів в вигляді таблеток. Регулюючий стрижень 1 ядерного реактора складається з оболонки 2, всередині якої розміщений стовп 3 поглинача нейтронів довжиною L. Одна части на 4 стовпа 3 включає матеріал, що вступає в реакцію з нейтронами (n, a), наприклад, карбіду бору. Друга частина 5, що вво диться в активну зону (на фігурі не показана) першої, довжина якої l, містить матеріал, в якості якого використана сполука на основі диспрозію, що вступає в реакцію з нейтронами (n, g). Висота l частини 5 складає не менш 2% від висоти L стовпа 3. Оболонка загерметизована, наприклад, зварюванням, за допомогою нижньої 6 і верхньої 7 кінцевих деталей. Між верхньою кінцевою деталлю 7 і стовпом 3 може бути передбачена порожнина 8 для збирання газів, а також для розміщен ня в ній фіксаторів 9 стовпа 3. В зв'язку з тим, що при опроміненні нейтронами части ни 4 стовпа 3, процес газовиділення з карбіду бо ру незначний із-за наявності частини 5, займаною диспрозієм, в порожнину 8 може бути поміще ний обважнювач 10 маси стрижня. Частини 4 і 5 стовпа 3 можуть бути заповнені віброущільненим порошком 11 з відповідних матеріалів або набрані з таблеток 12. Регулюючий орган функціонує в та кий спосіб. В залежності від умов експлуа тації і необхідного підтримання рівня потужності, стрижень 1 може бути розміщений в різноманітних положеннях відносно активної зони. При розташуванні стрижня над активною зоною або при частковому вве денні його в активну зону, частина 4 стовпа поглинача нейтронів не має значної нерівномірності вигорання і мало піддається негативному впливу нейтронів, який полягає в її розпушенні і газовиділенні з неї, що за безпечує наявністю частини 5, яка містить диспрозій. В випадку надходження сигналу аварійного захисту стрижень 1 повністю вводиться при вільному падінні в активну зону, чому сприяє обважнювач 10. Проте збільшення маси стрижня за рахунок наявності обважнювача 10 обмежене габарита ми простору для його розміщення. Подальше збільшення маси стрижня можливо за рахунок підвищення значення довжини l, частини 5 стрижня, заповненої матеріалом на основі диспрозію, що має густину ви ще, ніж густина карбіду бору. Підви щення довжини l і, відповідно, відношення l до L, призводить до збільшення сумарної маси стрижня, а, отже, і до зростання швидкості падіння стрижня в активну зо ну. Але максимальне значення довжини l обмежене величиною сумарної ефективності стрижня. Тому подальше зростання величини l, що знижує сумарну ефективність стрижня, повинно бути скомпенсоване засобами, що підвищують ефективність складеного стрижня з позицій використання його в складі органів регулювання ядерного реактора. Таким чином, при заданій швидкості падіння стрижня, що зумовлена заданим часом введення стрижня до активної зони, при проектуванні і створенні нового стрижня слід врахо вувати зміну його ефективності (поглинальної спроможності), що може бути скомпенсована кількістю стрижнів, їхнім діаметром і інши ми відомими засобами. В будь-якому випадку, регулюючий стрижень корпусного ядерного реактора, що складається з двох частин, одна з яких, що вво диться в активну зону першої, ви конана з матеріалу на основі диспрозію, а друга - з карбіду бору, не повинен мати довжину l частини 5, при якій відношення l до L перевищує максимально можливе значення цього параметру, що визначається з виразу. Конструктивно елементи стрижня можуть бути ви конані будь-яким відомим чином. Стрижень може використовуватися авто номно і мати індивідуальний привід переміщення. Набір стрижнів може бути поєднаний в зборку (кластер) із спільним приводом. Стрижні можуть бути встановлені в тепловиділяючу зборку (кластер) замість твелів. Використання стрижнів по-різному здійснюється також відомими шляхами. Промислова придатність регулюючого стрижня корпусного во доохо лоджува ного ядерного реактора описується при виконанні, зокрема шляхом вве дення у активну зону ре гулюючого стрижня (И.Я. Емельянов и др., Конструирование ядерных реакторов, М., Энергоиздат, 1982, с. 194-198) [1]. Конструктивні форми регулюючих органів, зокрема регулюючих стрижнів, можуть бути різноманітними. Як правило, це несуча конструкція (оболонка), всередині якої розміщений матеріал, що поглинає нейтрони (В.Б. Пономаренко и др., Органы регулирования и СВП ядерных реакто ров ВВЭР-1000 и пути их усо вершенствования, "Вопросы атомной науки и техники". Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение, 1994, выпуск 2(62), 3(63), с. 96, Национальный научный центр "Харьковский научнотехнический институт") [2]. Стовп по глинача нейтронів може бути виконаний складеним, причому части на стовпа, яку вво дять у ак тивну зо ну пер шої, тобто нижньої части ни, місти ть мате ріал на ба зі диспрозію, а друга, тобто вер хня, части на містить мате ріал, що має з нейтронами (n, a) реакцію (див. 2, с. 106). В якості мате ріала, що має з нейтронами (n, a) реакцію може бути ви користа ний карбід бору (В 4С), що має, як ши роко ві домо, вла сне зазначе ну реакцію при взаємодії з нейтронами. Те хнологія ви робництва таких ре гулюючих стрижнів доста тн ьо відпряцьова на та не викли кає ве ликих тр уднощі в. Суть заявленого винахо ду полягає у виборі співвідношення між усією довжиною L стовпа пог 4 29541 линача нейтронів та довжиною l частини стовпа поглинача нейтронів, що ви конана із матеріала на базі диспрозію. Оче видно, що до вжина l стовпа нейтронів визначена із габаритів активної зони та має фіксоване значення, наприклад 3700 мм (див. 2, с. 106). У такому ви падку значення величин l повинно задовольняти наведеному у формулі винаходу роз рахун ковому ви разу та може бути виз начено нескладним нейтроно-фізичним розрахун ком. Дійсно, загальна ефективність регулюючого стрижня однозначно залежить від мікроскопічних перерізів "а" поглинання теплови х нейтронів різних поглинающи х матеріалів, що вхо дять до складу сто впа поглинача нейтронів (див. 1, с. 195). Природньо, що чим більша ве личина "а", тим вища ефективність стрижня. Винахід, що розглядається, припускає, що співвідношен ня l/L не повинно перевищува ти деякого максимально можливого значення даного співвідношення l/Lmax. Якщо вказана умова не ви конується, необхідно змінити значення величин l. При цьому масштаб зміни величи ни l залежить від абсолютних значень величи ни поглинання вибраних мате ріалів, що складають сто вп поглинача. Підбір матеріалів, що вхо дять до складу стовпа поглинача нейтронів здійснюють, вихо дячи з їх ві домих якостей, зокрема з тих, що є в лі тературних джерелах (див. 1, с. 196-198). Таким чином, з урахуванням раніше ві домих знань, запропонований винахід є доступ ним середньому фа хівцю в га лузі ядерного машинобудування та може бути здійснений із застосуванням відомих засобів. Описаний стрижень корпусного во доохо лоджуваного ядерного реактора має підвищену стабільність параметрів за рахунок комбінації поглинаючих елементів при максимально можливій масі, що позитивно відбивається при впливі на реактивність реактора, і може знайти застосування в діючих ядерних реакто рах, а та кож у знов створюваних конструкціях. При цьому врахо вана зміна поглинаючої спроможності стрижня в цілому за рахунок підвищення питомого вмісту матеріалу на основі диспрозію в загальній довжині стовпа поглинача нейтронів. Фіг. 1 5 29541 Фіг. 2 Фіг. 3 Фіг. 4 Тираж 50 екз. Відкрите акціонерне товариство «Патент» Україна, 88000, м. Ужгород, вул. Гагаріна, 101 (03122) 3 – 72 – 89 (03122) 2 – 57 – 03 6