Поглинаючий стрижневий елемент ядерного реактора

Реферат: Поглинаючий стрижневий елемент (ПЕЛ) ядерного реактора може бути використаний в ядерній техніці, а саме в кластерних збірках ПЕЛ, що служать для керування потужністю реакторів, а також для зупинки реакторів у разі виникнення аварійних ситуацій. ПЕЛ включає оболонку, загерметизовану верхньою та нижньою кінцевими деталями, усередині якої розміщені компенсатор напружень, два типи поглиначів нейтронів, один з яких, що вводиться в активну зону першим, виготовлений з матеріалу, який взаємодіє з нейтронами за n, γ-реакцією, а інший - з матеріалу, що взаємодіє з нейтронами за n, α-реакцією. Поглиначі нейтронів розділені між собою перегородкою. Конструкція запропонованого ПЕЛ удосконалена тим, що компенсатор напружень розміщений в зазорі, утвореному між n, γ-поглиначем нейтронів та нижньою кінцевою деталлю. При цьому, компенсатор напружень має коефіцієнт жорсткості такий, що його сила опору навантаженню зі сторони поглинаючого матеріалу, яка виникає в кінці терміну експлуатації, коли поглинаючий матеріал в результаті радіаційного опромінення досягає максимального видовження, є меншою за силу, яка приводить до деформування оболонки. Така конструкція ПЕЛ має підвищені характеристики надійності та тривалості роботи в реакторі при збереженні високої ефективності поглинання нейтронів. UA 104325 C2 (12) UA 104325 C2 UA 104325 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до атомної техніки, зокрема до конструктивного виконання поглинаючих елементів (ПЕЛ) органів регулювання водо-водяних ядерних реакторів та може бути використаний в кластерних збірках ПЕЛ, що служать як для керуванням потужності реакторів, так і для зупинки реакторів у разі виникнення аварійних ситуацій. Поглинаючі елементи є основною складовою частиною органів керування ядерних реакторів і включають поглинаючі нейтрони матеріали. Одним з ефективних засобів збереження необхідного профілю поглинання нейтронів є використання комбінованих поглиначів, коли у верхній частині знаходиться матеріал, що взаємодіє з нейтронами за n, α-реакцією, а в нижній частині матеріал, що взаємодіє з нейтронами за n, γ-реакцією. Відома конструкція поглинаючого стрижневого елемента [1], в якій передбачено комбіноване використання титанату диспрозію (n, γ-поглинач) і карбіду бору (n, α-поглинач) у вигляді порошків, при цьому оболонка виконана з хромонікелевого сплаву ЕП 630У (Ni-42 % ваг. Cr-1 % ваг. Мо), що має високу радіаційну та корозійну стійкість. Дана конструкція ПЕЛ знайшла широке використання з 1995 року та вже є штатною для реакторів ВВЕР-1000. Проте низька фізична ефективність поглинання нейтронів титанатом диспрозію у вигляді порошкової засипки обмежує довготривалу експлуатацію органів регулювання з ПЕЛ цього конструктивного виконання. Більшу фізичну ефективність мають поглинаючі елементи, в яких n, γ-поглинач виконаний у вигляді таблеток або стрижня. Відомий варіант ПЕЛ, де як n, γ-поглинач використані таблетки із титанату або гафнату диспрозію [2]. Конструкція такого ПЕЛ включає оболонку, загерметизовану верхньою та нижньою кінцевими деталями, усередині якої розміщені два типи поглиначів нейтронів, які розташовані окремо по довжині стрижневого елемента. Один з них, що вводиться в активну зону першим, виготовлений з матеріалу, який взаємодіє з нейтронами за n, γ-реакцією та виконаний у вигляді стовпа таблеток, а інший - з матеріалу, що взаємодіє з нейтронами за n, α-реакцією. Висота частини стовпа, що вміщує n, γ-поглинач, складає не менш 2 % від висоти всього стовпа поглинача нейтронів, а верхня границя висоти цієї частини обмежується мінімальною необхідною ефективністю ПЕЛ. Як матеріал, що взаємодіє з нейтронами за n, γ-реакцією, вибрані або титанат диспрозію (Dy2TiO5), або дититанат диспрозію (Dy2Ti2O7), або гафнат диспрозію (Dy2O3×HfO2). Як матеріал, що взаємодіє з нейтронами за n, α-реакцією використаний карбід бору. Збільшення довжини частини стовпа з n, γ-поглиначем нейтронів призводить до збільшення сумарної ваги стрижня, а отже, і до підвищення швидкості його введення (падіння) в активну зону, що є позитивною властивістю цієї конструкції ПЕЛ. Однак при тривалій експлуатації приведеного варіанту ПЕЛ в його нижній частині, що найбільше піддається нейтронному опроміненню, може відбуватися формозміна (викривлення) оболонки ПЕЛ або навіть її руйнування внаслідок зміни розмірів таблеток n, γ-поглинача, що обумовлене термічним розширенням і радіаційним пошкодженням матеріалу. Таким чином, зміна початкових геометричних розмірів відіб'ється на надійності введення поглинаючих елементів в активну зону ядерного реактора, що особливо небезпечно при аварійних ситуаціях. Крім того, у процесі заповнення ПЕЛ поглинаючими матеріалами дрібнодисперсна фракція порошку карбіду бору попаде у зазор між таблетками і оболонкою, що може призвести до деформування або пошкодження оболонки при роботі в реакторі. Приведені недоліки усуваються у відомому поглинаючому стержневому елементі [3], який вибрано як прототип. Конструкція даного ПЕЛ включає оболонку, загерметизовану верхньою та нижньою кінцевими деталями, усередині якої розміщено два типи поглиначів нейтронів, один з яких, що вводиться в активну зону першим, взаємодіє з нейтронами за n, γ-реакцією, а інший за n, α-реакцією. Поглинач, що взаємодіє з нейтронами за n, γ-реакцією виконаний зі сплаву AgIn-Cd як циліндричний стрижень, a n, α-поглинач виготовлений у вигляді таблеток із карбіду бору. Поглиначі розділені між собою перегородкою і компенсатором напружень. Компенсатор напружень розташований в зазорі між перегородкою та n, γ-поглиначем нейтронів. У першому варіанті компенсатор напружень виконаний як пружина, а в другому - у вигляді двох кільцевих елементів, які установлені в оболонку по щільній посадці та мають змогу переміщуватися під тиском поглинаючих матеріалів в процесі роботи в реакторі. Наявність перегородки запобігає попаданню твердих частинок карбіду бору, що відколюються від таблеток в процесі виготовлення ПЕЛ, або утворюються при розтріскуванні таблеток в процесі роботи у реакторі, в зазор між оболонкою та стрижнем із n, γ-поглинача. Тверді частинки із карбіду бору, знаходячись в зазорі, можуть викликати пошкодження оболонки при деформаціях стрижня із n, γ-поглинача під опроміненням нейтронами. Напруження, що виникають в оболонці під дією поглинаючих матеріалів, які збільшуються в розмірах під дією радіаційного опромінення, нівелюються компенсатором. 1 UA 104325 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Недоліками даного варіанту ПЕЛ є те, що розміщення компенсатора напружень між двома поглинаючими матеріалами, тобто в робочій зоні ПЕЛ, створює значний проміжок між стовпами поглиначів. При використанні компенсаторів, приведених конструкцій, величина проміжку складає 20…30 мм. Це компенсується виконанням поглинаючих матеріалів різних довжин у кожній групі ПЕЛ, що призводить до ускладнення конструкції органів регулювання. Матеріал пружини має більшу твердість, ніж матеріал оболонки, тому при її значній деформації або руйнуванні вона може деформувати оболонку ПЕЛ. При виготовленні компенсатора у вигляді двох кільцевих елементів підвищується вірогідність їх заклинювання та нерівномірного деформування при значних потоках нейтронів. При використанні як n, γ-поглинач сплаву Ag-In-Cd поглинаючий елемент має недостатньо високу вихідну фізичну ефективність, в результаті реакторного опромінення утворюється 110 довгоіснуючий ізотоп Ag, що затрудняє транспортування та переробку ПЕЛ. Сплав Ag-In-Cd має низьку температуру плавлення (~800 °C), що знижує надійність роботи ПЕЛ при аварійних ситуаціях. В основу даного винаходу поставлена задача удосконалити поглинаючий стрижневий елемент у напрямку підвищення його ресурсу та надійності роботи при збереженні високої ефективності поглинання нейтронів. Таке удосконалення повинно виконуватись шляхом конструктивних змін, для значного зменшення проміжку між поглинаючими матеріалами. Поставлена задача вирішується у поглинаючому стрижневому елементі ядерного реактора, який як і прототип, включає оболонку, загерметизовану верхньою та нижньою кінцевими деталями, усередині якої розміщені компенсатор напружень, два типи поглиначів нейтронів, один з яких, що вводиться в активну зону першим, виготовлений з матеріалу, який взаємодіє з нейтронами за n, γ-реакцією, а інший - з матеріалу, що взаємодіє з нейтронами за n, α-реакцією. Поглиначі розділені між собою перегородкою. Згідно з винаходом, на відміну від прототипу в запропонованому ПЕЛ компенсатор напружень розміщений в зазорі, утвореному між n, γ-поглиначем нейтронів та нижньою кінцевою деталлю. Компенсатор напружень має коефіцієнт жорсткості такий, що при його стисненні сила опору навантаженню зі сторони поглинаючого матеріалу, яка виникає в кінці терміну експлуатації, коли поглинаючий матеріал в результаті радіаційного опромінення досягає максимального видовження, є меншою за силу, яка приводить до деформування оболонки. Перегородка, що відокремлює порошок карбіду бора від стовпа n, γ-поглинача може бути газопроникною. Перегородка може бути виконана з можливістю деформуватися під дією поглинаючих матеріалів. Перегородка може бути виготовлена з матеріалу на основі гафнію. Компенсатор напружень може бути виготовлений із металевої сітки. У різних варіантах конструкції ПЕЛ як матеріал, що взаємодіє з нейтронами за n, γ-реакцією, може бути використано сплав гафнію або матеріал на основі гафнату диспрозію чи титанату диспрозію. Розміщення компенсатора напружень в зазорі, утвореному між n, γ-поглиначем нейтронів та нижньою кінцевою деталлю дозволяє зменшити проміжок між двома поглинаючими матеріалами, використаними в ПЕЛ, і відповідно, спростити конструкцію кластерної збірки. А виготовлення перегородки, що розділяє поглиначі, зі сплаву гафнію, який є ефективним поглиначем нейтронів, практично забезпечує неперервність стовпа поглинаючих матеріалів. Крім того розміщення компенсатора в зазорі, утвореному між n, γ-поглиначем нейтронів та нижньою кінцевою деталлю розширює технологічні можливості з виготовлення ПЕЛ. Наприклад, компенсатор можна установлювати в оболонку зі сторони нижньої кінцевої деталі або приєднувати до нижньої кінцевої деталі, розміщуючи його в заглибленні, виконаному в торцевій її частині, перед приєднанням кінцевої деталі до оболонки зварюванням. Компенсатор зберігає задане положення стовпа поглинача на стадії виготовлення та при транспортуванні і забезпечує вільне повздовжнє деформування в процесі тривалої роботи в реакторі, обумовлене радіаційними пошкодженнями. В процесі роботи в реакторі внаслідок термічних циклів та радіаційних пошкоджень стовп n, γ-поглинача діє на компенсатор, який починає деформуватися, компенсуючи навантаження на оболонку. При цьому сила опору зі сторони компенсатора по мірі його деформування поступово зростає. Використання компенсатора з таким коефіцієнтом жорсткості, що його сила опору навантаженню зі сторони поглинаючого матеріалу є меншою за силу, необхідну для 2 UA 104325 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 деформування оболонки, навіть коли поглинаючий матеріал досягне максимального видовження, забезпечує надійну роботу ПЕЛ протягом всього терміну експлуатації. Виготовлення компенсатора з металевої сітки дозволяє в залежності від її матеріалу та виду намотування регулювати зусилля опору деформуванню в значно ширших межах, порівняно, наприклад, з пружиною. При цьому довжина такого компенсатора в 2,0….2,5 рази менша за довжину пружини. Здатність перегородки пропускати гелій знизить тиск під оболонкою, а забезпечення можливості деформування перегородки буде сприяти зменшенню напружень в оболонці, які виникатимуть внаслідок формозміни поглинаючих матеріалів під час довготривалої роботи ПЕЛ у реакторі. Таким чином, використання газопроникної перегородки з можливістю деформуватися підвищить надійність роботи ПЕЛ, оскільки з'явиться можливість додаткового компенсування формозміни як карбіду бора, так і таблеток або стрижня n, γ-поглинача. Виготовлення поглинача, який взаємодіє з нейтронами за n, γ-реакцією, зі сплаву гафнію, або з матеріалу на основі гафнату диспрозію, чи титанату диспрозію забезпечить високу ефективність поглинання нейтронів нижньою частиною ПЕЛ за весь період його експлуатації, що перевищує 20 років. Суть винаходу пояснюється графічними матеріалами. На фіг. 1 зображено один з варіантів запропонованого поглинаючого стрижневого елемента, в якому його нижня кінцева деталь виконана з заглибленням. На фіг. 2 приведено другий варіант ПЕЛ, в якому нижня кінцева деталь виконана суцільною (без заглиблення). Розглянемо перший варіант запропонованого поглинаючого стрижневого елемента (див. фіг. 1). Цей ПЕЛ містить оболонку 1, до якої з обох кінців герметично приєднані зварюванням нижня 2 та верхня 3 кінцеві деталі. Оболонка заповнена двома типами поглинаючих матеріалів, які розташовані окремо по довжині ПЕЛ. Нижня частина поглинаючого матеріалу виконана у вигляді стовпа таблеток 4 із матеріалу, що взаємодіє з нейтронами за n, γ-реакцією, а верхня заповнена порошком карбіду бору 5, що взаємодіє з нейтронами за n, α-реакцією. Стовп таблеток 4 зі сторони нижньої кінцевої деталі 2 спирається на компенсатор напружень 6, розміщений в компенсаційному об'ємі 7, утвореному між стовпом n, γ-поглинача 4 та нижньою кінцевою деталлю 2. Частина компенсатора 6 розміщена в заглиблені нижньої кінцевої деталі 2. Порошок карбіду бору 5 у нижній частині відділений від стовпа таблеток 4 газопроникною перегородкою 8, а в верхній частині зафіксований газопроникною пробкою 9. До верхньої кінцевої деталі 3 приєднано обважнювач 10. Частина внутрішнього об'єму оболонки, що обмежена верхньою кінцевою деталлю 3 та газопроникною пробкою 9, утворює газозбірник 11. Другий варіант ПЕЛ (див. фіг. 2) відрізняється від першого, приведеного на фіг. 1, тим, що його нижня кінцева деталь 2 виконана суцільною (без заглиблення), а компенсатор напружень 6 розміщений в компенсаційному об'ємі 7, утвореному між стовпом таблеток n, γ-поглинача 4 та нижньою кінцевою деталлю 2. В обох варіантах поглинаючого стрижневого елемента оболонка 1, нижня 2 і верхня 3 кінцеві деталі виготовлені із хромонікелевого сплаву ЕП630У (Ni-42 % ваг. Cr-1 % ваг. Mo). Обважнювач 10 виготовлено зі сталі 08 × 18Н10Т. Оболонка 1 ПЕЛ має зовнішній діаметр 8,2 мм та товщину стінки 0,6 мм. Довжина стовпа таблеток 4 n, γ-поглинача дорівнює 300 мм, а довжина частини оболонки, заповненої порошком карбіду бору, становить 3200 мм. Загальна довжина ПЕЛ складає 4215 мм. Як матеріал таблеток 4 використано гафнат диспрозію. 3 Таблетки отримані спіканням, їх щільність становить 8,0…8,2 г/см . Верхня частина 1 оболонки 3 заповнена порошком карбіду бору 5 віброущільненого до 1,8 г/см . Газопроникна перегородка 8 і газопроникна пробка 9 виконані з нікелевої сітки. Компенсатор 6 виготовлено із металевої тканинної сітки. Матеріалом сітки є сталь марки 12 × 18Н10Т. Компенсатор 6 виготовляється шляхом скручування сітки заданого розміру в циліндр. В залежності від матеріалу n, γпоглинача та його довжини максимальне видовження стовпа поглинача в процесі опромінювання може складати від 3 мм до 7 мм. Для компенсації видовження стовпа таблеток n, γ-поглинача у першому варіанті ПЕЛ (див. фіг. 1), де частина компенсатора 6 знаходиться в заглиблені нижньої кінцевої деталі 2 загальна його довжина може складати 15 мм. В заглибленні розміщується частина компенсатора довжиною 6 мм. При деформуванні стовпа таблеток поглинаючого матеріалу компенсатор заповнює вільний об'єм заглиблення, виконаного в нижній кінцевій деталі 2. Для іншого варіанту ПЕЛ (фіг. 2), в якому нижня кінцева деталь виконана суцільною (без заглиблення), а компенсатор повністю розміщений в компенсаційному об'ємі 7, загальна його довжина складає 12 мм. При цьому максимальна осадка компенсатора при зусиллях, які не перевищують межу плинності оболонки, складає близько 7 мм. При такій осадці максимальні зусилля 3 UA 104325 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 деформування при використанні компенсатора у першому варіанті ПЕЛ (фіг. 1) не перевищують 1500 Н, а у другому варіанті ПЕЛ (фіг. 2) - 2000 Н, що значно нижче зусилля, необхідного для деформування оболонки. Таким чином конструкція компенсатора забезпечує таку силу опору навантаженню зі сторони поглинаючого матеріалу, яка не перевищує силу, необхідну для деформування оболонки в процесі роботи ПЕЛ в реакторі, навіть при максимально можливих деформаціях стовпа таблеток поглинаючого матеріалу. Приклад 1. Виготовлення ПЕЛ, приведеного на фіг. 1, здійснювали наступним чином. До нижньої частини оболонки 1 електродуговим зварюванням в середовищі інертного газу герметично приварювали кінцеву деталь 2, в заглиблення якої попередньо вставляли компенсатор напружень 6, розміщений в об'ємі 7. Збирали стовп таблеток 4, виготовлених із гафнату диспрозію, заданої довжини (300 мм) та розташовували його усередині оболонки 1. Стовп таблеток фіксували газопроникною перегородкою 8. Потім заповнювали внутрішню порожнину оболонки 1 порошком карбіду бору 5 та фіксували його газопроникною пробкою 9. Після з'єднання верхньої кінцевої деталі 3 з обважнювачем 10 та заповнення внутрішнього об'єму (газозбірник 11) гелієм, приєднували її зварюванням до відкритого кінця оболонки 1. Приклад 2. При виготовленні ПЕЛ, приведеного на фіг. 2, компенсатор 6 (на відміну від попередньої схеми виготовлення) встановлювали в оболонку після приєднання зварюванням нижньої кінцевої деталі 2 до оболонки 1 та перед розміщенням стовпа таблеток 4 усередині оболонки. Таким чином одержували готовий ПЕЛ, що включає два типи поглиначів нейтронів, які розташовані окремо по довжині стрижневого елемента. Один з яких, що вводиться в активну зону першим, виготовлений з матеріалу, що взаємодіє з нейтронами за n, γ-реакцією, а інший - з матеріалу, що взаємодіє з нейтронами за n, α-реакцією. Поглинаючий стрижневий елемент виконує свою функціоную наступним чином. В процесі роботи в ядерному реакторі збірки з ПЕЛ в залежності від призначення та терміну експлуатації палива розташовані на різному рівні відносно активної зони. Група ПЕЛ аварійного захисту розташована над активною зоною ядерного реактора і підлягає введенню в умовах аварійних ситуацій та при зупинці роботи реактора. В цьому випадку верхня частина оболонки 1, що вміщує порошок карбіду бору 5, газопроникну вставку 8, газопроникну пробку 9, обважнювач 10, газозбірник 11, та зварне з'єднання оболонки 1 з кінцевою деталлю 3 виведені з активної зони реактора і не опромінюються нейтронами. Інтенсивній взаємодії з нейтронами підлягає лише нижня частина оболонки довжиною 100…250 мм, що включає частину стовпа таблеток гафнату диспрозію 4, компенсатор 6 та зварне з'єднання оболонки 1 з кінцевою деталлю 2. У цьому випадку в процесі тривалої експлуатації в реакторі буде відбуватися збільшення діаметра та дожини стовпа таблеток 4, яке буде компенсуватися боковим зазором та деформацією компенсатора 6, розміщеного в об'ємі 7, утвореному між стовпом таблеток 4 та нижньою кінцевою деталлю 2. При скиданні групи ПЕЛ аварійного захисту в активну зону або в процесі підняття в верхню частину нейтронами опромінюються ПЕЛ по всій довжині, але тривалість такого процесу відносно незначна. Група автоматичного регулювання частково введена в активну зону та під час експлуатації переміщується відносно неї. На початку кампанії глибина занурення ПЕЛ складає 1400…1500 мм, а під кінець - знижується до 300…350 мм. В цей час інтенсивному впливові нейтронів підлягає не лише стовп таблеток із гафнату диспрозію 4, а й частина карбіду бору 5. В цьому випадку значна частина карбіду бору 5 буде вигоряти, в результаті чого під оболонкою буде накопичуватись гелій, який через газопроникну перегородку 8 проникне у вільний об'єм, утворений між стовпом таблеток 4 та оболонкою 1. При цьому тиск гелію на оболонку зменшиться, що буде сприяти збільшенню ресурсу роботи ПЕЛ. Конструкція запропонованого поглинаючого стрижневого елемента має підвищені характеристики тривалості та надійності роботи в реакторі у порівнянні з відомими ПЕЛ, де використані комбіновані поглиначі. Джерела інформації: 1. Васильченко И.Н., Кушманов С.А., Махин В.М. Задачи исследований ПЭЛов для ВВЭР1200. Сборник докладов 9-й российской конференции по реакторному материаловедению, Димитровград, 14-18 сентября 2009 г., с. 351-356. 2. Патент України № 29541 від 15.11.2000, МПК G21C7/10, G21C7/24. 3. Патент № ЕР0364910 (В1) від 25.04.1990, МПК G21С 7/103 (прототип). 4 UA 104325 C2 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 5 10 15 20 25 1. Поглинаючий стрижневий елемент ядерного реактора, який включає оболонку, загерметизовану верхньою та нижньою кінцевими деталями, усередині якої розміщені компенсатор напружень, два типи поглиначів нейтронів, один з яких, що вводиться в активну зону першим, виготовлений з матеріалу, який взаємодіє з нейтронами за n, γ-реакцією, а інший з матеріалу, що взаємодіє з нейтронами за n, α-реакцією, розділених між собою перегородкою, який відрізняється тим, що компенсатор напружень розміщений в зазорі, утвореному між n, γпоглиначем нейтронів та нижньою кінцевою деталлю, та має коефіцієнт жорсткості такий, що при його стисненні сила опору навантаженню зі сторони поглинаючого матеріалу, яка виникає в кінці терміну експлуатації, коли поглинаючий матеріал в результаті радіаційного опромінення досягає максимального видовження, є меншою за силу, яка приводить до деформування оболонки. 2. Поглинаючий стрижневий елемент за п. 1, який відрізняється тим, що перегородка є газопроникною. 3. Поглинаючий стрижневий елемент за п. 2, який відрізняється тим, що перегородка виконана з можливістю деформуватися під дією поглинаючих матеріалів. 4. Поглинаючий стрижневий елемент за п. 3, який відрізняється тим, що перегородка виконана з матеріалу на основі гафнію. 5. Поглинаючий стрижневий елемент за будь-яким із пп. 1-4, який відрізняється тим, що компенсатор напружень виготовлений із металевої сітки. 6. Поглинаючий стрижневий елемент за п. 1, який відрізняється тим, що як матеріал, що взаємодіє з нейтронами за n, γ-реакцією, використано сплав гафнію або матеріал на основі гафнату диспрозію чи титанату диспрозію. Комп’ютерна верстка І. Скворцова Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5