активная зона и тепловыделяющая сборка канального ядерного реактора

Формула изобретения

1. Активная зона канального ядерного реактора, сформированная из тепловыделяющих сборок, по крайней мере, часть которых содержит тепловыделяющие элементы с ядерным топливом в виде двуокиси урана с добавкой окиси эрбия (Er₂O₃), отличающаяся тем, что содержание окиси эрбия в ядерном топливе составляет от 0,46 до 0,64 вес.% по эрбию при условной массовой доле U-235 в ядерном топливе от 2,6 до 2,8 вес.%.

2. Тепловыделяющая сборка канального ядерного реактора, содержащая тепловыделяющие элементы с ядерным топливом в виде двуокиси урана с добавкой окиси эрбия (Er₂O₃), отличающаяся тем, что содержание окиси эрбия в ядерном топливе составляет 0,5 0,04 или 0,6 0,04 вес.% по эрбию, при условной массовой доле U-235 в ядерном топливе от 2,6 до 2,8 вес.%.

Описание изобретения к патенту

Область техники, к которой относится изобретение.

Изобретение относится к ядерной технике, в частности к конструкциям активных зон и тепловыделяющих сборок канальных уран-графитовых реакторов типа РБМК (реактор большой мощности канальный), в которых используется ядерное топливо на основе двуокиси урана с добавкой окиси эрбия (Er₂O₃).

Уровень техники.

Анализ причин аварии на Чернобыльской АЭС показал, что к катастрофическим последствиям привели недостатки конструкции стержней, регулирование и неоптимальное уран-графитовое отношение. В результате паровой коэффициент реактивности составил (4 - 5) . После аварии на всех блоках АЭС с реакторами типа РБМК были проведены мероприятия по повышению безопасности реакторов. На первом этапе паровой коэффициент реактивности был снижен до 1 за счет загрузки (52-54) дополнительных поглотителей (ДП) в РБМК-1500 и около 80 ДП в РБМК-1000 и увеличения оперативного запаса реактивности до 55-и стержней в РБМК-1500 и 45-и стержней в РБМК-1000. Таким способом был практически исключен неконтролируемый рост мощности реактора на мгновенных нейтронах в случае вероятного обезвоживания активной зоны при аварии с потерей теплоносителя.

Увеличение числа дополнительных поглотителей в активной зоне привело к значительному снижению глубины выгорания топлива и, как следствие, к ухудшению экономических характеристик топливного цикла. Глубина выгорания выгружаемого топлива уменьшилась примерно на 25%. Кроме прямых экономических потерь из-за недовыгорания топлива обострилась проблема топлива, поскольку рост темпа перегрузок топлива привел к ускоренному заполнению бассейнов выдержки отработанного топлива.

На втором этапе в реакторах РБМК был осуществлен переход на топливо с обогащением по урану-235 2,4%. Это позволило достичь проектной глубины выгорания и значительно улучшить экономичность топливного цикла.

Одновременно проводились исследования по поиску более экономичного способа снижения парового коэффициента реактивности вместо использования дополнительных поглотителей.

Известно, что активные зоны водоохлаждаемых реакторов могут быть сформированы из тепловыделяющих сборок, содержащих топливо различного состава с добавкой выгорающего поглотителя, что позволяет компенсировать реактивность, выравнивать энерговыделение по объему активной зоны и поддерживать температурный коэффициент реактивности на заданном уровне. В качестве выгорающих поглотителей используются редкоземельные элементы и их оксиды, в частности эрбий (WO 95/04994 A1, 1995).

Эрбий при использовании его в качестве выгорающего поглотителя, в отличие от других редкоземельных элементов, вводится в ядерное топливо в значительно меньших концентрациях, что положительно сказывается на физических, теплотехнических и технологических свойствах топлива. В частности добавление в топливо эрбия оказывает слабое влияние на такой фактор, как коэффициент теплопроводности топлива.

Известна активная зона канального ядерного реактора, охлаждаемого водой, сформированная из тепловыделяющих сборок содержащих тепловыделяющие элементы с топливом в виде окиси урана, в котором содержится эрбий с концентрацией от 0,3 до 0,8% (см. RU 2065627, С, 1996).

В настоящее время на реакторах РБМК осуществляется ряд мероприятий, направленных на дальнейшее совершенствование активной зоны. В частности осуществляется переход на новые стержни регулирования с ленточным звеном, начинается эксплуатация ТВС с дистанционирующими решетками из циркониевого сплава вместо нержавеющей стали, изучаются вопросы возможности снижения оперативного запаса реактивности. Альтернативой сохранения ДП в активной зоне является повышение содержания эрбия в топливе. Для того, чтобы увеличение содержания эрбиевой добавки в топливе не привело к потерям в выгорании топлива необходимо одновременно увеличивать обогащение топлива.

Введение эрбия в топливо канального ядерного реактора типа РБМК позволяет уменьшить величину парового коэффициента реактивности.

Наличие эрбия в топливе РБМК позволяет осуществить замену в активной зоне, по крайней мере, части дополнительных поглотителей (ДП) на рабочие тепловыделяющие сборки, что повышает глубину выгорания топлива.

Кроме того, эрбий как поглотитель нейтронов выгорает не так интенсивно, как, например гадолиний или бор, и сохраняет свое воздействие на паровой коэффициент реактивности большую часть кампании. В то же время добавление эрбия в топливо уменьшает максимальную мощность каналов и выравнивает энерговыделение по активной зоне.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату к описываемому изобретению является активная зона канального ядерного реактора, сформированная из тепловыделяющих сборок, по крайней мере, часть которых содержит тепловыделяющие элементы с ядерным топливом в виде двуокиси урана с добавкой окиси эрбия (Er₂O₃) (см. Межуев В.А. и др. Некоторые аспекты конструкции и технологии изготовления ТВС энергетических реакторов с увеличенным ресурсом и повышенной надежностью. Атомная энергия, т. 84, вып. 2, февраль 1998, с.126, 127).

В известной тепловыделяющей сборке канального ядерного реактора обогащение урана составляет от 2,4 до 2,6%, а содержание эрбия в топливе составляет 0,41% по массе. Добавление в топливо окиси эрбия позволяет, осуществлять замену дополнительных поглотителей на штатные тепловыделяющие сборки, что улучшает параметры активной зоны. Использование ядерного топлива с добавкой эрбия и повышенным обогащением урана позволяет существенно повысить глубину выгорания ядерного топлива.

Очевидно, что при увеличении числа выводимых дополнительных поглотителей из активной зоны и замене их на тепловыделяющие сборки, с уран-эрбиевым топливом, необходимо соответственно повышать процентное содержание эрбиевой добавки. Причем при увеличении числа выводимых поглотителей следует компенсировать их отсутствие увеличением содержания эрбия в топливе. В свою очередь повышение содержания эрбия следует компенсировать увеличением степени обогащения топлива.

Однако при произвольном выборе соотношения между повышенными величинами обогащения топлива и содержания добавки эрбия может возникнуть ситуация, когда будет установлено, например расчетом, что из активной зоны нельзя удалить требуемое число ДП. Действительно, без согласования соотношения между обогащением топлива и содержанием добавки эрбия и при выгрузке требуемого числа ДП возможно резкое снижение глубины выгорания. Особенно негативные факторы проявятся при небольших величинах обогащения топлива и при существенном содержании эрбия в топливе.

Сущность изобретения.

Задачей настоящего изобретения является разработка и создание активной зоны и тепловыделяющей сборки канального ядерного реактора, обладающего повышенной надежностью, безопасностью эксплуатации, а также улучшенными экономическими показателями.

В результате решения данной задачи могут быть получены новые технические результаты, заключающиеся в том, что повышается выгорание топлива, уменьшается расход тепловыделяющих сборок на единицу выработанной энергии и сокращается объем отработавшего ядерного топлива, снижается величина парового коэффициента реактивности и неравномерность энерговыделения, уменьшается максимальная линейная нагрузка на тепловыделяющие элементы.

Данные технические результаты достигаются тем, что в активной зоне канального ядерного реактора, сформированной из тепловыделяющих сборок, по крайней мере, часть которых содержит тепловыделяющие элементы с ядерным топливом в виде двуокиси урана с добавкой окиси эрбия (Er₂O₃), содержание окиси эрбия в ядерном топливе составляет от 0,46 до 0,64 вес.% по эрбию при условной массовой доле U-235 в ядерном топливе от 2,6 до 2,8 вес.%, а в тепловыделяющей сборке канального ядерного реактора, содержащей тепловыделяющие элементы с ядерным топливом в виде двуокиси урана с добавкой окиси эрбия (Er₂O₃), содержание окиси эрбия в ядерном топливе составляет 0,50,04 вес.% или 0,60,04 вес.% по эрбию, при условной массовой доле U-235 в ядерном топливе от 2,6 до 2,8 вес.%

Отличительная особенность описываемого изобретения состоит в следующем. Добавление эрбия в топливо позволяет значительно снизить паровой коэффициент реактивности в РБМК, т. к. изотоп ¹⁶⁷Er, концентрация которого составляет 22,9%, имеет сильный резонанс при энергии нейтронов 0,47 эВ. При уменьшении плотности теплоносителя происходит сдвиг спектра нейтронов в сторону резонанса и увеличение поглощения нейтронов в эрбии. Это обусловлено тем, что снижается скорость замедления нейтронов, поскольку замедления на воде не происходит, и в формировании спектра повышается роль графита, имеющего рабочую температуру на (200-250)^oC выше, чем вода. Хотя резонанс ¹⁶⁷Er находится вдали от максимума спектра Максвелла, поток нейтронов, приходящихся на область резонанса, при обезвоживании заметно увеличивается. Таким образом, сдвиг спектра в область более высокой энергии приводит к повышению поглощения нейтронов в ¹⁶⁷Er. Все это приводит к росту отрицательной составляющей парового коэффициента реактивности. Чем больше эрбия в топливе, тем меньше паровой коэффициент реактивности и выше безопасность эксплуатации РБМК.

Однако, с другой стороны повышенное содержание эрбия в топливе уменьшает выгорание топлива, т.к. повышается паразитное поглощение нейтронов. Поэтому повышенное содержание эрбия должно быть скомпенсировано соответствующим обогащением ядерного топлива. Для этого устанавливается четкая связь между обогащением топлива и содержанием эрбия в нем.

Было установлено, что при содержании эрбия в топливе активной зоны от 0,46 до 0,64 вес.% по эрбию, условная массовая доля U-235 в ядерном топливе активной зоны должна составлять от 2,6 до 2,8 вес.%. В противном случае указанные выше технические результаты не могут быть реализованы из-за отсутствия определенного соответствия содержания эрбия в топливе активной зоны и его обогащением.

Кроме того, было обосновано что при формировании активной зоны при выгрузке требуемого числа дополнительных поглотителей и замене их на тепловыделяющие сборки, содержащие эрбий, необходимо, чтобы содержание окиси эрбия в ядерном топливе тепловыделяющей сборки составляло 0,50,04 вес. % или 0,60,04 вес.% по эрбию, при условной массовой доле U-235 в ядерном топливе от 2,6 до 2,8 вес.%. При указанных диапазонах содержания эрбия в ядерном топливе и его обогащении, будут обеспечены наилучшие условия эксплуатации активной зоны и повышен коэффициент топливоиспользования за счет замены требуемого числа ДП на тепловыделяющие сборки без ухудшения каких-либо параметров активной зоны и тепловыделяющих сборок.

Сведения, подтверждающие возможность использования изобретения.

Описываемая активная зона канального ядерного уран-графитового реактора формируется известными средствами (разгрузочно-загрузочная машина) из тепловыделяющих сборок. При этом в процессе эксплуатации активной зоны осуществляют замену выгоревших ТВС на свежие, а также выгрузку ДП и установку на их место тепловыделяющих сборок, содержащих добавку эрбия в ядерном топливе. Содержание окиси эрбия в ядерном топливе, по крайней мере, части ТВС составляет от 0,46 до 0,64 вес.% по эрбию при условной массовой доле U-235 в ядерном топливе от 2,6 до 2,8 вес.%. Загрузка и эксплуатация сопровождается периодическими измерениями нейтронно-физических характеристик активной зоны, а также работоспособности нового топлива. Расчеты показали, что имеет место уменьшение парового коэффициента реактивности. Несмотря на увеличение обогащения с 2,6 до 2,8%, мощность тепловыделяющих сборок с эрбиевой добавкой не превышает мощности ТВС без эрбия и мощности ТВС с меньшим содержанием эрбия.

Замена всех штатных ТВС на сборки с повышенным содержанием эрбия позволит выгрузить из активной зоны все ДП.

Описываемая тепловыделяющая сборка канального ядерного реактора изготавливается известным образом с помощью обычных средств на стандартном оборудовании. Процесс изготовления сборки предполагает производство тепловыделяющих элементов, заполняемых таблетками из двуокиси урана (UO₂) с добавкой окиси эрбия (Er₂O₃). Топливо должно иметь определенный фазовый состав, средний размер зерна, максимальный размер непрореагировавших частиц и прочие стандартные параметры.

Технология изготовления таблеток ядерного топлива заключается в следующем. В смесителе, в частности лопастного типа, готовится двухкомпонентная смесь двуокиси урана с условной массовой долей U-235 в ядерном топливе от 2,6 до 2,8 вес. % и окиси эрбия. Причем в ядерное топливо добавляют такое количество окиси эрбия, чтобы ее содержание в ядерном топливе составляло 0,50,04 вес.% или 0,6 0,04 вес.% по эрбию. Далее смесь подвергается смешению со стандартным пластификатором. После чего производят грануляцию смеси с пластификатором, с последующим измельчением гранул и рассевом на стадии подготовки пресс-порошка. После сушки пресс-порошка осуществляют прессование таблеток и их спекание. Полученными таблетками снаряжают тепловыделяющие элементы, входящие в состав тепловыделяющих сборок.

На всех этапах изготовления тепловыделяющих сборок производят контроль их параметров. Контролирование содержания эрбия в ядерном топливе может быть осуществлено различными методами, например рентгено-радиометрическим способом.