управляющий элемент для ядерного реактора
Классы МПК: | G21C7/10 конструкция элементов управления G21C7/113 элементы управления, составленные из плоских элементов; элементы управления крестообразного поперечного сечения |
Патентообладатель(и): | ШУЛЬЦ Вольфганг (DE) |
Приоритеты: |
подача заявки:
1999-03-10 публикация патента:
10.05.2001 |
Изобретение относится к управляющему элементу для ядерного реактора, содержащему поглотитель и, по меньшей мере, один внутренний и один внешний патроны для размещения поглотителя. Технический результат: у управляющего элемента для ядерного реактора, содержащего поглотитель и патрон для размещения поглотителя, размещенный поглотитель можно подвергать локальному относительному выгоранию более чем на 90% без попадания выгоревшего материала поглотителя в средство охлаждения реактора. Управляющий элемент выполнен так, что предусмотрено, по меньшей мере, три патрона для поглотителя, между которыми предусмотрен заданный промежуток, так что соответствующий патрон для поглотителя оказывает механическое сопротивление поглотителю и имеет возможность удаления из исходного положения при расширении поглотителя. 9 з.п. ф-лы, 6 ил.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6
Формула изобретения
1. Управляющий элемент для ядерного реактора, содержащий поглотитель и установленные с промежутком друг относительно друга внутренний и внешний патроны для поглотителя, отличающийся тем, что предусмотрен, по меньшей мере, один дополнительный патрон, при этом промежутки между охватывающими друг друга патронами выбраны из условия, чтобы соответствующий патрон имел возможность удаления из исходного положения при расширении поглотителя и оказывал ему механическое сопротивление. 2. Элемент по п.1, отличающийся тем, что патроны охватывают друг друга, по меньшей мере, частично. 3. Элемент по п.1, отличающийся тем, что патроны охватывают друг друга полностью. 4. Элемент по одному из пп.1 - 3, отличающийся тем, что патроны выполнены в виде трубок-оболочек (10, 11, 12, 13). 5. Элемент по п.4, отличающийся тем, что трубки-оболочки состоят из нескольких отрезков, причем размеры отрезков трубок-оболочек рассчитаны с возможностью расположения отрезков соседних трубок-оболочек, в частности, их стыковых поверхностей, со смещением по отношению друг к другу. 6. Элемент по одному из пп.1 - 5, отличающийся тем, что размеры внутреннего патрона рассчитаны для его пригодности к размещению заданных спеченных таблеток поглотителя. 7. Элемент по одному из пп.1 - 6, отличающийся тем, что в качестве поглотителя использован В4С. 8. Элемент по п.7, отличающийся тем, что В4С используется с теоретической плотностью менее 70%. 9. Элемент по одному из пп.1 - 8, отличающийся тем, что является составной частью кипящего реактора. 10. Элемент по одному из пп.1 - 8, отличающийся тем, что он является составной частью реактора, охлаждаемого водой под давлением.Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к управляющему элементу для ядерного реактора, содержащему поглотитель и, по меньшей мере, один внутренний и один внешний патроны для размещения поглотителя. Термин "управляющие элементы" обозначает здесь, в целом, управляющие элементы и управляющие стержни кипящих реакторов и реакторов, охлаждаемых водой под давлением, которые необходимы здесь для регулирования мощности реактора и которые должны быть также способны надежно отключать реактор из любого рабочего состояния. Управляющие элементы вводят в тепловыделяющие элементы или ядерные тепловыделяющие стержни или между ними для поглощения нейтронов и для контроля за счет этого цепной реакции. У кипящего реактора управляющие элементы, например, в широких диапазонах мощности погружают в тепловыделяющие элементы настолько, что из высвободившихся при расщеплении ядра нейтронов, в среднем, точно также снова один нейтрон вызывает дальнейшее расщепление ядра. Если управляющие элементы должны использоваться для работы реактора в течение около 40 лет, то они должны нагружаться определенным потоком нейтронов без снижения своей эффективности более чем на 10% от первоначальной эффективности. Кроме того, они должны способствовать достижению вышестоящих задач по сохранению целостности барьеров от высвобождения активности из системы охлаждения реактора. Оказалось, что управляющие элементы и, в частности, патроны для размещения поглотителя относятся к расходному материалу, поскольку материал поглотителя за счет захвата нейтронов сильно разбухает, и это приводит к механическим повреждениям патрона с последующим вымыванием материала поглотителя. Если такой управляющий элемент продолжают использовать, то это приводит к повышению локального распределения плотности мощности в ядре и при определенных обстоятельствах помимо высвобождения трития в биосферу может вызвать даже повреждения тепловыделяющих стержней. Однако из-за заданной геометрии реактора, в частности, из-за геометрии свободного водяного зазора между кожухами тепловыделяющих элементов в кипящих реакторах и из-за геометрии направляющих труб для управляющих стержней в реакторах, охлаждаемых водой под давлением, подгонка и оптимизация управляющих элементов в отношении их срока службы ограничены. Уже предпринимались попытки достижения, по возможности, длительного срока службы патронов для поглотителя и, тем самым, управляющих элементов за счет выбора материала патронов и толщины их стенок. Успех этих попыток был, однако, ограниченным. Управляющий элемент описанного выше рода известен из DE 3903844 A1. При этом внутренние трубки для размещения поглотителя вставлены в приемное отверстие. В DE 4138030 A1 предложено выполнить в управляющих стержнях продольные каналы, в которые может расширяться разбухающий материал. Другие управляющие элементы описаны, например, в ЕР 0143661, US 4861544 и US 4929412. Управляющие элементы, в частности, для реакторов, охлаждаемых водой под давлением, описаны, например, также в статье "Design of Siemens control assemblies for pressurized water reactors and operational experience", L.Heins, W.Dambietz, H.P.Fuchs, журнал "Kern-technik" 57 (1992), N 2, стр. 84-89 (Carl Hanser Verlag, Munchen). Другое описание управляющих элементов этого рода содержится в статье "ABB control roads", G. Vesterlund et. al (там же, стр. 105 и 106). Из DE 4121103 A1, G 21 C 7/10, 09.01.92 известен управляющий элемент для ядерного реактора, содержащий два патрона, внутренний и внешний, выполненные в виде трубок-оболочек и установленные с зазором друг относительно друга. Недостатком этого элемента является недостаточный срок службы патронов для поглотителя. В основе изобретения лежит задача создания управляющего элемента описанного выше рода, который может быть подвергнут особенно высокому локальному относительному выгоранию. Эта задача решается посредством признаков п. 1 формулы изобретения. Предпочтительные усовершенствования изобретения описаны в зависимых пунктах. Согласно основной идее изобретения, патрон для поглотителя содержит ограничительное устройство, которое расположено, в основном, внутри патрона в примыкающем к поглотителю исходном положении, так что ограничительное устройство оказывает механическое сопротивление поглотителю с возможностью своего удаления из исходного положения при расширении поглотителя. В целом, благодаря этому создан патрон для поглотителя, который за счет встречного давления препятствует неконтролируемому и очень быстрому разбуханию поглотителя, причем ограничительное устройство не может тогда больше выдерживать разбухающий поглотитель при определенном расширении и поддается ему. Ограничительное устройство может быть выполнено тогда с возможностью удаления из исходного положения так, что оно ломается или разрушается или перемещается наружу контролируемым образом и при этом продолжает оказывать механическое сопротивление поглотителю. Выражение "с возможностью удаления" следует понимать так, что ограничительное устройство либо действительно пространственно удаляется из исходного положения, либо в результате излома или иного частичного разрушения теряет свою непосредственную ограничительную и оказывающую давление внутрь функцию, причем, однако, остатки физически остаются в исходном положении. Созданный таким образом управляющий элемент может быть подвергнут локальному относительному выгоранию почти в 100% без попадания выгоревшего материала поглотителя в систему охлаждения реактора. Согласно изобретению, для этого предусмотрено, по меньшей мере, три патрона для поглотителя, причем между охватывающими друг друга патронами предусмотрен заданный промежуток, за счет чего соответствующий патрон при расширении поглотителя может удаляться из исходного положения и оказывать механическое сопротивление поглотителю. Внешний патрон для поглотителя образует тогда внешний прочный корпус, тогда как внутренний патрон сначала примыкает к поглотителю и оказывает сопротивление разбухающему поглотителю. При определенном давлении внутренний патрон, однако, разрушается, так что поглотитель может расширяться дальше в направлении внешнего патрона. Внутренний патрон может образовать также полукруг, примыкающий к внешнему патрону. Согласно изобретению, предусмотрено три или более охватывающих друг друга патрона для поглотителя, поскольку таким поярусным и хорошо задаваемым образом можно оказать разбухающему поглотителю многократное, последовательно податливое сопротивление, обеспечивающее особенно длительный срок службы управляющего элемента, у которого материал поглотителя может полностью выгореть. Между охватывающими друг друга патронами для поглотителя предусмотрен при этом заданный промежуток, так что соответствующий внутренний патрон может сломаться или иным образом разрушиться, не повреждая при этом следующий за ним внешний патрон. Заданный промежуток определяют в зависимости от эффективной деформации![управляющий элемент для ядерного реактора, патент № 2166805](/images/patents/305/2166203/949.gif)
- фиг. 1: ядерная ячейка в кипящем реакторе;
- фиг. 2: вид сверху на управляющий элемент;
- фиг. 3: сечение патрона для поглотителя управляющего элемента согласно изобретению;
- фиг. 4: диаграмма, поясняющая "критическое" локальное распределение выгорания стандартного управляющего элемента в начале вымывания;
- фиг. 5: диаграмма, поясняющая распределение выгорания управляющего элемента согласно изобретению;
- фиг. 6: диаграмму, поясняющая достигаемое выгорание. На фиг. 1 схематично изображена ядерная ячейка в кипящем реакторе с четырьмя тепловыделяющими элементами 3, включая их кожухи 2, и управляющим элементом 1. Каждый кожух 2 охватывает один из тепловыделяющих элементов 3, расположенных по квадрату, причем между отдельными тепловыделяющими элементами 3 остается щель, так что, в целом, между тепловыделяющими элементами может двигаться один крестообразный управляющий элемент 1. Между кожухами тепловыделяющих элементов находится свободный водяной зазор. Кожухи 2 тепловыделяющих элементов удерживаются верхней 4 и нижней 5 решетками. Управляющий элемент 1, содержащий множество патронов 7, заполненных поглотителем 8, в зависимости от потребности опускают или поднимают между кожухами 2 тепловыделяющих элементов, за счет чего поддерживается контролируемая цепная реакция (Keff= 1). Управляющий элемент 1 выполнен с возможностью полного опускания в случае необходимости, в результате чего цепную реакцию можно сразу же остановить из любого произвольного положения. На фиг. 2 изображен схематичный вид сверху на управляющий элемент 1, который может быть использован, например, в кипящем реакторе. Управляющий элемент 1 имеет четыре крестообразно расположенных крыла 6, содержащих до 21 патрона 7, заполненных порошком карбида бора (В4С). В4С предпочтителен из-за его оптимальных физических и технологических свойств в качестве поглотителя нейтронов. Патроны 7 содержат стальной корпус, обеспечивающий механическую целостность. Эти патроны 7 являются элементарной составной частью управляющего элемента 1, поскольку они, в противоположность первоначальному предположению, не могут использоваться в течение всего срока службы реактора, а должны быть причислены к расходному материалу. Уже через несколько рабочих циклов за счет вызванного нейтронами разбухания поглотителя в пределах от 8 до 15% происходит механическое повреждение патрона 7 с последующим вымыванием материала 8 поглотителя. На фиг. 3 изображено сечение патрона 7, согласно изобретению, с помощью которого можно особенно долго и надежно удерживать сильно разбухающий поглотитель 8, а также подвергать используемый материал поглотителя локальному относительному выгоранию почти в 100% без попадания выгоревшего В4С и, тем самым, трития в средство охлаждения реактора. Поглотитель 8, который может быть использован также в порошкообразном виде, предусмотрен на фиг. 3 в виде спеченных таблеток, и его помещают в первую и самую внутреннюю трубку-оболочку 10. В результате выгорания уменьшается, во-первых, эффективное в отношении нейтронов сечение поглотителя из В4С, а, во-вторых, поглотитель 8 побуждается к разбуханию с увеличением диаметра и, тем самым, к локальному или также среднему изменению плотности и к возрастанию по мере выгорания внутреннего давления на стальной корпус трубки-оболочки 10. Поскольку, однако, скорость деформации ползучести трубки-оболочки очень мала по сравнению со скоростью роста поглотителя (
![управляющий элемент для ядерного реактора, патент № 2166805](/images/patents/305/2166074/916.gif)
![управляющий элемент для ядерного реактора, патент № 2166805](/images/patents/305/2166203/949.gif)
![управляющий элемент для ядерного реактора, патент № 2166805](/images/patents/305/2166074/916.gif)
![управляющий элемент для ядерного реактора, патент № 2166805](/images/patents/305/2166764/8810.gif)
![управляющий элемент для ядерного реактора, патент № 2166805](/images/patents/305/2166074/916.gif)
![управляющий элемент для ядерного реактора, патент № 2166805](/images/patents/305/2166074/916.gif)
![управляющий элемент для ядерного реактора, патент № 2166805](/images/patents/305/2166805/934.gif)
![управляющий элемент для ядерного реактора, патент № 2166805](/images/patents/305/2166805/8747.gif)
![управляющий элемент для ядерного реактора, патент № 2166805](/images/patents/305/2166805/934.gif)
![управляющий элемент для ядерного реактора, патент № 2166805](/images/patents/305/2166203/949.gif)
![управляющий элемент для ядерного реактора, патент № 2166805](/images/patents/305/2166203/949.gif)
![управляющий элемент для ядерного реактора, патент № 2166805](/images/patents/305/2166003/183.gif)
![управляющий элемент для ядерного реактора, патент № 2166805](/images/patents/305/2166003/183.gif)
Класс G21C7/10 конструкция элементов управления
Класс G21C7/113 элементы управления, составленные из плоских элементов; элементы управления крестообразного поперечного сечения