исполнительный орган системы управления и защиты ядерного реактора

Формула изобретения

1. Исполнительный орган системы управления и защиты ядерного реактора, содержащий в вертикально устанавливаемом сухом пенале периферийные гильзы с поглотителями нейтронов, центральную гильзу с аксиально-перемещаемой подвеской, соединенной с гибкой тягой сервопривода, и проходящие через вертикальные прорези между периферийными и центральной гильзами кронштейны для связи подвески с поглотителями, отличающийся тем, что выполнен с возможностью ввода стержней-поглотителей в активную зону на всю ее высоту снизу.

2. Исполнительный орган по п.1, отличающийся тем, что стержни-поглотители разделены на верхние и нижние сборки с длинами порядка длин гильз пенала на участке ниже активной зоны, верхние сборки выполнены с возможностью перемещения в периферийных гильзах без аксиального относительно подвески смещения, а нижние сборки - с возможностью аксиального телескопического относительно подвески смещения и перемещения либо поочередно то в центральной, то в периферийных гильзах (в положениях нижних торцов верхних сборок ниже нижней границы активной зоны и выше ее соответственно), либо только в центральной гильзе.

3. Исполнительный орган по п.1 или 2, отличающийся тем, что подвеска снабжена дистанционно-управляемым байонетным разъемом для фиксации аксиального положения стержней-поглотителей после полного ввода их в активную зону.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к исполнительным органам систем управления и защиты (СУЗ) ядерных реакторов, а в отношении к решаемой задаче - к тем из них, которые обеспечивают возможность управления энерговыделением преимущественно в нижней половине активной зоны. Предполагаемая область применения - водографитовые реакторы типа РБМК.

В качестве аналога к изобретению рассмотрим исполнительный орган СУЗ РБМК, описанный в /1/. Он содержит размещаемый в вертикальном канале и соединенный с гибкой тягой сервопривода стержень-вытеснитель охлаждающей воды и примыкающий к нему снизу стержень-поглотитель нейтронов. Общая длина вытеснителя равна примерно высоте активной зоны, общая длина поглотителя - длине участка канала ниже активной зоны (около половины ее высоты). За исходное принимается состояние, при котором вытеснитель исполнительного органа размещен в активной зоне, а поглотитель - ниже ее.

Работает исполнительный орган-аналог следующим образом. С уменьшением длины гибкой тяги сервопривода и перемещением вытеснителя и поглотителя по каналу размещения вверх некая часть вытеснителя (по длине) из активной зоны выводится и такая же часть поглотителя в активную зону вводится; интенсивность поглощения нейтронов исполнительным органом увеличивается, энерговыделение в технологических каналах окружения уменьшается. Синхронное перемещение поглотителя и вытеснителя продолжается до тех пор, пока нижний торец стержня-поглотителя не пересечет нижнюю границу активной зоны. Интенсивность поглощения нейтронов достигает при этом относительного максимума, энерговыделение в технологических каналах окружения - относительного минимума. Дальнейшее движение вытеснителя и поглотителя вверх предотвращается путем соответствующей настройки рабочего хода сервопривода. С увеличением длины гибкой тяги сервопривода синхронное перемещение звеньев вытеснителя и поглотителя осуществляется в обратном направлении.

Достоинством исполнительного органа-аналога является возможность управления энерговыделением преимущественно в нижней половине активной зоны реактора. Использование таких исполнительных органов совместно с исполнительными органами, поглотители нейтронов в которых вводятся в активную зону сверху и влияют на энерговыделение преимущественно в верхней половине активной зоны, обеспечивает возможность выравнивания (симметризации) аксиального энергораспределения в реакторе.

Недостатком исполнительного органа-аналога, обусловленным малой по сравнению с высотой активной зоны длиной поглотителя, является относительно низкая его полная эффективность (по вносимой отрицательной реактивности), так что подкритичность остановленного реактора оказывается существенно меньше потенциально достижимой. Недостатком аналога является и возможность ввода значительной положительной реактивности при аварийном обезвоживании контура охлаждения каналов СУЗ (из-за большого объема заполненных водой технологических зазоров в пределах активной зоны). То и другое нежелательно с позиций ядерной безопасности.

Исполнительный орган СУЗ /2/, принимаемый за прототип к изобретению, содержит в вертикально устанавливаемом сухом пенале периферийные гильзы с поглотителями нейтронов, центральную гильзу с аксиально-перемещаемой подвеской, соединенной с гибкой тягой сервопривода, и проходящие через вертикальные прорези между периферийными и центральной гильзами кронштейны для связи подвески с поглотителями. Длина каждого стержня-поглотителя, состоящего из множества шарнирно-взаимосвязанных звеньев, равна приблизительно высоте активной зоны. Охлаждение пенала после установки в канал СУЗ реактора осуществляется током воды через тонкий кольцевой зазор между внутренней поверхностью канала и внешней - пенала; охлаждение элементов, размещенных в пенале, осуществляется за счет теплового излучения к внутренней поверхности стенок пенала, конвекции газовой среды (воздуха) в пенале и теплообмена через точки касания со стенками пенала. За исходное принимается положение исполнительного органа, при котором стержни-поглотители нейтронов находятся выше активной зоны реактора.

Отметим, что центральная гильза пенала исполнительного органа по источнику /2/ содержит еще так называемый вытеснитель-замедлитель, несколько повышающий эффективность поглотителей. Однако в других известных вариантах такого исполнительного органа вытеснитель-замедлитель (ввиду относительно малого влияния на эффективность поглотителей при существенном усложнении конструкции в целом) в центральную гильзу не устанавливается (см., например, /2/, рис.17а) и в дальнейшем изложении принимается отсутствующим.

Работает исполнительный орган-прототип следующим образом. С увеличением длины гибкой тяги сервопривода стержни-поглотители и их подвеска начинают опускаться вниз и вводятся в активную зону до тех пор, пока названные стержни не перекроют всю высоту активной зоны, а интенсивность поглощения нейтронов в канале СУЗ не достигнет максимума. С последующим уменьшением длины гибкой тяги сервопривода стержни-поглотители и их подвеска перемещаются в обратном направлении вплоть до исходного положения, соответствующего практически нулевой интенсивности поглощения нейтронов в канале СУЗ.

К достоинствам исполнительного органа-прототипа следует отнести, во-первых, обеспечение минимума положительной реактивности при аварийном обезвоживании контура охлаждения каналов СУЗ (из-за малости кольцевого зазора "канал СУЗ - пенал"), а во-вторых, - обеспечение максимума полной эффективности или вносимой отрицательной реактивности - за счет приблизительно вдвое большей по сравнению с описанным выше аналогом длин вводимых в активную зону стержней-поглотителей.

К недостаткам исполнительного органа-прототипа можно отнести невозможность управления энерговыделением преимущественно в нижней половине активной зоны реактора. А причиной тому является неприспособленность конструкции к размещению стержней-поглотителей в пенале на участке ниже активной зоны.

Задачей изобретения является устранение недостатков исполнительного органа-аналога и прототипа с совмещением их положительных свойств.

Технический результат, достигаемый при использовании изобретения, заключается, с одной стороны, в обеспечении возможности управления энерговыделением преимущественно в нижней половине активной зоны при работе реактора на мощности, а с другой, - в обеспечении максимума вносимой отрицательной реактивности по аварийному сигналу на останов реактора и, вследствие этого, в существенном повышении подкритичности остановленного реактора, что важно с позиций ядерной безопасности.

Указанный технический результат достигается тем, что элементы конструкции исполнительного органа-прототипа выполнены с возможностью ввода стержней-поглотителей в активную зону на всю ее высоту снизу.

Для реализации этой возможности в одном из описанных ниже вариантов исполнительного органа стержни-поглотители разделены на верхние и нижние сборки с длинами порядка длин гильз пенала на участке ниже активной зоны, верхние сборки выполнены с возможностью перемещения в периферийных гильзах без аксиального относительно подвески смещения, а нижние сборки - с возможностью аксиального телескопического относительно подвески смещения и перемещения поочередно то в центральной, то в периферийных гильзах (в положениях нижних торцов верхних сборок ниже нижней границы активной зоны и выше ее соответственно). В другом описанном ниже варианте реализации исполнительного органа нижние сборки поглотителей выполнены с возможностью аксиального перемещения только в центральной гильзе.

В каждом из этих вариантов подвеска поглотителей снабжена дистанционно-управляемым байонетным разъемом для фиксации аксиального положения стержней-поглотителей после полного ввода их в активную зону; это позволяет снизить вероятность самопроизвольного вывода поглотителей из активной зоны при обрыве гибкой тяги сервопривода.

Изобретение поясним по представленному на чертеже эскизу исполнительного органа, где обозначено: 1 - водоохлаждаемый канал СУЗ с фланцем 2 для подвода охлаждающей воды и крепления к металлоконструкциям реактора, на чертеже не показанным; 3 - сухой пенал (корпус) исполнительного органа с периферийными гильзами 4, центральной гильзой 5 и фланцем 6 для крепления пенала к фланцу 2 канала 1; 7 - вертикальные прорези между периферийными и центральной гильзами, через которые проходят шарниры 8 и 9 связи верхних (10) и нижних (11) сборок-поглотителей нейтронов с подвеской 12; 13 - гибкая тяга (трос, стальная лента), соединенная одним концом с подвеской 12, а другим - с сервоприводом 14 для перемещения последней в интервале от крайнего нижнего положения (когда верхние торцы верхних и нижних сборок-поглотителей находятся ниже нижней границы активной зоны) до верхнего (когда верхние торцы верхних сборок-поглотителей находятся приблизительно на уровне верхней границы активной зоны, а нижние сборки-поглотители перекрывают активную зону на участке ниже нижних торцов верхних сборок-поглотителей); 15 - байонетный разъем (механическая защелка) для фиксации-дефиксации высотного положения подвески в верхнем положении (действует при взаимодействии с выступами-зубцами 16, 17 пенала, см. ниже); 18 - демпфер для ослабления динамических нагрузок на элементы исполнительного органа в целом при случайном, несанкционированном (например, при обрыве тяги 13) "сбросе" элементов 10-12 ниже активной зоны. Место расположения активной зоны реактора выделено на чертеже штриховкой.

Чтобы не перегружать эскиз предложенного устройства несущественными для пояснения принципа действия деталями, элементы конструкции "второго плана" (например, упруго-деформируемые элементы демпфера, прорези в гильзах за диаметральным сечением пенала и т.п.) на чертеже не показаны. Предполагается также, что сервопривод 14 снабжен датчиком для индикации высотного положения подвески 12 как эквивалента высотного положения верхних торцов верхних сборок-поглотителей. Ширина каждой прорези 7 на участке пенала выше нижней границы активной зоны имеет размер, существенно меньший диаметра периферийной гильзы (для облегчения условий теплосъема со сборок-поглотителей), а на участке пенала ниже указанной границы - равный диаметру периферийной гильзы (в обеспечение возможности смещения сборки 11 от оси периферийной гильзы к оси центральной на расстояние не менее радиуса периферийной гильзы и обратно в условиях отсутствия необходимости интенсивного теплосъема со сборок-поглотителей). Шарниры 8 сборок 10 соединены с подвеской 12 жестко, а шарниры 9 сборок 11 - через втулку 19 телескопической связи, которая обеспечивает, с одной стороны, возможность аксиального перемещения сборок 11 только при условии, что сборки 10 находятся целиком в пределах активной зоны, а с другой, - возможность поворота шарниров 9 вокруг осей, перпендикулярных к радиусам поперечного сечения подвески, что, в свою очередь, за счет взаимодействия с элементами подвески 12, обеспечивает возможность смещения сборок 11 из периферийных гильз в центральную и наоборот. Верхняя часть подвески 12 имеет проточки, на чертеже не показанные, - для исключения возможности зацепления с элементами 16, 17. В нижней части подвеска 12 состоит из опорного (с уменьшением по диаметру) перехода 20 и стержня 21 со свободно скользящей по нему втулкой 22 и хвостовиком 23 для взаимосвязи с втулкой 19 и шарнирами 9. Байонетный разъем 15 выполнен в виде вращаемой (вокруг оси подвески) втулки 24 с клиновидными зубцами 25 чередующейся высоты и действует в контакте с выступами 16, 17 подобно известным механизмам (например, авторучек), обеспечивающим при нажатиях на одну и ту же кнопку фиксацию пишущего стержня в поочередно изменяющихся позициях; так, после перемещения втулки 24 мимо выступов 16 вверх эта втулка с зубцами 25 поворачивается на угол 45^o (если зубцов - 8) и над выступами 16 оказываются четыре "высоких" зубца, фиксирующих верхнее положение подвески 12; после перемещения втулки 24 из этого положения вверх до полного входа в контакт с выступами 17 и выхода из контакта вниз, эта втулка с зубцами 25 поворачивается в том же направлении еще на угол 45^o, но над выступами 16 оказываются уже четыре "низких" зубца 25, дефиксирующих верхнее положение подвески 12.

В позиции а) чертежа исполнительный орган показан в исходном, крайнем нижнем положении подвески 12, а в позициях б) и в) - в крайнем верхнем. Причем в позиции в) изображен фрагмент исполнительного органа с альтернативным, упрощенным вариантом конструкции нижней части подвески и шарниров 9. В этом варианте исполнительного органа сборки-поглотители 11 соединены с подвеской шарнирами 9 подобно тому, как сборки-поглотители 10 соединены с подвеской шарнирами 8, но со смещением к оси подвески на расстояние, необходимое для свободного перемещения сборок 11 в центральной гильзе 5; втулки 19, 22 соединены друг с другом жестко, образуя один функционально законченный элемент; ширина каждой прорези 7 по всей длине пенала 3 имеет одинаково малый размер, достаточный лишь для размещения шарниров 8, 9 (на участке пенала ниже верхних торцов сборок 11 в крайнем нижнем положении последних прорези 7 могут вообще отсутствовать).

Работает исполнительный орган следующим образом.

При подаче на сервопривод 14 сигнала на ввод стержней-поглотителей в активную зону длина гибкой тяги 13 подвески 12 начинает уменьшаться и сборки 10 из указанного на чертеже в позиции а) положения начинают подниматься. Сборки 10 входят в активную зону снизу при сохранении сборками 11 исходного (крайнего нижнего) положения до тех пор, пока седло втулки 22 не войдет в зацепление с хвостовиком 23 стержня 21. Момент возникновения такого зацепления соответствует ситуации, при которой нижние торцы сборок 10 достигают нижней границы активной зоны. Под действием подъемной силы со стороны хвостовика 23 и втулки 22 поводки шарниров 9 из наклонного положения поворачиваются в горизонтальное, сборки 11 перемещаются из центральной гильзы в периферийные и далее сборки 10, 11 перемещаются до крайнего верхнего положения подвески 12 вместе. При этом зазор по аксиальной координате между нижними торцами сборок 10 и верхними торцами сборок 11 может быть сделан пренебрежимо малым. Верхнее положение подвески 12 (поз. б) чертежа), соответствующее перекрытию сборками 10, 11 всей высоты активной зоны, фиксируется, как было описано выше, байонетным разъемом 15.

При необходимости вывода сборок-поглотителей из активной зоны на сервопривод 14 подаются сигналы сначала на кратковременный подъем, а затем - на опускание подвески 12. После перемещения втулки 24 сначала вверх до полного входа в контакт с выступами 17, а затем вниз до выхода из этого контакта, эта втулка с зубцами 25 поворачивается и над выступами 16 оказываются "низкие" зубцы 25, не препятствующие дальнейшему движению подвески 12. Сборки 10, 11 перемещаются вниз вместе до тех пор, пока нижний торец втулки 22 не коснется верхнего торца демпфера 18. При дальнейшем движении подвески 12 вниз происходит сначала смещение сборок 11 из периферийных гильз 4 в центральную гильзу 5 с фиксацией сборок 11 в крайнем нижнем положении (поскольку после касания втулки 22 демпфера 18 хвостовик 23 выходит из седла втулки 22, давление этой втулки на шарниры 9, прижимающее их к втулке 19 снизу, ослабевает и шарниры 9 под действием силы тяжести сборок 11 поворачиваются вокруг своих осей во втулке 19 вниз к оси подвески 12), а затем - перемещение вниз одних только сборок 10 до тех пор, пока опорный переход 20 подвески 12 не упрется в верхний торец гильзы 22, что соответствует исходному (крайнему нижнему) положению сборок 10.

Принцип действия исполнительного органа с альтернативным (упрощенным) вариантом конструкции нижней части подвески и шарниров 9 (поз. в) чертежа) будем считать понятным из вышеизложенного. Отметим лишь, что в связи с относительно меньшей удаленностью от оси пенала 3 в пределах активной зоны, поглощающая способность сборок 11 оказывается несколько ниже, чем в варианте с перемещением этих сборок в периферийных гильзах. Однако в связи с логарифмическим характером зависимости эффективности поглотителя от радиуса его, указанное снижение можно ограничить до приемлемо малой величины.

В заключение раскроем причину существенного по сравнению с аналогом увеличения полной эффективности предложенного исполнительного органа в любом варианте (сравнение - с аналогом, а не с прототипом, поскольку прототип взят за основу для придания ему функций именно аналога).

Известно, что аксиальное распределение плотности потока нейтронов в реакторе типа РБМК при работе на мощности имеет приблизительно трапецеидальную форму с участком "плато" вблизи центра активной зоны. Перемещение сборок-поглотителей 10 в нижней половине активной зоны влияет на значение и форму аксиального энергораспределения так же, как влияло бы на эти параметры перемещение поглотителя исполнительного органа-аналога.

Поскольку число стержней-поглотителей СУЗ, частично погруженных в активную зону сверху, при работе реактора на мощности существенно больше числа стержней-поглотителей, частично погруженных в активную зону снизу, выгорание топлива в нижней половине активной зоны оказывается более высоким, чем в нижней. В результате коэффициент размножения нейтронов в верхней половине активной зоны остановленного реактора оказывается более высоким, чем в нижней, и аксиальное распределение плотности потока нейтронов приобретает колоколообразную форму с максимумом в верхней половине активной зоны. А так как эффективность поглотителя в смысле влияния на реактивность пропорциональна квадрату плотности потока нейтронов в месте его размещения, то полная эффективность предложенного исполнительного органа СУЗ на остановленном реакторе оказывается примерно в 2-3 раза большей эффективности исполнительного органа-аналога. Практически это означает, что подкритичность остановленного реактора типа РБМК после замены используемых ныне исполнительных органов СУЗ с укороченными поглотителями, вводимыми в активную зону снизу, на исполнительные органы предложенной конструкции может быть увеличена на (1.2...2.1)_эфф, т.е. на величину, весьма существенную с позиций ядерной безопасности (_эфф0.0059- эффективная доля запаздывающих нейтронов).

ЛИТЕРАТУРА

1. Емельянов И. Я. и др. Научно-технические основы управления ядерными реакторами. - М., Энергоиздат, 1981, с.170-173.

2. Ионайтис Р.Р. Нетрадиционные средства управления ядерными реакторами. - М., Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1992, с.63-66, рис.17д.