исполнительный орган системы управления и защиты ядерного реактора

Формула изобретения

1. Исполнительный орган системы управления и защиты ядерного реактора, содержащий вертикально устанавливаемый сухой пенал с центральной и периферийными гильзами, в периферийных гильзах - поглотители нейтронов, перемещаемые по высоте с вводом в активную зону снизу, в центральной гильзе - подвеску с гибкой тягой сервопривода, соединенную с поглотителями шарнирно при помощи кронштейнов, проходящих через вертикальные прорези между периферийными и центральной гильзами, отличающийся тем, что дополнен размещаемыми в периферийных гильзах автономными (друг с другом не взаимосвязанными) поглотителями нейтронов и электромагнитными защелками, удерживающими эти поглотители в положении выше активной зоны при отсутствии аварийного сигнала и освобождающими их для падения под действием собственного веса при появлении такого сигнала.

2. Исполнительный орган по п.1, отличающийся тем, что каждый из автономных поглотителей выполнен в виде цепочки шарнирно соединенных стерженьков с возможностью перекрытия всей высоты активной зоны.

3. Исполнительный орган по п.2, отличающийся тем, что в качестве привода для вывода автономных поглотителей из активной зоны до фиксации в крайнем верхнем положении защелками использованы средства перемещения поглотителей, вводимых в активную зону снизу.

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.

Вместе с тем, изобретение относится и к исполнительным органам СУЗ, входящим в состав подсистем так называемой быстродействующей аварийной защиты (БАЗ) реакторов, логика работы которых такова: в отсутствие аварийных отклонений контролируемых параметров управляемые поглотители нейтронов находятся вне (выше) активной зоны; при появлении аварийного сигнала поглотители названных исполнительных органов с максимально возможной скоростью (например, под действием собственного веса) вводятся в активную зону; одновременно с меньшей скоростью в активную зону вводятся поглотители и других исполнительных органов СУЗ; после останова реактора поглотители исполнительных органов группы БАЗ из активной зоны удаляются; реактор остается в подкритическом состоянии за счет наличия в активной зоне поглотителей другой, менее быстродействующей, подсистемы.

Предполагаемая область применения изобретения - водографитовые реакторы типа РБМК.

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

Работает исполнительный орган-аналог следующим образом. С уменьшением длины гибкой тяги сервопривода вытеснитель и поглотитель по каналу размещения перемещаются вверх. При этом некая часть вытеснителя (по длине) из активной зоны выводится и такая же часть поглотителя в активную зону снизу вводится, интенсивность поглощения нейтронов исполнительным органом увеличивается, энерговыделение в технологических каналах окружения уменьшается. Совместное перемещение поглотителя и вытеснителя может быть продолжено 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 при работе на установленной и близкой к ней мощности.

К недостаткам исполнительного органа-аналога с позиций ядерной безопасности можно отнести, во-первых, относительно низкую его полную эффективность по вносимой отрицательной реактивности (из-за малой длины поглотителя, обусловленной малой длиной канала на участке ниже активной зоны), так что подкритичность остановленного реактора оказывается существенно меньше потенциально достижимой, а во-вторых, - возможность ввода значительной положительной реактивности при аварийном обезвоживании контура охлаждения каналов СУЗ (из-за большого объема заполненных водой технологических зазоров в пределах активной зоны).

Качествами прототипа к изобретению обладает исполнительный орган /2/, содержащий вертикально устанавливаемый сухой пенал с центральной и периферийными гильзами, в периферийных гильзах - поглотители нейтронов, перемещаемые по высоте с вводом в активную зону снизу, в центральной гильзе - подвеску с гибкой тягой сервопривода, соединенную с поглотителями шарнирно при помощи кронштейнов, проходящих через вертикальные прорези между периферийными и центральной гильзами. Охлаждение пенала и размещенных в нем элементов после установки в канал СУЗ реактора осуществляется водой, протекающей через тонкий кольцевой зазор между внутренней поверхностью канала и внешней - пенала. Охлаждение поглотителей осуществляется главным образом за счет теплового излучения к внутренней поверхности стенок (гильз) пенала, частично - за счет конвекции газовой среды (воздуха) в пенале и теплообмена через точки касания “поглотитель - пенал”.

Вообще говоря, описанная конструкция с небольшими уточнениями пригодна для ввода поглотителей в активную зону как сверху, так и снизу. Однако в обсуждаемом контексте для определенности принимается, что исполнительный орган-прототип соответствует варианту, обеспечивающему ввод поглотителей в активную зону снизу.

Достоинством исполнительного органа-прототипа является минимизация нежелательного ввода положительной реактивности при обезвоживании контура охлаждения канала СУЗ, поскольку количество охлаждающей воды в радиальном зазоре “канал - пенал” минимально.

Одним из недостатков исполнительного органа-прототипа, как и других известных исполнительных органов СУЗ с вводом поглотителей в активную зону снизу приблизительно до половины ее высоты, является относительно низкая полная эффективность, снижающая подкритичность остановленного реактора до величины, существенно меньшей потенциально достижимой. Другим существенным недостатком исполнительного органа-прототипа является относительно низкая надежность по функции ввода отрицательной реактивности для останова реактора при возникновении аварийных ситуаций, в связи с чем в технических обоснованиях ядерной безопасности реакторов исполнительные органы с вводом поглотителей в активную зону снизу даже не принимаются во внимание. Дело в том, что надежность ввода поглотителей в активную зону снизу и удержания их там после останова зависит от надежности гибкой тяги сервопривода и самого сервопривода. Поэтому весьма вероятный обрыв гибкой тяги может привести к несанкционированному вводу положительной реактивности (в результате сброса поглотителей в пространство ниже активной зоны под действием собственного веса), а весьма вероятное исчезновение напряжения питания сервопривода к моменту появления аварийного сигнала на останов реактора - к невводу отрицательной реактивности (из-за неуправляемости сервопривода).

Задачей изобретения является устранение названных недостатков прототипа.

Технический результат, достигаемый при использовании изобретения, заключается в существенном повышении надежности прототипа по функции ввода отрицательной реактивности для останова реактора при возникновении аварийных ситуаций, а также в обеспечении максимума вносимой при этом отрицательной реактивности и близкой к потенциально достижимой подкритичности реактора после останова.

Указанный технический результат достигается тем, что исполнительный орган-прототип дополнен размещаемыми в периферийных гильзах автономными (друг с другом не взаимосвязанными) поглотителями нейтронов и электромагнитными защелками, удерживающими эти поглотители в положении выше активной зоны при отсутствии аварийного сигнала и освобождающими их для падения под действием собственного веса при появлении такого сигнала. Предполагается, что каждый из автономных поглотителей выполнен в виде цепочки шарнирно соединенных стерженьков с возможностью перекрытия всей высоты активной зоны, а в качестве привода для вывода автономных поглотителей из активной зоны до фиксации в крайнем верхнем положении защелками использованы средства перемещения поглотителей, вводимых в активную зону снизу.

Цель изобретения - в совмещении в одном конструктиве (пенале) двух слабо взаимосвязанных групп элементов, одна из которых служит для реализации функции “тонкого” управления энерговыделением в реакторе поглотителями нейтронов, вводимыми в активную зону снизу, а другая - для реализации функции БАЗ, т.е. быстрого перевода реактора в подкритическое состояние по аварийному сигналу на останов поглотителями нейтронов, вводимыми в активную зону сверху. Попутно устраняется возможность скачкообразного уменьшения подкритичности остановленного на длительное время реактора в результате падения поглотителей при обрыве гибкой тяги сервопривода из-за многократных перегибов или сейсмической активности. А достигается это за счет того, что место, занимаемое “упавшими” поглотителями, автоматически замещается поглотителями, вводимыми в активную зону сверху.

Использование исполнительных органов повышенной эффективности с взаимно независимыми группами элементов для реализации двух разных функций позволяет создать в реакторе типа РБМК СУЗ с двумя взаимно независимыми подсистемами, каждая из которых способна не только остановить реактор, но и удерживать его в подкритическом состоянии произвольно долгое время. Причем создание двух именно взаимно независимых подсистем останова - одно из требований Правил ядерной безопасности (ПБЯ РУ АС-89), удовлетворить которое на основе известных конструкций исполнительных органов при имеющемся в РБМК числе каналов СУЗ невозможно.

Изобретение показано на фиг.1 - продольный вид и фиг.2 - разрез А-А. Исполнительный орган содержит: 1 - водоохлаждаемый канал СУЗ с фланцем 2 для подвода охлаждающей воды и крепления к металлоконструкциям реактора, на чертежах 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; 7 - стерженьковые (вводимые в активную зону снизу) поглотители нейтронов с шарнирами взаимосвязи 8, объединенные в кластер (пучок) рычагами 9 подвески 10 с гибкой тягой 11 сервопривода 12 с вращаемым барабаном 13; активная зона реактора выделена на чертежах штриховкой; 14 - вертикальные прорези между периферийными и центральной гильзами, через которые проходят рычаги 9 связи подвески 10 с поглотителями 7; 15 - стерженьковые (вводимые в активную зону сверху) автономные поглотители нейтронов с шарнирами взаимосвязи 16 и подвесками 17 с головками 18 для зацепления с якорями управляемых электромагнитных защелок 19; 20 - демпферы для ослабления ударных нагрузок на элементы исполнительного органа при быстром движении вниз как поглотителей 15 (по аварийному сигналу), так и поглотителей 7 (при обрыве гибкой тяги 11 сервопривода 12).

За исходное принимается такое положение исполнительного органа, при котором поглотители 7, вводимые в активную зону снизу, находятся ниже нижней границы активной зоны, а поглотители 15, вводимые в активную зону сверху, - выше верхней границы активной зоны (головки 18 подвесок 17 цепочек поглотителей 15 находятся в зацеплении с якорями защелок 19). На чертежах показано исходное положение поглотителей 15 и некое промежуточное положение поглотителей 7 в пределах нижней половины активной зоны.

В безаварийном режиме работы реактора исполнительный орган работает следующим образом. При необходимости снижения энерговыделения в технологических каналах окружения, на сервопривод 12 подается команда на ввод поглотителей 7 в активную зону, барабан 13 начинает вращаться в сторону намотки гибкой тяги 11, длина последней начинает уменьшаться и цепочка поглотителей 7 начинает движение вверх; интенсивность поглощения нейтронов в соответствии с задачей увеличивается. При необходимости увеличения энерговыделения в технологических каналах окружения, на сервопривод 12 подается команда на вывод поглотителей 7 из активной зоны, барабан 13 начинает вращаться в сторону размотки гибкой тяги 11, длина последней начинает увеличиваться и цепочка поглотителей 7 начинает движение вниз; интенсивность поглощения нейтронов в соответствии с задачей уменьшается.

При возникновении аварийной ситуации подается сигнал на ввод в активную зону реактора как поглотителей 7, так и поглотителей 15. Перемещение поглотителей 7 вверх происходит описанным выше образом, а перемещение поглотителей 15 вниз - под действием их собственного веса в результате обесточивания обмоток электромагнитных защелок 19 и разрыва связи их с головками 18 подвесок 17. В каком-то промежуточном положении в пределах нижней половины активной зоны поглотители 7 и 15 через демпферы 20 входят во взаимный контакт, перекрывая всю высоту активной зоны и обеспечивая таким образом максимум вводимой отрицательной реактивности.

Не исключено, что в результате ударной нагрузки на гибкую тягу 11 сервопривода 12 через рычаги 9 и подвеску 10 при падении поглотителей 15 на демпферы 20, тяга 11, если она имела дефекты из-за многократных перегибов и пр., может оборваться и поглотители 7 под действием собственного веса выйдут за пределы активной зоны вниз. Это, однако, не создаст сколько-нибудь заметного изменения подкритичности остановленного реактора, поскольку, как уже говорилось, место, занимаемое “упавшими” поглотителями 7, автоматически, под действием собственного веса, замещается автономными поглотителями 15.

После останова реактора по аварийному сигналу и ликвидации причины возникновения этого сигнала поглотители 15 (по логике работы исполнительных органов группы БАЗ) из активной зоны извлекаются. Это выполняется по команде на сервопривод 12, реализующей подъем подвески 10. Подвеска 10, воздействуя рычагами 9 через демпферы 20 на цепочки поглотителей 15 снизу, перемещает их вверх до тех пор, пока головки 18 подвесок 17 не войдут в зацепление с якорями защелок 19 (обмотки последних в это время находятся под током). По окончании подъема поглотителей 15 в положение выше активной зоны с подхватом их там защелками 19, сервопривод 12 по сигналу от соответствующего путевого выключателя (на чертежах не показанного) автоматически останавливается; оператором подается команда на вращение сервопривода 12 в обратном направлении и подвеска 10 с поглотителями 7 возвращаются в занимаемые до начала подъема положения (или иные, по усмотрению оператора).

В заключение раскроем причину существенного по сравнению с прототипом увеличения полной эффективности предложенного исполнительного органа в остановленном реакторе. Известно, что аксиальное распределение плотности потока нейтронов в активной зоне реактора РБМК при работе на установленной мощности или вблизи нее имеет приблизительно трапецеидальную форму. Перемещение поглотителей 7 в предложенном исполнительном органе влияет на значение и форму аксиального энергораспределения так же, как влияло бы на эти параметры перемещение поглотителя исполнительного органа-прототипа или аналога. Поскольку число поглотителей СУЗ, частично погруженных в активную зону сверху, в указанном режиме работы реактора 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-прототипа. 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 (_эфф 0,0059 - эффективная доля запаздывающих нейтронов).

Источники информации

1. Емельянов И.Я. и др. Научно-технические основы управления ядерными реакторами. - М.: Энергоиздат, 1981, стр.170-173, рис.4, 13.

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