импульсный ядерный реактор на тепловых нейтронах

Формула изобретения

1. Импульсный ядерный реактор на тепловых нейтронах, содержащий активную зону, сухую цилиндрическую трубу, в последней размещен модулятор реактивности, содержащий подвижную цилиндрическую коаксиальную трубу, на которой установлены поглощающие нейтроны элементы, органы управления и защиты реактора, содержащие проволочки из поглощающего нейтроны материала, отличающийся тем, что реактор снабжен цилиндрическим баком диаметром D, в котором размещены N сухих труб, установленных на диаметре D1 днища бака аксиально симметрично, подвижная труба заполнена водой, а внутри нее расположены два стержня, выполненные из материала, поглощающего нейтроны, жестко закрепленные на общем полом валу на расстоянии R от оси трубы и на расстоянии 2R друг от друга, причем величины 2R и D1 определяются из следующих соотношений: 0,107D>2R>0,105D; 0,806D>D1>0,8D, а органы защиты содержат емкостный накопитель с разрядником.

2. Реактор по п.1, отличающийся тем, что проволочки выполнены из кадмия и закреплены на внешней поверхности подвижной трубы напротив и параллельно каждому из поглощающих стержней, а разрядник установлен на внутренней поверхности неподвижной трубы.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области ядерной физики, более конкретно к исследовательским импульсным ядерным реакторам на тепловых нейтронах.

Известен периодический и импульсный реактор на тепловых нейтронах, описанный в книге В.Ф.Колесов. Апериодические импульсные реакторы. Саров, РФЯЦ-ВНИИЭФ, 1999.

Реактор содержит бак с водяным замедлителем-отражателем, в котором размещена активная зона и органы управления, содержащие стержни из материала, поглощающего нейтроны. Часть стержней периодически извлекается, в результате образуется нейтронный импульс. Однако период работы такого реактора определяется временем его остывания, составляет примерно час и не может быть сокращен без кардинального изменения конструкции.

Известен импульсный периодический реактор на тепловых нейтронах, выбранный в качестве прототипа (B.C.Дикарев, В.М.Рязанов, М.Д.Перес, В.В.Арсентьев, В.Ф.Зубенко. Распределение плотности потока тепловых нейтронов в критсборке “МАЯК”. Вопросы атомной науки и техники. Сер. Физика и техника ядерных реакторов, 1985, вып.9, с.76-77). Реактор содержит бак с водой, активную зону, модулятор реактивности, размещенный в сухой трубе в центре активной зоны. Модулятор реактивности содержит неподвижную трубу, в которой коаксиально размещены трубы, вращающиеся с различными угловыми скоростями. На части поверхности каждой из труб нанесено поглощающее нейтроны покрытие. При вращении труб поверхность поглощающего нейтроны покрытия изменяется во времени, синхронно изменяется реактивность. Реактор снабжен быстрой защитой, которая осуществляется взрывом проволочек, из материала, хорошо поглощающего нейтроны, размещенных в специальных сухих трубах. При взрыве проволочки на стенки труб наносится слой поглощающего нейтроны материала. В результате увеличения поглощающей поверхности реактивность снижается за сотни микросекунд на величину около одного процента.

Однако размещение модулятора реактивности в центре активной зоны делает недоступным ее для проведения экспериментов. Другой недостаток устройства проявляется в том, что между основными нейтронными импульсами имеются побочные, амплитуда которых составляет несколько десятков процентов от амплитуды основного импульса, что вызывает большой нейтронный фон, затрудняющий измерения. Кроме этого, существенным недостатком прототипа является наличие в нем сухих труб, где размещены взрывающиеся проволочки, поскольку нарушение их герметичности приведет к возрастанию реактивности и возможности возникновения аварийной ситуации.

Задача изобретения - устранение недостатков прототипа.

1. Освобождение центрального канала реактора для размещения в нем экспериментального оборудования.

2. Исключение побочных нейтронных импульсов, увеличивающих нейтронный фон.

3. Исключение сухих труб для взрывающихся проволочек и тем самым снижение вероятности аварийной ситуации.

Технический результат изобретения достигается тем, что реактор снабжен цилиндрическим баком диаметром D, в котором размещены N сухих труб, установленных на диаметре D1 днища бака аксиально симметрично, подвижная труба заполнена водой, а внутри нее размещены два стержня, выполненных из материала, поглощающего нейтроны, и жестко закрепленных на общем полом валу на расстоянии R от оси трубы и на расстоянии 2R друг от друга, причем величины 2R и D1 определяются из следующих соотношений: 0,107D>2R>0,105D; 0,806D>D1>0,8D, а органы защиты содержат емкостной накопитель с разрядником.

Технический результат достигается также тем, что проволочки выполнены из кадмия и закреплены на внешней поверхности подвижной трубы напротив и параллельно каждому из поглощающих стержней, а разрядник установлен на внутренней стороне неподвижной трубы.

Причинно-следственная связь достигаемого технического результата изобретения с введенными признаками изобретения. Существенный признак - бак реактора содержит N сухих труб, установленных на диаметре Д1 днища бака аксиально симметрично, подвижная труба заполнена водой, а внутри нее размещены два стержня, выполненных из материала, поглощающего нейтроны, и жестко закрепленных на общем полом валу на расстоянии R от оси трубы и на расстоянии 2R друг от друга, причем величины 2R и D1 определяются из соотношений: 0,107D>2R>0,105D: 0,806D>D1>0,8D обеспечивает необходимую глубину модуляции нейтронного потока, поскольку нейтронное поле в местах размещения модуляторов реактивности достаточно велико, и, вместе с тем, на диаметре трубы оно спадает в несколько раз. Использование в качестве модулирующего элемента двух стержней, оси которых отстоят на расстоянии 2R друг от друга, обеспечивает режим работы устройства, когда в максимуме реактивности реактор находится менее двух процентов от длительности периода модуляции, а остальное время в глубоко подкритическом режиме, что с одной стороны снижает нейтронный фон и с другой стороны снижает вероятность наступления аварии.

Существенный признак - кадмиевые проволочки укреплены на внешней поверхности подвижной трубы напротив и параллельно каждому из поглощающих стержней, а разрядник укреплен на внутренней стороне неподвижной трубы, позволяет, во-первых, исключить из конструкции реактора сухие трубы, в которых размещаются кадмиевые проволочки в устройстве-прототипе. Во-вторых, увеличить глубину модуляции реактивности.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 схематически показан вертикальный разрез импульсного ядерного реактора на тепловых нейтронах, на фиг.2 - горизонтальное сечение реактора. На фиг.3 представлены результаты расчет изменения реактивности реактора за время одного оборота подвижной трубы модулятора реактивности. В расчетах диаметр бака равнялся 1500 мм. На фиг. 4 изображено распределение нейтронного поля по радиусу бака, а на фиг. 5 - зависимость изменения реактивности от диаметра поглощающего стержня. Зависимости, изображенные на фиг.4 и 5, использовавшиеся при расчете зависимости, представленной на фиг.3, заимствованы из книги Р.Мегреблиан, Д.Холмс. Теория реакторов. М., Госатомиздат, 1962.

В баке 1, заполненном водой, размещена активная зона 2, содержащая тепловыделяющую сборку из делящегося материала. На периферии днища бака аксиально симметрично укреплены трубы 3 из материала, слабо поглощающего нейтроны, например, алюминия, внутри которых расположены подвижные трубы 4, заполненные водой. В трубах 4 размещены напротив друг друга стержни 5, жестко укрепленные на общем с трубой полом вале, не изображенном на чертеже. Вал снабжен механизмом 6, обеспечивающим синхронное вращение всех модуляторов реактивности реактора. На внешней поверхности подвижной трубы 4 напротив поглощающих стержней укреплены кадмиевые проволочки, а на внутренней стороне наружной трубы 3 укреплены разрядники, к которым подведено напряжение от емкостного накопителя (на чертеже не показаны). Устройство снабжено насосом и трубопроводом, обеспечивающим циркуляцию воды в подвижной трубе через полый вал (не показаны).

Устройство работает следующим образом. При вращении подвижных труб 4 с укрепленными в них поглощающими нейтроны стержнями 5 реактивность периодически изменяется, поскольку стержни при своем движении оказываются в местах с отличающимся по величине уровнем нейтронного поля и, соответственно, вносят в него различные уровни поглощения нейтронов. В случае превышения максимального уровня реактивности, или превышения скорости роста реактивности в течение импульса система защиты реактора выдает команду, по которой происходит распыление кадмиевых проволочек, и реактивность устройства снижается до безопасного подкритического уровня.