Патент на изобретение №2172029

(54) КОМПОНОВКА СТЕРЖНЕЙ К ТОПЛИВНЫМ СБОРКАМ, ПРИМЕНЯЕМЫХ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ЯДЕРНЫХ РЕАКТОРОВ (ВАРИАНТЫ)

(57) Реферат:

Использование: при изготовлении тепловыделяющих сборок ядерных реакторов для снижения затрат по топливным сборкам, улучшения возможности регулируемости, улучшения рентабельности использования топлива. Сущность изобретения: компоновка стержней к топливным сборкам, состоящая из опорной конструкции для поддержания образующих топливные сборки топливных стержней, из расположенной в ограниченном опорной конструкцией несущем пространстве центральной зоны и из скомпонованных вблизи центральной зоны топливных стержней, а часть топливных стержней состоит из стержней с добавкой – выгорающим отравляющим веществом, понижающим начальную реактивность; в несущем пространстве (1b) имеются три стержня с выгорающим отравляющим веществом (3), которые в центральной зоне (1с) несущего пространства (1b), если смотреть со стороны продольной оси (1d) несущего пространства, расположены друг к другу под центральным углом в 120^o(). В качестве добавки для снижения начальной реактивности стержней с выгорающим отравляющим веществом используется гадолиний. 2 с. и 3 з.п.ф-лы, 1 ил.

Предмет изобретения: компоновка стержней к топливным сборкам, применяемых при эксплуатации ядерных реакторов, состоящая из опорной конструкции для поддержания топливной сборки топливных стержней, из расположенной в ограниченном опорной конструкцией несущем пространстве центральной зоны и из скомпонованных вблизи центральной зоны топливных стержней.

К предмету изобретения относится также компоновка таких топливных стержней к топливным сборкам, применяемых при эксплуатации ядерных реакторов, в которых – помимо вышеуказанного – часть топливных стержней оснащена добавкой (выгорающими отравляющими веществами) для понижения начальной реактивности.

Непрерывное повышение потребления энергии промышленностью, сельским хозяйством и населением все в больших масштабах снижает имеющиеся на Земле запасы энергоносителей. Для решения этой проблемы используют воспроизводимые источники энергии. Поэтому в последние десятилетия во всем мире построено большое количество атомных электростанций, в которых используется ядерная энергия.

Хранение и использование сборок, содержащих ядерное горючее и применяемых в атомных реакторах, регламентируется строгими предписаниями по технике безопасности из-за известного вредного влияния радиации на живой организм.

Одно из таких основных предписаний – это предотвращение образования начального критического реактивного значения во время хранения т.н. “свежих сборок”, т. е. исключение возможности начала недопускаемой самоподдерживающейся цепной реакции. Для поддержания субкритической ситуации и для нейтрализации реактивности в начале эксплуатации применяют раствор борной кислоты в воде, т.е. в среде, окружающей сборки.

Однако имеются недостатки применения борной кислоты: при возможных авариях во время хранении невозможно учитывать концентрацию борной кислоты, а во время эксплуатации высокий уровень борной кислоты неблагоприятно влияет на свойства реактора по саморегулированию.

В различных типах реакторов широко используются т.н. “выгорающие отравляющие вещества” (поглотители). Выгорающее отравляющее вещество, находящееся в топливных стержнях, уменьшает начальную реактивность топливных стержней и при хранении поддерживает уровень ниже критического, однако, при эксплуатации – из-за уменьшения количества выгорающих отравляющих веществ – реактивность топливных стержней повышается и увеличивается выход энергии.

В сборках, состоящих из топливных стержней, особым образом размещают стержни с пониженной за счет выгорающего отравляющего вещества начальной реактивностью. При размещении учитывают форму и условия придания обязательной симметричности сборки.

Такую компоновку излагает например, T. Lafvert: “Improving fuel economy by optimised in-core fuel management” (1988. Kerntechnik 52 N 4, стр. 228-233). Общая характеристика различных компоновок – это размещение топливных стержней, содержащих выгорающее отравляющее вещество, с таким расчетом, чтобы в случае четырехугольной сборки была симметрия с 90^o углом по отношению к центру, а в случае шестиугольной сборки – с 60^o.

Для правильной компоновки стержни с выгорающим отравляющим веществом размещают подальше от центральной зоны сборки, учитывая при этом требования симметричности. О сборке с шестиугольной компоновкой указано в работе J. Mikus, F. Hudec, J. Rocek, M. Tirgina, L. Vrba, К. Zalesky: “Gadolinium absorbers in WWER-1000 type fuel lattices”, (IAEA-TECDOC-678, dec. 1992), занимающейся также компановкой стержней, содержащих в качестве выгорающего отравляющего вещества гадолиний.

Бесспорное преимущество этих решений заключается в том, что различные стержни, содержащие выгорающее отравляющее вещество, позволяют как безопасно хранить сборки, так и обеспечит подходящую требованиям их регулируемость при эксплуатации.

Их недостаток, однако, в том, что в случае компоновок, удовлетворяющих требованиям симметричности, количество стержней с выгорающим отравляющим веществом слишком велико, что приводит к повышению затрат в отношении топливных стержней.

Цель решения, представляющего сущность изобретения, – исключить недостатки известных вариантов и предложить такую компоновку сборки топливных стержней, которая за счет оптимизации стержней с выгорающим отравляющим веществом – с учетом техники безопасности – даст экономию затрат. Дальнейшая цель – это разработка такой компоновки стержней, при которой – учитывая цикл эксплуатации топливных стержней – можно снизить затраты топлива.

Указанная в изобретении компоновка получена в результате опознания того, что если стержни с выгорающим отравляющим веществом разместить в центральной части сборки, то расстояние крайних стержней от центральной зоны, а вернее, от установленных там стержней с выгорающим отравляющим веществом имеет такую величину, что обычная несимметричная компоновка стержней с выгорающим отравляющим веществом уже не влияет на их поведение, т.е. такое размещение стержней по сути не нарушает правила симметричности, поэтому – в отличие от общепринятого – можно применять всего три стержня с выгорающим отравляющим веществом, потому что топливная сборка в этой своеобразной компоновке фактически сохраняет 60^o симметрию вращения.

Кроме того, было установлено, что если стержни с выгорающим отравляющим веществом разместить вблизи центральной зоны сборки и в их окружении использовать более обогащенные топливные стержни, то обогащение стержней, попадающих на наружную часть сборки, может быть – в отличие от общепринятого – меньшим и, таким образом, неравномерность производительности стержней топливной сборки останется в рамках требуемых пределов.

В соответствии с поставленной целью изобретения компоновка стержней к топливным сборкам ядерных реакторов выполнена с таким расчетом, что в несущем пространстве имеются три стержня с выгорающим отравляющим веществом, которые в центральной зоне указанного пространства – если смотреть со стороны продольной оси несущего пространства – расположенные друг к другу под центральным углом в 120^o. Топливные сборки состоят из опорной конструкции для топливных стержней, из центральной зоны в несущем пространстве, ограниченным опорной конструкцией, и из топливных стержней, скомпанованных вокруг центральной зоны; часть топливных стержней состоит из стержней с добавкой – выгорающим отравляющим веществом, понижающим начальную реактивность.

Очередным признаком компоновки в соответствии с изобретением может быть использование в качестве выгорающего отравляющего вещества, понижающего начальную реактивность, добавки, содержащей гадолиний.

В случае благоприятного исполнения опорная конструкция представляет собой кассету в форме призмы с шестиугольником в основании, ограниченную наружными стенками.

Также в соответствии с поставленной целью изобретения компоновка стержней к топливным сборкам ядерных реакторов выполнена с таким расчетом, что комбинация топливных стержней состоит из их первичной группы высшего обогащения и их вторичной группы низшего обогащения; первичные топливные стержни высшего обогащения расположены вблизи центральной зоны несущего пространства, а вторичные топливные стержни низшего обогащения – в наружней части несущего пространства. Топливные сборки состоят из опорной конструкции для топливных стержней, из центральной зоны в несущем пространстве, ограниченным опорной конструкцией, и из топливных стержней, скомпанованных вокруг центральной зоны.

В одном из возможных исполнений компоновки стержней хотя бы часть топливных стержней оснащена добавкой для снижения начальной реактивности.

Компоновка стержней в соответствии с изобретением обладает рядом преимуществ. Из них наиболее важное заключается в том, что из-за использования небольшого количества стержней с выгорающим отравляющим веществом снижаются затраты по топливным сборкам, причем их субкритичность при хранении и транспортировании обеспечивается без особых затруднений, а также улучшается возможность регулируемости.

Следующее преимущество: в результате правильного выбора обогащения внешних и внутренних стержней благоприятно складывается неравномерность мощности между топливными стержнями, на что неблагоприятно влияет отравляющее вещество, находящееся вокруг центральной трубы.

Положительным является и следующее: в связи с тем, что топливные сборки, имеющие пониженную начальную реактивность – из-за меньшей по отношению к предписанной субкритичности – удовлетворяют требованиям по хранению и эксплуатации, нет надобности в преобразовании узлов для выдержки, хранения и транспортирования.

К преимуществам можно также отнести и то, что топливные сборки, начальная реактивность которых снижена за счет использования поглотителя, но имеющие высшее обогащение, могут быть размещены во внутреннем пространстве реактора, в результате чего уменьшается утечка нейтронов, т.е. улучшается рентабельность использования топлива и уменьшается излучение нейтронов на стенку реакторной емкости.

В дальнейшем изобретение излагается более подробно на основе исполнения и чертежом.

На чертеже дано возможное исполнение компоновки системы стержней в соответствии с изобретением. Вид сверху.

На чертеже изображена сборка 10, скомпонованная в форме правильного шестиугольника. Сборка 10 включает в себя опорную конструкцию 1, топливные стержни 2 и стержни с выгорающим отравляющим веществом (поглотителем), установленные в опорную конструкцию 1, а также центральную зону 1с, соосную с продольной осью 1d опорной конструкции 1 на середине несущего пространства 1b, ограниченного опорной конструкцией 1.

По чертежу можно установить, что количество стержней 3 с выгорающим отравляющим веществом в случае указанного исполнения – три. Если смотреть со стороны продольной оси 1d, то стержни 3 с выгорающим отравляющим веществом рядом с центральной зоной 1с образуют друг с другом центральный угол величиной 120^o, a топливные стержни 2 располагаются в остальных позициях опорной конструкции 1 несущего пространства 1b.

В случае варианта опорной конструкции 1 сборки 10, приведенной на чертеже, она ограничена наружной стенкой 1а, что облегчает обслуживание, перемещение сборки 10 и обеспечивает форсированную защиту крайних топливных стержней 2, расположенных в несущем пространстве 1b.

По чертежу видно также, что топливные стержни 2 состоят из первичных топливных стержней высшего обогащения 2а, расположенных вблизи центральной зоны 1с, и из вторичных топливных стержней низшего обогащения 2b, расположенных вблизи наружней стены, подальше от центральной зоны 1с несущего пространства 1b.

Необходимо упомянуть, что количество первичных топливных стержней высшего обогащения 2а и вторичных топливных стержней низшего обогащения 2b целесообразно выбирать с таким расчетом, чтобы составляющее обогащение находилось в пределах обычного значения. Также необходимо отметить, что при компоновке первичных топливных стержней высшего обогащения 2а и вторичных топливных стержней низшего обогащения 2b следует учитывать общепринятые для сборок 10 требования по симметричности.

Во время применения сборки 10 помещенная в реактор сборка 10 работает в нормальных условиях эксплуатации реактора, поэтому этот случай детально здесь не рассматривается. Существенное изменение наблюдается, когда из-за нового позицирования всего трех стержней 3 с выгорающим отравляющим веществом и из-за нетрадиционной компоновки топливных стержней 2 можно снизить неравномерность мощности, наблюдаемую в начальной стадии компоновки и, кроме этого, можно улучшить регулируемость реакторов с такими сборками 10.

Указанная в изобретении компоновка стержней хорошо применима в реакторах различного типа, но особенно в случае кассет BNFL NOVA-E3, или NOVCA-E3, применяемых в реакторах VVER-440.

Формула изобретения

1. Компоновка стержней к топливным сборкам, служащих для работы ядерных реакторов, состоящая из опорной конструкции для поддержания образующих топливные сборки топливных стержней, из расположенной в ограниченной опорной конструкцией несущем пространстве центральной зоны и из скомпонованных вблизи центральной зоны топливных стержней, а часть топливных стержней состоит из стержней с добавкой – выгорающим отравляющим веществом, понижающим начальную реактивность; в несущем пространстве (1b) имеются три стержня с выгорающим отравляющим веществом (3), которые в центральной зоне (1с) несущего пространства (1b), если смотреть со стороны продольной оси (1d) несущего пространства, расположены друг к другу под центральным углом в 120^o ().
2. Компоновка стержней по п.1 с дополнением, согласно которому в качестве добавки для снижения начальной реактивности стержней с выгорающим отравляющим веществом используется гадолиний.

3. Компоновка стержней по п.1 или 2 с дополнением, согласно которому шестиугольная призма, ограниченная опорной конструкцией (1) и наружными стенками (1а), представляет собой кассету.

4. Компоновка стержней к топливным сборкам, служащих для работы ядерных реакторов, состоящая из опорной конструкции для поддержания образующих топливные сборки топливных стержней, из расположенной в ограниченной опорной конструкцией несущем пространстве центральной зоной и из скомпонованных вблизи центральной зоны топливных стержней, с дополнением, согласно которому сборки топливных стержней состоят из групп первичных топливных стержней высшего обогащения 2а, расположенных вблизи центральной зоны 1с, и из вторичных топливных стержней низшего обогащения 2b, расположенных на наружной части несущего пространства 1b.

5. Компоновка стержней по п.4 с дополнением, согласно которому хотя бы часть топливных стержней (2а) оснащена добавкой для снижения начальной реактивности.

РИСУНКИ