Устройство для снижения плотности потока нейтронов на корпус и другие несменяемые элементы реактора на быстрых нейтронах

Полезная модель относится к ядерной технике, а именно к ядерным реакторам на быстрых нейтронах (РБН), и используется для повышения срока службы РБН.

Для этого устройство для снижения плотности потока нейтронов на корпус и другие несменяемые элементы реактора на быстрых нейтронах, содержащее чехол в котором размещены элементы с замедляющем материалом, в качестве замедляющего материала используют гидрид гафния (HfH_x).

1 илл., 2 з п. ф-лы.

Полезная модель относится к ядерной технике, а именно к ядерным реакторам на быстрых нейтронах (РБН), и используется для повышения срока службы РБН.

В настоящее время в реакторах на быстрых нейтронах для уменьшения плотности потока нейтронов (Ф) и повреждающей дозы (Д) на корпус и другие несменяемые конструкции используется нейтронная защита, которая устанавливается внутри корпуса реактора. Нейтронная защита представляет собой набор сборок, внешне аналогичных штатным ТВС реактора. В отличие от штатных ТВС, сборки нейтронной защиты содержат материалы, призванные снизить плотность потока нейтронов на внутриреакторные конструкции и корпус реактора.

Известны сборки для нейтронной защиты, размещаемые в реакторах [Уолтер А., Рейнолдс А. Реакторы-размножители на быстрых нейтронах: Пер. с англ. - М.: Энергоатомиздат, 1986. - 335 с.], состоящие из нержавеющей стали или сплавов на основе никеля (например, инконеля).

Такие сборки позволяют снизить воздействие излучения (плотность потока нейтронов и повреждающую дозу) на внутриреакторные конструкции и корпус. Никель и в меньшей степени железо являются замедлителями нейтронов за счет неупругого рассеяния нейтронов. В результате нейтроны, теряя энергию, интенсивнее поглощаются средой. Таким образом, происходит снижение плотности потока нейтронов и повреждающей дозы за нейтронной защитой, а соответственно и на корпусе.

Недостатком реактора с такими сборками является то, что для существенного снижения плотности потока нейтронов приходится использовать очень толстые слои нейтронной защиты (до нескольких десятков сантиметров или 4-5 рядов сборок РБН), что увеличивает размеры реактора.

Указанный недостаток обусловлен низкой замедляющей и поглощающей способностью стали и сплавов на основе никеля.

Наиболее близким аналогом по эффективности к предлагаемому устройству является реактор со сборкой нейтронной защиты [Уолтер А., Рейнолдс А. Реакторы-размножители на быстрых нейтронах: Пер. с англ. - М.: Энергоатомиздат, 1986. - 335 с.], содержащей поглотитель нейтронов, позволяющий существенно снизить плотность потока нейтронов на корпус реактора и повреждающую дозу в нем.

В качестве нейтронной защиты используются материалы с большим сечением поглощения нейтронов. Как правило, используются материалы, содержащие хорошо поглощающий нейтроны нуклид ¹⁰B - карбида бора (B₄C) или борированная сталь.

Недостатком реактора с данным устройством является то, что реакция поглощения нейтронов на изотопе ¹⁰B (основной поглотитель, используемый в РБН) ведет к образованию ядер гелия. В результате нейтронная защита на основе бора не долговечна и быстро теряет свои свойства как прочностные, так и поглощения нейтронов (выгорает ¹⁰B). Кроме того, бор является "наработчиком" трития, который отличается большой миграционной способностью и является глобальным загрязнителем. К недостаткам так же можно отнести большие локальные тепловыделения в поглотителе.

Заявляемое техническое решение позволяет повысить срок службы реактора на быстрых нейтронах и его безопасность путем существенного снижения плотности потока нейтронов (Ф) и повреждающей дозы (Д) на основные несменяемые внутриреакторные конструкции и корпус.

Для этого в устройстве для снижения плотности потока нейтронов на корпус и другие несменяемые элементы реактора на быстрых нейтронах, содержащее чехол в котором размещены элементы с замедляющем материалом, в качестве замедляющего материала используют гидрид гафния (HfH _x).

Значение индекса содержания водорода (x) в соединении HfH_x выбирают из диапазона 1,0÷1,5 в зависимости от требуемой эффективности снижения плотности потока нейтронов.

Число элементов и диаметр дистанционирующей навивки выбирают исходя из обеспечения требуемых условий теплосъема для каждого конкретного РБН.

Заявляемое техническое решение позволяет повысить срок службы реактора на быстрых нейтронах и его безопасность путем существенного (на 40-80%) снижения плотности потока нейтронов (Ф) и повреждающей дозы (Д) на основные несменяемые внутриреакторные конструкции и корпус.

Наличие эффективного замедлителя в гидриде гафния приводит к "смягчению" спектра нейтронов и уменьшению их повреждающей способности, а также увеличению поглощения нейтронов ядрами гафнии за счет увеличения сечения захвата. В результате снижается плотность потока нейтронов на корпус реактора и другие несменяемые элементы реактора и повреждающая доза в них. Как и стальные сборки нейтронной защиты, сборки с гидридом гафния подлежат замене по мере достижения предельных флюенсов быстрых нейтронов (1.1÷1.5×10²³ н/(см²с) в зависимости от типа используемой стали.

Следует отметить, что в отличие от ¹⁰B, гафний является слабо выгорающим (изотопы гафния при захвате нейтронов переходят в другие изотопы гафния) и не распухающим (не образуются ядра гелия, способствующие распуханию) поглотителем.

Эффективность нейтронной защиты будет зависеть от значения индекса «x» в соединении HfH_x, и от загрузки (массы) гидрида гафния в сборку.

Чем больше загрузка (масса) гидрида гафния в сборку и чем больше значение индекса «x» в соединении HfH_x, тем выше эффективность нейтронной защиты. Однако, чем выше значение «x», тем больше вероятность выхода водорода при высоких температурах.

Эффективность гидрида гафния HfH _x (x=1,0÷1,5) немногим уступает карбиду бора с обогащением по изотопу ¹⁰B~80%. И если температура HfH_x (x=1,0÷1,5) не превышает 550°C, то выхода водорода не происходит. Такие температурные условия с большим запасом обеспечиваются в боковых экранах РБН, где тепловые нагрузки и температуры существенно ниже, чем в активной зоне реактора. Кроме того, для проектируемых реакторов расположение нейтронной защиты на основе гидрида гафния можно оптимизировать на стадии проектирования.

Гидрид гафния может быть размещен в сборке в виде блочков (таблеток) или в виде порошка (гранул). Изготовление порошка значительно дешевле. Однако таблетки надежнее с точки зрения удержания в них водорода. Так, для предотвращения выхода водорода, таблетки гидрида гафния могут иметь покрытия в виде оксидных пленок или тонких слоев керамики.

Использование HfH_x в качестве нейтронной защиты позволит:

- уменьшить воздействие излучения на биологическую защиту и шахту реактора и, соответственно, тепловые нагрузки в них;

- уменьшить активацию воздуха, охлаждающего реактор;

- снизить тепловые нагрузки и потоки нейтронов во внутриреакторном хранилище отработавших ТВС (при его наличии).

На представленном рисунке изображена принципиальная схема устройства для снижения плотности потока нейтронов на корпус и другие несменяемые элементы реактора на быстрых нейтронах выполненное в виде сборки с гидридом гафния, где 1 - элемент с гидридом гафния, 2 - чехол сборки, 3 - навивка.

Элементы с гидридом гафния (1) с дистанционирующей навивкой (3) расположены внутри чехла сборки (2), идентичного по своей конструкции чехлу штатной ТВС для каждого конкретного РБН. Число и диаметр элементов, а также диаметр навивки выбираются исходя из обеспечения требуемых условий теплосъема для каждого конкретного РБН.

В реакторе БОР-60 последние 10 лет отсутствует боковая зона воспроизводства, поэтому боковой экран состоит из стальных сборок, выполняющих роль нейтронной защиты. Замена последнего ряда (9-й ряд) стальных сборок бокового экрана реактора БОР-60 на сборки с гидридом гафния (HfH_x) приводит к снижению плотности потока нейтронов и повреждающей дозы на корпус и биологическую защиту реактора на 40÷60% в зависимости от эффективной плотности гидрида гафния (загрузки HfH_x в сборку). Сборки с HfH _x по конструкции аналогичным сборкам боковой зоны воспроизводства, где в твэлы вместо обедненного урана загружается HfH_x . Имеется успешный опыт облучения гидрида гафния в реакторе БОР-60.

В реакторе БН-600 сборки с HfH_x могут быть расположены вместо одного ряда сборок боковой зоны воспроизводства или стальной защиты. Установка сборок с HfH_x приводит к снижению плотности потока нейтронов и повреждающей дозы на внутрикорпусные элементы и корпус реактора на 40÷80% в зависимости от эффективной плотности замедлителя (загрузки в сборку), существенно снижается тепловыделение и потоки нейтронов во внутриреакторном хранилище отработавших ТВС.

Предлагается использовать сборки, аналогичные по конструкции сборкам боковой зоны воспроизводства, где в твэлы вместо обедненного урана загружать гидрид гафния - в виде таблеток или гранул (порошка).

В проектируемых РБН (БН-К, БРЕСТ, МБИР, СВБР и т.д.) конструкция сборок с HfH _x, их число и размещение могут быть предусмотрены на стадии проектирования реактора, что позволит получить еще больший эффект.

1. Устройство для снижения плотности потока нейтронов на корпус и другие несменяемые элементы реактора на быстрых нейтронах, содержащее чехол, в котором размещены элементы с замедляющим материалом, в качестве замедляющего материала используют гидрид гафния (HfH_x).

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что значение индекса содержания водорода (x) в соединении HfH_x выбирают из диапазона 1,0÷1,5 в зависимости от требуемой эффективности снижения плотности потока нейтронов.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что число элементов и диаметр дистанционирующей навивки выбирают исходя из обеспечения требуемых условий теплосъема для каждого конкретного реактора.