Тепловыделяющая сборка исследовательского реактора

Заявляемое решение относится к ядерной технике и может быть использовано в составе активной зоны реакторной установки (РУ), для уменьшения неравномерности распределения энерговыделения.

Для этого в тепловыделяющей сборке исследовательского реактора, содержащей головку, хвостовик, чехол квадратного сечения, твэлы, размещенные внутри чехла по треугольной решетке и закрепленные своими концевыми деталями в обоймах двух типов в процессе изготовления ТВС положение обойм разных типов меняют между собой местами и в межтвэльное пространство вдоль одной из граней чехла устанавливают стержни выгорающего поглотителя.

1 з.п. ф-лы, 3 илл.

Заявляемое решение относится к ядерной технике и может быть использовано в составе активной зоны реакторной установки (РУ), для уменьшения неравномерности распределения энерговыделения.

Известна тепловыделяющая сборка («Тепловыделяющая сборка исследовательской реакторной установки», патент 68168), содержащая головку, квадратный чехол из циркониевого сплава Э110 размером 69×0.5 мм с размещенными в нем 158 тепловыделяющими элементами (твэлами), концевые детали которых закреплены в специальных обоймах двух типов, вытеснитель с экспериментальным ампульным каналом внутренним диаметром 24.5 мм из сплава Э110 и хвостовик. Ампульный канал используется для проведения испытаний конструкционных материалов в жестком спектре нейтронов с высокой скоростью набора повреждающей дозы.

Недостатком известного устройства является высокая неравномерность поля энерговыделения по сечению сборки. Это обусловлено, главным образом высоким значением плотности потока тепловых нейтронов на твэлах, граничащих с замедлителем нейтронов: центральной замедляющей полостью (ЦЗП) или отражателем нейтронов и высоким градиентом плотности потока нейтронов по сечению ТВС. Дополнительную неравномерность в распределение энерговыделения вносит наличие ампульного канала с повышенным содержанием замедлителя (воды).

Наиболее близким аналогом, совпадающим с заявляемым по наибольшему количеству признаков является полномасштабная тепловыделяющая сборка (Бурукин В.П., Клинов А.В., Старков В.А., Цыканов В.А. Результаты исследований в обоснование работоспособности ураноемкого твэла реактора СМ // Сб. тр. ФГУП «ГНЦ РФ НИИАР», вып.2, 2003, с.35-46). Она включает в себя головку, твэлы, размещенные внутри чехла по треугольной решетке, концевые детали которых закреплены в обоймах двух типов, чехла и хвостовика.

Твэлы в сборке работают при высоких тепловых нагрузках: плотность теплового потока с поверхности напряженного твэла (средняя по периметру твэла) достигает значения 15 МВт/м², температура сердечника составляет 500-550°С.Скорость теплоносителя в напряженной ТВС равна 12.4 м/с, имеет место поверхностное кипение теплоносителя.

Недостатком прототипа является высокая неравномерность распределения энерговыделения по поперечному сечению. Коэффициент неравномерности распределения энерговыделения составляет 2,45. Это обусловлено большими градиентами плотности потока тепловых нейтронов в направлении от центральной замедляющей полости, которая является их мощным источником, в массив твэлов ТВС и в направлении вдоль грани центральной замедляющей полости (ЦЗП) от центра реактора на периферию. Таким образом, угловой, наиболее напряженный, твэл является критическим элементом, определяющим запас по теплотехнической надежности тепловыделяющей сборки в целом, с одной стороны, и элементом, ограничивающим мощность ТВС, с другой.

Задачей предлагаемого технического решения является снижение неравномерности распределения энерговыделения по сечению напряженной тепловыделяющей сборки.

Поставленная цель достигается тем, что тепловыделяющая сборка исследовательского реактора, содержащая головку, хвостовик, чехол квадратного сечения, твэлы, размещенные внутри чехла по треугольной решетке и закрепленные своими концевыми деталями в обоймах двух типов, дополнительно содержит стержни выгорающего поглотителя (СВП), установленные в межтвэльном пространстве вдоль одной из граней чехла, а положение обойм разных типов меняют между собой местами.

Содержание поглотителя в стержне выгорающего поглотителя определяют по формуле:

,(1)

где: _п - начальная концентрация поглотителя, см ^-3;

L - длина диффузии тепловых нейтронов в замедлителе (ЦЗП или отражателе), см;

a - характерный размер поглотителя, см;

b - размер замедлителя (полуширина ЦЗП (см) или b= для отражателя нейтронов;

Q - объемная плотность источника тепловых нейтронов в замедлителе, см ^-3 с^-1;

t_k - заданное время полного выгорания блокированного поглотителя, с;

_a - сечение поглощения тепловых нейтронов в замедлителе, см^-1;

- усредненное по спектру нейтронов сечение поглощения поглотителя, см²;

_p - сечение поглощения тепловых нейтронов разбавителя поглотителя в СВП (см^-1)^,

обеспечивает полное выгорание поглотителя к моменту выгрузки ТВС из реактора.

Изменение структуры размещения твэлов в ТВС (решетки твэлов) и применение стержней выгорающего поглотителя в межтвэльном пространстве с определенным содержанием поглотителя позволяют исключить из решетки угловые наиболее напряженные твэлы, на которые действие СВП неэффективно, и снизить неравномерность распределения энерговыделения по сечению напряженной тепловыделяющей сборки.

На чертеже фиг.1 изображен общий вид ТВС, где:

1 - головка

2 - твэлы

3 - чехол

4 - хвостовик

На чертеже фиг.2 изображен разрез «А-А» ТВС, где:

5 - обоймы двух типов с закрепленными в них концевыми деталями твэлов (2);

6 - стержни выгорающего поглотителя.

На чертеже фиг.3 показано распределение энерговыделения по сечению ТВС предлагаемой конструкции.

Как видно из чертежа в результате реализации предложенных технических решений угловой наиболее напряженный твэл замещен на стержень с выгорающим поглотителем. Остальные твэлы ряда эффективно экранируются стержнями выгорающего поглотителя. В результате коэффициент неравномерности распределения энерговыделения уменьшается в 1,26 раза (коэффициент неравномерности распределения энерговыделения снизился с 2.45 до 1.81). При выборе содержания поглотителя с СВП в соответствии с формулой (1), полученный положительный эффект сохраняется в процессе работы реактора.

Тепловыделяющая сборка исследовательского реактора содержит головку (1), 187 твэлов (2); концевые детали которых закреплены в обоймах двух типов (5), чехла (3) и хвостика (4). Положение обойм разных типов относительно чехла сборки поменяли местами и в межтвэльное пространство вдоль одной грани установили стержни выгорающего поглотителя (6).

В качестве СВП приняты стержни овальной формы со стальной оболочкой толщиной 0,15 мм. Размер большой и малой осей в поперечном сечении СВП: 4,2 мм и 2,6 мм, соответственно. Поглощающая часть СВП высотой 360 мм в виде смеси алюминия с оксидом гадолиния естественного изотопного состава.

Работа заявляемой ТВС осуществляется следующим образом: ТВС устанавливают в активную зону реактора, ориентируя гранью с СВП к ЦЗП и выводят реактор на мощность (90-100) МВт. При достижении заданного выгорания топлива в ТВС производится ее выгрузка из реактора или перегрузка в другую ячейку активной зоны в соответствии с программой перегрузки топлива.

Начальная плотность гадолиния, выбирается в соответствии с предложенной формулой (1) с исходными данными:

=2,77·10^-2 см², L=3,8 см

a=0,3 см, Q=1,03·10¹³ см ^-3с^-1, _a=0,01 см^-1, _p=0,015 см^-1, равна =8,14·10²¹ см^-3 (это соответствует загрузке 6,2 г Gd₂O₃ на стержень СВП) и обеспечивает полное выгорание изотопов ¹⁵⁵Gd и ¹⁵⁷Gd за 40 суток, что составляет половину продолжительности кампании топлива.

Оптимальное содержание поглотителя зависит от типа поглотителя, его размеров, типа замедлителя, скорости генерации тепловых нейтронов, заданного времени полного выгорания поглотителя и определялось с помощью расчета по аттестованным прецезионным программам. Например, в данном случае, по коду MCU-RFFI/A (Гомин Е.А., Гуревич М.И., Майоров Л.В., Марин С.В. Описание применения и инструкция доля пользователя программой MCU-RFFI расчета методом Монте-Карло нейтронно-физических характеристик ядерных реакторов/Препринт ИАЭ-5877/5. - М.: ИАЭ, 1994. Программа MCU-RFFI/A с библиотекой констант DLC/MCUDAT-1.0. - Вопросы атомной науки и техники. Сер. Физика ядерных реакторов, 2001, вып.3, с.50-55. Программа MCU-RFFI/A с библиотекой констант DLC/MCUDAT-1.0. Аттестационный паспорт программного средства 61, выдан НТЦ ЯРБ ГАН России 17.10.1996 г.).

Физическая аппроксимация результатов расчета по этой программе с погрешностью, не превышающей 7%, представлена в виде формулы (1).

1. Тепловыделяющая сборка исследовательского реактора, содержащая головку, хвостовик, чехол квадратного сечения, твэлы, размещенные внутри чехла по треугольной решетке и закрепленные своими концевыми деталями в обоймах двух типов, отличающаяся тем, что в процессе изготовления ТВС положение обойм разных типов меняют между собой местами и в межтвэльное пространство вдоль одной из граней чехла устанавливают стержни выгорающего поглотителя.

2. Тепловыделяющая сборка по п.2, отличающаяся тем, что содержание поглотителя в СВП определяют по формуле:

,

где _п - начальная концентрация поглотителя, см ^-3;

L - длина диффузии тепловых нейтронов в замедлителе (ЦЗП или отражателе), см;

a - характерный размер поглотителя, см;

b - размер замедлителя (полуширина ЦЗП (см) или b= для отражателя нейтронов);

Q - объемная плотность источника тепловых нейтронов в замедлителе, см^-3c ^-1;

t_k - заданное время полного выгорания блокированного поглотителя, с;

_a - сечение поглощения тепловых нейтронов в замедлителе, см^-1;

- усредненное по спектру нейтронов сечение поглощения поглотителя, см²;

_p - сечение поглощения тепловых нейтронов разбавителя поглотителя в СВП, см^-1.