Реактор на быстрых нейтронах
Полезная модель относится к ядерной технике, а именно к ядерным реакторам на быстрых нейтронах (РБН), и используется для повышения срока службы, эффективности и безопасности их работы путем существенного (на 30-80%) снижения плотности потока нейтронов (Ф), "смягчения" спектра нейтронов (уменьшения энергии нейтронов) и соответственно уменьшения повреждающей дозы (Д) на основные несменяемые внутриреакторные конструкции и корпус. Данный результат достигается в реакторе на быстрых нейтронах, включающем корпус, внутри которого размещена активная зона, окруженная защитным экраном. Экран содержит слой замедлителя нейтронов, а эффективная толщина слоя выбирается в зависимости от свойств замедлителя, размеров, конструкции и состава активной зоны. В качестве замедлителя нейтронов выбран преимущественно материал, содержащий легкие атомы, из ряда: водород, дейтерий, изотоп 11В. В качестве замедлителя нейтронов может быть использован гидрид циркония. Слой замедлителя расположен на границе активной зоны. Эффективная толщина слоя замедлителя выбрана из интервала 40-150 мм. Непосредственно за слоем замедлителя могут быть дополнительно размещены сырьевые материалы для наработки радиоизотопов. 1 илл.
Полезная модель относится к ядерной технике, а именно к ядерным реакторам на быстрых нейтронах (РБН), и используется для повышения срока службы и эффективности их работы.
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.
Известен реактор на быстрых нейтронах [Уолтер А., Рейнолдс А. Реакторы-размножители на быстрых нейтронах: Пер. с англ. - М.: Энергоатомиздат, 1986. - с.333, 335], включающий корпус, внутри которого размещена активная зона, окруженная защитным экраном. Защитный экран расположен за зоной воспроизводства реактора и состоит из стальных экранов, стальных болванок (нержавеющая сталь или сплавы на никелевой основе) и труб с графитовым заполнителем.
Данное устройство позволяет снизить воздействие излучения (Ф и Д) на внутриреакторные конструкции и корпус реактора. Графит, никель и в меньшей степени железо проявляют свойства замедлителя нейтронов, выполняя роль нейтронной защиты. В результате происходит снижение излучения за защитным экраном, а соответственно и на корпусе.
Недостатком данного устройства является невысокая эффективность с точки зрения замедления нейтронов. В результате не удается существенно снизить Ф или же приходится использовать очень толстые слои нейтронной защиты (до нескольких десятков сантиметров или 4-5 рядов сборок), что непродуктивно увеличивает размеры реактора. Указанный недостаток обусловлен низкой замедляющей способностью графита, стали и сплавов на основе никеля.
Наиболее близким аналогом по эффективности к предлагаемому устройству является реактор на быстрых нейтронах [Уолтер А., Рейнолдс А. Реакторы-размножители на быстрых нейтронах: Пер. с англ. - М.: Энергоатомиздат, 1986. - с.335], включающий корпус, внутри которого находится активная зона, окруженная защитным экраном, в состав которого входит поглотитель, размещенный в отдельных сборках.
В новых проектах РБН предлагается использовать материалы, содержащие поглотители (например, карбид бора, оксид европия и т.д.), в качестве нейтронной защиты, которые размещаются за зоной воспроизводства. Принцип данного устройства основан на использовании в материалах нейтронной защиты нуклидов с большими сечениями поглощения нейтронов.
В результате поглощения нейтронов происходит существенное снижение потока нейтронов (Ф) и повреждающей дозы (Д) на внутриреакторные конструкции и корпус реактора.
Недостатком данного устройства является то, что его применение ведет к большим энерговыделениям в поглотителе. Кроме того, реакция поглощения нейтронов на изотопе 10В (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 (выгорание 10 B) Кроме того, бор является "наработчиком" трития, который отличается большой миграционной способностью и является глобальным загрязнителем.
Другие поглотители менее эффективны, дороги в применении и становятся высоко радиоактивными после облучения (например, Eu), что существенно затрудняет их использование в РБН в качестве эффективной нейтронной защиты.
Использование поглотителя в качестве нейтронной защиты, особенно в РБН малой и средней мощности (РБН малых размеров), а также РБН без зон воспроизводства, ведет к существенному ухудшению равномерности поля
энерговыделения в активной зоне реактора, что отрицательно влияет на экономические показатели и безопасность.
Заявляемое техническое решение позволяет повысить срок службы реактора на быстрых нейтронах и его безопасность путем существенного (на 30-80%) снижения плотности потока нейтронов (Ф), "смягчения" спектра нейтронов (уменьшения энергии нейтронов) и соответственно уменьшения повреждающей дозы (Д) на основные несменяемые внутриреакторные конструкции и корпус.
Данный результат достигается в реакторе на быстрых нейтронах, включающем корпус, внутри которого размещена активная зона, окруженная защитным экраном. Экран содержит слой замедлителя нейтронов, а эффективная толщина слоя выбирается в зависимости от свойств замедлителя, размеров, конструкции и состава активной зоны.
В качестве замедлителя нейтронов выбран преимущественно материал, содержащий легкие атомы, из ряда: водород, дейтерий, изотоп 11B.
В качестве замедлителя нейтронов может быть использован гидрид циркония.
Слой замедлителя расположен на границе активной зоны в случае отсутствия зоны воспроизводства. Эффективная толщина слоя замедлителя выбрана из интервала 40-150 мм. Непосредственно за слоем замедлителя могут быть дополнительно размещены сырьевые материалы для наработки радиоизотопов.
Размещение эффективного замедлителя на пути распространения нейтронов приводит к "смягчению" спектра нейтронов и, следовательно, уменьшению их повреждающей способности, к уменьшению вероятности утечки нейтронов из реактора, увеличению поглощения нейтронов в защитном экране за счет увеличения сечения захвата. В итоге снижается поток нейтронов (Ф) и повреждающая доза (Д) на внутриреакторные конструкции и корпус.
При толщине слоя замедлителя менее 40 мм его замедляющая способность не достаточно эффективна, а увеличение толщины слоя замедлителя более 150 мм нецелесообразно.
Новыми существенными признаками являются использование высокоэффективных замедлителей в защитном экране РБН для снижения Ф и Д. Предлагается использовать замедлители, которые хорошо зарекомендовали себя в РБН и показали высокую надежность при длительном облучении. Кроме того, использование замедлителя в качестве нейтронной защиты позволит:
- уменьшить воздействие излучения на биологическую защиту и шахту реактора, а соответственно тепловые нагрузки и активацию охлаждающего воздуха;
- повысить безопасность реактора за счет уменьшения наиболее критического для РБН натриевого пустотного эффекта реактивности;
- снизить тепловые нагрузки и потоки нейтронов во внутриреакторном хранилище отработавших ТВС
- улучшить равномерность энерговыделения в активной зоне реактора за счет его повышения в последних рядах ТВС;
- производить массовую наработку радиоизотопов в "смягченном" спектре нейтронов (например, 60Со, 153Gd, 152Eu, 154 Еu и др.).
Новые существенные признаки в совокупности с известными признаками проявляют новые, не описанные в патентной и технической литературе, свойства. А именно, использование высоко эффективного замедлителя в защитном экране РБН позволяет снизить плотность потока нейтронов и повреждающую дозу на внутриреакторные конструкции и корпус реактора, тем самым позволяет повысить срок службы реактора на быстрых нейтронах и его безопасность.
На представленном рисунке изображена принципиальная схема реактора на быстрых нейтронах, где 1 - корпус реактора, 2 - активная зона, 3 - зона воспроизводства, 4 - защитный экран, 5 - слой замедлителя.
Слой замедлителя (5) в защитном экране (4) выполнен в виде штатных сборок РБН, в которых топливо заменяется на замедлитель, или отдельных конструкционных слоев, размещенных непосредственно за активной зоной (2) или за зоной воспроизводства (3) при ее наличии. Устройство в виде сборок наиболее оптимально для расположения в виде одного ряда за зоной воспроизводства (3) с боковых сторон активной зоны (2), а над и под активной зоной (2) замедлитель выполнен в виде слоя (5).
В результате подбора типа замедлителя, его эффективной плотности и места расположения можно оптимизировать нейтронную защиту для каждого конкретного РБН.
В реакторе БОР-60 последние 10 лет отсутствует боковая зона воспроизводства, поэтому боковой защитный экран состоит из стальных сборок и выполняет роль нейтронной защиты. Замена последнего ряда (9-й ряд) стальных сборок бокового защитного экрана реактора БОР-60 на сборки с замедлителем (гидрид циркония или карбид бора с 3% 11B) приводит к снижению Ф и Д на корпус и биологическую защиту реактора на 30÷70%. При этом улучшается радиальная равномерность распределения энерговыделения по активной зоне, увеличивается по абсолютному значению Доплеровский коэффициент (на 15÷20%) и ряд других коэффициентов реактивности, а также создаются условия для массовой наработки радиоизотопов ( 60Со, 153Gd) в ячейках со "смягченным" спектром нейтронов. Сборки с замедлителем по конструкции аналогичны воспроизводящим сборкам бокового экрана, где в тепловыделяющие элементы (твэлы) вместо обедненного урана загружается ZrH 2.
В реакторе БН-600 сборки с замедлителем могут быть расположены вместо одного ряда воспроизводящих сборок бокового защитного экрана или стальной защиты. Установка сборок с замедлителем (ZrH2, 11В) приводит к
снижению Ф и Д на внутриреакторные конструкции и корпус реактора на 40÷80% в зависимости от эффективной плотности замедлителя. При этом уменьшается натриевый пустотный эффект реактивности (на 5-15% в зависимости от места расположения замедлителя), существенно снижается энерговыделение и потоки нейтронов во внутриреакторном хранилище отработавших ТВС, а также создаются условия для массовой наработки радиоизотопов в образовавшихся ячейках со "смягченным" спектром нейтронов.
Предлагается использовать сборки с замедлителем по конструкции аналогичные воспроизводящим сборкам бокового защитного экрана, где в твэлы вместо обедненного урана загружать ZrH2. (возможна загрузка и отвального бора - 97% 11В).
Во вновь проектируемых РБН (БН-800, БН-1600, БРЕСТ, МБИР, СВБР и т.д.) выбор замедлителя, его размещение и конструкция может быть выполнена на стадии проектирования реактора, что позволит снизить плотность потока нейтронов и повреждающую дозу на внутриреакторные конструкции и корпус реактора за счет оптимизации расположения замедлителя, его плотности, состава и т.д., и, следовательно, повысить срок службы реакторов на быстрых нейтронах и их безопасность.
1. Реактор на быстрых нейтронах, включающий корпус, внутри которого размещена активная зона, окруженная защитным экраном, отличающийся тем, что экран содержит слой замедлителя нейтронов, а эффективная толщина слоя выбирается в зависимости от свойств замедлителя, размеров, конструкции и состава активной зоны.
2. Реактор по п.1, отличающийся тем, что в качестве замедлителя нейтронов выбран преимущественно материал, содержащий легкие атомы, из ряда: водород, дейтерий, изотоп 11 В.
3. Реактор по п.1, отличающийся тем, что в качестве замедлителя нейтронов выбран гидрид циркония.
4. Реактор по п.1, отличающийся тем, что эффективная толщина слоя замедлителя выбрана из интервала 40-150 мм.
5. Реактор по п.1, отличающийся тем, что слой замедлителя расположен на границе активной зоны.
6. Реактор по п.1, отличающийся тем, что непосредственно за слоем замедлителя дополнительно размещены сырьевые материалы для наработки радиоизотопов.
