Ядерный реактор на быстрых нейтронах с жидкометаллическим теплоносителем

Предлагаемое изобретение относится к атомной технике, а именно: к ядерным реакторам на быстрых нейтронах с жидкометаллическим теплоносителем на основе свинца и его сплавов с поглощающими элементами (ПЭЛ).

В поглощающих элементах (ПЭЛ) ядерных реакторов на быстрых нейтронах могут применяться малоактивируемые борные поглотители. Боросодержащие n-α поглотители подвержены радиационным формоизмененениям и характеризуются значительным выходом под оболочку ПЭЛа или в первый контур гелия и трития, зато позволяют создать регуляторы большой эффективности за счет увеличения обогащения бора сильно поглощающим изотопом - ¹⁰B.

Наиболее близким к настоящему изобретению является ядерный реактор на быстрых нейтронах с жидкометаллическим теплоносителем, содержащий вентилируемый поглощающий элемент, выполненный виде трубчатой оболочки, в которую помещен поглотитель нейтронов - карбид бора, ограниченной концевыми деталями со сквозными каналами (патент Великобритании №1225947, кл. G21C 7/10, опублик. 1971)

Конструкция известного негерметичного - вентилируемого ПЭЛ позволяет выводить образующийся из материала поглотителя в процессе облучения гелий в теплоноситель, что по замыслу создателей ПЭЛ увеличивает степень выгорания карбида бора - В₄С - без значительной фрагментации, благодаря чему фрагменты радиоактивного поглотителя не выходят за пределы оболочки ПЭЛ, а также уравнивает давление под оболочкой и снаружи ПЭЛ за счет подачи жидкометаллического теплоносителя внутрь оболочки ПЭЛ, что также снижает нагрузку на поглотитель.

Известный ПЭЛ предназначен для работы в быстром реакторе с натриевым теплоносителем и при его использовании в реакторах с тяжелым жидкометаллическим теплоносителем (ТЖМТ), например, свинцовом, не будет обеспечена его надежная и длительная работа до глубоких выгораний бора, т.к. замена натриевого теплоносителя на ТЖМТ ведет к превышению сил гидростатического всплытия над инерционными силами тяжести поглотителя, следствием чего будет перемещение столба поглощающего материала к верхней концевой детали, перенос мелких фрагментов поглотителя, а также продуктов коррозии внутренней поверхности оболочки, к выходным отверстиям теплоносителя в верхней концевой детали и, в конечном итоге, их закупорке. Кроме того, из-за наличия в карбиде бора свободного углерода распухание поглотителя будет происходить не только из-за облучения, но и из-за взаимодействия карбида бора с натрием. При этом, поскольку в известном ПЭЛ отсутствует кольцевой зазор между крупкой топлива и оболочкой, контактное воздействие поглотителя на оболочку, еще больше возрастает, что приводит, в конечном счете, к разрушению материала поглотителя и оболочки ПЭЛ. Также к недостаткам известного ПЭЛ следует отнести то обстоятельство, что, поскольку поглотитель в нем выполнен в виде уплотненной крупки, его содержание (удельная масса) относительно невысокая, что приводит к снижению поглощения нейтронов и необходимости увеличения числа ПЭЛ и удорожанию реактора.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является повышение надежности и увеличение ресурса поглощающего элемента при эксплуатации ядерного реактора на быстрых нейтронах с тяжелым жидкометаллическим теплоносителем на основе свинца или его сплавов.

Технический результат, который достигается при использовании заявляемой конструкции поглощающего элемента, заключается в том, что снижается удельное распухание карбида бора и исключается жидкометаллическая коррозия поверхности оболочки ПЭЛ.

Указанные технические результаты достигаются тем, что в ядерном реакторе на быстрых нейтронах с жидкометаллическим теплоносителем, содержащем вентилируемый поглощающий элемент, выполненный виде трубчатой оболочки, в которую помещен поглотитель нейтронов - карбид бора, ограниченной концевыми деталями со сквозными каналами, в качестве теплоносителя используют свинец или сплавы на основе свинца, оболочка и концевые детали выполнены из хромисто-кремнеевой стали ферритно-мартенситного класса, а поглотитель изготовлен в виде таблеток, установленных друг на друга, диаметр которых меньше внутреннего диаметра оболочки и определяется по формуле: dтабл. ≤ [Dвн. обл - 0,55 (Dвн. обл /12) ^0,25] [1-0,01а⋅(ψ-1)], [мм], где: dтабл. - диаметр таблетки поглотителя, [мм], Dвн. обл - внутренний диаметр оболочки, [мм], а - удельное распухание карбида бора, [%/%], ψ - глубина выгорания атомов бора, [%], тем, что на верхней таблетке или под нижней таблеткой столба поглотителя установлен защитный экран из материала, обладающего свойствами отражателя нейтронов и поглотителя гамма-излучения, изготовленный в виде таблетки, диаметр которой равен диаметру таблетки поглотителя, кроме того тем, что между нижней концевой деталью и нижней таблеткой поглотителя или нижним защитным экраном установлен пружинный фиксатор, а также тем, что оболочку, концевые детали и пружинный фиксатор изготавливают из стали марки 16Х12МВС ФБР- 111, а защитный экран выполнен из карбида вольфрама.

Данный ПЭЛ предназначен для использования в реакторе на быстрых нейтронах с тяжелым жидкометаллическом теплоносителе на основе свинца или его сплавов, работающего при высоких температурах, поэтому оболочку ПЭЛ, концевые детали и пружинный фиксатор изготавливают из хромисто-кремнеевых сталей ферритно-мартенситного класса, например 16X12 ВМСФБР-Ш, обладающих приемлемыми физико-механическими свойствами, высокой радиационной и коррозионной стойкостью в ТЖМТ.

Поглотитель изготавливают в виде таблеток диаметром dтабл ≤ [Dвн. обл - 0,55(Dвн. обл /12)^0,25] [1-0,01а⋅(ψ-1)], [мм], где: Dвн. обл - внутренний диаметр оболочки, а - удельное распухание карбида бора, [%/%], ψ - потребная глубина выгорания атомов бора, [%], который меньше внутреннего диаметра оболочки. Величина диаметрального зазора обеспечивает продолжительность транспорта растворенного кислорода к внутренней поверхности оболочки, что исключает опасность жидкометаллической коррозии и механического воздействия поглотителя на оболочку, т.к. надежный теплосъем с таблеток поглотителя уменьшает его распухание. Кроме того, таблеточное выполнение поглотителя снижает величину выхода углерода из карбида углерода, вызывающего науглероживание внутренней поверхности оболочки, и увеличивает удельную массу загрузки поглотителя и эффективность ПЭЛ.

В конструкции данного ПЭЛ между нижней концевой деталью и нижней таблеткой поглотителя или защитным экраном может быть установлен пружинный фиксатор, что позволяет сохранить «монолитность» столба таблеток поглотителя не только при транспортно-технологическом обращении с ПЭЛ, загрузке его в реактор, а также в процессе эксплуатации при рабочих температурах и давлении, но и в случае форс- мажора, если вдруг произойдет разупрочнение пружинного фиксатора.

Для ограничения непроизводительного выгорания поглотителя - карбида бора при выводе ПЭЛ из активной зоны быстрого реактора с ТЖМТ в зависимости от направления вывода (ввода) ПЭЛ из (в) активной зоны на верхней таблетке или под нижней таблеткой столба поглотителя установлен защитный экран из материала, обладающего свойствами отражателя нейтронов и поглотителя гамма-излучения, например, из карбида вольфрама, изготовленный в виде таблетки, диаметр которой равен диаметру таблетки поглотителя.

Изобретение поясняется на чертежах, где на фиг. 1 изображен поглощающий элемент ядерного реактора на быстрых нейтронах с жидкометаллическим теплоносителем на основе свинца или его сплавов, а на фиг. 2 - поглощающий элемент ядерного реактора на быстрых нейтронах с жидкометаллическим теплоносителем на основе свинца или его сплавов с пружинным фиксатором и защитным экраном.

На чертежах обозначены поглощающий элемент 1, оболочка 2 поглощающего элемента, верхняя концевая деталь 3 ПЭЛ, нижняя концевая деталь 4 ПЭЛ, таблетки 5 из поглощающего материала, защитный экран 6, в виде таблетки, зазор 7 между столбом таблеток и оболочкой 2, пружинный фиксатор 8 между нижней концевой деталью 4 ПЭЛ нижней таблеткой 5 поглотителя или защитным экраном 6.

Ядерный реактор на быстрых нейтронах с жидкометаллическим теплоносителем на основе свинца или его сплавов с поглощающим элементом работает следующим образом. Наличие сквозных каналов (на чертежах не показаны) в нижней 4 и верхней 3 концевых деталях обеспечивает при погружении ПЭЛ 1 в теплоноситель первого контура поступление ТЖМТ с базовым содержанием кислорода под оболочку 2 и вытеснение технологического газа в процессе заполнения зазора 7. На разных этапах работы ядерного реактора ПЭЛ 1 может находиться, как в пределах, так и за пределами активной зоны ядерного реактора, поэтому столб таблеток 5 поглотителя со стороны ввода ПЭЛ 1 в активную зону снабжен защитным экраном 6, который препятствует непроизводительному выгоранию поглотителя, пока ПЭЛ 1 находится за пределами активной зоны. После того, как ПЭЛ 1 вводят в активную зону ядерного реактора, под действием нейтронного облучения материал поглотителя ПЭЛ 1 начинает увеличиваться в объеме («распухать») и выделять газообразные продукты, в первую очередь, гелий, которые «подхватываются» ТЖМТ и вместе с ним по каналам (на чертеже не показаны) в верхней 3 концевой детали ПЭЛ 1 удаляются из-под оболочки ПЭЛ 1. Протекание теплоносителя по зазору 7 между столбом таблеток 5 поглотителя и оболочкой 2 ПЭЛ 1 свинца позволяет компенсировать распухание материала поглотителя - карбида бора и, в значительной мере, снизить температуру его нагрева в реакторе, что опять же снижает величину распухания и разрушение (растрескивание) поглотителя, а также уменьшает выход из него газообразных продуктов деления. Благодаря таблеточной форме выполнения поглотителя снижается величина выхода свободного углерода, выделяющегося при распухании карбида бора, что в совокупности с исключением контактного взаимодействия таблеток 5 поглотителя с оболочкой 2 и постоянным поступлением свежего свинцового теплоносителя («обменности» теплоносителя), обеспечивающего транспорт кислорода в зазор 7, снижает вероятность жидкометаллической коррозии оболочки 2 ПЭЛ 1, т.к. ограничивается развитие «кислородного» утонения несущих элементов. Кроме того, между нижней таблеткой поглотителя и нижней концевой деталью может быть установлен пружинный фиксатор, удерживающий столб поглотителя в стабильном положении при транспортно-технологических операциях. Такое расположение пружинного фиксатора в ПЭЛ 1 ядерного реактора с тяжелым жидкометаллическим теплоносителем даже при утрате свойств пружинного фиксатора не приведет к изменению положения столба поглотителя, удерживаемого силами всплытия в верхнем упоре.

Таким образом, заявленное изобретение обеспечит работоспособность ПЭЛ до глубоких выгораний бора вследствие исключения жидкометаллической коррозии и контактного нагружения оболочки при распухании поглотителя. Кроме того, достигается конструктивно-технологическое упрощение ПЭЛ, особенности которого исключают при изготовлении необходимость трудоемких операций заполнения зазора контактным подслоем с предварительным оксидированием оболочки.