Результат интеллектуальной деятельности: НАПРАВЛЯЮЩИЙ КАНАЛ ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩЕЙ СБОРКИ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА С ВЫГОРАЮЩИМ ПОГЛОТИТЕЛЕМ

Изобретение относится к атомной технике и может быть применено в водо-водяных ядерных реакторах.

Известна тепловыделяющая сборка ядерного реактора, содержащая головку, хвостовик, пучок тепловыделяющих элементов (твэлов) и направляющих каналов (НК), размещенных в дистанционирующих решетках [Патент США №3379619, «Топливная сборка для ядерного реактора», заявлено 25.05.1966, опубл. 23.04.1968]. Направляющие каналы представляют собой трубки, изготовленные из сплава циркония и предназначенные для перемещения в них поглощающих элементов органов регулирования. Когда поглощающие элементы извлечены из активной зоны, трубки направляющих каналов заполнены водой.

Недостатком известной конструкции является наличие всплеска энероговыделения в твэлах, расположенных рядом с направляющим каналом, что обусловлено наличием водяной полости в направляющем канале.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению является направляющий канала водо-водяного реактора [Патент Японии №3121972, «Тепловыделяющая сборка», заявлено 03.12.1993, опубл. 09.01.2001]. В тепловыделяющей сборке направляющие каналы представляют собой цилиндрические трубки из сплава циркония, размещенные в ячейках дистанционирующих решеток.

Недостатком известного технического решения является всплеск энероговыделения в твэлах, расположенных рядом с направляющим каналом, что обусловлено наличием водяной полости в направляющем канале, вызывающей повышенное замедление нейтронов.

Задача изобретения состоит в исключении указанного недостатка, а именно в исключении или существенном уменьшении всплеска энероговыделения в твэлах, расположенных рядом с направляющим каналом.

Для устранения указанного недостатка в направляющем канале тепловыделяющей сборки ядерного реактора с выгорающим поглотителем, размещенном в ячейках дистанционирующих решеток, предлагается, по меньшей мере, на части поверхности направляющего канала нанести слой выгорающего поглотителя, содержащего изотоп бора-10, в количестве, выгорающем не более чем за один цикл облучения тепловыделяющей сборки.

В частном случае выполнения устройства предлагается изотоп бора-10 ввести в состав материала, из которого изготовлен направляющий канал.

Сущность технического решения заключается в следующем.

Направляющий канал тепловыделяющей сборки ядерного реактора размещен в ячейках дистанционирующих решеток.

По меньшей мере, на части поверхности направляющего канала нанесен слой выгорающего поглотителя, содержащего изотоп бора-10, в количестве, выгорающем не более чем за один цикл облучения тепловыделяющей сборки.

В частном случае выполнения направляющего канала изотоп бора-10 входит в состав материала, из которого изготовлен направляющий канал.

Из-за повышенного замедления нейтронов в водяной полости, образуемой направляющим каналом с извлеченным поглощающим элементом, возникает всплеск энерговыделения в соседствующих с ним твэлах. Именно в этих твэлах и наблюдается, как правило, максимум энерговыделения в тепловыделяющей сборке, ограничивающий допустимую мощность тепловыделяющей сборки и соответственно реактора в целом. В наибольшей степени это ограничение проявляется в первом цикле облучения тепловыделяющей сборки, когда коэффициент внутрикассетной неравномерности энерговыделения (коэффициент Kk, равный отношению максимальной мощности твэла в тепловыделяющей сборке к средней мощности твэлов), как правило, максимален, а мощность тепловыделяющей сборки существенно выше средней. При использовании твэлов с уран-гадолиниевым топливом (твэгов) максимальное значение Kk растет с увеличением количества твэгов. Это объясняется тем, что на начальном этапе облучения мощность твэгов значительно ниже средней мощности твэлов и поэтому, при сохранении полной мощности тепловыделяющей сборки, мощность тепловыделяющих элементов без гадолиния, в том числе и расположенных по соседству с направляющим каналом, значительно возрастает.

Поглотитель на поверхности направляющего канала, содержащий изотоп бора-10 (в чистом виде или в составе какого-либо известного соединения, например, В₄С, ZrB₂, BN) экранирует тепловые нейтроны, избыточная генерация которых в водяной полости и вызывает всплеск энерговыделения в соседних твэлах. Для нанесения этого поглощающего слоя могут быть использованы известные методы, например, газодинамическое напыление, плазменное напыление, вакуумное напыление, методы катодного и магнетронного распыления и др.

Необходимая концентрация бора-10 и толщина поглощающего слоя на поверхности направляющего канала определяется методами стандартного нейтронно-физического расчета исходя из требований, предъявляемых к топливному циклу и условий ядерной безопасности. Одно из требований состоит в том, чтобы, практически, весь бор-10 в поглощающем слое выгорал не более чем за один цикл облучения тепловыделяющей сборки в реакторе.

Пример конкретного исполнения устройства.

На внешнюю поверхность направляющего канала, выполненного из циркониевого сплава Zyrcaloy-4 в виде трубки с внешнем диаметром 12.6 мм, толщиной стенки 0,5 мм, нанесен слой естественного бора с содержанием 19,8% бора-10 толщиной 0,05 мм. 24 таких направляющих канала размещены в квадратной тепловыделяющей сборке реактора PWR типа 17×17, содержащей 264 твэла с внешним диаметром 9,5 мм с диоксидным урановым топливом, обогащенным до 4,7% по урану-235.

Эффективность предлагаемого решения иллюстрируются результатами расчета описанной выше тепловыделяющей сборки PWR в сравнении с расчетами аналогичных сборок а) без выгорающего поглотителя (ВП) и б) с 12 твэгами, содержащими 8 вес.% Gd₂O₃, смешанного с UO₂. Обогащение урана в твэгах 2,8 вес.% по урану-235.

Расчеты выполнены по программе MCNP [X-5 Monte Carlo Team, MCNP-A General Monte Carlo N-Partical Transport Code, Version 5, Los Alamos National Laboratory report LA-13709-M (April 24, 2003)]. Полученные результаты приведены на фиг.1 и 2.

На фиг.1 представлена зависимости коэффициента критичности (K_inf) от среднего по тепловыделяющей сборке выгорания топлива, полученные для тепловыделяющей сборки а) без выгорающих поглотителей (верхняя черная кривая), б) с 12 твэгами, содержащими 8 вес.% Gd₂O₃, смешанного с UO₂ (нижняя красная кривая) и в) со слоем поглощающего материала (В_ест) толщиной 0.05 мм на внешней поверхности 24-х направляющих каналов (средняя синяя кривая). Из графиков на фиг.1 видно, что при одинаковой с гадолининем начальной компенсирующей способности бор-10 в поглощающем слое на поверхности направляющих каналов выгорает полностью, в то время как для вариантов с твэгами наблюдается потеря реактивности из-за недовыгоревших или невыгорающих изотопов гадолиния, а также из-за меньшей начальной загрузки топлива, вытесненного в твэгах окисью гадолиния.

На фиг. 2 показаны зависимости внутрикассетного коэффициента неравномерности энерговыделения Kk от времени облучения для: а) тепловыделяющей сборки без выгорающих поглотителей (средняя черная кривая), б) тепловыделяющей сборки с 12 твэгами (верхняя красная кривая) и в) со слоем поглощающего материала на поверхности направляющего канала толщиной 0.05 мм (нижняя синяя кривая). Как видно из приведенных графиков, наличие борного поглощающего слоя в направляющих каналах действительно позволяет существенно снизить внутрикассетную неравномерность энерговыделения на начальном этапе облучения тепловыделяющей сборки, когда эта неравномерность, как правило, максимальна.

Аналогичный результат будет достигнут, если изотоп бора-10 содержится не только в напыляемом слое на поверхности направляющего канала, но и частично введен в состав циркониевого сплава, из которого изготовлен направляющий канал, в количестве, не ухудшающем механические свойства этого сплава (ориентировочно ~0.1 вес.%).

Технический результат состоит в повышении теплотехнической надежности активной зоны и в увеличении мощности реакторной установки.