×
09.05.2019
219.017.50a4

ЯДЕРНЫЙ РЕАКТОР НА БЫСТРЫХ НЕЙТРОНАХ

Вид РИД

Изобретение

Юридическая информация Свернуть Развернуть
Краткое описание РИД Свернуть Развернуть
Аннотация: Изобретение относится к ядерной технике, а именно к конструкции отражателей нейтронов ядерных реакторов на быстрых нейтронах. В ядерном реакторе на быстрых нейтронах, содержащем активную зону с топливом, окруженную свинцовым отражателем нейтронов, доля изотопа Pb в свинцовом отражателе выбрана ≥90%. Технический результат заключается в замедлении цепной реакции деления на мгновенных нейтронах в активной зоне благодаря задержке во времени нейтронов, утекших в свинцовый отражатель, замедлившихся там и в результате диффузии возвратившихся в активную зону. Кроме того, в частном случае с наружной стороны к свинцовому отражателю дополнительно примыкает слой материала-замедлителя нейтронов с малым атомным весом, например, графита. Технический результат заключается в дозамедлении медленных нейтронов при соударении с ядрами материала с малым атомным весом. 1 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.
Реферат Свернуть Развернуть

Изобретение относится к ядерной технике, а именно к конструкции отражателей нейтронов ядерных реакторов на быстрых нейтронах (к быстрым реакторам).

Известен быстрый реактор с тяжелым жидкометаллическим теплоносителем, содержащий активную зону, окруженную плотно установленными блоками отражателя и разделенную на подзоны с тепловыделяющими сборками, в которых размещены стержневые тепловыделяющие элементы, охлаждаемые теплоносителем [1].

Указанный реактор обладает следующими недостатками. Во-первых, конструктивное выполнение активной зоны и состав топлива обеспечивают в данном реакторе высокий коэффициент воспроизводства активной зоны, равный 1,26, при котором наработка плутония опережает его выгорание, что ведет к росту реактивности по кампании и может привести к аварии с разгоном реактора на мгновенных нейтронах при отказе системы управления и защиты. Во-вторых, утечка нейтронов в отражатель мала и поэтому нейтроны, притекающие из отражателя, не оказывают заметного влияния на баланс цепной реакции в активной зоне.

В качестве прототипа выбран ядерный реактор со свинцовым теплоносителем, содержащий, активную зону со стержневыми тепловыделяющими элементами, заполненными плотным нитридным топливом, что обеспечивает коэффициент воспроизводства в активной зоне около единицы. Вокруг активной зоны этого реактора размещен отражатель нейтронов, содержащий свинец природного изотопного состава (52.4%208Pb+22.1%207Pb+24.1%206Pb+1.4%204Pb) [2].

Недостатком этого реактора является короткое время жизни мгновенных нейтронов, что обуславливает практически мгновенный разгон реактора при внезапных скачках реактивности, даже незначительно превышающих эффективную долю запаздывающих нейтронов.

Технический результат, на достижение которого направлено настоящее изобретение, заключается в повышении ядерной безопасности быстрого реактора и исключении разгона реактора при скачках реактивности, близких по величине к доле запаздывающих нейтронов. При решении указанной задачи обеспечивается получение такого технического результата, как повышение безопасности быстрого реактора, когда он по спектру нейтронов в активной зоне остается быстрым, но многократно замедляется цепная реакция на мгновенных нейтронах, благодаря задержке во времени нейтронов, утекших в свинцовый отражатель, замедлившихся там и в результате диффузии возвратившихся в активную зону.

Технический результат достигается тем, что в ядерном реакторе на быстрых нейтронах, включающем активную зону с топливом, окруженную свинцовым отражателем нейтронов, изотопный состав свинца отражателя выбирают так, чтобы доля изотопа 208Pb в нем составляла ≥90%.

Кроме того, в частном случае предлагается за свинцовым отражателем дополнительно разместить замедлитель нейтронов с малым атомным весом, например, графит.

Ядерный реактор на быстрых нейтронах, выполненный в соответствии с данным изобретением и показанный на фиг.1, содержит активную зону 1, которая набрана из тепловыделяющих сборок со стержневыми тепловыделяющими элементами с топливом, между которыми находится теплоноситель. Вокруг активной зоны 1 размещен свинцовый отражатель нейтронов 2, который предназначен для снижения утечки нейтронов и возвращения их в активную зону 1.

Свинцовый отражатель нейтронов 2 выполнен из блоков, каждый из которых содержит чехол 3, заполненный свинцом 4, доля изотопа 208Pb в котором ≥90%. Для того, чтобы повысить эффективность замедления эпитепловых нейтронов в наружной области свинцового отражателя, за свинцовым отражателем дополнительно размещен материал-замедлитель нейтронов с малым атомным весом 5, например, графит.

Замедленные нейтроны из глубины отражателя диффундируют частично в сторону активной зоны 1, достигая ее и принимая участие в продолжении цепной реакции деления. Вклад этих нейтронов в цепную реакцию происходит с временной задержкой, определяемой их замедлением и диффузией в материале отражателя.

Для того чтобы замедленные нейтроны из толщи отражателя имели заметную вероятность достичь активной зоны 1 и оказать влияние на цепную реакцию в ней, нужно, чтобы длина диффузии замедленных нейтронов была сопоставима или больше, чем среднее смещение нейтронов вглубь отражателя в процессе их замедления.

Как известно, среднее смещение замедляющихся нейтронов вглубь отражателя 2 характеризуется величиной корня квадратного из величины возраста нейтронов при замедлении до области тепловых энергий. Поэтому длина диффузии замедленных нейтронов, возвращающихся в активную зону, должна превышать по крайней мере половину величины среднего смещения замедляющихся нейтронов, чтобы заметная их часть смогла достичь активной зоны. В то же время для свинца природного состава величина длины диффузии в четыре с лишним раза короче, чем величина смещения нейтронов при замедлении. Поэтому при использовании свинца природного состава замедленные нейтроны в глубине отражателя имеют малую вероятность вернуться в активную зону и этот эффект практически незаметен. Когда же в отражателе нейтронов размещается свинец, в изотопном составе которого доля изотопа 208Pb составляет ≥90%, то указанные параметры миграции нейтронов выполняются и эффект замедления цепной реакции достигается.

Ядерный реактор на быстрых нейтронах, выполненный в соответствие с данным изобретением, работает следующим образом.

В активную зону 1 быстрого реактора загружают тепловыделяющие сборки с тепловыделяющими элементами (твэлами) и после подачи в активную зону теплоносителя выводят реактор на мощность. В результате цепной реакции деления в активной зоне 1 рождаются быстрые нейтроны. Они претерпевают рассеяние, замедление и поглощение в активной зоне. Причем часть нейтронов претерпевает утечку в отражатель нейтронов 2, окружающий активную зону реактора. В результате диффузии и замедления эти нейтроны углубляются в толщу отражателя, удаляясь от активной зоны. Поскольку при приближении энергии нейтронов к области тепловых энергий замедление на материале отражателя с тяжелым атомным весом становится слабым, то прилегающий к отражателю замедлитель с легким атомным весом 3 это замедление делает более эффективным.

Для достижения положительного эффекта необходимо, чтобы в изотопном составе свинца отражателя доля изотопа 208Pb составляла ≥90%. 208Pb. Свинец такого состава можно получить при добыче руды из Th- и (Th-U)-месторождений [3-5], где свинец является конечным продуктом радиоактивного распада тория и урана. В добываемой на этих месторождениях руде содержание изотопа 208Pb в свинце более 90% (Таблица).

Расчетные оценки показывают, что проектная величина времени жизни мгновенных нейтронов для прототипа реактора БРЕСТ-300-ОД составляет ≅0.5 микросекунды (отражатель - свинец природного изотопного состава). При замене свинца отражателя на 100% 208Pb время жизни мгновенных нейтронов может возрасти до ≅0.1 миллисекунды, т.е. увеличиться в 200 раз.

Даже при скачке реактивности 1.3 βef, т.е. заметно больше доли запаздывающих нейтронов, что, как известно, соответствует разгону на мгновенных нейтронах, период разгона реактора составит «всего лишь» около 0.1 сек. А если учесть, что тепловая постоянная твэла для быстрых реакторов с плотным, хорошо проводящим тепло топливом, тоже составляет ≅0.1 сек, то при таком разгоне будут успевать срабатывать почти все обратные связи, «заложенные» в конструкцию активной зоны. Правильно «сконструированные» отрицательные обратные связи должны будут скомпенсировать упомянутый скачок реактивности и сохранить целостность активной зоны и реактора.

Таким образом, технический результат состоит в существенном повышении безопасности реактора на быстрых нейтронах, который может быть устойчивым к внезапным скачкам реактивности, по величине превышающим даже долю запаздывающих нейтронов.

Таблица
Месторождение U/Th/Pb, % вес. (в минерале) 204Pb/206Pb/207Pb/208Pb, % ат.
Украина, бассейн р. Южный Буг [3] 0.18/8.72/0.91 0.01/6.04/0.94/ 93.0
Бразилия, провинция Гуаропари [4] 1.26/59.3/1.51 0.005/6.030/0.455/ 93.51
Австралия, горный район Айса [5] 0.0/5.73/0.285 0.038/5.44/0.972/ 93.55

Список литературы

1. Н.Takano, H.Akie and all. A DESIGN STUDY FOR INHERENT SAFETY CORE, ASEISMICITY AND HEAT TRANSPORT SYSTEM IN LEAD-COOLED NITRIDE-FUEL FAST REACTOR. Proceeding of ARS'94. International Topical Meeting on Advanced Reactors Safety, vol. 1, April 17-21, 1994, pp.549-556.

2. Международный семинар «Быстрый реактор БРЕСТ и топливный цикл естественной безопасности для крупномасштабной энергетики. Топливный баланс, экономика, безопасность, отходы, нераспространение», Москва, Министерство РФ по атомной энергии, 2000 г.

3. Каталог изотопных дат пород украинского щита. Киев: «Наукова думка», 1978 г., стр.90-91, 136-137.

4. Jose Marcus Godoy, Maria Luiza D.P. Godoy, Claudia C. Aronne. Application of inductively coupled plasma quadrupole mass spectrometry for the determination of monazite ages by lead isotope ratios. - Journal Brasilian Chemical Society, vol.18, №5, Sao Paulo, 2007, pp.154-162.

5. A.O.Nier, R.W.Tompson, B.F.Murphey. The Isotopic Constitution of Lead and the Measurement of Geological Time. III. - Physical Review, vol.60, July 15, 1941, pp.112-117.

Источник поступления информации: Роспатент

Показаны записи 1-10 из 12.
20.01.2013
№216.012.1de3

Способ переработки жидких радиоактивных отходов от применения дезактивирующих растворов

Изобретение относится к радиохимической технологии, конкретно к очистке жидких радиоактивных отходов. Способ переработки жидких радиоактивных отходов от применения дезактивирующих растворов включает сорбцию радионуклидов, обработку реагентами при комнатной температуре, осаждение осадка при...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002473145
Дата охранного документа: 20.01.2013
10.02.2013
№216.012.2360

Способ получения керамических блочно-ячеистых фильтров-сорбентов для улавливания газообразных радиоактивных и вредных веществ

Настоящее изобретение относится к области химической технологии высокопористых керамических материалов и предназначено для использования непосредственно для фильтрации и адсорбции газообразных радиоактивных и вредных веществ в условиях высоких температур (свыше 1000°С) и химически агрессивных...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002474558
Дата охранного документа: 10.02.2013
10.02.2013
№216.012.24ac

Многослойный электромагнитный экран для защиты фотоэлектронных умножителей и способ его нанесения

Изобретение относится к многослойным металлическим покрытиям, используемых в радиоэлектронной и приборостроительной технике, в частности, при создании экранов для защиты от воздействия внешних магнитного и электромагнитного полей. Изобретение направлено на повышение технологичности и снижение...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002474890
Дата охранного документа: 10.02.2013
20.02.2013
№216.012.2834

Устройство для умножения чисел в коде "1 из 4"

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано для построения вычислительных систем с повышенной достоверностью получения результатов. Техническим результатом является увеличение быстродействия устройства. Устройство содержит регистр тетрадного сдвига, регистр второго...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002475812
Дата охранного документа: 20.02.2013
10.11.2013
№216.012.7f31

Устройство для измерения уровня жидкости

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно: к устройствам измерения уровня жидкости методом импульсной звуколокации границы раздела газовой и жидкой фаз в согласованном акустическом волноводе. Устройство для измерения уровня жидкости включает электроакустический...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002498234
Дата охранного документа: 10.11.2013
20.07.2014
№216.012.df00

Способ защиты поверхности алюминия от коррозии

Изобретение относится к области машиностроения. Способ получения защитного металлического покрытия на поверхности изделия из алюминия и сплавов на его основе включает размещение изделия в зоне обработки, создание вакуума в зоне обработки, очистку поверхности пучком ионов и осаждение...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002522874
Дата охранного документа: 20.07.2014
20.03.2016
№216.014.c9c5

Способ получения алюмосиликатных адсорбентов

Изобретение относится к получению неорганических сорбентов. Предложен способ получения алюмосиликатного сорбента, включающий приготовление гетерогенной композиции, содержащей порошок алюминия, кристаллогидрат метасиликата натрия NaSiO·9HO и водный раствор соли металла, выбранного из меди,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002577381
Дата охранного документа: 20.03.2016
13.01.2017
№217.015.7045

Способ разделения редкоземельных элементов экстракцией

Изобретение относится к технологии экстракционного разделения редкоземельных элементов из азотнокислых растворов. Способ включает экстракцию трибутилфосфатом исходного раствора, содержащего нитраты редкоземельных элементов и высаливатель, промывку и реэкстракцию подкисленной водой. При этом...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002596245
Дата охранного документа: 10.09.2016
13.01.2017
№217.015.7f00

Свч-плазмотрон

Изобретение предназначено для использования в плазмохимических технологических процессах при конверсии тетрафторида кремния в моносилан для производства поликристаллического кремния высокой чистоты в микроэлектронной промышленности. Технический результат - увеличение выхода моносилана до 82-90%...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002601290
Дата охранного документа: 27.10.2016
25.08.2017
№217.015.b7eb

Способ переработки апатитовых руд и концентратов

Изобретение относится к области комплексной переработки апатита и других фосфатсодержащих руд с извлечением и получением концентрата редкоземельных металлов и радионуклидов и может быть использовано при переработке минерального сырья в химической промышленности. Способ включает разложение...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002614962
Дата охранного документа: 31.03.2017
Показаны записи 1-2 из 2.
10.07.2015
№216.013.5faf

Ядерный реактор на быстрых нейтронах

Изобретение относится к ядерной технике, а именно к конструкции отражателей нейтронов быстрых ядерных реакторов. В ядерном реакторе активная зона окружена свинцовым отражателем нейтронов. В прилегающей части к активной зоне отражателя находится свинец, в котором более 90% изотопа Pb, а в...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002556036
Дата охранного документа: 10.07.2015
13.01.2017
№217.015.8158

Ядерный реактор канального типа

Изобретение относится к ядерной технике, а именно к конструкции ядерных реакторов канального типа. Активная зона реактора состоит из ячеек, содержащих в центре их симметрии канал с ядерным топливом и теплоносителем, окруженный замедлителем нейтронов. Замедлитель нейтронов состоит из 2 слоев,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002601963
Дата охранного документа: 10.11.2016
+ добавить свой РИД