Ядерный реактор на быстрых нейтронах

(54) ЯДЕРНЫЙ РЕАКТОР ННЕЙТРОНАХ(57) Сущность: в активнойны газонаполнеиные полостии, возможно, между твэламисетами так, что активная зоний коэффициент пористостичто позволяет снизить наттиый эффект реактивности дболее доли запаздывающихи. ф-лы 1 таблб ил,Комитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам(56) Уолстер А., Рейнольдс А. Реакторыразмножители на быстрых нейтронах. МлЭнергоатомиздат, 1986, с.497-516. Багдасаров Ю.Е. и др. Реактор БН-новый этапразвития реакторов на быстрых нейтронах-,)АЕА-ЗМ М 284/41, 1985, т.2, с.209-26,зоне выполневнутри твэлов и между каса имеет среднеменее 0,4, иевый пусто- величины не ейтронов, 2 з.5 10 20 25 30 35 40 45 50 55 Изобретение относится к области ядерной техники и может быть применено преимущественно" для энергетическихустановок с использованием ядерного реактора на быстрых нейтронах.Известнаконструкция ядерного газоохлаждаемого реактора-бридера на быстрыхней:громах дЪМичиелыфе черты которойзаклю 4 ЙЮЙМ в"высокой редней плотноститорлирв; низйй.среййе концентрации замецляющих,.ядер,.газов го теплоносителя(нйприм 8 у грЛщ 3),;а,.та е высокой знергбнайряженности Р/Ч(Р - мощность активнойзоны, Ч - ее объем). Эти конструктивныеособенности обуславливают такие, положительные характеристики как жесткий спектрнейтронов и соответственно высокий коэффицйент воспрЪйзводства, сравнительномал 6 е время удвоения.Недостатком газоохлаждаемого быстрого реактора является необходимость пбддержания вйсокогодавления газа в корпусереактора, чтобы обеспечить необходимуюскорость теплосъема,Этот недостаток обусловлен использованием газового теплоносителя, Необходи, мость высокого давления внутри реактораприводит к опасности разрушения корпусас последующей аварией реактора и, крометого, приводит, к повышенной стоимостиконструкции,Наиболее близкой к заявляемой конструкции реактора по технической сути является конструкция быстрого реактора сжидкометаллическим (натриевым) теплоносителем БН, взятая в качестве прототипа. Реактор состоит из активной зоны,содержащей смешанное керамическоЕ топливо, например, Ч 02- Р 402, и наружных зонвоспроизводства (экранов). Жидкометаллический теплоноситель не требует высокогодавления, так что в нем устранен указанныйвыше недостатоктазоохлаждаемого реактора, Отличительные черты всех быстрых реакторов типа БН заключаются виспользовании максимально высокой среднейплотнбститоплива и максимально высокой средней энергонапряженности, а такжев использовании натрия в качестве жидкометаллического теплоносителя. Эти чертыприводят к принципиальной возможностиполучения хороших физических и технических характеристик (несмотря на несколькоболее мягкий спектр нейтронов по сравнению с газоохлаждаемым реактором) - такихкак высокий коэффициент воспроизводст ва, малая удельйзя загрузка и малое времяудвоения, большая единичная мощность реактора (например, 800 МВт(э) и более). Всуществующих конструкциях реакторов типа БН такие параметры как мощность Р, обьем активной эоны Ч, обогащение топлива и утечка нейтронов оказываются взаимосвязанными; мощность примерно пропорциональна объему (Р - Ч), обогащение и утечка падают с ростом объема,Активная эона реактора БНзаполнена тепловыделяющими сборками (ТВС) с плотной компоновкой, содержащими твэлы со смешанным Ч 02-Р 402 топливом. Натрий прокачивается через достаточно тесную решотку твэлов, заполняя как межтвэльное, так и межкассетное (т,е. между ТВС) пространство, Средняя по объему твэла и, соответственно, по ячейке реактора плотность топлива выбирается максимально возможной, практически в интервале 75-85; от теоретической плотности, Ограничение верхнего значения вызвано необходимостью запаса пористости для компенсации распухания топлива, так что с ростом глубины выгорания имеется тенденция снижения средней плотности топлива, в ущерб физическим характеристикам. Конструктивная особенность твэла, обусловленная желанием использовать топливо с повышенной средней плотностью, заключается в том, что топливная втулка имеет вид сплошного сердечника цилиндрической формы (стерженька). В процессе работы реактора в сердечнике возникает небольшое центральное отверстие; с учетом этого заводская технология иногда предусматривает наличие отверстия небольшого диаметра в свежем твэле дляоблегчения пускового режима работы. С помощью таких твэлов разработчики стремятся достигнуть максимально возможной средней по активной зоне энерговыработки эа счет максимальных значений массовой тепловой нагрузки о и линейной тепловой нагрузки св твэла в условиях тесной решетки твэлов, Для максимизации значений цп 1 и ц разработчики стремятся уменьшить диаметр твэла, с тем чтобы увеличить среднюю по объему твэла рабочую температуру топлива в условиях ограничения со стороны температуры плавления. При этом растет стоимость изготовления одного твэла и количество твэлов в активной зоне, т,е. топливная составляющая стоимость электроэнергии.В прототипе используется топливо пониженного обогащения (15-20), что ведет к некоторой специфике физических характеристик, Специфика заключается в том, что с ростом мощности реактора и, соответственно, снижением обогащения (как отмечалось выше) спектр нейтронов смягчается, падает утечка, уменьшается коэффициент воспроизводства (хотя подрастает коэффициентвнутреннего воспроизводства), увеличивается натриевый пустотный эффект реактивности (НПЭР),Недостатками прототипа являются:1. Большое положительное значениеНПЭР (на уровне не менее 5-6 Дф), свидетельствующее о повышенной опасности реактора, и смягченный спектр нейтронов,обуславливающий пониженный коэффициент воспроизводства.2. Ограничение глубины выгорания эффектами распухания материалов (топлива истали), а также ограничение массовой и линейной тепловых нагрузок о и оь связанные с повышенной энергонапряженностью,что в целом снижает надежность работыреактора.Эти недостатки обусловлены самойпринятой концепцией БН как типа быстрогореактора с высокой средней плотностьютоплива пониженного обогащения и достаточно высокой энергонапряженностью, иконструктивными решениями в рамках этойконцепции - использованием твэла стерженькового типа, тесной решетки твэлов,плотной компоновкой ТВС. Как отмечалось,стерженьковый твэл обеспечивает повышенную среднюю плотность топлива, но внем образуется большой температурный перепад на топливном сердечнике, что ведет кограничению ц и ць Малый диаметр твэлаприводит к росту топливной составляющей.Плотная компоновка твэлов ТВС в активнойзоне уменьшает утечку, т,е. является причиной высокогоНПЭР, Низкое обогащениеприводит к смягчению спектра и уменьшению коэффициента воспроизводства,В данном изобретении указанные недостатки устраняются, что приводит к увеличению надежности и безопасности, т.е.обеспечиваются:1. Уменьшение значения НПЭР в реакторе БН большой мощности, увеличение коэффициента воспроизводства.2, Увеличение глубины выгорания изначений массовой и линейной тепловыхнагрузок в условиях снижения энергонап, ряженности за счет конструктивных изменений конструкций твэлов (ТВС).Для достижения указанной выше целиустранения недостатков в прототипе с плотной компоновкой ТВС, содержащих пучокстерженьковых твэлов в потоке теплоносителя, активная зона выполнена из материалов, включая топлива, имеющих малуюсреднюю по ячейке плотность, т.е. повышенную эффективную пористость, причемпористость выполнена путем образования вактивной зоне пустых (гаэонаполненных)объемов в одном из следующих вариантов -внутритвэльная пористость, либо внутритвэльная в комбинации с межтвэльной или межкассетной, причем пористость заранее рассчитана в зависимости от мощности ре актора, Предлагается реактор со следующими особенностями; введенная тем или иным способом пористость активной зоны обеспечивает выполнение требования (критерия)10 НПЭРДф О)Введение тем или иным конструктивным способом заранее рассчитанной пористости в конструкцию прототипа приводит к устранению его недостатков, т,е, к появле нию следующих преимуществ;- увеличивается утечка нейтронов из активной зоны и, как следствие этого, уменьшается НПЭР, спектр нейтронов становится более жестким, увеличивается коэффициент 20 воспроизводства;- появляются свободные объемы в активной зоне, которые можно использовать для компенсации распухания материалов, тем самым можно увеличить глубину выго рания;- уменьшается температурный перепадна топливном сердечнике и максимальная температура, тем самым, имея компенсационный объем на распухание, можно увели чить массовую и линейную тепловыенагрузки ц и ц,- внутритвэльный объем может быть использован как газосборник в пределах высоты активной эоны, тем самым можно 35 уменьшить общую длину твэла, обычновключающую в себя газосборник, расположенный за пределами активной зоны.Таким образом, уменьшение НПЭР, увеличение глубины выгорания, увеличение ц 40 и ць рассматриваются как следствия целенаправленно введенной и реализованной в конструкции твэлов и ТВС пористости активной зоны. В целом данный комплекс мероприятий может рассматриваться как 45 улучшение технико-экономических показателей. Сущность изобретения поясняется чертежами.фиг.1 - ячейка твэлов с эффективной внутренней пористостью и гетерогенной структурой топливной втулки,Фиг,2 - ячейка твэлов с пористостью межтвэльного типа:а) вариант использования полых вытеснителей;б) вариант твэлов с внутренней прокачкой теплоносителя.Фиг.3 - вариант эффективной пористости межкассетного типа.Заявляемая конструкция "пористого реактора" состоит из "пористой" активной зоны й йаружных зон воспроизводства(экранов), композиция последних подлежитоптимизации в зависимости от требований 5к конкретному проекту. Активная эона набирается из ТВС, заполненных твэлами, причем конструкция ТВС и твэлов зависит оттипа введенной пористости. Твэл с внутренней пористостью состоит из топливных втулок, заключенных в наружную оболочку 1,причем топливная втулка может изготавливаться из однорОдной (гомогенНой) смесиурановой и ппутониевой керамики либоИметь гетерогенную структуру, Наружный 15слой выполнен Из керамики на основе деля.щегосяматериала 2, внутренняя часть - изкерамикина основе сырьевого материала 3.Во втэке имеются аксиальные отверстия 4(одно"центральное или несколько отверстий), заполненные инертным газом. Нафиг.1 показан пример твэла с втулкой,имеющей одно отверстие, В вариантеТВС свйутритвэльным типом проводимости охлаждение твэлов осуществляется 25теплоносителем, прокачиваемым черезмежтвэльное пространство,В случае дополнительно введенной пориСтостИ межтвэльного типа предусматривается наличие "пустоты" в пространстве 30между твэлами; в качестве которых служаттвэлы 6, описанные на фиг,1.На фиг.2 а показан вариант полого вытеснителя 7 (тонкостенная трубка, наполненная .инертным газом) когда каждый 35третий твэл в обычной треугольной ячейкетвэлов заменяется таким вытеснителем. Вытеснитель может представлять также тонкостенный цилиндр не круглого, а фигурногосечения. МежДу твэлами и вытеснителями 40прокачивается теплоноситель 5. Другой варйант введенйя пористости межтвэлыноготипа йокаэан на фиг.2 б, когда ТВС состойтиз пучка кольцевых твэлов, особенность которых - прокачка натрия внутри них. В этом 45случае"межтвэл 1 мое пространСтво заполнено инертным газом. Твэл состоит из наружной трубчатой оболочки 1, внутри которойнаходится собственно твэл - внутренняятрубка 8, содержащая топливные втулки 9 50(тийа показанной на фиг. 1). Между внутренней и наружной оболочками прокачиваетсятеплоноситель 10, прострайство междукольцевямй"твэлами заполнено инертнымгазом 11, 55В случае введенной пористости межкассетного типа конструкция активной эонйвыйЬлйбйа йзйеподвижнйх кожухов-каналов 12, фиг,3, вйутри которых помещаютсяТВС 13 Из"твэлбв, конструкция которых аналогична конструкции, описанной на фиг,1. Сборка твэлов может быть заключена в чехол, либо быть без чехла. Теплоноситель 14 прокачивается через ТВС и зазоры между чехлами ТВС (кассетами) и неподвижными кожухами, Наружное пространство между кожухами заполнено инертным газом 15, объемная доля которого конструктивно рассчитывается с учетом обсуждавшегося ранее критерия введенной общей средней пористости,Реактор работает в стационарном состоянии следующим образом, После включения насосов циркуляции теплоносителя производится вывод реактора на номинальную мощность. Конструкция активной зоны в любом иэ описанных вариантов ТВС и твэлов предусматривает соответствие теплогидравлических характеристик проектной мощности. Введение пористости, как показано, не сопровождалось принципиальными дополнительными ограничениями на теплогидравлические характеристики. Тем самым, требование введения в активную зону дозированной пористости того или иного типа как средство достижения поставленной цели, оказывается выполненным. Коэффициент пористости оценивается в процессе проектирования и оптимизируется варьированием параметров, определяющих "конструкции ТВС и твэлов и их геометрии (фиг.1-3),Динамическая модель поведения реактора с большой пористостью предусматривает переход от стационарного штатного состояния к аварийному, при котором за счет несанкционированного введения положительной реактивной происходит быстрое вскипание теплоносителя в активной зоне с последующим его выбросом (опустошением). Особенностью пористого реактора является отрицательный коэффициент реактивности при опустошении активной зоны, Именно с этим эффектом и связан критерий НПЭРДф, отражающий самогасящее действие реактора, т,е. характеризующий внутреннюю физическую безопасность реактора по отношению к явлению опустошения,Теперь в плане дополнительного пояснения покажем, что, положительный эффект (снижение НПЭРдоуровня ниже Дф)достигается при достаточно сильной эффективной пористостив реакторах типа БН большой мощности. Понятие "большая мощность" среди специалистов-реакторщиков ассоциируется с мощностью более 600 МВт(э). Практически изучаются проекты БН с мощностью в диапазоне 600-1600 МВт(э).(2) Параметр 6,6 5,80,0 1,2 0,4 2,8 8,0 7,17 3,95 1,0 0,4 2,7 10,5 9,74 7,09 0,8 0,38 2,65 10,710,07,660,60,352,3 10,7 9,8 6,5 1,0 0,45 3,09 1,00 1,21 1,55 1,72 1,72 Реакторы с мощностью заметно ниже 600 МВт(э) попадают в класс так называемых "модульных" реакторов и здесь не рассматриваются из-за их специфики,Из принципа "оптического" подобия в условиях постоянства энерговыделения в единице массы топлива (цп = сопзт) была выведена формула, связывающая коэффициент пористости ж в пористом реакторе с большой мощностью Р, который оптически эквивалентен "плотному" (к= О) "реактору- образцу" малой мощности Ро, у которого НПЭР Дф. Формула имеет. вид: Из этой формулы следует, что пористый реактор с мощностью Р = 800 МВт(э), эквивалентный по своим физическим свойствам (значению НПЭР, жесткости спектра и т.д.) "реактору-образцу" с Ро = 200 МВт(э), должен характеризоваться коэффициентом пористости, введенной в композицию "реактора-образца", л = 0,5, При я= 0,4 отношение Р/Ро = 2,7, что тоже, хотя и на пределе, обеспечивает оптически эквивалентный переход от "реактора-образца" с НПЭР Щф к реактору с мощностью, близкой к 600 МВт(э), в связи с чем значение коэффициента пористости л= 0,4 рассматривается нами как пороговое для достижения положительного эффекта. Этот вывод подтверждается прямыми расчетами, при которых рассматривается семейство реакторов, не вполне удовлетворяющих принципу оптического подобия. Дело в том, что с ростом коэффициента пористости в серии подобных реакторов высота активной зоны растет пропорционально коэффициенту подобия, Практически соображения говорят о целесообразности ограничения этого роста, т,е. с ростом пористости целесообразно производить уплощение активной зоны. В конечном итоге, проектные оценки будут выбираться в результате комплексного оптимизационного расчета,Итак, за базу сравнения можно взять характеристики прототипа (реактор БНДиаметр твэла, мДиаметр таблетки, ммДиаметр полости, ммДиаметр проволоки, ммТолщина оболочки, ммГидравлический диаметр, ммКоэффициент оптическогоподобия 800). По нашим расчетным оценкам, при выборе коэффициента пористости л,5 в конструкции пористого реактора БНзначение НПЭР может быть снижено от 5 уровня 5 - 6 Дф примерно до нулевого уровня (НПЭРДф), требуемого по критерию безопасности, глубина выгорания, а также массовая и линейная тепловые нагрузки будут увеличены на величину, зависящую от 10 конструкции твэла, значение коэффициентавоспроизводства увеличивается на величину ЬКВ -0,05 - 0,10 (в зависимости от конструкции экранов), Эти улучшения показателей работы реактора предполага ются для условий существующих конструкционных и топливных материалов, в первую очередь, аустенитных сталей и оксидного топлива, и будут еще большими в перспективе - при использовании также ферритно мартенситных сталей и карбонитриднойкерамики, Ожидается также снижение топливной составляющей за счет увеличения диаметра твэла и уменьшения количества твэлов в активной зоне,25Ниже приводится зависимость теплофизических параметров твэла в условиях "оптической эквивалентности" при фиксированной удельной загр,зке, а также реакторные Физические характеристики в 30 зависимости от геометрии (фиг.4-6).В таблице приведены результаты расчетов, характеризующие переход от реактора БН с традиционным стержневым твэлом (столбец 1) к пористому реактору с полым 35 твэлом (столбцы 1-5).На фиг.4 показана зависимость перепада температуры на радиальном слое топливного сердечника от отношения диаметра полости к диаметру сердечника.40 На фиг.5 показан расчетный эффектуменьшения НПЭР при уменьшении объема (мощности) активной зоны реактора БН со смешанным оксидным топливом.На фиг.6 показана зависимость НПЭР 45 активной зоны при мощности реактора 800МВт(э) от коэффициента пористости для реактора типа БН со смешанным оксидным топливом с высотой активной зоны 0,75 - 0,9 м.1799178 12 Продолжение таблицы Фор ения и и выу,1, ЯДЕРНЫЙ РЕАКТОР НА БЫСТ.РЫХ НЕЙТРОНАХ с жидкометаллическим теплоносителем с электрическоймощностью не менее 600 МВт, содержащий актйвную зону, набранную изтепловыделяющих сборок, включающихпучки твэлов с керамическим топливом,отличающийся тем, что. с целью повышения ядерной безопасности за счет. снижения натриевого пустотного эффекта реактивности до величины меньшедоли эапаздывающих нейтронов . иуменьшения удельной энергонапряженности активной зоны, в активной зоне выполнены равномерно распределенные по обьему газонаполненные полости в таком количестве, что средний коэффициент пористости активной эоны составляет величину не менее 0,4,2. Реактор по п.1, отличающийся тем, что газона пол ненные полост полнены в топливе внутри твэлов,3. Реактор по п.1, отличающийся тем, что газонаполненные полости выполнены в расположенных между твэлами вытеСнителях,4. Реактор по п,1, отличающийся тем; что газонаполненные полости выполнены в пространстве между тепло- выделяющими сборками.1799178 йеИ в 1 оставитель Н. Маслоехред М,Моргентал едактор С. Кулако оРРектор М, Самборск о писное Заказ Тираж Пд НПО "Поиск" Роспатента113035, Москва, Ж. Рэушская наб., 4/5 101 изводственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гаг