BG63134B1

BG63134B1 - Горивен елемент за атомен реактор

Info

Publication number: BG63134B1
Application number: BG102220A
Authority: BG
Inventors: Lajos Korpas; Imre Nemes; Szabo Sandor Patai; Istvan Pos; Zsolt Szecsenyi
Original assignee: Paksi Atomeroemue Reszvenytarsasag
Priority date: 1997-01-30
Filing date: 1998-01-29
Publication date: 2001-04-30
Also published as: HUP9700282A3; HU9700282D0; CZ294723B6; SK11198A3; SK284781B6; HUP9700282A2; CZ28098A3; HU218233B; BG102220A

Abstract

Горивният елемент намира приложение в атомната енергетика, по-специално при водо-водни реактори с вода под налягане, например от типа ВВЕР - 440. Чрез него се намаляват разходите при съхраняване и експлоатация на работните касети за активната зона на атомни реактори, като е осигурена необходимата радиоактивна безопасност. Горивният елемент (10) включва корпус (1) с форма на правилен шестостен, състоящ се от централна зона (1с) около надлъжната му ос (1d) и носещо пространство (1b), оформено между повърхността (1а) на корпуса (1) и централната зона (1с). В носещото пространство (1b) е разположен горивен сноп, включващ горивни стебла (2) и стебла с изгаряща отрова (3). Последните са три на брой и са разположени в носещото пространство (1b), в близост до централната зона (1с) така, че сключват помежду си централен ъгъл алфа от 1200, гледанопо надлъжната ос (1d) на корпуса (1). В един предпочитан вариант на изпълнение на изобретението горивните стебла (2) са два вида. Първите са с по-голяма концентрация на гориво и заемат позиции в околността на централната зона (1с) на носещото пространство (1b). Вторите горивни стебла (2b) са с по-малка концентрация на горивото и са разположени в крайната част на носещото пространство (1b), в близост до външната стена (1а) на корпуса (1).

Description

Област на техниката

Горивният елемент намира приложение в атомната енергетика, по-специално при водо-водни реактори с вода под налягане, например от типа ВВЕР - 440. Горивният елемент включва сноп от горивни стебла (топлоотделящи елементи), разположени в хексагонална решетка. С оглед намаляване началната реактивност на горивния елемент в няколко от горивните стебла е добавена изгаряща отрова (изгарящ поглъщател). Броят на стеблата с изгаряща отрова и разположението им в горивния елемент са така подбрани, че позволяват намаляване на разходите при съхраняване и експлоатация на работните касети за активната зона на атомните реактори, част от които е предложеният горивен елемент, като е осигурена необходимата радиоактивна безопасност.

Предшестващо състояние на техниката

Непрекъснатото увеличаване на консумацията на енергия от страна на промишлеността, селското стопанство, търговията и населението във все по-голяма степен намалява количеството на естествените източници на енергия, намиращи се на Земята. За решението на този проблем все повече се използват самообновяващи се енергийни източници. Под въздействието на този факт, в последните десетилетия са построени множество атомни реактори, оползотворяващи ядрената енергия.

Складирането и използването на горивни елементи, съдържащи радиоактивно вещество, използвани при функционирането на атомни реактори, се регулират от строги предохранителни предписания поради познатото вредно въздействие на радиоактивността върху живите организми.

Едно от основните изисквания към горивните елементи, по-специално към горивните им снопове е, че неизползваните горивни снопове, така наречените пресни снопове, трябва да са такива, че по време на складирането им да не се допуска достигане на критична начална реактивност. С други думи, те трябва да изключват възможността за започване на неконтролирана и самоподдържаща се вериж на ядрена реакция. Целесъобразно е за осъществяване на субкритичността при складиране и за намаляване на реактивността в началото на експлоатация, в средата, обграждаща горивните елементи, да се използва борна киселина, разтворена във вода. Недостатък на защитата с борна киселина е фактът, че по време на складирането е необходимо да се предвиди, с оглед на евентуални аварийни ситуации, борна киселина с по-висока концентрация, но при функционирането на реактора високото ниво на борна киселина въздейства неблагоприятно върху саморегулиращото му свойство.

При различните типове реактори, обаче често се използват изгарящи поглъщатели, наричани още изгарящи отрови, които се добавят в горивните стебла на горивния елемент. Същността на такива горивни стебла с изгаряща отрова е, че изгарящата отрова намалява началната реактивност на горивните стебла и при складирането на горивния елемент реактивността се поддържа под критичното ниво. По време на работа на реактора обаче, намаляването на количеството на изгарящата отрова води до увеличаване реактивността на горивните стебла и по този начин се увеличава използваемата енергия на ядреното гориво.

Известни са различни начини за комплектоване на горивните елементи, включващи стебла с изгаряща отрова. Разположението на стеблата с изгаряща отрова в горивните елементи се съобразява с формата на сноповете, поспециално с типа на решетката им и с условията за спазване на задължителна симетрия.

Един начин на подреждане на горивни стебла и стебла, съдържащи изгаряща отрова в горивен елемент, е описан в Т. Lefvert: “Improving fuel economy by optimized in-core fuel management” /1988, Kemtechnik 52 № 4, 228 - 233 Old./. Общ белег при различните горивни елементи е, че стеблата, съдържащи изгаряща отрова се подреждат в горивен елемент с квадратна решетка така, че образуват помежду си ъгъл от 90 градуса. При горивен елемент с шестоъгълна решетка стеблата, съдържащи изгаряща отрова сключват централен ъгъл от 60 градуса.

За подходящото подреждане, като се вземат предвид и изискванията за симетрия, стеблата с изгаряща отрова се подреждат по-далеч от централната зона на снопа, съответно на горивния елемент. Пример за изграждане на сноп от горивни стебла в горивен елемент с шестоъгълна форма показват в работата си J. Mikus, F. Hudec, J. Rocek, M. Trgina, L. Vrba, K. Zalesky: “Gadolinium absorbers in WWER 1000 type fuel lattices”, /IAEA - TECDOC 678, December 1992/. В този материал е описан горивен елемент, при който горивните стебла (топлоотделящите елементи) са разположени върху стените на концентрични шестоъгълници, образувайки по този начин един сноп с хексагонална решетка. Една част от обикновените горивни стебла (в случая 18) са заменени с горивни стебла, съдържащи изгарящата отрова гадолиний. Тези стебла с изгаряща отрова са разположени далеч от централната зона на горивния елемент.

Неоспоримо предимство на горивните елементи, включващи стебла с изгаряща отрова е, че последните правят възможно безопасното им складиране преди поставянето им в активната зона на атомния реактор и в същото време по време на експлоатация осигуряват задоволителна регулируемост.

Недостатъкът на известните горивни елементи, включващи стебла с изгаряща отрова, се състои в това, че при подреждането им според изискванията за симетричност, броят на стеблата, съдържащи изгаряща отрова, е голям и това значително увеличава разходите.

Техническа същност на изобретението

Задача на изобретението е да се избегнат недостатъците на известните решения и да се създаде горивен елемент, при който е оптимизиран броят на стеблата, съдържащи изгаряща отрова, като по този начин се намаляват разходите по горивото. При това разположението на тези стебла с изгаряща отрова в горивния елемент да е така избрано, че от една страна да отговаря на изискванията за безопасност, а от друга да е съобразено с цикъла на използване на горивото при функциониране на атомния реактор.

При подреждането на стеблата в горивния елемент, съгласно изобретението, ако се поставят стеблата, съдържащи изгарящата отрова в близост до центъра на горивния елемент, разстоянието на крайните стебла от централната зона и от поставените там стебла с изгаряща отрова е на такъв предел, когато действието им не се влияе вече от подреждането на стеблата с изгаряща отрова, различно от обичайната симетрия. Такова подреждане на стеблата в горивния елемент всъщност не е отклонение от правилото за симетрично подреждане и така, в противовес на обикновено използваното подреждане, могат да се използват едва три броя стебла с изгаряща отрова, защото снопа на горивния елемент, в тази си форма на подреждане, практически запазва 60градусовата симетрия на завъртане.

Освен това, ако стеблата, съдържащи изгаряща отрова, са разположени близо до централната зона на горивния елемент и около тях се подредят горивни стебла с по-голяма концентрация на гориво, концентрацията на гориво в стеблата, поставени в крайната част на горивния елемент, близо до периферията му, за разлика от обичайното положение може да бъде по-ниска. По този начин неравномерността в капацитета на горивните стебла в горивните елементи може да се поддържа в изискваната граница.

Горивният елемент за атомен реактор включва корпус с форма на правилен шестостен, състоящ се от централна зона около надлъжната му ос и носещо пространство, оформено между повърхността на корпуса и централната зона. В носещото пространство е разположен горивен сноп, включващ горивни стебла. т.е. стебла, съдържащи само ядрено гориво и стебла, снабдени с добавка за намаляване на началната реактивност, т.е. стебла с изгаряща отрова. Стеблата са разположени в носещото пространство по стените на концентрични правилни шестоъгълници, като по този начин оформят горивен сноп с хексагонална решетка.

Съгласно изобретението стеблата с изгаряща отрова са три на брой и са разположени в носещото пространство, в близост до централната зона така, че сключват помежду си централен ъгъл от 120 градуса, гледано по надлъжната ос на корпуса.

Съгласно едно предпочитано вариантно изпълнение на изобретението, горивните стебла, съдържащи само ядрено гориво, са два вида. Първите са с по-голяма концентрация на гориво, а вторите - с по-малка концентрация. Първите горивни стебла заемат позиции в околността на централната зона на носещото пространство, а вторите - съответно в крайната част на носещото пространство, в близост до повърхността на корпуса.

Съгласно друго вариантно изпълнение на горивния елемент стеблата с изгаряща отрова заемат позиции върху най-вътрешния шестоъгълник на решетката спрямо надлъжната ос на корпуса.

При едно предпочитано изпълнение на горивния елемент, съгласно изобретението добавката, намаляваща началната реактивност на стеблата с изгаряща отрова, съдържа гадолиний.

Начините на подреждане на стеблата в горивния елемент имат няколко положителни свойства. Най-важното от тях е, че поради използване на малък брой стебла с изгаряща отрова се намаляват разходите по горивния елемент и заедно с това, по време на складирането и транспортирането на последния, без всякакви трудности може да се осигури субкритичността му и се подобрява възможността за неговата управляемост.

Друго предимство на горивния елемент е това, че неравномерността в капацитета между горивните стебла може да се преодолее чрез подходящо избиране на концентрацията на гориво във външните и вътрешни горивни стебла, като по този начин се намалява неблагоприятното въздействие, което оказват стеблата с изгаряща отрова, разположени в близост до централната зона.

Благоприятно е и това, че горивните елементи, имащи намалена начална реактивност, поради по-малката от предписаната субкритичност, отговарят на условията за складиране и работа и така няма нужда от преработка на единици за почивка, за пренасяне и складиране.

Предимство е и фактът, че горивните елементи, чиято начална реактивност е намалена с използването на изгаряща отрова и с поголяма концентрация на гориво, могат да се поставят във вътрешността на атомния реактор, като по този начин може да се намали изтичането на неутрони, да се увеличи икономичността на използване на горивото и да се намали неутронното излъчване, което стига до стената на корпуса на реактора.

Описание на приложените фигури

Примерно изпълнение на горивния еле мент, съгласно изобретението, е показано на фиг. 1, която представлява напречен разрез на горивния елемент.

Примери за изпълнение на изобретението

Както е показано на фигурата, горивният елемент 10 включва корпус 1, с форма на правилен шестостен, горивни стебла 2, съдържащи само ядрено гориво и стебла, снабдени с добавка за намаляване на началната реактивност, т.е. стебла с изгаряща отрова 3. Корпусът 1 има повърхност 1а, централна зона 1с, коаксиална на надлъжната му ос Id и носещо пространство lb, оформено между повърхността 1а и централната зона 1с.

В носещото пространство lb е разположен горивен сноп, оформен от горивните стебла 2 и стеблата с изгаряща отрова 3. Всички стебла са разположени по стените на концентрични правилни шестоъгълници, като по този начин оформят горивен сноп с хексагонална решетка. Стеблата с изгаряща отрова 3 са три на брой и са разположени в носещото пространство lb, в близост до централната зона 1с така, че сключват помежду си централен ъгъл от 120°, гледано по надлъжната ос Id на корпуса 1. Всички останали позиции в решетката се заемат от горивните стебла 2.

На фигурата е показано едно предпочитано вариантно изпълнение на изобретението, при което горивните стебла 2, съдържащи само ядрено гориво са два вида. Първите горивни стебла 2а са с по-голяма концентрация на гориво, а вторите 2Ь - с по-малка концентрация. Първите горивни стебла 2а заемат позиции в околността на централната зона 1с на носещото пространство lb. Вторите горивни стебла 2Ь са разположени в крайната част на носещото пространство lb, в близост до повърхността 1а на корпуса 1, т.е. по-далече от централната зона 1с.

Количеството на първите горивни стебла 2а с по-голяма концентрация на гориво и на вторите 2Ь - с по-малка концентрация е целесъобразно да се определи така, че концентрацията на гориво в така оформения горивен елемент 10 в крайна сметка да варира около обичайната си стойност. Подреждането на двата вида горивни стебла 2а и 2Ь в решетката на горивния елемент 10 трябва да е съобразено и с изискванията за симетричност на същия.

В показаното на фигурата примерно изпълнене на горивния елемент 10, стеблата с изгаряща отрова 3 заемат позиции върху найвътрешния шестоъгълник на решетката спрямо надлъжната ос Id на корпуса 1.

На фигурата не са показани горивните елементи 10 в работно състояние, т.е. поставени в активната зона на атомния реактор. Те действат при обичайните условия в реакторите, затова няма да се спираме подробно на тях. Важното различие на изобретението спрямо известните горивни елементи е в позиционирането само на три стебла с изгаряща отрова 3 и на горивните стебла 2, при което по време на работа може да се намали обичайната неравномерност в капацитета на кампанията и благоприятно може да се реши въпроса за регулиране на реактора, снабден с горивни елементи 10.

Горивният елемент, съгласно изобретението, може да се използва при различни типове реактори с хексагонална решетка, но найвече то ще намери приложение при реактори ВВЕР - 440, при които се използва работна касета от типо BNEL NOVA-E3 и NOVCA-E3.

Claims

Патентни претенции

1. Горивен елемент за атомен реактор, включващ корпус с форма на правилен шестостен, състоящ се от централна зона около надлъжната му ос и носещо пространство, оформено между повърхността на корпуса и централната зона, като при това в носещото пространство е разположен горивен сноп, включващ горивни стебла, т.е. стебла, съдържащи само ядрено гориво и стебла, снабдени с добавка за намаляване на началната реактивност, т.е. стебла с изгаряща отрова, като двата вида стебла са разположени в носещото пространство, по стените на концентрични пра5 вилни шестоъгълници и по този начин оформят горивен сноп с хексагонална решетка, характеризиращ се с това, че стеблата с изгаряща отрова (3) са три на брой и са разположени в носещото пространство (lb) в близост до 10 централната зона (1с) така, че сключват помежду си централен ъгъл (а) от 120°, гледано по надлъжната ос (Id) на корпуса (1).
2. Горивен елемент за атомен реактор съгласно претенция 1, характеризиращ се с то-

15 ва, че горивните стебла (2), съдържащи само ядрено гориво са два вида - първи и втори, като първите горивни стебла (2а) са с по-голяма концентрация на гориво, а вторите горивни стебла (2Ь) - с по-малка концентрация 20 и при това първите горивни стебла (2а) заемат позиции в околността на централната зона (1с) на носещото пространство (lb), а вторите (2Ь> - съответно в крайната част на носещото пространство (lb), в близост до повър25 хността (1а) на корпуса (1).
3. Горивен елемент за атомен реактор съгласно претенция 1 или 2, характеризиращ се с това, че стеблата с изгаряща отрова (3) заемат позиции върху най-вътрешния шестоъ-

30 гьлник на решетката спрямо надлъжната ос (Id) на корпуса (1).
4. Горивен елемент за атомен реактор съгласно претенция 1, 2 или 3, характеризиращ се с това, че добавката, намаляваща начална-

35 та реактивност на стеблата с изгаряща отрова (3), съдържа гадолиний.

Приложение: 1 фигура