RU2117342C1

RU2117342C1 - Nuclear reactor control column built up of fuel element and absorber

Info

Publication number: RU2117342C1
Application number: RU95106666/25A
Authority: RU
Inventors: Майнл Рудольф (DE); Майнл Рудольф; Рау Петер (DE); Рау Петер; Ропельт Альфонс (DE); Ропельт Альфонс; Зауерманн Вальтер (DE); Зауерманн Вальтер
Original assignee: Сименс АГ
Priority date: 1992-08-21
Filing date: 1993-08-09
Publication date: 1998-08-10
Also published as: DE4227793A1; HU218181B; WO1994005013A1; RU95106666A; BG61356B1; BG99290A; HUT70347A; CZ37495A3; HU9500511D0; CZ290300B6; SK23095A3

Abstract

FIELD: nuclear reactors. SUBSTANCE: control column has its absorber coupled with head of fuel element and its area between lower edge of absorbing bodies held in absorber and upper edge of fuel contained in fuel rods of fuel element has absorbing material passed through actually entire coupling element. To this end, fuel element is provided with absorbing pins passed through cover plate of fuel element and allowed to enter intermediate space between fuel rods. Absorber related to it has hollow cylinder surrounded with coupling element. This prevents power distortions in fuel rods that may occur during reactor operation in case zone free from fuel element fuel and from any body of absorber abuts against upper edge. EFFECT: improved operating reliability of reactor. 8 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к управляющей колонке из тепловыделяющего элемента и поглощающего элемента в соответствии с ограничительной частью 1 формулы изобретения, а также к тепловыделяющему элементу и поглощающему элементу этой управляющей колонки [1]. The invention relates to a control column of a fuel element and an absorbing element in accordance with the restrictive part 1 of the claims, as well as to a fuel element and an absorbing element of this control column [1].

Подобные управляющие колонки, в которых поглощающий элемент через соединительные детали связан с верхним концом тепловыделяющего элемента, применяется в охлаждаемых водой под давлением реакторах советской конструкции. Тепловыделяющий элемент содержит заключенное в металлические структурные детали топливо, которое проходит от нижнего края топлива до верхнего края топлива, в то время как поглощающий элемент содержит расположенные ниже верхнего края поглотителя, удерживаемые металлическими структурными деталями тела из поглощающего материала, которые проходят до нижнего края поглотителя. Структурные детали выступают на головке тепловыделяющего элемента за верхний край топлива и выполнены там в виде соединительных деталей. Они входят в зацепление с соответствующими противоположными соединительными деталями, которые образованы выступающими ниже нижнего края поглотителя структурными деталями поглощающего элемента. Such control columns, in which the absorbing element is connected through the connecting parts to the upper end of the fuel element, are used in Soviet-designed reactors cooled by water under pressure. The fuel element contains fuel enclosed in metal structural parts, which extends from the lower edge of the fuel to the upper edge of the fuel, while the absorbing element contains below the upper edge of the absorber, held by the metal structural parts of the body of absorbent material, which extend to the lower edge of the absorber. Structural parts protrude on the head of the fuel element beyond the upper edge of the fuel and are made there in the form of connecting parts. They engage with corresponding opposing connecting parts, which are formed by the structural parts of the absorbing element protruding below the lower edge of the absorber.

Верхний край топлива и нижний край топлива при этом не совпадают с концами тепловыделяющих стержней, которые выполнены в виде заполненных топливом, газоплотно закрытых трубок. Более того эти трубки содержат выше верхнего края топлива и ниже нижнего края топлива газосборные пространства для образующихся во время эксплуатации продуктов распада. Содержащая топливо активная зона тепловыделяющего элемента таким образом начинается выше нижних концов тепловыделяющих стержней и заканчивается ниже верхних концов. Имеются также управляющие колонки, в которых в режиме полной мощности верхний край топлива тепловыделяющего элемента лежит ниже границы, которая ограничивает активную зону реактора, так как тепловыделяющие стержни являются укороченными. The upper edge of the fuel and the lower edge of the fuel do not coincide with the ends of the fuel rods, which are made in the form of fuel-filled, tightly closed tubes. Moreover, these tubes contain gas collection spaces above the upper edge of the fuel and below the lower edge of the fuel for decay products formed during operation. The fuel-containing core of the fuel element thus begins above the lower ends of the fuel rods and ends below the upper ends. There are also control columns in which, in full power mode, the upper edge of the fuel of the fuel element lies below the boundary, which limits the reactor core, since the fuel rods are shortened.

При полной мощности реактора управляющая колонка находится в положении, в котором ее тепловыделяющий элемент расположен примерно на той же высоте, что и тепловыделяющие элементы, расположенные в активной зоне реактора рядом с управляющей колонкой. Активная зона тепловыделяющего элемента таким образом совпадает с активной зоной реактора, которая определяется активными зонами других тепловыделяющих элементов. Для понижения мощности колонку сдвигают по оси, причем в активную зону реактора вводится часть управляющей колонки, которая не содержит ни топлива, ни поглощающего материала, а соединительные и структурные детали. При этом эти детали вытесняют только сравнительно малый объем воды, так что в этой области устанавливается повышенное замедление. Это положение устанавливается практически всегда при частичном регулировании. At full reactor power, the control column is in a position in which its fuel element is located at approximately the same height as the fuel elements located in the reactor core near the control column. The active zone of the fuel element thus coincides with the active zone of the reactor, which is determined by the active zones of other fuel elements. To reduce power, the column is shifted along the axis, and a part of the control column is introduced into the reactor core, which contains neither fuel nor absorbing material, but connecting and structural parts. However, these parts displace only a relatively small volume of water, so that an increased deceleration is established in this area. This position is almost always established with partial regulation.

Оказалось, что на верхних концах тепловыделяющих стержней в тепловыделяющем элементе управляющей колонки возникают пики мощности. Поэтому уже было предложено, укорачивать топливное заполнение тепловыделяющих стержней этого тепловыделяющего элемента и вместо этого располагать на верхнем конце имеющие примерно длину 100 мм стальные штифты, которые противодействуют повышению мощности в верхней области активной зоны этих тепловыделяющих стержней. It turned out that power peaks occur at the upper ends of the fuel rods in the fuel element of the control column. Therefore, it has already been proposed to shorten the fuel filling of the fuel rods of this fuel element and instead to place steel pins having approximately 100 mm length on the upper end, which counteract the increase in power in the upper region of the active zone of these fuel rods.

Однако наряду с этим наступает также повышение мощности в верхних частях соседних тепловыделяющих стержней, причиной которых вероятно является вызванное управляющей колонкой искажение нейтронного потока. However, along with this, there is also an increase in power in the upper parts of adjacent fuel rods, the cause of which is probably the distortion of the neutron flux caused by the control column.

В основе изобретения лежит задача, создать управляющую колонку, которая по сравнению с условиями в обычных управляющих колонках, вызывает более равномерное распределение нейтронного потока и мощности, или соответственно подходящие для этого поглощающий элемент и тепловыделяющий элемент. The basis of the invention is the task of creating a control column, which, compared with the conditions in conventional control columns, causes a more uniform distribution of the neutron flux and power, or, accordingly, an absorbing element and a fuel element suitable for this.

Эта задача решается за счет того, что поглощающий материал через соединительный элемент практически простирается до верхнего края топлива (п.1 формулы изобретения). Предпочтительные формы выполнения изобретения указаны в последующих пунктах формулы изобретения. This problem is solved due to the fact that the absorbing material through the connecting element practically extends to the upper edge of the fuel (claim 1). Preferred embodiments of the invention are indicated in the following claims.

На фиг. 1 представлено продольное сечение примера выполнения соответствующего изобретению тепловыделяющего элемента управляющей колонки такого вида; на фиг. 2 - продольное сечение через соответствующий управляющий элемент; на фиг. 3 - продольное сечение через соединительные детали обоих элементов в соединенном состоянии. In FIG. 1 is a longitudinal sectional view of an exemplary embodiment of a fuel element of a control column of this kind; in FIG. 2 is a longitudinal section through an appropriate control element; in FIG. 3 is a longitudinal section through the connecting parts of both elements in a connected state.

Согласно фиг. 1 тепловыделяющий элемент (BE) содержит хвостовую часть 1, к которой примыкает проходящий до головной части 3 кожух 2 тепловыделяющего элемента. В упомянутых реакторах советской конструкции хвостовая часть, кожух и головная часть имеют гексагональное поперечное сечение. According to FIG. 1 fuel element (BE) contains a tail part 1, which is adjacent to passing to the head part 3 of the casing 2 of the fuel element. In the aforementioned Soviet-designed reactors, the tail section, the casing, and the head section have a hexagonal cross section.

Центральная гильза 5 соединяет плиту основания 4 с плитой перекрытия 6, между которыми расположены тепловыделяющие стержни 7. The central sleeve 5 connects the base plate 4 to the floor slab 6, between which the fuel rods 7 are located.

Эти тепловыделяющие стержни являются параллельными к оси колонки трубками, которые заполнены топливом примерно до верхнего края топлива HF и газоплотно закрыты выше этого верхнего края HF. Соответственно заполнение часто доходит только до лежащего выше плиты основания 4 нижнего края топлива HL. Плоскости HL и HF ограничивают таким образом активную зону тепловыделяющего элемента. Если тепловыделяющий элемент введен полностью, то эти плоскости лежат на краях активной зоны ядра реактора. These fuel rods are tubes parallel to the column axis that are filled with fuel to about the upper edge of the fuel HF and are tightly closed above this upper edge of the HF. Accordingly, the filling often reaches only to the lower edge of the fuel HL lying above the base plate 4. The planes HL and HF thus limit the active zone of the fuel element. If the fuel element is fully inserted, then these planes lie on the edges of the core of the reactor core.

При этом может быть предпочтительным, если в газоплотно закрытых трубках ниже верхнего края топлива примыкает экранирующее (Blanket-) пространство, в котором обычное обогащенное топливо заменено природным ураном, обедненным или использованным топливом. За счет этого в этой аксиальной области в среднем выделяется меньше мощности. Кроме того в значительной степени избегается, что устанавливаются нейтронные потери, направленные в аксиальном направлении вверх. Более того, увеличивается градиент нейтронного потока на верхнем конце тепловыделяющего стержня. В результате получается улучшение использования топлива при одновременной экономии топлива (более низкое среднее обогащение топлива стержня) и снижение потерь в контуре топлива. It may be preferable if in gas-tight tubes below the upper edge of the fuel there is a shielding (Blanket-) space in which ordinary enriched fuel is replaced by natural uranium, depleted or used fuel. Due to this, less power is allocated on average in this axial region. In addition, it is largely avoided that neutron losses are directed upward in the axial direction. Moreover, the gradient of the neutron flux at the upper end of the fuel rod increases. The result is improved fuel use while fuel economy (lower average rod enrichment) and reduced losses in the fuel circuit.

Над плитой перекрытия в головной части 3 тепловыделяющего элемента BE фиг. 1 выступают детали 11 и 12, которые образуют гильзы для штыкового затвора, в которые могут входить соответствующие штекерные детали соответствующего поглощающего элемента. Позициями 13 и 14 при этом обозначены носки, которые представляют собой частично стопорные носки соответствующего штыкового затвора, частично поверхности зацепления для захватного и подъемного инструментов для манипулирования тепловыделяющего элемента. Above the floor slab in the head part 3 of the fuel element BE of FIG. 1 protrude parts 11 and 12, which form sleeves for a bayonet closure, which may include the corresponding plug parts of the corresponding absorbing element. At the same time, socks are indicated by 13 and 14, which are partially retaining socks of the corresponding bayonet closure, partially the engagement surface for gripping and lifting tools for manipulating the fuel element.

Трубами 8 на фиг. 1 представлено, что в отдельных, лежащих между нормальными тепловыделяющими стержнями положениях расположены открытые сверху трубки, которые не заполнены топливом, а могут содержать замещающие стержни или также воду (замедлитель). Эти трубки закреплены внизу на плите основания 4 держателями 9, в то время как соответствующие держатели 10 на плите перекрытия 6 несут штифты 15, которые в этих положениях входят между заполненными топливом, нормальными тепловыделяющими стержнями. Эти штифты содержат материал с повышенным поглощением нейтронов, например, подверженное само по себе коррозии серебро-индий-кадмиевое заполнение, окруженное коррозионностойкой оболочкой. Pipes 8 in FIG. 1 it is presented that in separate, lying between normal fuel rods positions, tubes open above are located which are not filled with fuel, but may contain replacement rods or also water (moderator). These tubes are fixed below on the base plate 4 by holders 9, while the respective holders 10 on the floor slab 6 carry pins 15, which in these positions enter between the fuel-filled, normal fuel rods. These pins contain material with increased neutron absorption, for example, silver-indium-cadmium filling susceptible to corrosion, surrounded by a corrosion-resistant sheath.

Предпочтительный тепловыделяющий элемент соответствующей изобретению управляющей колонки содержит таким образом пучок из тепловыделяющих стержней, которые сидят в фиктивных ячейках регулярной решетки, в частности, гексагональной решетки и содержат окруженную газоплотно замкнутой покрывающей трубой колонку из топлива, причем над тепловыделяющими стержнями предусмотрено газосборное пространство. Эти тепловыделяющие стержни проходят примерно от плиты основания 4 до положения вблизи плиты перекрытия 6. The preferred fuel element of the control column according to the invention thus comprises a bundle of fuel rods that sit in the dummy cells of a regular grid, in particular a hexagonal grid, and contain a fuel column surrounded by a gas tightly closed covering pipe, and a gas collection space is provided above the fuel rods. These fuel rods extend approximately from the base plate 4 to a position near the floor plate 6.

Тепловыделяющие стержни в отдельных аксиальных положениях удерживаются (не представленными) разделителями с соответствующей решетчатой структурой, причем однако отдельные ячейки решетки заняты не содержащими топлива тепловыделяющими стержнями или самое большее такими тепловыделяющими стержнями, которые содержат топливо только в нижней части элемента. В этих ячейках фиктивной решетки расположены штифты из поглощающего материала, которые проходят сквозь плиту перекрытия практически до верхнего края топлива тепловыделяющего элемента. Эти штифты могут образовывать верхнюю часть упомянутых тепловыделяющих стержней, которые содержат топливо только в нижней части. The fuel rods in separate axial positions are held (not shown) by separators with the corresponding lattice structure, however, individual lattice cells are occupied by fuel-free fuel rods or at most such fuel rods that contain fuel only in the lower part of the element. In these cells of the dummy lattice, pins of absorbing material are located, which pass through the slab almost to the upper edge of the fuel of the fuel element. These pins can form the upper part of said fuel rods, which contain fuel only in the lower part.

Если таким образом при управлении на уменьшение мощности реактора управляющая колонка перемещается вниз, то поглощающие стержни выравнивают воздействия, которые возникают за счет того, что в активной зоне реактора газосборные пространства и свободная от топлива область приходят в положение вблизи плиты перекрытия управляющей колонки. If in this way, when controlling to reduce the reactor power, the control column moves down, then the absorbing rods equalize the effects that arise due to the fact that in the reactor core the gas collection spaces and the fuel-free area come to a position near the overlap of the control column.

В поглощающем элементе согласно фиг. 2 между хвостовой частью 21 и головной частью 23 проходит кожух 22 поглощающего элемента, который вместе с проходящим через центральную гильзу 25 центральным стержнем 24 образует несущие металлические детали поглощающего элемента. Между центральной гильзой 25 и кожухом 22 находятся поглощающие тела 26, которые проходят от верхнего края поглотителя НО до нижнего края поглотителя HA в хвостовой части. На хвостовой части закреплена соединительная деталь 30, которая вместе с выступающим вниз концом центрального стержня 24 образует штекер для штыкового затвора, к которому относятся соответствующие гильзовые части на головке соответствующего тепловыделяющего элемента. In the absorbent element according to FIG. 2 between the tail part 21 and the head part 23 passes the casing 22 of the absorbing element, which together with the Central rod 24 passing through the Central sleeve 25 forms the supporting metal parts of the absorbing element. Between the central sleeve 25 and the casing 22 are absorbing bodies 26, which extend from the upper edge of the absorber HO to the lower edge of the HA absorber in the rear. A connecting part 30 is fixed to the tail end, which, together with the downwardly extending end of the central shaft 24, forms a plug for a bayonet closure, to which corresponding sleeve parts on the head of the corresponding fuel element belong.

Чтобы избежать, что в соединенном состоянии соответствующие соединительные детали 30, 31 поглощающего элемента и относящиеся сюда соединительные детали 11, 12, 13, 14 тепловыделяющего элемента образуют свободное от поглотителя пространство, предусмотрен полый цилиндр 32 из материала, в частности, коррозионностойкого материала, такого как гафний или сплав гафния или соответственно соединение гафния. Этот полый цилиндр является механически защищенным сбоку от соединительных деталей 24, 25 и 30. In order to avoid that in the connected state the corresponding connecting parts 30, 31 of the absorbing element and the connecting parts 11, 12, 13, 14 of the fuel element related thereto form a space free from the absorber, a hollow cylinder 32 of a material, in particular, a corrosion-resistant material, such as hafnium or a hafnium alloy or a hafnium compound, respectively. This hollow cylinder is mechanically protected laterally from the connecting parts 24, 25 and 30.

Фиг. 3 показывает готовый смонтированный соединительный элемент CE, который соединяет поглощающий элемент AE фиг. 2 с тепловыделяющим элементом BE фиг. 1. FIG. 3 shows a prefabricated mounted connecting element CE that connects the absorbing element AE of FIG. 2 with the fuel element BE of FIG. one.

При этом можно видеть, что между хвостовой частью 21 поглощающего элемента AE, над которым расположены доходящие до нижнего края поглотителя HA поглощающие тела 26, и верхним краем топлива HF, который лежит ниже головки 3 тепловыделяющего элемента BE, проходит поглощающий материал. То, что при этом вдоль небольшой аксиальной области G возникает свободный от поглотителя пояс, не имеет особого значения, однако может полностью исключаться путем соответствующего выполнения соединительных деталей. It can be seen that between the tail part 21 of the absorbent element AE, over which the absorbent bodies 26 extend to the lower edge of the absorber HA, and the upper edge of the fuel HF, which lies below the head 3 of the fuel element BE, the absorbent material passes. The fact that a belt free from the absorber arises along a small axial region G does not have much significance, however, it can be completely eliminated by the corresponding execution of the connecting parts.

Claims

1. A control column for a nuclear reactor of a) a fuel element (BE) with fuel held by metal structural parts that extends from the lower edge of the fuel to the upper edge of the fuel (HF), and b) connected to the upper end of the fuel element (BE) through connecting element (CE) with an absorbing element (AE) with absorbing bodies (26) located below the upper edge of the absorber, which are held by metal structural parts (21, 22, 23, 25), characterized in that the absorbing material (15, 32) passes through the well bond connecting element (CE) to almost the upper edge of the fuel.

2. The column according to claim 1, characterized in at least one surrounded by parts (30, 31) of the connecting element with a hollow cylinder of absorbent material, in particular, containing hafnium material or other corrosion-resistant material.

3. The column according to claim 1 or 2, characterized by parallel to the axis of the column fuel rods (7) and pins in the fuel element (BE), and at least one group of fuel rods (7) is filled with fuel to about the upper edge of the fuel ( HF) and gas-tightly closed above the upper edge of the tube and pins (15) extend from above between the fuel elements of the group and are made approximately to the upper edge of the fuel from the absorbing material or are filled with the absorbing material, preferably containing silver, and diy and cadmium material.

4. A fuel element for a control column of a nuclear reactor with a) a bundle of fuel rods that sit with cells of a fictitious regular grid, in particular a lattice with hexagonal cells, each fuel rod containing a gas column tightly enclosed in a surrounding pipe with a gas collection located above the fuel space and extends from approximately the base plate (4) to a position near the floor plate (6), and b) connecting parts (11, 12, 13, 14) protruding above the floor plate waiting in the corresponding opposite connecting parts of the absorbing element of the control column, characterized in that some cells of the lattice are not occupied by fuel rods or, at most, fuel rods that contain fuel only in the lower part of the fuel rod, and that these cells include pins that pass from above through the slab to approximately the height of the fuel in the fuel rods and contain absorbent material.

5. The element according to claim 4, characterized in that as a pins with an absorbing material, in particular a material containing silver, indium and cadmium, filled to a large extent closed pipe sections.

6. The element according to claim 4 or 5, characterized in that the pins enter the open upper ends of the pipes, which are not filled with fuel.

7. An element according to one of claims 4 to 6, characterized in that at least a portion of the fuel rods in the upper part of the surrounding pipe contains fuel, which consists of natural uranium or depleted fuel.

8. An absorbing element for a control column of a nuclear reactor with a) absorbing bodies that are surrounded by metal structural parts (22, 24, 25) and extend to the lower edge of the absorber (ON), and c) connecting parts protruding above the lower edge of the absorber (30, 31) for entering into the corresponding opposite connecting parts of the fuel element of the column, characterized in that the connecting parts protruding below the lower edge of the absorber cover a hollow cylinder of absorbent material, in particular containing its hafnium, or other corrosion-resistant absorbent material.