RU2680836C1 - Ядерный реактор на быстрых нейтронах с жидкометаллическим теплоносителем - Google Patents

Ядерный реактор на быстрых нейтронах с жидкометаллическим теплоносителем Download PDF

Info

Publication number
RU2680836C1
RU2680836C1 RU2018115639A RU2018115639A RU2680836C1 RU 2680836 C1 RU2680836 C1 RU 2680836C1 RU 2018115639 A RU2018115639 A RU 2018115639A RU 2018115639 A RU2018115639 A RU 2018115639A RU 2680836 C1 RU2680836 C1 RU 2680836C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
absorber
shell
liquid metal
tablet
diameter
Prior art date
Application number
RU2018115639A
Other languages
English (en)
Inventor
Александр Георгиевич Сила-Новицкий
Вадим Владимирович Лемехов
Андрей Владимирович Моисеев
Кирилл Анатольевич Адельфинский
Иван Сергеевич Логвенчев
Original Assignee
Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" filed Critical Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом"
Priority to RU2018115639A priority Critical patent/RU2680836C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2680836C1 publication Critical patent/RU2680836C1/ru

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G21NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21CNUCLEAR REACTORS
    • G21C1/00Reactor types
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/30Nuclear fission reactors

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • High Energy & Nuclear Physics (AREA)
  • Monitoring And Testing Of Nuclear Reactors (AREA)

Abstract

Изобретение относится к атомной технике, а именно к ядерным реакторам на быстрых нейтронах с жидкометаллическим теплоносителем на основе свинца и его сплавов с поглощающими элементами. Ядерный реактор на быстрых нейтронах с жидкометаллическим теплоносителем содержит вентилируемый поглощающий элемент, выполненный в виде ограниченной концевыми деталями со сквозными каналами трубчатой оболочки, в которую помещен поглотитель нейтронов – карбид бора. Оболочка и концевые детали выполнены из хромисто-кремниевой стали ферритно-мартенситного класса. Диаметр таблеток меньше внутреннего диаметра оболочки и определяется по формуле: d≤ [- 0,55 (/12)] [1-0,01а⋅(ψ - 1)] (мм), где d- диаметр таблетки поглотителя (мм), D- внутренний диаметр оболочки (мм), а - удельное распухание карбида бора (%/%), ψ - глубина выгорания атомов бора (%). Технический результат – повышение надежности и увеличение ресурса поглощающего элемента при эксплуатации ядерного реактора на быстрых нейтронах с тяжелым жидкометаллическим теплоносителем на основе свинца или его сплавов. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

Description

Предлагаемое изобретение относится к атомной технике, а именно: к ядерным реакторам на быстрых нейтронах с жидкометаллическим теплоносителем на основе свинца и его сплавов с поглощающими элементами (ПЭЛ).
В поглощающих элементах (ПЭЛ) ядерных реакторов на быстрых нейтронах могут применяться малоактивируемые борные поглотители. Боросодержащие n-α поглотители подвержены радиационным формоизмененениям и характеризуются значительным выходом под оболочку ПЭЛа или в первый контур гелия и трития, зато позволяют создать регуляторы большой эффективности за счет увеличения обогащения бора сильно поглощающим изотопом - 10B.
Наиболее близким к настоящему изобретению является ядерный реактор на быстрых нейтронах с жидкометаллическим теплоносителем, содержащий вентилируемый поглощающий элемент, выполненный виде трубчатой оболочки, в которую помещен поглотитель нейтронов - карбид бора, ограниченной концевыми деталями со сквозными каналами (патент Великобритании №1225947, кл. G21C 7/10, опублик. 1971)
Конструкция известного негерметичного - вентилируемого ПЭЛ позволяет выводить образующийся из материала поглотителя в процессе облучения гелий в теплоноситель, что по замыслу создателей ПЭЛ увеличивает степень выгорания карбида бора - В4С - без значительной фрагментации, благодаря чему фрагменты радиоактивного поглотителя не выходят за пределы оболочки ПЭЛ, а также уравнивает давление под оболочкой и снаружи ПЭЛ за счет подачи жидкометаллического теплоносителя внутрь оболочки ПЭЛ, что также снижает нагрузку на поглотитель.
Известный ПЭЛ предназначен для работы в быстром реакторе с натриевым теплоносителем и при его использовании в реакторах с тяжелым жидкометаллическим теплоносителем (ТЖМТ), например, свинцовом, не будет обеспечена его надежная и длительная работа до глубоких выгораний бора, т.к. замена натриевого теплоносителя на ТЖМТ ведет к превышению сил гидростатического всплытия над инерционными силами тяжести поглотителя, следствием чего будет перемещение столба поглощающего материала к верхней концевой детали, перенос мелких фрагментов поглотителя, а также продуктов коррозии внутренней поверхности оболочки, к выходным отверстиям теплоносителя в верхней концевой детали и, в конечном итоге, их закупорке. Кроме того, из-за наличия в карбиде бора свободного углерода распухание поглотителя будет происходить не только из-за облучения, но и из-за взаимодействия карбида бора с натрием. При этом, поскольку в известном ПЭЛ отсутствует кольцевой зазор между крупкой топлива и оболочкой, контактное воздействие поглотителя на оболочку, еще больше возрастает, что приводит, в конечном счете, к разрушению материала поглотителя и оболочки ПЭЛ. Также к недостаткам известного ПЭЛ следует отнести то обстоятельство, что, поскольку поглотитель в нем выполнен в виде уплотненной крупки, его содержание (удельная масса) относительно невысокая, что приводит к снижению поглощения нейтронов и необходимости увеличения числа ПЭЛ и удорожанию реактора.
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является повышение надежности и увеличение ресурса поглощающего элемента при эксплуатации ядерного реактора на быстрых нейтронах с тяжелым жидкометаллическим теплоносителем на основе свинца или его сплавов.
Технический результат, который достигается при использовании заявляемой конструкции поглощающего элемента, заключается в том, что снижается удельное распухание карбида бора и исключается жидкометаллическая коррозия поверхности оболочки ПЭЛ.
Указанные технические результаты достигаются тем, что в ядерном реакторе на быстрых нейтронах с жидкометаллическим теплоносителем, содержащем вентилируемый поглощающий элемент, выполненный виде трубчатой оболочки, в которую помещен поглотитель нейтронов - карбид бора, ограниченной концевыми деталями со сквозными каналами, в качестве теплоносителя используют свинец или сплавы на основе свинца, оболочка и концевые детали выполнены из хромисто-кремнеевой стали ферритно-мартенситного класса, а поглотитель изготовлен в виде таблеток, установленных друг на друга, диаметр которых меньше внутреннего диаметра оболочки и определяется по формуле: dтабл. ≤ [Dвн. обл - 0,55 (Dвн. обл /12) 0,25] [1-0,01а⋅(ψ-1)], [мм], где: dтабл. - диаметр таблетки поглотителя, [мм], Dвн. обл - внутренний диаметр оболочки, [мм], а - удельное распухание карбида бора, [%/%], ψ - глубина выгорания атомов бора, [%], тем, что на верхней таблетке или под нижней таблеткой столба поглотителя установлен защитный экран из материала, обладающего свойствами отражателя нейтронов и поглотителя гамма-излучения, изготовленный в виде таблетки, диаметр которой равен диаметру таблетки поглотителя, кроме того тем, что между нижней концевой деталью и нижней таблеткой поглотителя или нижним защитным экраном установлен пружинный фиксатор, а также тем, что оболочку, концевые детали и пружинный фиксатор изготавливают из стали марки 16Х12МВС ФБР- 111, а защитный экран выполнен из карбида вольфрама.
Данный ПЭЛ предназначен для использования в реакторе на быстрых нейтронах с тяжелым жидкометаллическом теплоносителе на основе свинца или его сплавов, работающего при высоких температурах, поэтому оболочку ПЭЛ, концевые детали и пружинный фиксатор изготавливают из хромисто-кремнеевых сталей ферритно-мартенситного класса, например 16X12 ВМСФБР-Ш, обладающих приемлемыми физико-механическими свойствами, высокой радиационной и коррозионной стойкостью в ТЖМТ.
Поглотитель изготавливают в виде таблеток диаметром dтабл ≤ [Dвн. обл - 0,55(Dвн. обл /12)0,25] [1-0,01а⋅(ψ-1)], [мм], где: Dвн. обл - внутренний диаметр оболочки, а - удельное распухание карбида бора, [%/%], ψ - потребная глубина выгорания атомов бора, [%], который меньше внутреннего диаметра оболочки. Величина диаметрального зазора обеспечивает продолжительность транспорта растворенного кислорода к внутренней поверхности оболочки, что исключает опасность жидкометаллической коррозии и механического воздействия поглотителя на оболочку, т.к. надежный теплосъем с таблеток поглотителя уменьшает его распухание. Кроме того, таблеточное выполнение поглотителя снижает величину выхода углерода из карбида углерода, вызывающего науглероживание внутренней поверхности оболочки, и увеличивает удельную массу загрузки поглотителя и эффективность ПЭЛ.
В конструкции данного ПЭЛ между нижней концевой деталью и нижней таблеткой поглотителя или защитным экраном может быть установлен пружинный фиксатор, что позволяет сохранить «монолитность» столба таблеток поглотителя не только при транспортно-технологическом обращении с ПЭЛ, загрузке его в реактор, а также в процессе эксплуатации при рабочих температурах и давлении, но и в случае форс- мажора, если вдруг произойдет разупрочнение пружинного фиксатора.
Для ограничения непроизводительного выгорания поглотителя - карбида бора при выводе ПЭЛ из активной зоны быстрого реактора с ТЖМТ в зависимости от направления вывода (ввода) ПЭЛ из (в) активной зоны на верхней таблетке или под нижней таблеткой столба поглотителя установлен защитный экран из материала, обладающего свойствами отражателя нейтронов и поглотителя гамма-излучения, например, из карбида вольфрама, изготовленный в виде таблетки, диаметр которой равен диаметру таблетки поглотителя.
Изобретение поясняется на чертежах, где на фиг. 1 изображен поглощающий элемент ядерного реактора на быстрых нейтронах с жидкометаллическим теплоносителем на основе свинца или его сплавов, а на фиг. 2 - поглощающий элемент ядерного реактора на быстрых нейтронах с жидкометаллическим теплоносителем на основе свинца или его сплавов с пружинным фиксатором и защитным экраном.
На чертежах обозначены поглощающий элемент 1, оболочка 2 поглощающего элемента, верхняя концевая деталь 3 ПЭЛ, нижняя концевая деталь 4 ПЭЛ, таблетки 5 из поглощающего материала, защитный экран 6, в виде таблетки, зазор 7 между столбом таблеток и оболочкой 2, пружинный фиксатор 8 между нижней концевой деталью 4 ПЭЛ нижней таблеткой 5 поглотителя или защитным экраном 6.
Ядерный реактор на быстрых нейтронах с жидкометаллическим теплоносителем на основе свинца или его сплавов с поглощающим элементом работает следующим образом. Наличие сквозных каналов (на чертежах не показаны) в нижней 4 и верхней 3 концевых деталях обеспечивает при погружении ПЭЛ 1 в теплоноситель первого контура поступление ТЖМТ с базовым содержанием кислорода под оболочку 2 и вытеснение технологического газа в процессе заполнения зазора 7. На разных этапах работы ядерного реактора ПЭЛ 1 может находиться, как в пределах, так и за пределами активной зоны ядерного реактора, поэтому столб таблеток 5 поглотителя со стороны ввода ПЭЛ 1 в активную зону снабжен защитным экраном 6, который препятствует непроизводительному выгоранию поглотителя, пока ПЭЛ 1 находится за пределами активной зоны. После того, как ПЭЛ 1 вводят в активную зону ядерного реактора, под действием нейтронного облучения материал поглотителя ПЭЛ 1 начинает увеличиваться в объеме («распухать») и выделять газообразные продукты, в первую очередь, гелий, которые «подхватываются» ТЖМТ и вместе с ним по каналам (на чертеже не показаны) в верхней 3 концевой детали ПЭЛ 1 удаляются из-под оболочки ПЭЛ 1. Протекание теплоносителя по зазору 7 между столбом таблеток 5 поглотителя и оболочкой 2 ПЭЛ 1 свинца позволяет компенсировать распухание материала поглотителя - карбида бора и, в значительной мере, снизить температуру его нагрева в реакторе, что опять же снижает величину распухания и разрушение (растрескивание) поглотителя, а также уменьшает выход из него газообразных продуктов деления. Благодаря таблеточной форме выполнения поглотителя снижается величина выхода свободного углерода, выделяющегося при распухании карбида бора, что в совокупности с исключением контактного взаимодействия таблеток 5 поглотителя с оболочкой 2 и постоянным поступлением свежего свинцового теплоносителя («обменности» теплоносителя), обеспечивающего транспорт кислорода в зазор 7, снижает вероятность жидкометаллической коррозии оболочки 2 ПЭЛ 1, т.к. ограничивается развитие «кислородного» утонения несущих элементов. Кроме того, между нижней таблеткой поглотителя и нижней концевой деталью может быть установлен пружинный фиксатор, удерживающий столб поглотителя в стабильном положении при транспортно-технологических операциях. Такое расположение пружинного фиксатора в ПЭЛ 1 ядерного реактора с тяжелым жидкометаллическим теплоносителем даже при утрате свойств пружинного фиксатора не приведет к изменению положения столба поглотителя, удерживаемого силами всплытия в верхнем упоре.
Таким образом, заявленное изобретение обеспечит работоспособность ПЭЛ до глубоких выгораний бора вследствие исключения жидкометаллической коррозии и контактного нагружения оболочки при распухании поглотителя. Кроме того, достигается конструктивно-технологическое упрощение ПЭЛ, особенности которого исключают при изготовлении необходимость трудоемких операций заполнения зазора контактным подслоем с предварительным оксидированием оболочки.

Claims (5)

1. Ядерный реактор на быстрых нейтронах с жидкометаллическим теплоносителем, содержащий вентилируемый поглощающий элемент, выполненный виде трубчатой оболочки, в которую помещен поглотитель нейтронов - карбид бора, ограниченной концевыми деталями со сквозными каналами, отличающийся тем, что в качестве теплоносителя используют свинец или сплавы на основе свинца, оболочка и концевые детали выполнены из хромисто-кремниевой стали ферритно-мартенситного класса, а поглотитель изготовлен в виде таблеток, установленных друг на друга, диаметр которых меньше внутреннего диаметра оболочки и определяется по формуле: dтабл ≤ [Dвн. обл - 0,55 (Dвн. обл /12)0,25] [1-0,01а⋅(ψ-1)] (мм), где dтабл - диаметр таблетки поглотителя (мм), Dвн. обл - внутренний диаметр оболочки (мм), а - удельное распухание карбида бора (%/%), ψ - глубина выгорания атомов бора (%).
2. Ядерный реактор на быстрых нейтронах с жидкометаллическим теплоносителем по п. 1, отличающийся тем, на верхней таблетке или под нижней таблеткой столба поглотителя установлен защитный экран из материала, обладающего свойствами отражателя нейтронов и поглотителя гамма-излучения, изготовленный в виде таблетки, диаметр которой равен диаметру таблетки поглотителя.
3. Ядерный реактор на быстрых нейтронах с жидкометаллическим теплоносителем по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что между нижней концевой деталью и нижней таблеткой поглотителя или нижним защитным экраном установлен пружинный фиксатор.
4. Ядерный реактор на быстрых нейтронах с жидкометаллическим теплоносителем по пп. 1 и 3, отличающийся тем, что оболочку, концевые детали и пружинный фиксатор изготавливают из стали марки 16Х12МВС ФБР-111.
5. Ядерный реактор на быстрых нейтронах с жидкометаллическим теплоносителем по п. 2, отличающийся тем, что защитный экран выполнен из карбида вольфрама.
RU2018115639A 2018-04-25 2018-04-25 Ядерный реактор на быстрых нейтронах с жидкометаллическим теплоносителем RU2680836C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018115639A RU2680836C1 (ru) 2018-04-25 2018-04-25 Ядерный реактор на быстрых нейтронах с жидкометаллическим теплоносителем

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018115639A RU2680836C1 (ru) 2018-04-25 2018-04-25 Ядерный реактор на быстрых нейтронах с жидкометаллическим теплоносителем

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2680836C1 true RU2680836C1 (ru) 2019-02-28

Family

ID=65632551

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2018115639A RU2680836C1 (ru) 2018-04-25 2018-04-25 Ядерный реактор на быстрых нейтронах с жидкометаллическим теплоносителем

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2680836C1 (ru)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2775269C1 (ru) * 2021-08-11 2022-06-29 Акционерное общество «АКМЭ-инжиниринг» Ядерный реактор с тяжелым жидкометаллическим теплоносителем
WO2023018350A1 (ru) * 2021-08-11 2023-02-16 Акционерное Общество "Акмэ - Инжиниринг" Ядерный реактор с тяжелым жидкометаллическим теплоносителем

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5946367A (en) * 1997-12-11 1999-08-31 Japan Nuclear Cycle Development Institute Reactor control rod element
RU32911U1 (ru) * 2003-05-26 2003-09-27 Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский и конструкторский институт энерготехники им. Н.А.Доллежаля" Поглощающий элемент органа регулирования водо-водяного ядерного реактора
RU2453004C1 (ru) * 2010-12-09 2012-06-10 ОАО "Московский завод полиметаллов" Поглощающий элемент корпусного водоохлаждаемого ядерного реактора
US20120294403A1 (en) * 2011-05-18 2012-11-22 General Atomics Methods and apparatus for suppressing tritium permeation during tritium production

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5946367A (en) * 1997-12-11 1999-08-31 Japan Nuclear Cycle Development Institute Reactor control rod element
RU32911U1 (ru) * 2003-05-26 2003-09-27 Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский и конструкторский институт энерготехники им. Н.А.Доллежаля" Поглощающий элемент органа регулирования водо-водяного ядерного реактора
RU2453004C1 (ru) * 2010-12-09 2012-06-10 ОАО "Московский завод полиметаллов" Поглощающий элемент корпусного водоохлаждаемого ядерного реактора
US20120294403A1 (en) * 2011-05-18 2012-11-22 General Atomics Methods and apparatus for suppressing tritium permeation during tritium production

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2775269C1 (ru) * 2021-08-11 2022-06-29 Акционерное общество «АКМЭ-инжиниринг» Ядерный реактор с тяжелым жидкометаллическим теплоносителем
WO2023018350A1 (ru) * 2021-08-11 2023-02-16 Акционерное Общество "Акмэ - Инжиниринг" Ядерный реактор с тяжелым жидкометаллическим теплоносителем

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20110091004A1 (en) Triso fuel for high burn-up nuclear engine
JP5905835B2 (ja) 核燃料、核燃料要素、核燃料アセンブリ、および核燃料製造方法
JP2020508437A (ja) 焼結した核燃料ペレット、燃料棒、核燃料集合体、および焼結した核燃料ペレットの製造方法
US11456083B2 (en) Nuclear fuel pellet, a fuel rod, and a fuel assembly
RU2680836C1 (ru) Ядерный реактор на быстрых нейтронах с жидкометаллическим теплоносителем
US3378458A (en) Nuclear reactor fuel element
GB852366A (en) Nuclear reactor including a package safety device
CN109801717B (zh) 一种减小pci效应的液态铅铋冷却小型反应堆用燃料棒
Aufanni et al. Burnable Absorber Design Study for a Passively-Cooled Molten Salt Fast Reactor
van Rooijen Improving fuel cycle design and safety characteristics of a gas cooled fast reactor
US4110158A (en) Core reactor and method of operating same
RU2419897C1 (ru) Топливный сердечник тепловыделяющего элемента
Waber A review of the corrosion behavior of uranium
US3252868A (en) Fuel element for use in nuclear reactors
Hayashi et al. In-pile release behavior of metallic fission products in graphite materials of an HTGR fuel assembly
Voevodin et al. Thermal and fast reactor materials carbon-graphite materials in nuclear-power engineering
JP3077100B2 (ja) Na流入孔付ダイビングベル型制御棒
Porollo et al. Analysis of Experimental Data on Gas Release and Swelling of Uranium Mononitride Fuel Irradiated in the BR-10 Reactor.
RU2387030C1 (ru) Микротвэл легководного ядерного реактора
Mahagin Fast reactor neutron absorber materials
RU2609895C1 (ru) Реактор-конвертер канального типа с расплавленным топливом
Goeddel et al. COATED-PARTICLE-FUELS RESEARCH AT GENERAL ATOMIC FROM NOVERMBER 1, 1962 THROUGH MAY 31, 1963
RU119159U1 (ru) Устройство для снижения плотности потока нейтронов на корпус и другие несменяемые элементы реактора на быстрых нейтронах
JPH0644058B2 (ja) 高速増殖炉
CN116615789A (zh) 熔盐反应堆及其被动燃料注入方法