Исполнительное устройство управления ядерного реактора

Исполнительное устройство управления ядерного реактора

Реферат

 

Сущность изобретения: в охлаждаемом канале системы управления и защиты площадь проходного сечения и высота аварийной опоры управляющего стержня определены исходя из соотношения расходных и эжекционных характеристик канала. Опора также может быть выполнена из коаксиальных элементов, установленных с зазором относительно канала и друг друга, а площадь проходного сечения внутреннего элемента выбрана по вышеприведенным правилам для аварийной опоры. При этом в нижней части наружного элемента могут быть выполнены отверстия, внутренний элемент в верхней части - с плавным расширением или перфорацией; с шагом, увеличивающимся сверху вниз, а высота внутреннего элемента выбрана меньше высоты наружного. 3 з. п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к ядерной энергетике, а именно к исполнительным устройствам управления (регулирования и аварийной остановки) ядерного реактора, преимущественно уран-графитового. Известно испполнительное устройство упpавления, содержащее канал управления и управляющий стержень, снабженный наконечником-пленкообразователем. Охлаждающая вода идет после него тонким слоем по стенкам канала, а внутри образуется газовый пузырь, являющийся вытеснителем излишней воды из активной зоны. Под активной зоной установлена аварийная опора, выполненная в виде трубы с фланцем (нижним и верхним). Нижним фланцем опора покоится на дне (выступе) канала управления, а верхний служит для приема стержня. В процессе управления стержень перемещается вверх-вниз по активной зоне. В положении максимального введения он находится полностью в зоне. При потере электропитания в приводе или обрыве его тяги стержень располагается на опоре на выходе из зоны. Недостатком известного устройства является отсутствие вентиляции газовой полости исполнительного устройства и накопление в ней радиолитических газов. Необходимость разработки и применения принципиально новых средств нейтрализации радиолитических газов удорожает эксплуатацию ядерного реактора. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является исполнительное устройство управления ядерного реактора, содержащее охлаждаемый канал управления, в котором установлен управляющий стеpжень с пленкообразователем и трубчатая опора. В процессе работы стержень может вводиться в активную зону или выводиться из нее с помощью привода. Охлаждающая вода заполняет зазор между стержнем и каналом, создавая сверху защитный столб от излучения. Далее вода стекает в виде тонкого слоя (пленки) по стенке канала и на определенной высоте под активной зоной полностью заполняет сечение трубопровода, образуя нижний защитный от излучения столб жидкости. Высота этого столба определяется гидравлическим сопротивлением трубопровода, отводящего жидкость от исполнительного устройства. Газовая полость над столбом заполнена смесью радиолитических газов (в основном, водорода и кислорода) и нейтрального газа (например, азота), поступающего из газового контура через газовый патрубок сервопривода. В месте перехода пленочного течения в сплошной столб образуется пенный слой, пузырьки газа из которого увлекаются (эжектируются) вниз охлаждающей жидкостью. Для того, чтобы вентиляция газовой полости под стержнем была достаточно эффективной, нужна высокая скорость течения жидкости в соответствии с формулами W_э К_э(W W_кр), где W_кр скорость жидкости (кр критическая, выше которой начинается эжекция (э)), м/с; К_э коэффициент эжекции; W_э > W_э.мин К_оW_рг, где К_о коэффициент обмена (вентиляции), т.е. отношение количества продуваемого и радиолитического газа. W_рг скорость поступления радиолитических газов в газовую полость под стержнем ( количество газа в единицу времени, отнесенное к площади поперечного сечения трубы), м/с. Для реализации указанных условий, прототипное устройство снабжено отводной (сливной) магистралью с пониженным гидравлическим сопротивлением, при этом на действующих реакторах существующие отводные трубопроводы заменяются на трубы большего диаметра. В результате уровень сплошного течения воды оказывается в трубе под каналом, что пpиводит к ослаблению защиты от излучения вниз от активной зоны. Хорошая защита от излучения из зоны вниз могла бы быть получена, если бы столб жидкости был размещен сразу под активной зоной. Но так как в этом районе расположен канал с большим диаметром, малой скоростью течения, малой эжекцией, то защита от излучения вниз в устройстве-прототипе ослаблена. Кроме того, так как опускание столба в прототипном устройстве достигнуто увеличением диаметра сливных трубопроводов, в последних падает скорость течения и ослабевает их эжекционная способность, возникает опасность образования застойных зон (особенно в коллекторах) с выделением туда радиолитических газов. При обесточивании привода или обрыве тяги управляющий стержень опускается на опору. Охлаждающая вода проходит в зазоре между стержнем и каналом, затем в зазоре между опорой и каналом и уходит на слив. Зазор под активной зоной между каналом и опорой довольно большой, потому его гидравлическое сопротивление невелико. В результате верхний защитный от излучения столб воды располагается в зоне вместе со стержнем и имеет ту же высоту, что и до посадки стержня на опору. Следовательно, устройство-прототип обладает плохой защитой от излучения вверх при обрыве стержня. Поэтому защиту вверх приходится усиливать усложнением и снижением надежности эксплуатации (добавлением расхода воды при подходе стержня к нижнему положению) или усложнением конструкции (путем введения дополнительных подвижных и неподвижных защитных металлических пробок). Поскольку прототипное устройство предназначено для установки на эксплуатирующиеся блоки АЭС, то для замены прежних сливных трубопроводов потребуется провести дорогостоящие работы, а именно: долбить стены, изготавливать и проводить трубы большего диаметра. Таким образом, недостатками устройства-прототипа являются недостаточная защита от радиоактивного излучения из активной зоны, удорожание устройства из-за необходимости разработки и установки дополнительных защитных средств, повышенная стоимость его установки на действующих блоках из-за необходимости переделки сливных трубопроводов. Целью изобретения является повышение экономичности реактора путем уменьшения массогабаритных параметров отводящих трубопроводов и упрощения конструкции биологической защиты при одновременном увеличении безопасности реактора. Указанная цель достигается тем, что в исполнительном устройстве управления ядерного реактора, содержащем охлаждаемый канал управления, в котором установлены управляющий стержень с пленкообразователем и трубчатая опора, площадь проходного сечения опоры выбрана из условия F Q[W_кр +(К_о/К_э)W_рг]^-1, где Q расход охлаждающей жидкости, м³/с, а высота опоры (длина проходного отверстия) не должна превышать ее гидравлического сопротивления, выраженного в метрах водяного столба. Кроме того, опора выполнена из коаксиальных элементов, установленных с зазором относительно канала и друг друга и снабженных отверстиями в нижней части наружного элемента, а высота внутреннего элемента выбрана меньше высоты наружного, так что коаксиальные элементы образуют лабиринт протекания жидкости при нахождении стержня на опоре, при этом площадь проходного сечения внутреннего элемента (вставки) выбрана по указанному соотношению. Кроме того, наружная поверхность внутреннего элемента образует с внутренней поверхностью следующего элемента щель с гидравлическим сопротивлением потоку охлаждающей жидкости); кроме того внутренний элемент выполнен с расширением в районе верхнего фланца опоры; кроме того, в верхней части внутреннего элемента выполнена перфорация (отверстия); кроме того, указанные отверстия выполнены с переменным шагом, нарастающим сверху вниз. На фиг. 1 изображен общий вид исполнительного устройства; на фиг.2 его часть в увеличенном масштабе; на фиг.3 и 4 варианты исполнения вставки в опоре. Исполнительное устройство управления ядерного реактора содержит канал управления 1, проходящий через активную зону 2. Внутри канала 1 установлены управляющий стержень 3 с пленкообразователем 4, направляющим охлаждающую воду по стенке канала в виде тонкого слоя. С помощью привода 5 стержень 3 перемещается по всей высоте зоны 2. В полость под стержнем 3 подается газ по газовому тракту через привод 5 и трубку 6 внутри стержня. Под активной зоной 2 на выступе 7 канала 1 установлена опора 8 с нижним 9 и верхним 10 фланцем. В одном из вариантов выполнения опора 8 в своей нижней части снабжена отверстиями 11, а внутри нее установлена вставка 12, образующая с опорой щель 13. Кроме того, в случае, когда газовая трубка 6 заканчивается в полости захвата стержня 3, в захвате выполняют отверстия 14. Верхний конец вставки 12 может быть выполнен с перфорацией 15, шаг который к низу увеличивается, или в виде расширяющегося вверх раструба 16. Устройство работает следующим образом. Приводом 5 стержень 3 устанавливается в требуемое по высоте активной зоны 2 положение (см.фиг.1). Охлаждающая вода входит в головку канала 1, омывает его и стержень 3, создавая верхний защитный столб высотой h_bc. После пленкообразователя 4 вода идет тонким слоем по стенке канала 1 по высоте активной зоны 2. Под ней она входит внутрь опоры 8 и замыкается на сплошной нижний стол высотой h_нс. Со скоростью W вода вместе с газом, эжектируемым из полости под стеpжнем 3, уходит на слив. При обесточивании привода 5 или обрыве тяги стержень 3 садится на опору 8 (см.фиг.2). Прежний путь воды (см.пунктир) перекрывается стержнем и пленкообразователем 4. Вода идет в зазор между каналом 1 и опорой 8, через отверстия 11, дросселирующую щель 13 внутрь вставки 12. В результате верхний защитный столб увеличен на величину h_вс. Если в нижней части опоры отверстий 11 нет, вода идет через отверстия 14 в захвате стержня и газовую трубку 6. В других вариантах стержня (например с газовой трубкой, выходящей в головку канала) этот путь воды отсутствует. Основной эффект изобретения достигается соответствующим подбором геометрии предлагаемого устройства, а именно: площадь проходного сечения опоры не должна превышать значения величины F Q[W_кр + (K_о/К_э).W_рг]^-1. Площадь внутреннего проходного сечения опоры F при заданном расходе охлаждающей жидкости Q определяет скорость жидкости W Q/F При этом высота опоры не должна превышать ее гидравлического сопротивления, выраженного в метрах водяного столба, ибо в противном случае уровень воды, выйдет в канал с большим диапазоном (и тягой эжекции). Условие обеспечения превышения скоростью воды, уволакивающей пузырьками газа вниз, критической скорости их всплытия в воде, определяется в соответствии с формулой W Q/F W_кр +(К_о/К_э)W_рг, где W скорость течения жидкости, обеспеченная расходом Q и площадью F; W_кр критическая скорость, когда выравниваются скорость воды (вниз) и скорость всплытия пузырьков эжектируемого газа (вверх); К_о коэффициент обмена (вентиляции), т.е. превышение количества подаваемого газа над количеством радиолитического газа, выбранный из условия достижения допустимой концентрации газов; К_э коэффициент эжекции, т.е. отношение расходов эжектируемого газа и эжектирующей жидкости, выбираемой в зависимости от температуры жидкости; W_рг скорость поступления радиолитических газов, зависящая от интенсивности облучения и условно отнесенная к площади поперечного сечения опоры (вставки). Благодаря предложенной геометрии и выполнению устройства управления достигается следующее. Охлаждающая жидкость со стенок канала попадает внутрь опоры и внутрь вставки, где создается зона высокой скорости течения и хорошего захвата газа жидкостью. Столб жидкости в опоре создает достаточную защиту от излучения вниз от активной зоны. Защита от излучения вверх от активной зоны обеспечивается столбом в зазоре между стержнем и каналом, который при посадке стержня на опору увеличивается из-за подключения сопротивления щели между опорой и вставкой, усиленного сужением в месте расширения вставки или перфорации. Кроме того, выполнение опоры из коаксиальных элементов гарантирует сохранение формы внутреннего элемента (вставки), определяющего эжекцию, при возможной потере формы наружного элемента из-за сильного удара стержнем при обрыве тяги. Усиливается при этом и биологическая защита (слои жидкости и металла). Наконец, расширяется диапазон применяемых стержней: не только с газовой трубкой, выходящей в полость над стержнем, но и с трубкой, выходящей в головку канала. Во избежание выхода столба жидкости вверх от вставки ее гидросопротивление выполнено небольшим с помощью соответствующего внутреннего диаметра вставки, расширения ее верхнего конца или перфорации на нем. В предлагаемом исполнительном устройстве исключается, таким образом, изготовление (или переврезка) сливных трубопроводов с большими диаметрами, снабжение устройства защитными пробками, управление расходом охлаждающей жидкости.

Формула изобретения

1. ИСПОЛНИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА, содержащее охлаждаемый канал управления, в котором установлен управляющий стержень с пленкообразователем и трубчатая опора, отличающееся тем, что, с целью повышения экономичности реактора путем уменьшения массогабаритных параметров отводящих трубопроводов и упрощения конструкции биологической защиты при одновременном увеличении безопасности реактора, площадь проходного сечения опоры не превосходит величины F Q [W_кр + (K_о/K_э) W_рг]^-1, где Q - расход охлаждающей жидкости, м³/с; W_кр - критическая скорость, с которой начинается эжекция (захват газовых пузырьков охлаждающей жидкостью), м/с; K_о - коэффициент обмена (вентиляции) газовой полости; K_э - коэффициент эжекции (т.е. отношение расходов газа и жидкости); W_рг - скорость поступления радиолитических газов в газовую полость под стержнем, м/с, а высота опоры (длина проходного отверстия) не должна превышать ее гидравлического сопротивления, выраженного в метрах водяного столба. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что, с целью повышения надежности и безопасности функционирования путем сохранения геометрической формы устройства и увеличения числа защитных слоев, опора выполнена из коаксиальных элементов, установленных с зазором относительно канала и друг друга, при этом в нижней части наружного элемента выполнены отверстия, а высота внутреннего элемента выбрана меньше высоты наружного и не должна превышать гидравлического сопротивления этого внутреннего элемента, выраженного в метрах водяного столба, и площадь проходного сечения внутреннего элемента не превосходит величины F Q (W_кр + K_о/K_э W_рг)^-1. 3. Устройство по пп. 1 и 2, отличающееся тем, что, с целью повышения надежности путем уменьшения гидравлического сопротивления верхней части вставки и экономичности за счет расширения диапазона диаметров используемых трубчатых коаксиальных элементов, внутренний элемент сверху выполнен с плавным расширением и/или перфорацией. 4. Устройство по пп.1 - 3, отличающееся тем, что перфорация выполнена с переменным шагом, увеличивающимся сверху вниз.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4

MM4A - Досрочное прекращение действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 03.08.2006

Извещение опубликовано: 27.06.2007        БИ: 18/2007