Усовершенствованная сборка серых регулирующих стержней

Усовершенствованная сборка серых регулирующих стержней

Иллюстрации

Показать все

Реферат

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение в целом имеет отношение к ядерным реакторам и, в частности, к усовершенствованному проекту сборки серых регулирующих стержней (GRCA).

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Мощностью, произведенной реактором атомной электростанции, как правило, управляют, поднимая или опуская сборки регулирующих стержней в активной зоне реактора, и изменение в выходной мощности реактора, требуемое для того, чтобы обеспечить необходимое изменение в выдаче электроэнергии из электростанции, обычно называется отслеживанием нагрузки. Как описано, например, в патенте США № 4079236, отслеживание нагрузки вызывает большое количество вопросов, связанных с работой. Например, в реакторе, охлаждаемом водой под давлением, (PWR) во время отслеживания нагрузки реактивность должна быть управляемой и необходимо изучить осевые изменения при распределении мощности в активной зоне в ответ на изменение уровня мощности.

В тепловыделяющих сборках активных зон современных реакторов обычно используются два типа сборок регулирующих стержней для управления реактивностью: кластер регулирующих стержней (RCCA) и сборки серых регулирующих стержней (GRCA). Оба типа состоят из множества поглощающих нейтроны стержней, закрепленных верхними концами в общем гнезде или прикрепленных к сборке крестовины. Тело стержня обычно содержит трубу из нержавеющей стали, в которой инкапсулирован материал, поглощающий нейтроны, такой как материал-поглотитель, состоящий из серебра, индия и кадмия, при этом стержни плавно передвигаются внутри направляющих цилиндрических трубчатых каналов тепловыделяющей сборки при помощи управляемого приводного механизма, расположенного около вершины сборки крестовины, работающей с целью управления движением стержней внутри трубчатых каналов. Таким образом, управляемое введение и извлечение стержней обычно управляет количеством мощности, произведенной реактором. Дополнительно, GRCA используются во время работы с выдачей полной мощности, как описано ниже.

Как правило, GRCA используются при манипулировании отслеживанием нагрузки, поскольку они состоят из регулирующих стержней, имеющих более низкую реактивную способность, обычно называемых в данной области техники "серыми" стержнями, и в меньшей степени воздействуют на распределение в активной зоне. Термин "серый", как используется в настоящем описании, имеет отношение к характеристике поглощения нейтронов стержней-поглотителей и связан с тем, что GRCA предназначен для поглощения только фракции нейтронов с тепловой и надтепловой энергией, поступающих в поглотитель, в отличие от "черных" регулирующих стержней, которые предназначены для поглощения значительного количества таких нейтронов с тем, чтобы заглушить реактор. Серые стержни, как известно, обеспечивают механизм управления механической компенсацией реактивности (MSHIM) в отличие от химической компенсации, которая требует изменения концентрации растворенного бора в теплоносителе реактора. Таким образом, использование серых стержней минимизирует потребность в ежедневной обработке первичного теплоносителя реактора и, следовательно, значительно упрощает операции. Эта функция управления реактивностью используется как для работы с выдачей полной мощности, так и во время отслеживания нагрузки. Более конкретно, имеющийся на сегодняшний день проект GRCA состоит из 24 стержней сборки, прикрепленных верхними концами к крестовине. Из 24 стержней сборки в кластере только четыре стержня представляют собой стержни-поглотители, а материал-поглотитель нейтронов, инкапсулированный в стержнях-поглотителях, обычно состоит из сплава, содержащего примерно 80% серебра (Ag), примерно 15% индия (In) и примерно 5% кадмия (Cd). Такой проект имеет несколько недостатков.

Одним из недостатков известных проектов Ag-In-Cd GRCA является то, что индий и кадмий имеют относительно большое поперечное сечение нейтронов, что приводит к их истощению за относительно короткий промежуток времени. В результате реактивная способность стержня такого проекта GRCA становится ниже приемлемой величины за примерно пять-десять лет в зависимости от проекта и количества применений. Более длительное постоянное использование приводит к дальнейшему истощению, и, в конечном счете, GRCA становится неэффективной при управлении реактором во время отслеживания нагрузки или обеспечения управления реактивностью с выдачей полной мощности. Это приводит к нежелательной частой замене GRCA. Второй недостаток имеет отношение к изменениям, происходящим в локальной выделяемой мощности топливных стержней, которые примыкают к четырем направляющим трубам, содержащим стержни-поглотители. В частности, поскольку в известных проектах материал-поглотитель локализован в четырех стержнях сборки, происходит относительно большое изменение мощности, обычно называемое дельта-скачком мощности топливных стержней, например, при вытягивании стержня. Вытягивание стержня представляет собой процесс извлечения GRCA из тепловыделяющей сборки. В известных проектах GRCA вытягивание стержня может привести к дельта-скачку мощности в примыкающих топливных стержнях, который может превысить допустимые пределы, что указывает на повышенный риск нарушения герметичности оболочек тепловых элементов. Проекты GRCA, которые являются вариантами известных проектов и которые содержат меньшее количество Ag-In-Cd, равномерно распределенного по всем 24 стержням сборки, могут облегчить эту проблему. Однако такие проекты также значительно быстро истощаются из-за более низкого самоэкранирования индия и кадмия и их истощение становится ниже приемлемой реактивной способности стержня менее чем за 5 лет. Кроме того, давней проблемой в промышленности на протяжении многих лет было распухание поглотителя из-за излучения, индуцированного превращением в проектах регулирующих стержней, изготовленных из сплава серебра. В частности, облучение серебра и индия нейтронами приводит к образованию значительного количества кадмия и олова, что может привести к распуханию из-за изменения плотности материала. Слишком большое распухание поглотителя может привести к контакту поглотителя с окружающей его оболочкой и потенциально к ее разрушению.

Серые стержни с пониженной реактивной способностью обычно предназначены для того, чтобы иметь реактивную способность, которая значительно ниже, чем у стандартных (или черных) регулирующих стержней RCCA, которые используются с тем, чтобы заглушить реактор или обеспечить возможность полного управления реактивностью. Требуемая реактивная способность серого регулирующего стержня может изменяться в зависимости от применения и намеченной стратегии работы электростанции. Более того, вес серого регулирующего стержня должен быть аналогичен весу черного регулирующего стержня, который будет использоваться на той же самой электростанции, если и серый, и черный регулирующие стержни имеют одинаковые поверхности раздела с другими компонентами в реакторе. Реактивная способность, а также вес серого регулирующего стержня могут определяться выбранным материалом (материалами) и окончательной конфигурацией стержня. Как правило, использование одного материала-поглотителя не соответствует ни весу, ни требованиям, относящимся к реактивной способности. Таким образом имеется возможность для усовершенствования проекта GRCA для ядерных реакторов.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Эти и другие нужды удовлетворяются настоящим изобретением, которое относится к усовершенствованному проекту сборки регулирующих серых стержней (GRCA), обеспечивающему улучшенный материал-поглотитель нейтронов, усовершенствованную сборку серых стержней и распределение сборок серых стержней, которые адаптированы для регулирования операций по отслеживанию нагрузки и для преодоления известных традиционно с этим связанных неблагоприятных условий.

В качестве одного из аспектов изобретения предоставляется серый стержень для сборки регулирующих стержней ядерного реактора, причем указанный серый стержень содержит удлиненный трубчатый элемент, имеющий первый конец, второй конец, внешний диаметр и длину; поглотитель нейтронов, расположенный внутри указанного удлиненного трубчатого элемента, главным образом, в его первом конце, при этом указанный поглотитель нейтронов содержит материал-поглотитель, имеющий микроскопическое сечение захвата поглотителем 2200 м/с нейтронов, равное 10-30 барн.

В качестве другого аспекта изобретения предоставляется усовершенствованная сборка регулирующих серых стержней для ядерного реактора, причем указанная сборка регулирующих серых стержней содержит множество серых стержней, при этом каждый из указанных серых стержней содержит удлиненный трубчатый элемент, имеющий первый конец, второй конец, внешний диаметр и длину, при этом поглотитель нейтронов расположен внутри указанного удлиненного трубчатого элемента, главным образом в его первом конце, причем указанный поглотитель нейтронов содержит материал-поглотитель, имеющий микроскопическое сечение захвата поглотителем 2200 м/с нейтронов, равное 10-30 барн.

Поглотитель нейтронов может быть распределен по всем сборкам серых стержней из множества сборок серых стержней. Более конкретно, усовершенствованная сборка регулирующих серых стержней может включать в себя 24 серых стержня, причем поглотитель нейтронов распределен главным образом в равном количестве среди всех 24 серых стержней сборки.

В качестве другого аспекта изобретения предоставляется ядерный реактор, имеющий сборку регулирующих серых стержней для ядерного реактора, причем указанная сборка регулирующих серых стержней содержит множество серых стержней, при этом каждый из указанных серых стержней содержит удлиненный трубчатый элемент, имеющий первый конец, второй конец, внешний диаметр и длину, при этом поглотитель нейтронов расположен внутри указанного удлиненного трубчатого элемента, главным образом в его первом конце, причем указанный поглотитель нейтронов содержит материал-поглотитель, имеющий микроскопическое сечение захвата поглотителем 2200 м/с нейтронов, равное 10-30 барн.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ РИСУНКОВ

Полное понимание изобретения может быть получено из нижеприведенного описания вариантов осуществления при его изучении совместно с прилагаемыми чертежами, на которых:

Фиг.1 представляет собой вид в разрезе тепловыделяющей сборки, показанной в укороченном виде по вертикали, при этом часть регулирующей сборки показана на чертеже пунктирными линиями;

Фиг.2A представляет собой часть поперечного сечения регулирующей сборки по Фиг.1, которая вынута из тепловыделяющей сборки;

Фиг.2B представляет собой вид сверху сборки крестовины регулирующих стержней регулирующей сборки по Фиг.2A;

Фиг.3 представляет собой график сравнения скоростей истощения для различных материалов-поглотителей нейтронов в проекте GRCA, в котором в качестве поглотителя использован сплав Ag-In-CD;

Фиг.4 представляет собой график сравнения относительной реактивной способности GRCA с вольфрамовым поглотителем по изобретению с относительной реактивной способностью проекта GRCA с Ag-In-CD поглотителем;

Фиг.5 представляет собой часть поперечного сечения усовершенствованной сборки регулирующих серых стержней по изобретению;

Фиг.6 представляет собой поперечное сечение, проходящее вдоль линии 6-6 по Фиг.5;

Фиг.7 представляет собой схематическую диаграмму одной восьмой тепловыделяющей сборки, показывающую изменение мощности стержня после извлечения GRCA предшествующего уровня техники из активной зоны во время вытягивания стержня; и

Фиг.8 представляет собой схематическую диаграмму одной восьмой тепловыделяющей сборки, показывающую изменение мощности стержня тепловыделяющей сборки, которое используется в усовершенствованном GRCA изобретения, показанном после его извлечения из активной зоны.

ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Для простоты объяснения изобретение описано на примере проекта активной зоны основного реактора, охлаждаемого водой под давлением, (PWR), который в промышленности известен как AP1000. AP1000 представляет собой проект реактора Westinghouse Electric Company LLC. Westinghouse Electric Company LLC расположена в Монровилле (Monroeville), штат Пенсильвания (Pennsylvania). Ссылка на AP1000 предоставлена только с целью иллюстрации в качестве примера и не накладывает никаких ограничений на объем изобретения. Следовательно, необходимо принять во внимание, что приведенный в качестве примера проект GRCA изобретения имеет применение во многих проектах реактора.

Используемые в настоящем описании фразы, указывающие направление, такие как, например, вверх, вниз, вперед, назад, влево, вправо и их производные, относятся к ориентации элементов, показанных на чертежах, и не накладывают никаких ограничений на формулу изобретения, если только это не указано явным образом.

Как используется в настоящем описании, утверждение, что две или больше частей "соединены" вместе, следует понимать, что части соединены вместе непосредственно или при помощи одной или нескольких промежуточных частей.

Как используется в настоящем описании, термин "количество" означает один и больше, чем один (т.е. множество).

Тепловыделяющая сборка

Обращаясь к чертежам, в частности к Фиг.1, показан вид в разрезе тепловыделяющей сборки ядерного реактора, представленный в укороченном виде по вертикали, и в общем виде обозначенного ссылочной позицией 10. Тепловыделяющая сборка 10 представляет собой тип, используемый в реакторе, охлаждаемом водой под давлением, (PWR) и имеет каркас, которой включает в себя, в нижней части, хвостовик 12 для поддержки тепловыделяющей сборки 10 на нижней опорной плите 14 в области активной зоны ядерного реактора (не показано), в верхней части, головку 16 и несколько направляющих труб или трубчатых каналов 18, которые расположены в продольном направлении между противоположными концами и жестко прикреплены к противоположным концам, хвостовику 12 и головке 16.

Тепловыделяющая сборка 10 дополнительно включает в себя множество поперечных решеток 20, установленных на некотором расстоянии друг от друга в продольном направлении для направления трубчатых каналов 18, и организованный массив длинных топливных стержней 22, расположенных на некотором расстоянии друг от друга и поддерживаемых решетками 20. Сборка 10 также имеет измерительную трубу 24, расположенную в центре и проходящую и установленную между хвостовиком 12 и головкой 16. С точки зрения вышеописанного расположения частей, очевидно, что тепловыделяющая сборка 10 образует единый блок, которым можно манипулировать обычным способом без повреждения частей сборки.

Как обсуждалось выше, множество топливных стержней 22 поддерживается в тепловыделяющей сборке 10 на некотором расстоянии друг от друга при помощи решеток 20, которые расположены вдоль тепловыделяющей сборки на некотором расстоянии друг от друга. Каждый топливный стержень 22 включает в себя шарики 26 с ядерным топливом и закрыт на противоположных концах верхней и нижней концевыми пробками 28 и 30. Шарики 26 располагают стопкой при помощи сжатой пружины 32, расположенной между верхней концевой пробкой 28 и верхней частью стопки шариков. Благодаря шарикам 26 с топливом, состоящим из расщепляющегося материала, создается реактивная мощность реактора. Жидкий замедлитель/теплоноситель, такой как вода или вода, содержащая бор, закачивают наверх через множество отверстий, расположенных на нижней опорной плите 14 тепловыделяющей сборки. Хвостовик 12 тепловыделяющей сборки 10 подает теплоноситель вверх через направляющие трубы 18 и вдоль топливных стержней 22 сборки для получения сгенерированного в них тепла с тем, чтобы произвести полезную работу. Для управления процессом расщепления несколько регулирующих стержней 34 являются взаимоперемещаемыми в направляющих трубчатых каналах 18, расположенных в заданных положениях в тепловыделяющей сборке 10. Сборка 39 крестовины, расположенная выше головки 16, поддерживает регулирующие стержни 34.

На Фиг.2A и 2B показана сборка 36 регулирующих стержней после их извлечения из тепловыделяющей сборки 10 по Фиг.1. Обычно регулирующая сборка 36 имеет цилиндрический элемент 37 с множеством радиально-расположенных лап или спиц 38, содержащих сборку 39 крестовины, которая детально показана на Фиг.2B. Как обсуждалось выше, каждая спица 38 соединена с регулирующим стержнем 34 таким образом, что сборка 36 регулирующих стержней способна перемещать регулирующие стержни 34 в вертикальном направлении внутри трубчатых каналов 18 (Фиг.1), чтобы таким образом управлять процессом расщепления в тепловыделяющей сборке 10 (Фиг.1) хорошо известным способом. За исключением приведенной в качестве примера сборки регулирующих стержней, которая содержит усовершенствованную сборку 36 регулирующих серых стержней (GRCA), имеющую улучшенные сборки серых стержней 34, которые описаны ниже, все остальное вышеописанное является старым и хорошо известным в данной области техники.

Усовершенствованная GRCA

Общая конфигурация регулирующего стержня описана ниже со ссылкой на Фиг.2A и 2B. Как утверждалось выше, чтобы использовать преимущества свойств MSHIM, обеспечиваемые низкой реактивной способностью или серыми стержнями, в известных сборках регулирующих стержней, таких как имеющиеся сегодня регулирующие сборки для реактора AP1000 компании Westinghouse Electric Company LLC, используются GRCA. Однако, несмотря на то что проект GRCA для действующего проекта реактора AP1000 имеет 24 стержня, которые обычно бывают сконфигурированы, как показано на Фиг.2B, как указывалось выше, 20 из этих 24 стержней представляют собой водовытесняющие стержни из нержавеющей стали (например, без ограничения, SS-304), и только четыре из стержней представляют собой стержни-поглотители нейтронов для получения требуемой низкой реактивной способности для GRCA. Следовательно, по существу весь материал-поглотитель нейтронов локализован и изолирован в GRCA только там, где находятся четыре стержня.

Кроме того, в существующем проекте AP1000 материал-поглотитель содержит поглотитель, изготовленный из сплава Ag-In-Cd, состоящий примерно из 80% серебра, примерно 15% индия и примерно 5% кадмия, который может поглощать значительное количество всех нейтронов с тепловой и надтепловой энергией, попавших в зону поглотителя. Такой поглотитель нейтронов в данной области техники известен как "черный" поглотитель. Этот материал-поглотитель совместим с известными кластерами стандартных равнопрочных регулирующих стержней (RCCA), в которых все 24 стержня изготовлены из Ag-In-Cd. Как указывалось и как раскрыто в настоящем описании со ссылкой на Фиг.3, известно, что индий и кадмий являются быстро истощаемыми. RCCA находятся минимальное количество времени в активной зоне во время работы с выдачей мощности. Следовательно, такое истощение не является проблемой. Однако для работы с механической компенсацией AP1000 (MSHIM), например, ожидается, что GRCA будут находиться в активной зоне в течение половины рабочего цикла. При таких условиях эксплуатации требуется замена существующего проекта GRCA примерно через каждые пять-десять лет из-за быстрого истощения поглотителя. Как более подробно раскрыто в настоящем описании ниже, среди других преимуществ усовершенствованный проект GRCA изобретения устраняет этот недостаток, связанный с быстрым истощением, и также по существу избегает нежелательного локального скачка мощности, который происходит при вытягивании из активной зоны традиционного GRCA, имеющего четыре RCCA стержня.

Более глубокое понимание вышеупомянутой проблемы истощения поглотителя можно получить, обратившись к Фиг.3. На Фиг.3 показан график скорости истощения для двух различных изотопов серебра, двух различных изотопов индия и скорость истощения для кадмия. Более конкретно, истощение серебра-107 (Ag-107), серебра-109 (Ag-109), индия-113 (In-113), индия-115 (In-115) и кадмия (Cd) показано для сравнения на одном графике в виде линий 100, 102, 104, 106 и 108 соответственно для проекта GRCA, в котором минимизировано самоэкранирование. Как показано, оба изотопа серебра 100, 102 имеют относительно низкую скорость истощения, тогда как индий 115, 106 и кадмий 108 имеют быструю скорость истощения. В частности, быстрое истощение индия 115, 106 и кадмия 108 приводит к потере поглотительной силы примерно на 20% только через пять лет работы этого проекта. Изменения в рабочих характеристиках отслеживания нагрузки могут стать проблемой в Westinghouse AP1000 при менее чем 5%-ной потере силы поглотителя GRCA. Если увеличить начальную реактивную способность стержня проекта GRCA для компенсации ожидаемого истощения с целью увеличения времени жизни GRCA, то соответственно увеличится эффект распределения мощности в активной зоне в результате вытягивания стержня GRCA, приводя к увеличению риска нарушения герметичности оболочек тепловых элементов. Как отмечалось выше, быстрое истощение черных изотопов-поглотителей нейтронов приводит к нежелательному уменьшению способности GRCA управлять реактором во время отслеживания нагрузки и, в конечном счете, приводит к частой замене GRCA. Изобретение решает эту проблему путем использования усовершенствованной сборки регулирующих серых стержней, в которой, помимо других усовершенствований, используется другой материал-поглотитель нейтронов, имеющий более низкую скорость истощения по сравнению с существующим Ag-In-Cd поглотителем.

В частности, на Фиг.4 показан график относительной реактивной способности стержня GRCA, содержащей приведенный в качестве примера материал-поглотитель 110 изобретения, по сравнению с GRCA, имеющей такую же начальную реактивную способность и содержащей существующий Ag-In-Cd поглотитель 112. Оба проекта, показанные в виде графика на Фиг.4, имеют равномерное распределение поглотителя во всех стержнях GRCA для минимизации воздействия распределения мощности. Как и на графике по Фиг.3, изменение реактивной способности стержня показано в виде графика относительной реактивной способности в зависимости от времени эксплуатации поглотителя 110, 112, выраженного в годах. Было бы желательным, чтобы поглотитель 110, используемый в GRCA, имел медленно изменяющуюся или по существу ровную кривую истощения реактивной способности при длительном облучении нейтронами. Такая операция является обычной для GRCA, в отличие от стандартного черного RCCA, который обычно не работает в активной зоне во время работы с выделением мощности и, следовательно, не подвержен такому сильному облучению нейтронами. В частности, в настоящем изобретении существующий Ag-In-Cd поглотитель 112 заменен поглотителем 110, который содержит материал-поглотитель, имеющий микроскопическое сечение захвата поглотителем 2200 м/с нейтронов, равное 10-30 барн.

Относительная способность поглощения быстрых нейтронов и нейтронов с энергией в надтепловой области, а также характеристики поперечного сечения поглощения полученных продуктов истощения также можно рассматривать при выборе приведенного в качестве примера материала-поглотителя для RCCA. Материал-поглотитель 110 может быть сформирован в виде цилиндра в стержне RCCA. Более того, поглотитель 110 может быть сегментирован по оси или он может представлять собой твердый кусок, покрывающий всю длину по оси цилиндра. Неограничивающие примеры подходящих материалов-поглотителей могут включать в себя, без ограничения, по существу чистый вольфрам, имеющий близкую к теоретической или полностью совпадающую с теоретической плотность; металлический вольфрам уменьшенной плотности или пористый; сплавы на основе вольфрама, такие как вольфрам-рений и вольфрам-никель-железо; соединения на основе вольфрама, такие как карбид вольфрама; по существу чистый скандий, иттербий и марганец; сплавы на основе скандия, иттербия и марганца и соединения на основе скандия, иттербия и марганца. Как используется в настоящем описании, фразы "по существу чистый" и "чистый" являются взаимозаменяемыми для обозначения поглотителя, который практически полностью состоит из элемента (например, вольфрама, скандия, иттербия или марганца), причем любые примеси, которые присутствуют в поглотителе, находятся в пренебрежимо малых количествах. График поведения относительной реактивной способности стержня, показанный на Фиг.4 для приведенного в качестве примера поглотителя 110, относится к GRCA, где в качестве первичного поглотителя нейтронов используется чистый вольфрам.

Использование материала-поглотителя 110 в настоящем изобретении, например вольфрама, вместо альтернативного материала-поглотителя, такого как, например, серебро, серебро-кадмий-индий, бор, гафний и т.п., дает, по меньшей мере, одно из следующих преимуществ. Относительно низкое сечение захвата для вольфрама приводит к медленному истощению поглотителя по сравнению с другими черными поглотителями. Реактивная способность стержня проекта GRCA 110 на основе вольфрама остается относительно стабильной с тенденцией к слабому увеличению, которая появляется сразу, как показано на Фиг.4, из-за образования рения-187. Рений-187 образуется в результате поглощения нейтронов вольфрамом-186 и затем бета-распада вольфрама-187. Сечение поглощения нейтронов рения-187 превышает сечение родительского изотопа и в количественном отношении практически полностью компенсирует медленное истощение всех изначально представленных в вольфраме поглощающих изотопов, не оказывает отрицательного воздействия на поглощение нейтронов и, следовательно, полезность GRCA. Вычислено, что реактивная способность поглотителя-вольфрама может быть увеличена примерно на 3%-5% для более 20-летнего облучения в активной зоне, после чего реактивная способность начнет медленно снижаться. Также хотелось бы, чтобы другие потенциальные поглотители на основе скандия, иттербия или марганца имели характеристики относительно ровного истощения реактивной способности GRCA благодаря малому сечению захвата нейтронов. Однако известно, что эти материалы не превращаются в какие-либо сильные изотопы-поглотители нейтронов и, следовательно, возможно могут показать монотонное снижение реактивной способности стержня в зависимости от времени. При вольфрамовом поглотителе реакции превращения, которые приводят к существенным изменениям свойств материала с течением времени при эксплуатации серого стержня, могут быть минимизированы. Длительное облучение чистого вольфрама нейтронами может привести к образованию сплава вольфрам-рений, сечение захвата нейтронов и свойства материала которого почти такие же, что и у исходного материала. Благодаря ровной кривой истощения реактивной способности вольфрама исходный проект серого стержня соответствует требуемой идеальной реактивной способности стержня без необходимости перепроектирования реактивной способности стержня с целью компенсации эффектов истощения поглотителя, которые могут достигать 20% или больше у черного материала-поглотителя. Серый стержень, который разработан для требуемой идеальной реактивной способности стержня и не разработан с дополнительным 20% или большим запасом прочности, может привести к небольшому риску, связанному с тем, что шарик будет взаимодействовать с оболочкой, что может привести к нарушению герметичности оболочек тепловых элементов (в результате низкой дельта-мощности в топливных стержнях) и таким образом снизить радиоактивность в теплоносителе реактора. Вольфрам не разбухает как Ag-In-Cd поглотители, таким образом решаются проблемы, связанные с разрушением оболочки, относящиеся к Ag-In-Cd проектам. Кроме того, вольфрам имеет значительно более высокую точку плавления, чем сплав серебро-индий-кадмий (6192°F и 1472°F соответственно), что может привести к увеличению срока эксплуатации. В результате предполагается, что вольфрамовый поглотитель подвержен меньшей деформации в условиях работы реактора, чем, например, поглотитель, изготовленный из серебра или сплава серебра. Кроме того, предполагается, что активация вольфрама в реакторе приводит к генерации источника радиоактивности со значительно меньшим временем жизни по сравнению с серебром.

В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения, в котором материал-поглотитель включает в себя по существу чистый вольфрам, имеющий близкую к теоретической или полностью совпадающую с теоретической плотность; сплавы на основе вольфрама, такие как вольфрам-рений и вольфрам-никель-железо; соединения на основе вольфрама, такие как карбид вольфрама; по существу чистый скандий, иттербий и марганец; сплавы на основе скандия, иттербия и марганца и соединения на основе скандия, иттербия и марганца, поглотитель 110 имеет плотность материала, равную 16,5-19,4 г/см³. В одном из вариантов осуществления, в котором поглотитель нейтронов предназначен для AP1000 применения, используется материал-поглотитель, такой как по существу чистый вольфрам, имеющий плотность материала, равную примерно 19,3 г/см³. Более того, для AP1000 применения используется материал, имеющий микроскопическое сечение захвата поглотителем 2200 м/с нейтронов, равное 10-30 барн.

Как показано на Фиг.4, использование вольфрамового поглотителя 110 значительно снижает скорость истощения поглотителя, увеличивая полезный срок эксплуатации улучшенного GRCA 36 (Фиг.2A) до 20 лет и выше. Не только это является существенным улучшением по сравнению с вышеуказанным полезным сроком эксплуатации существующего Ag-In-Cd поглотителя, которое составляет только примерно пять-десять лет, но к тому же реактивная способность приведенного в качестве примера поглотителя 110 остается относительно постоянной в отличие от быстрого истощения Ag-In-Cd поглотителя 112. Благодаря увеличенному полезному сроку эксплуатации приведенного в качестве примера поглотителя 110 улучшенный GRCA 36 (Фиг.2A) отвечает требованиям, предъявляемым к сроку эксплуатации регулирующих стержней.

На Фиг.5 и 6 показана усовершенствованная сборка 34 серых стержней изобретения. Как показано на Фиг.5, сборка 34 серых стержней обычно включает в себя первый конец 40, который, поскольку расположен в активной зоне (Фиг.1), является нижним концом, и второй конец 42 (например, верхний конец на Фиг.1). Первый, или нижний, конец 40 имеет пробку 44 с коническим концом. Такой конический проект облегчает направленное введение стержня 34 в трубчатый канал 18 (Фиг.1) тепловыделяющей сборки 10 (Фиг.1). Второй, или верхний, конец 42 имеет верхнюю концевую пробку 46, которая сконструирована таким образом, чтобы входить в сцепление и закрепляться в сборке 39 крестовины (лучше всего показано на Фиг.2A) известным способом (например, без ограничения, комплиментарная мужская/женская конструкция резьбового соединения). Удлиненный трубчатый элемент 48 проходит между верхней и нижней концевыми пробками 46, 44. Приведенный в качестве примера трубчатый элемент представляет собой трубу 48 из нержавеющей стали, изготовленную из 304 нержавеющей стали, хотя можно рассмотреть использование труб, изготовленных из других известных или подходящих альтернативных материалов, таких как, без ограничения, сплавы на основе циркония и никеля. В вышепоказанном и раскрытом примере внешний диаметр 50 из трубы 48 составляет примерно 0,38 дюймов (0,97 сантиметра), и полная длина 52 стержня 34, от верха нижней концевой пробки 44 до низа верхней концевой пробки 46, составляет примерно 175 дюймов (444,5 сантиметра). Однако следует иметь в виду, что концепция изобретения одинаково применима для стержней, имеющих любую длину и ширину, подходящую для использования в широком спектре реакторов.

В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения поглотитель 110 находится внутри удлиненного трубчатого элемента 48 и имеет такие размеры, чтобы практически полностью заполнить внутренний диаметр трубчатого элемента 48. В одном из вариантов осуществления внешний диаметр поглотителя 110 составляет от 0,15 до 0,40 дюймов; внешний диаметр трубчатого элемента 48 составляет от 0,37 до 0,45 дюймов. В другом варианте осуществления, таком который используется в AP1000, внешний диаметр поглотителя 110 составляет от 0,17 до 0,35 дюймов; внешний диаметр трубчатого элемента 48 составляет от 0,37 до 0,39 дюймов. Поглотитель 110 может включать в себя металлический вольфрам уменьшенной плотности или пористый; сплав на основе вольфрама или соединение на основе вольфрама.

Как показано на Фиг.5, материал-поглотитель 110 главным образом находится в удлиненном трубчатом элементе 48. Также показанный на Фиг.5 поглотитель 110 может быть дважды инкапсулированным, сначала посредством внутренней опорной трубы 58, а затем посредством удлиненного трубчатого элемента 48. Внутренняя опорная труба 58 сконструирована в виде муфты, которая полностью окружает и инкапсулирует поглотитель 110, а удлиненный трубчатый элемент 48, т.е. оболочка, изолирует поглотитель 110 и опорную трубу 58 от воды первичного теплоносителя. Внутренняя опорная труба 58 выполнена из металла, имеющего хорошие характеристики механической прочности и теплопроводности в требуемых условиях эксплуатации. Кроме того, точка плавления должна быть достаточно высокой для поддержания непрерывной целостности в окружающей материал-поглотитель среде. Подходящие материалы для опорной трубы 58 могут включать в себя, без ограничения, цирконий и сплавы на основе циркония; алюминий и сплавы на основе алюминия; сплавы на основе никеля, такие как Сплав 718 (UNS N07718) и Сплав 625 (UNS N06625); и нержавеющую сталь, такую как СС-304L и СС-316L. Внутренняя опорная труба 58 закрыта с двух концов пробками с тем, чтобы обеспечить изоляцию поглотителя 110 в случае повреждения удлиненного трубчатого элемента 48. Опорная труба 58 также может облегчить теплоотдачу от поглотителя 110 и обеспечить структурную опору для поглотителя 110.

В одном из вариантов осуществления изобретения внутренняя опорная труба 58 может быть изготовлена из материала - вторичного поглотителя, который может быть выбран для увеличения поглощения нейтронов и/или оптимизации удельного веса и, кроме того, для облегчения теплоотдачи и обеспечения структурной поддержки. Вторичный поглотитель может иметь меньшее сечение захвата, чем сечение захвата поглотителя 110, т.е. первичного поглотителя. Вторичный поглотитель может иметь микроскопическое сечение захвата поглотителем 2200 м/с нейтронов, равное 2-6 барн. Более того, вторичный поглотитель может иметь плотность, равную 7-9 г/см³. Неограничивающие примеры подходящих материалов - вторичных поглотителей могут включать в себя, без ограничения, металлические сплавы на основе никеля, такие как Сплав 718 (UNS N07718) и Сплав 625 (UNS N06625); и нержавеющую сталь, такую как СС-304L и СС-316L.

Не будучи связанным никакой теорией предполагается, что более малое сечение захвата нейтронов вторичным поглотителем служит, чтобы уравновесить большее сечение захвата нейтронов первичным поглотителем. Аналогично, более низкая плотность вторичного поглотителя служит, чтобы уравновесить более высокую плотность первичного поглотителя. Манипулируя относительными пропорциями и материалами, выбранными для первичных и вторичных поглотителей, можно получить проект GRCA, который одновременно оптимизирует и реактивную способность, и вес стержня до требуемой величины, при этом в то же самое время значительно улучшая характеристики теплоотдачи. Муфта и/или оболочка может быть заполнена инертным газом, таким как, без ограничения, гелий или аргон, чтобы предотвратить окисление первичного поглотителя при высоких рабочих температурах и дополнительно улучшить теплоотдачу. В муфте или оболочке первичный поглотитель может быть в виде стопки правильных круглых цилиндров, одного цилиндра или частиц (например, порошка).

Поглотитель нейтронов настоящего изобретения может быть расположен в удлиненном трубчатом элементе 48 по существу концентрически. Поглотитель нейтронов настоящего изобретения также может быть расположен в опорной трубе 58 по существу концентрически, и опорная труба может находиться в трубчатом элементе 48. Опорная труба 58 может иметь толщину стенки, которая по существу определяется расстоянием между внешним диаметром поглотителя 110 и внутренним диаметром удлиненного трубчатого элемента 48. Как показано на поперечном сечении по Фиг.6, диаметр 54 приведенного в качестве примера поглотителя 110 меньше в