3.2.14 Система прямого измерения расхода

Прямое измерение расхода натрия в первом контуре реактора БН‑1200 [8, 9] позволяет повысить его безопасность и улучшить эксплуатационные характеристики. Для обеспечения прямого измерения расхода первичные преобразователи предлагается расположить в расходомерном устройстве, которое в свою очередь должно располагаться внутри напорного трубопровода, иметь прямолинейный участок (L@5D), иметь скорость прохождения натрия, равной скорости в напорном трубопроводе, и быть заменяемым (рисунок 3.18).

Для обеспечения прямого измерения расхода может быть использован термокорреляционный расходомер, основанный на регистрации малых пульсаций температуры на границе «натрий – внутренняя стенка трубопровода», последующей корреляционной обработке шумов термо-э.д.с. и определении времени транспорта температурных неоднородностей между двумя измерительными сечениями.

В качестве альтернативы представленному выше корреляционному расходомеру может быть применен ультразвуковой расходомер.

Принцип действия ультразвукового расходомера основан на измерении разности прохождения ультразвуком пути L от излучателя до приемника в направлении, совпадающем с потоком, и в направлении против потока жидкости.

Рисунок 3.18 - Система прямого измерения расхода

3.3 Активная зона

Активная зона состоит из 1430 сборок разного типа, установленных со средним шагом 185 мм. Центральная часть активной зоны сформирована из 426 ТВС с топливом одного обогащения и 31 ячеек с регулирующими сборками. Далее по радиусу сформирована БЗВ из двух рядов сборок и защита внутриреакторного хранилища из двух рядов сборок с естественным карбидом бора. Ёмкость ВРХ (194 ячеек) достаточна для обеспечения выдержки в нём отработавших ТВС в течение двух интервалов работы реактора между перегрузками. За ВРХ в трех-четырёх рядах ячеек размещены сборки с естественным карбидом бора для формирования дополнительной боковой защиты внутриреакторного оборудования.

Картограмма активной зоны с указанием количества сборок разного типа приведена на рисунке 3.19 Конструкция ТВС активной зоны со смешанным оксидным топливом представлена на рисунке 3.20.

Основные технические характеристики ТВС активной зоны приведены в таблице 3.9.

ТВС боковой зоны воспроизводства имеет такую же чехловую трубу, как ТВС активной зоны, внутри которой располагается пучок из 127 твэл с оболочкой диаметром 140.4 мм. Твэл по высоте 1,7 м заполнены таблетками обеднённого диоксида урана. Эффективная плотность диоксида урана в твэл – 9,7 г/см³.

Сборки борной защиты по внешней конфигурации соответствуют ТВС, имеют такой же шестигранный чехол. Внутри чехла размещены 19 ПЭЛ с оболочками диаметром 361 мм, содержащие естественный карбид бора.

Рисунок 3.19 - Картограмма сборок активной зоны

Рисунок 3.20 - Общий вид ТВС активной зоны с МОКС-топливом

Таблица 3.9 - Основные технические характеристики ТВС активной зоны

Наименование	Значение
Размер шестигранного чехла, мм	181×3.5
Материал чехла	Сталь ЭП-450
Количество твэл в ТВС, шт	271
Диаметр и толщина оболочки твэл, мм	9,3×0,6
Материал оболочки твэл	Сталь типа ЭП-450
Эффективная плотность МОХ-топлива, г/см3	9,2
Массовая доля плутония в смеси урана и плутония, %	18,1*
Высота активной зоны, мм	850
Высота натриевой полости, мм	430
Высота верхней борной защиты, мм	650
Высота НТЗВ, мм	350
Эффективная плотность UO2 обедн. в НТЗВ, г/см3	9,5
Высота газовой полости, мм	1100
*Для собственного состава плутония, формирующегося при многократном рециркулировании топлива в замкнутом топливном цикле.

В перспективе могут быть применены другие варианты активной зоны:

• с гетерогенными воспроизводящими вставками.

• с нитридным топливом при сохранении всех основных конструктивных характеристик ТВС, за исключением высоты активной зоны, которую по условиям НПР необходимо уменьшить до 80 см;

В системе управления и защиты используются четыре типа поглощающих стержней соответственно функциональному назначению:

• компенсирующие стержни (КС) для компенсации изменения запаса реактивности при эксплуатации реактора;

• регулирующие стержни (РС) для автоматического регулирования и поддержания мощности реактора в процессе его работы;

• стержни аварийной защиты (АЗ) для экстренного снижения мощности реактора и перевода его в подкритическое состояние при нарушении нормальной эксплуатации;

• стержни пассивной защиты (ПАЗ) для экстренного снижения мощности реактора при нарушении нормальной эксплуатации.

Сборка регулирующая представляет собой единую конструкцию, состоящую из гильзы и поглощающего стержня, который расположен внутри гильзы и может в ней свободно перемещаться на величину рабочего хода 1000 мм. В качестве поглощающего материала используется карбид бора с обогащением по бору-10 80 % для КС и РС и 92 % - для стержней АЗ и ПАЗ. Карбид бора размещен в пучке ПЭЛ, состоящем из 19 элементов с размером оболочки  27х1 мм. Высота столба поглотителя - 950 мм.

В активной зоне принята равномерно-частичная перегрузка ТВС. Для обеспечения КИУМ = 0.9 при работе реактора с одной перегрузкой в год длительность интервала работы между перегрузками принималась равной 330 эфф. суток. С целью выравнивания условий эксплуатации ТВС, в части достигаемой глубины выгорания топлива, длительность облучения периферийных ТВС назначалась на один-два интервала больше. Отработавшие ТВС активной зоны выдерживаются в ВРХ в течение двух интервалов (2 года). Основные характеристики схемы перегрузок ТВС активной зоны приведены в таблице 3.10.

Таблица 3.10– Основные характеристики схемы перегрузок ТВС активной зоны

Характеристика	Значение
Количество ТВС, шт.	426
Кратность перегрузок (на периферии активной зоны)	5 (6 / 7 для 66 / 84 ТВС)
Длительность интервала между перегрузками, эфф. сут	330
Длительность выдержки в ВРХ, количество интервалов	2
Количество ТВС, обновляемых за одну перегрузку, шт.	80

Длительность облучения ТВС БЗВ первого ряда принималась равной восьми интервалам из условия обеспечения такого же уровня максимальных линейных нагрузок на твэл, как в ТВС активной зоны. Длительность облучения ТВС БЗВ второго ряда принималась равной десяти интервалам, исходя из приемлемой кампании воспроизводящих сборок с точки зрения оборота накапливаемого плутония.

Основные физические характеристики активной зоны определены в результате расчетов в диффузионном приближении с использованием программ JARFR [10] (в трёхмерной гексагональной геометрии) и SYNTES [11] (в R-Z геометрии). Основные эффекты и коэффициенты реактивности приведены в таблице 3.11.

Таблица 3.11 – Основные эффекты и коэффициенты реактивности

Наименование	Значение
Изменение реактивности при выгорании топлива (за интервал работы 330 эфф. сут), % ΔК/К	-1,87
Натриевый пустотный эффект реактивности, % ΔК/К	+0,3
Натриевый плотностной коэффициент реактивности*, (ΔК/К)/С	0
Температурно-мощностной эффект реактивности, % ΔК/К	-1,1
* по подогреву натрия в активной зоне

Полная расчётная эффективность системы стержней СУЗ составляет 6.96 % К/К. Эффективная доля запаздывающих нейтронов (β_эфф) составляет 0.0035. Характеристики воспроизводства топлива указаны в таблице 3.12.

Таблица 3.12 – Характеристики воспроизводства топлива в реакторе

Наименование	Значение
Коэффициент воспроизводства (КВ):
- активная зона (КВА)	0,90
- торцевая зона воспроизводства	0,18
- боковая зона воспроизводства	0,12
- реактор	1,2
Избыточная наработка плутония в реакторе (КИУМ =0.9), кг/год	178

В перспективе КВ может быть увеличена до 1,45 за счет применения активной зоны с гетерогенными воспроизводящими вставками и с нитридным топливом.

Основные характеристики, определяющие условия эксплуатации сборок активной зоны, и потребление топлива при эксплуатации реактора приведены в таблице 3.13.

Таблица 3.13 – Основные эксплуатационные характеристики активной зоны

Наименование	Значение
Тепловая мощность, МВт	2800
Кампания ТВС активной зоны, эфф. сут	1650 (1980/2310*)
Максимальное выгорание топлива, % т.а.	17,2 (17,1/16,6)
Среднее по выгружаемым ТВС выгорание топлива, % т.а.  МВтсут/кг	11,6 113
Начальная загрузка по плутонию, т	7,5
Потребление топлива (загрузка), т/год, в том числе плутония	8,74 1,39
Максимальное повреждающая доза на ТВС, сна	164 (163/158)
Максимальная линейная мощность твэл, кВт/м	44,8
Температура теплоносителя, С - на входе в активную зону - на входе в ПТО	410 550
Суммарный расход теплоносителя через активную зону (через ПТО), кг/с	15784
Максимальная температура оболочки твэл с учётом неопределённости параметров, С	670
Гидравлическое сопротивление активной зоны, МПа	0,45
* - для периферийных ТВС

В настоящем проекте выполнены проработки, в которых показана возможность внедрения на реакторе БН-1200 системы останова реактора, основанной на пассивном принципе срабатывания [12, 13]. В процессе выбора варианта конструктивного исполнения ПАЗ анализировались характеристики и особенности возможных конструкций ПАЗ, их преимущества и недостатки с точки зрения использования в реакторе БН-1200.

Для реактора БН-1200 разработана система ПАЗ для двух вариантов, основанных на разных принципах срабатывания:

• ПАЗ, основанная на гидравлически взвешенных стержнях;

• ПАЗ, основанная на температурном принципе срабатывания.

В качестве материалов срабатывающих устройств рассматриваются: материал с ЭПФ, магнитный материал с точкой Кюри, биметаллические пластины и плавкий элемент.

Система ПАЗ на основе гидравлически взвешенных стержней ПАЗ достаточно хорошо проработана для реактора БН-800. Эта система в том же конструктивном исполнении применена на реакторе БН-1200.

Принципиальная функциональная схема системы гидравлически взвешенных ПАЗ реактора БН-1200 изображена на рис.3.21. Этот тип ПАЗ обеспечивают перевод реактора в подкритическое состояние, перемещаясь от исходного положения до полного погружения в активную зону за время ~7 с. Эффективность системы составляет 0,8 % К/К.

1-ТВС	2-стержень ПАЗ
3-исполнительный механизм СУЗ	4-гильза ПАЗ
5-направляющая труба ИМ СУЗ	6-сигнальный стержень ИМ СУЗ
7-захват ИМ СУЗ

Рисунок 3.21 - Схема функционирования ПАЗ, основанная на гидравлически взвешенных стержнях

Система ПАЗ, реагирующая на изменение температуры натрия в активной зоне, более универсальна с точки зрения отклика на различные типы аварий. Данный тип устройств чувствителен к повышению температуры теплоносителя во всех авариях с разбалансом соотношения мощности и расхода.

В настоящем техническом предложении рассмотрена сборка ПАЗ, по внешней конфигурации аналогичная ТВС, с 4 вариантами срабатывающих устройств.

Сборка ПАЗ состоит из трех основных частей: головки, средней части и хвостовика.

Головка приварена к верхней части чехловой трубы и предназначена для сцепления сборки ПАЗ с устройствами системы транспортно-технологического тракта при загрузке-выгрузке. В головке закреплено срабатывающее устройство с термочувствительным элементом.

Средняя часть сборки ПАЗ представляет собой шестигранную трубу, в нижней части которой размещен пучок твэл. В центре пучка твэл размещается гильза. Пучок твэл обеспечивает необходимый подогрев срабатывающего устройства. В верхней части чехловой шестигранной трубы размещен пучок ПЭЛ из 7 элементов с длиной активной части 950 мм. Активная часть ПЭЛ заполнена вкладышами карбида бора диаметром 27 мм с 92% обогащением по изотопу В-10. Масса перемещаемого пучка ПЭЛ составляет ~20 кг.

Принципиальная конструкция первого варианта срабатывающего устройства приведена на рисунке 3.22.

При достижении температуры натрия на выходе из сборки ~650 ^оС в стержнях с ЭПФ возникают усилия термометрического возврата (экспериментально подтверждено, что возникающая деформация в материалах с ЭПФ составляет ~2,5 %), стержни укорачиваются на ~10 мм, освобождают лапки захватного устройства и пучок ПЭЛ под действием разгоняющей пружины и под собственным весом перемещается в пределы активной зоны до упора в нижнюю трубу гильзы. При подходе пучка ПЭЛ к нижней трубе происходит его гидродинамическое торможение.

Принципиальная конструкция срабатывающего устройства второго, третьего и четвертого вариантов (с биметаллической пластиной, магнитом с точкой Кюри и плавкой вставкой) приведена на рисунке 3.23.

При достижении определённого уровня температуры натрия на выходе из сборки срабатывающие устройства освобождают пучок ПЭЛ, который под собственным весом перемещается в пределы активной зоны (в варианте с плавкой вставкой имеется пружина). Выполненный в [11] анализ показывает, что для рассмотренных вариантов ПАЗ можно рассчитывать на достижение инерционности срабатывания в диапазоне 5 – 10 с. при повышении температуры натрия до ~650 ^оС.

Рисунок 3.22 - Первый вариант сборки ПАЗ срабатывающим устройством на основе стержней с ЭПФ

Рисунок 3.23 - Второй, третий и четвертый варианты срабатывающих устройств в сборке ПАЗ