МОДУЛЬНАЯ ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩАЯ СБОРКА ПРЯМОТОЧНОГО ВОДО-ВОДЯНОГО ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА Российский патент 1997 года по МПК G21C3/30 G21C3/32 G21C3/334 

Изобретение относится к конструкциям тепловыделяющих сборок (ТВС) прямоточных водо-водяных ядреных реакторов, в которых ТВС состоят из корпуса и входящих в него модульных подсборок.

Известна модульная ТВС ядерного реактора, состоящая из четырех отдельных модульных подсборок, объединенных в единый корпус ТВС. [1] Корпус ТВС и модульные подсборки по этой заявке имеют входы и выходы для теплоносителя, при этом выходы теплоносителя из модульных подсборок одновременно являются выходом из корпуса ТВС.

Недостатком этой модульной конструкции ТВС является то, что, например, во время ее работы в режиме генерации и перегрева пара возможна гидравлическая неустойчивость и значительная разница в расходах теплоносителя через отдельные модули, включенные гидравлически параллельно и, как следствие этого, возможен перегрев твэлов в отдельных модулях.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемой конструкции модульной ТВС является конструкция, которая состоит из корпуса и помещенных в него четырех модульных подсборок. [2]
Корпус этой конструкции ТВС имеет вход и выход для теплоносителя. Каждая модульная подсборка также имеет вход и выход для теплоносителя. Теплоноситель, пройдя через вход в корпусе ТВС, попадает в торцевую полость, где разбивается на четыре равных потока, которые через входные отверстия выходя в модульные подсборки, омывают находящиеся в них твэлы и на выходе из подсборок опять сливаются в единый поток и через выходное отверстие в корпусе ТВС выходит нагретым до заданной температуры.

Недостатком этой конструкции ТВС так же, как и модульной конструкции ТВС по заявке Франции, является гидравлическая неустойчивость в режиме генерации и перегрева пара, которая может приводить к значительной разнице в расходах теплоносителя через каждый модуль и, как следствие будет приводить к перегреву твэлов в отдельных модульных подсборках и выходу их из строя.

Такая конструктивная схема модульной ТВС не пригодна для получения пара в ТВС, годного для непосредственного использования в паровой турбине электростанции, минуя систему теплообменников и парогенераторов, т.е. для одноконтурной атомной электростанции.

Для устойчивой работы ТВС в режиме получения на выходе из нее рабочего пара необходимо в каждой модульной подсборке иметь большое гидравлическое сопротивление на входе в каждую модульную подсборку.

Задачей изобретения является создание модульной тепловыделяющей сборки прямоточного водо-водяного ядерного реактора, конструкция которой должна обеспечивать:
генерирование в тепловыделяющей сборке пара, пригодного по своим параметрам для непосредственного использования в паровой турбине энергоагрегата;
недопущение образования паровой фазы в объеме, заключенном между корпусом ТВС и корпусами модульных подсборок и исключение попадания этого пара в модульные подсборки;
технологическую простоту селективного подбора гидравлического сопротивления модульных подсборок в процессе изготовления и гидравлической тарировки, а также технологическая простота в исправлении ошибки в установке величины гидравлического сопротивления модульной подсборки.

Техническим результатом изобретения является получение на выходе из модульной ТВС пара заданных параметров, который можно, минуя теплообменник и парагенератор, напрямую подавать в паровую турбину энергоагрегата. При этом защищаемая конструкция обеспечивает равномерное охлаждение всех элементов модульной ТВС независимо от мест расположения входных патрубков на корпусе ТВС и корпусах модульных подсборок, а также позволяет с минимумом трудозатрат обеспечивать высокую точность подбора величины гидравлического сопротивления каждой модульной подсборки.

Указанный результат достигается за счет того, что в конструкции модульной тепловыделяющей сборки прямоточного водо-водяного ядерного реактора, содержащей корпус с входом и выходом для теплоносителя и расположенные в корпусе модульные подсборки с тепловыделяющими элементами, снабженные отверстиями для входа и выхода теплоносителя, модульные подсборки выполнены в виде отдельных корпусов, входные и выходные отверстия которых снабжены входными и выходными патрубками, расположенными внутри корпуса тепловыделяющей сборки, при этом каждый входной патрубок выполнен в виде соизмеримой по длине с длиной корпуса подсборки трубки, часть которой деформирована на величину, обеспечивающую расчетный перепад давления теплоносителя на входе и выходе из трубки, а выходные патрубки с обеспечением герметичности выведены из корпуса ТВС и служат выходом из корпуса ТВС теплоносителя.

Кроме того внутри корпуса ТВС установлен стакан, при этом свободные концы трубок входных патрубков модульных подсборок размещены внутри стакана. Стакан необходим для распределения потока теплоносителя в корпусе ТВС в случаях, когда в модульных подсборках входное и выходное отверстия расположены на одном конце корпуса подсборки, а вход теплоносителя в корпус ТВС с противоположного конца или при расположении входного и выходного отверстий на противоположынх концах корпуса подсборки, а вход в корпус ТВС и выход из него на одном конце корпуса ТВС.

Вышеуказанная совокупность известных и отличительных признаков позволяет создать конструкцию модульной ТВС водо-водяного ядерного реактора, на вход которой подается теплоноситель в виде воды под давлением, а на выходе выходит пар, который можно подавать непосредственно в паровую турбину силовой установки.

При этом ТВС легко рассчитывается и настраивается на выработку пара под рабочие параметры конкретной турбины благодаря простоте расчета и точной установки величины перепада давления на входе в каждую модульную подсборку путем поперечной деформации на расчетную величину трубок входных патрубков.

На фиг. 1 изображена модульная тепловыделяющая сборка прямоточного водо-водяного ядерного реактора с корпусом 1, имеющим вход 2 и выход 3, и расположенные в корпусе модульные подсборки 4 с тепловыделяющими элементами, каждая из которой снабжена входным отверстием 5 для входа теплоносителя и выходным отверстием 6 для выхода теплоносителя. При этом каждое входное отверстие снабжено входным патрубком 7 в виде трубки, часть которой может быть деформирована в поперечном сечении на заданную величину, а выходное отверстие выходным патрубком 8. При этом вход 2 в корпус 1 ТВС и входные отверстия 5 на модульных подсборках выполнены на противоположном конце от входа 3.

На фиг. 2 показан вариант конструкции модульной тепловыделяющей сборки, у которой вход 2 на корпусе 1 и выходные отверстия 5 на модульных подсборках выполнены на том же конце ТВС, что и выход 3.

На фиг. 3 показан вариант конструкции модульно ТВС, когда вход 2 и выход 3 расположены в противоположных концах корпуса 1. а выходные отверстия 5 на модульных подсборках выполнены на том же конце ТВС, что и выход 3 корпуса 1, а для обеспечения равномерного охлаждения теплоносителем всех составных элементов ТВС, включая ее верхнюю часть, входные патрубки модульных подсборок в виде трубок 7 помещены в стакан 9.

На фиг. 4 показан вариант конструкции модульной ТВС, когда вход 2 и выход 3 расположены на одном конце корпуса 1, а входные отверстия 5 на модульных подсборках выполнены в противоположном конце от входа 2 и входа 3 тепловыделяющей сборки, а для обеспечения равномерного охлаждения теплосистем всех составных элементов ТВС, включая ее нижнюю часть, входные патрубки модульных подсборок в виде трубок 7 помещены в стакан 9, закрепленный вверх дном.

Модульная тепловыделяющая сборка работает следующим образом.

Теплоноситель вода под давлением, недогретая до кипения, поступает через вход 2 в корпус 1 тепловыделяющей сборки, в которой размещены модульные подсборки 4 в виде герметичных сосудов с тепловыделяющими элементами 9фиг. 1 - 4).

Затем теплоноситель течет в объеме, заключенном между внутренней поверхностью корпуса 1 и наружной поверхностью модульных подсборок 4 (фиг. 1, 2) и поступает на вход в патрубки 7. проходит внутри этих патрубков и поступает на вход в модульные подсборки 4, теряя при этом давление на требуемую величину. Проходя через модульные подсборки 4, теплоноситель получает тепло, выделяемое в этих модульных подсборках, тепловыделяющими элементами нагревается до кипения, испаряется и перегревается до требуемой температуры, затем поступает в выходное отверстие 6 модульной подсборки 4, а затем на выход 3 из корпуса ТВС через патрубки 8.

В случае выполнения конструкции ТВС согласно фиг. 3, 4 теплоноситель, поступив на вход корпуса ТВС 2, далее протекает в объеме, ограниченном внутренней поверхностью корпуса ТВС 1 наружными поверхностями модульных подсборок 4 и наружной поверхностью стакана 9, затем поступает внутрь стакана 9, проходит по нему, после чего поступает на вход в патрубки 7 и далее, как было описано выше.

Положительными результатами работы прямоточной ТВС водо-водяного реактора, согласно данному предложению, заключаются в следующем.

Теплоноситель (некипящая вода) на тракте течения от входа 2 в корпус 1 ТВС до входа 5 в модульную подсборку 4 выполняет роль замедлителя и по условиям устойчивой работы реактора необходимо обеспечить условия, при которых он не должен существенно менять свою плотность, т.е. закипать.

Патрубок 7, выполненный из трубки небольшого диаметра, обеспечивает большое гидравлическое сопротивление, величина которого выбирается из условий сохранения гидродинамической устойчивости гидравлически параллельно включенных тепловыделяющих модульных подсборок 4.

Благодаря этому давлению и температура кипения внутри модульных подсборок 4 ниже, чем снаружи, т.е. в объеме, заключенном между корпусом 1 ТВС и корпусами модульных подсборок 4.

При этом внутри модульных подсборок движение теплоносителя организовано так, что исключается соприкосновение перегретого пара с внутренней поверхностью корпуса модульной подсборки 4, а это в свою очередь исключает возможность закипания воды и появления паровой фазы в корпусе 1 ТВС.

Патрубки 7 модульных подборок 4 выполнены в виду трубок, соизмеримых по длине с высотой модульных подсборок 4.

Такая длина патрубков 7 позволяет исключить застойные зоны в корпусе 1 ТВС при различных вариантах расположения входов 2 и 5 на корпусах ТВС и модульных подсборок, а также исключить закипание теплоносителя за счет тепловыделения в результате работы в качестве замедлителя.

В вариантах исполнения ТВС, представленных на фиг. 1, 2, где входы 2 и 5 расположены с одной стороны корпуса ТВС, застойные зоны устраняются за счет расположения входных отверстий патрубков 7 в противоположной стороне от входа 2 корпуса 1 ТВС.

В вариантах исполнения ТВС, представленных на фиг. 3, 4, где входы 2 и 5 расположены в разных концах корпусах 1, застойные зоны устраняются путем помещения патрубков 7 в стакан 9, длина которого соизмерима с длиной корпуса 1.

При этом патрубки 7 одновременно выполняют роль гидравлического сопротивления при гидравлическом профилировании активной зоны и ТВС и подбираются селективно для каждой ТВС активной зоны реактора и модульной подсборки для данной ТВС. Трубчатое исполнение данного гидравлического сопротивления имеет целый ряд преимуществ. Во-первых, может быть рассчитана требуемая длина и внутренний диаметр этого патрубка, во-вторых, при контрольной гидравлической проверке после получения первой контрольной точки, используя достаточно простые расчеты, можно рассчитать величину, на которую требуется уменьшить длину патрубка, если гидравлическое сопротивление оказалось больше требуемого, либо в случае недостаточной длины путем обжатия (деформации) или изгиба патрубка увеличить гидравлическое сопротивление до требуемого. Таким образом сокращаются затраты времени и средств на селективный подбор гидравлического сопротивления патрубка и модульной подсборки.

Сущность: содержащиеся в тепловыделяющей сборке, модульные подсборки выполнены в виде отдельных герметичных корпусов с твэлами. Входные и выходные патрубки расположены внутри корпуса модульной сборки. Причем входные патрубки подсборок выполнены в виде трубки, часть которой деформирована на величину, обеспечивающую расчетный период давления на входе и выходе из трубки. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Модульная тепловыделяющая сборка (ТВС) прямоточного водо-водяного ядерного реактора, содержащая корпус с входом и выходом для теплоносителя и расположенные в корпусе модульные подсборки с тепловыделяющими элементами, снабженные отверстиями для входа и выхода теплоносителя, отличающаяся тем, что модульные подсборки выполнены в виде отдельных герметичных корпусов, входные и выходные отверстия которых снабжены входными и выходными патрубками, расположенными внутри корпуса ТВС, при этом каждый входной патрубок выполнен в виде соизмеримой по длине с длиной корпуса подсборки трубки, часть которой деформирована на величину, обеспечивающую расчетный перепад давления теплоносителя на входе и выходе из трубки, а выходные патрубки с обеспечением герметичности выведены из корпуса ТВС и служат выходом из корпуса ТВС теплоносителя. 2. Сборка по п.1, отличающаяся тем, что при расположении в модульных подсборках входного и выходного отверстий на одном конце корпуса подсборки, а входа в корпус ТВС с противоположного конца или при расположении в модульных подсборках входного и выходного отверстий на противоположных концах корпуса подсборки, а входа в корпус ТВС и выхода из него на одном конце корпуса ТВС, свободные концы трубок входных патрубков модульных подсборок размещены в стакане, распределяющем поток теплоносителя в корпусе ТВС.