СЪЕМНАЯ ЯДЕРНАЯ ТОПЛИВНАЯ СБОРКА Российский патент 1998 года по МПК G21C3/04 G21C3/32 

Настоящее изобретение относится к ядерное топливной сборке для реактора, в котором для охлаждения и замедления используется легкая вода, содержащая опорный каркас, имеющий два, наконечника, соединенных между собой при помощи направляющих труб, и решетки, распределенные вдоль сборки, причем каждая решетка имеет три набора перекрещивающихся пластин, ограничивающих ячейки, одни из которых пересекаются направляющими трубами, а другие топливными стержнями, при этом пластины снабжены средствами закрепления стержней, которые удерживают эти стержни в узлах треугольной регулярной сети и зафиксированы по меньшей мере на определенных направляющих трубах.

В ядерной технике известны топливные сборки, например, Авторское свидетельство СССР N 784570, кл. G 21 C 3/30, 1983, Авторское свидетельство СССР N 1702435, кл. G 21 C 3/32, 1988. Известна также топливная сборка ядерного реактора, содержащая верхнюю концевую деталь, выполненную подвижной относительно нижней части (Авторское свидетельство СССР N 708830, кл. G 21 C 3/04, 1983).

В Авторском свидетельстве N 784570 нет переходного колокола, а есть стакан шестиугольного сечения и верхняя концевая деталь, соединенная с шестиугольной частью пластиной. Существует резкое изменение горизонтальных габаритов, нет "перехода".

Авт. св. N 1702435 действительно описывает тепловыделяющую сборку типа, включающего внешнюю кассету. В этом документе нет переходного колокола, имеющего функцию, сравнимую с функцией, выполненной в сборке согласно настоящего изобретения. Кассета просто соединена с основанием, у которого конечная часть, которая должна вставляться в верхнюю пластину, имеет небольшой диаметр относительно прямой, обычной секции сборки, и соединяется с ней через коническую зону.

Прототипом рассматриваемого изобретения является авторское свидетельство N 708830, в котором заявлена структура верхнего наконечника сборки. Топливная сборка по известному уровню техники является одним из известных уровней техники, обозначаемых в России наименованием VVER-IOOO.

Авторское свидетельство N 708830 описывает конструкцию, предназначенную просто предохранять направляющие каналы (направляющие трубы) от перепада давления в случае разрыва главного циркуляционного трубопровода.

Верхний наконечник согласно указанному документу состоит из одной детали, которая может перемещаться в блоке относительно направляющей трубы. Все направляющие трубы пересекают верхний наконечник. Пружина размещена вокруг каждой направляющей трубы и сжата между плитой, принадлежащей наконечнику и опорной втулкой (13) направляющей трубы. В случае перемещения наконечника, вытекание воды от пучка тепловыводящих стержней сильно осложнено.

И напротив в заявленной сборке,
верхний наконечник также имеет нижнюю часть, включающую переходный колокол, в котором просверлены отверстия для вывода воды. Поэтому положение переходного колокола остается неизменным относительно топливных стержней, так что условия вытекания не меняются, если перемещается верхняя часть;
переходная плита (32) имеет разборное соединение только с некоторыми направляющими трубами (теми, которые не установлены в линию с трубчатой распоркой 44), а следовательно сборку легко демонтировать, чтобы удалить стержни, не разжимая пружины (46), очень простым способом, как это показано на прилагаемой фиг. 2А.

Специалисту невозможно получить результат, определенный пунктом 1 формулы изобретения, изменяя решение по авт. св. N 708830 с помощью двух других указанных документов.

В основу настоящего изобретения положена задача создания съемной сборки, в которой съемный верхний наконечник выполнен, с возможностью передачи сдерживающего усилия, создаваемого верхней пластиной активного участка реактора, что позволяет иметь дифференциальные расширения и дает возможность для выхода воды в гидравлических условиях, которые практически не меняются, каковы бы ни были дифференциальные расширения.

Поставленная задача решается так, что согласно изобретению верхний наконечник содержит также нижнюю часть, включающий колокол перехода от шестиугольного поперечного сечения к цилиндрическому участку, и переходную плиту, имеющую разборное соединение только с некоторыми из направляющих труб тем, что трубчатые распорки, ограничивающие взаимное удаление переходной плиты и поддерживающей плиты, установлены в линию с направляющими трубами другой группы, причем пружины сжаты между переходной плитой и поддерживающей плитой, а также тем, что каждая решетка образована связанными между собой пластинками, разграничивающими ячейки.

Желательно, чтобы пружины были размещены вокруг распорок.

Желательно, чтобы трубчатые распорки имели одинаковое отверстие с направляющими трубами.

Желательно, чтобы направляющие трубы II опирались на распорки, и эти последние имели бы опорный фланец на переходной плите и резьбовую концевую часть для навинчивания гайки регулировки максимального удаления между переходной плитой и поддерживающей плитой.

Желательно, чтобы средства закрепления переходной плиты на направляющих трубах содержали винт, блокированный от проворота после зажима на концевых патрубках направляющих труб.

Желательно, чтобы пластинки соединялись друг с другом по две в замок, и, чтобы средства зажима стержней содержали выступы, размещенные под углом 120^o на стенках ячейки относительно пружины, выполненной на другой стороне.

Желательно, чтобы выступы и пружины были бы вырезаны в стенке пластинки и создали бы опору для стержня в пяти точках.

Желательно, чтобы направляющие трубы имели диаметр больший диаметра топливных стержней, при этом пластинки были бы деформированы вокруг ячеек для приема труб, при этом деформация простирается на смежные ячейки.

Желательно, чтобы внутренние пластинки каждой решетки были бы изогнуты (79) на их концах с возможностью их стыковки с внешними пластинками под углом 90^o.

Желательно, чтобы пластинки были снабжены в местах перекрещивания прямыми щелями со скосами.

В дальнейшем изобретение поясняется описанием конкретных примеров выполнения со ссылками на приложенные чертежи, на которых: Фиг. 1 изображает схему основного вида спереди одной сборки, одного топливного стержня и одной направляющей трубы; Фиг. 2 изображает с большим увеличением, верхнюю часть сборки в осевом ее сечении; Фиг. 3 изображает вид спереди крепления большей части направляющих труб к верхнему и нижнему наконечникам, а также изображена часть нижней крайней решетки; Фиг. 4 изображает вид сверху части одной из решеток сборки фиг. 1; Фиг. 5A, B и C изображают схемы возможных видов связей между внутренними пластинами одной решетки; Фиг. 6 изображает вид сверху фрагмента фиг. 4, показывающий один из вариантов выполнения решеток, позволяющий использовать направляющие трубы большего диаметра, чем диаметр топливных стержней; Фиг. 7 и 8 изображают соответственно вид сверху и в сечении, по линии VIII-VIII фиг. 7, возможное построение упругих средств поперечного удержания и поддержки в крайней решетке;
Фиг. 9 аналогична фиг. 8, изображает сечение по линии IX-IX фиг. 6; Фиг. 10 изображает фрагмент пластины, с которой стыкуется язычок крепления на направляющей трубе; Фиг. 11 изображает с большим увеличением вид сверху фрагмента решетки, с изгибом внутренних пластин при их соединении с оболочкой.

Показанная на фиг. 1 топливная сборка 1 содержит верхний наконечник 2 и нижний наконечник 3, соединенные при помощи направляющих труб 4, и имеющая решетки 5 и 6, регулярно распределенные по направляющим трубам. Решетки ограничивают ячейки, распределенные по узлам регулярной сети, некоторые из которых пересекаются направляющими трубами 4 или центральной инструментальной трубой (не изображена на фиг. 1), а другие топливными (стержнями) 7. Эти стержни могут быть наложены на нижний наконечник 3. Они удерживаются в осевом направлении и поддерживаются в узлах сети при помощи решеток, как это будет ясно из дальнейшего описания. Решетки в свою очередь крепятся к определенным направляющим трубам.

При функционировании реактора нижний наконечник 3 ложится на опорную пластину активного участка реактора 8, имеющую входные отверстия для охладителя. Верхний наконечник 2 находится под воздействием верхней пластины 9 активного участка реактора, имеющей отверстия для выхода охладителя между наконечниками.

Ниже описано устройство верхнего наконечника и вид съемного крепления этого наконечника, позволяющего производить его снятие и установку на место, например, для замены стержней (фиг. 2 и 3).

Наконечник 2 имеет две части, которые могут скользить в вертикальном направлении друг относительно друга, и средства удержания, предназначенные для ограничения взаимного удаления двух частей и для передачи воздействий пластины 9 от одной части к другой.

Нижней частью является та, которая закреплена на направляющих трубах. Она имеет переходную пластину 11 в форме диска, закрепленную на верхнем цилиндрическом патрубке переходного колокола 12. Нижняя часть колокола 12 закреплена на ограничительной плите 13 шестигранного сечения, имеющей отверстия для прохода направляющих труб 4 и для охладителя. Ограничительная плита 13 находится от топливных стержней на расстоянии достаточном для создания возможности их удлинения (фиг. 1), и служит ограничителем подъема стержней.

Колокол 12 может быть, например, изготовлен из листовой нержавеющей стали, приваренной к плитам 11 и 13. Широкие вырезы 14 на каждой его стороне предназначены для прохода охладителя в пространство между верхними наконечниками.

Верхняя часть имеет возможность скольжения по цилиндрической стенке, образованной окружностью переходной плиты 11 и верхним патрубком колокола 12. Она содержит цилиндрическую гильзу 15, к которой приварена в поперечном направлении поддерживающая плита 16, снабженная в своем центре воронкой для прохода охладителя.

Средства удержания включают в себя несколько совокупностей распорка-пружина, например, три. Каждая совокупность содержит трубчатую распорку 17, расположенную в линию с направляющей трубой 4, и по меньшей мере одну спиральную пружину 18, окружающую распорку и сжатую между плитами 11 и 16. В варианте, показанном на фиг. 2, каждая совокупность содержит две установленные концентрически друг относительно друга пружины, имеющие различную жесткость.

Каждая распорка заканчивается фланцем, закрепленным на переходной плите 11. Верхняя часть трубчатой распорки имеет резьбу, на которую наворачивается гайка 19 регулировки максимального удаления между плитами 11 и 16, а следовательно, и предварительного сжатия пружины 18. Центральное отверстие в распорке 17 имеет такой же диаметр, что и направляющие трубы 4, что позволяет производить введение стержней командного набора или набора изменения спектра в направляющие трубы, расположенные по одной оси с трубчатыми распорками.

Направляющие трубы 4, группы II, расположенные по одной оси с распорками 17, просто упираются во фланец последних. Направляющие трубы группы I крепятся на переходной плите 11 при помощи разборных средств. В варианте, показанном на фиг. 3, эти средства включают в себя резьбовую втулку 20, внутренний диаметр которой достаточен для прохода стержней командного набора или набора изменения спектра. Эти втулки ввинчиваются в гильзы 21 с нарезанной резьбой, приваренные к концам направляющих труб 4. После завинчивания, втулки 20 блокируются от возможности проворота за счет деформации тонкой юбки, которой они снабжены, входящей в имеющуюся в переходной плите 11 выточку.

Все направляющие трубы 4 крепятся одинаково на нижнем наконечнике. Этот нижний наконечник 3, как правило, из нержавеющей стали, содержит переходную плиту 22, закрепленную на шестигранном корпусе и имеющую отверстия для прохода охладителя. Эта плита является опорой для топливных стержней 3. Она имеет отверстия с заплечиками для прохода резьбовых втулок 23, предназначенных для ввинчивания оконечных заглушек 24 направляющих труб 4. Во втулках имеется калибровочное отверстие 23а питания направляющих труб водой для охлаждения управляющих стержней или стержней изменения спектра, вводимых в направляющие трубы.

Решетки могут иметь построение, принцип которого показан на фиг. 4, образованное тремя наборами пластинок, имеющих сборочные щели, причем решетки одного набора параллельны между собой и наклонены на 120^o относительно пластинок двух других наборов (так в тексте, а нужно "пластинки одного набора" прим. перевод.). Как показано на фиг. 4, пластины могут быть смонтированы по две в замок.

В случае, показанном на фиг. 4, каждая решетка образована шестьюдесятью внутренними пластинками и шестью внешними пластинками. Внешние пластинки могут быть продолжены согнутыми направляющими язычками 25 (фиг. 3), позволяющими избежать риска зацепления между сборками при загрузке.

Две концевые решетки 5 образованы пластинками из сплава, сохраняющего свои свойства под действием радиации, например, из "Инконел 718". В этом случае пластинки могут быть закреплены по две при помощи пайки. Может быть использован и другой материал, например, мартенситная сталь.

В примере, изображенном на фиг. 3, предусмотрены оболочки 26 из нержавеющей стали, закрепленные пайкой на пластинках нижней концевой решетки. В эти оболочки входит нижний конец направляющих труб 14, закрепленных на плите 22 нижнего наконечника винтом 23. Аналогичным образом, верхняя решетка 5 может нести припаянные гильзы, предназначенные для окружения направляющей трубы. Верхняя крайняя решетка, оборудованная таким образом, после помещения ее на направляющие трубы может быть свободной или же удерживаться в осевом направлении при помощи колец, изготовленных из сплава на основе циркония, приваренных на определенные направляющие трубы, с одной и другой стороны от гильз. Может быть предусмотрен зазор для избежания напряжений.

Промежуточные решетки 6 могут быть выполнены либо из сплава на основе циркония, либо (если хотят иметь сохранение механических характеристик после воздействия радиации) из нержавеющего сплава, такого как "Инконел 718". Внешние пластинки могут быть еще снабжены отражателями, предназначенными для предотвращения зацепления смежных сборок при загрузке.

Пластинки могут собираться различным образом, в зависимости от того, хотят ли иметь простоту их изготовления или же надежность сварных межсоединений.

В варианте, показанном на фиг. 5a, сборочные щели пластин 27 и 28 набора с углом 120^o выполнены косыми. Недостатком такого решения является сложность разрезки, но при нем упрощается сварка.

В варианте, показанном на фиг. 5в, щели прямые, что упрощает изготовление пластинок, но менее благоприятно с точки зрения сварки.

Фиг. 5с демонстрирует компромисс между двумя предыдущими вариантами: щели одной пластины прямые, но снабжены опорными скосами для пластин другого набора.

Пластинки решетки снабжены средствами зажимания стержней, включающими в себя опорные выступы, выполненные в наружных пластинах, и совокупности выступ-пружина во внутренних пластинах. В варианте исполнения изобретения, показанном на фиг. 6, где направляющие трубы 4 имеют диаметр, превышающий диаметр стержней, опорные выступы вблизи ячеек, содержащих направляющие трубы, должны быть устранены.

Общеизвестно, что в ячейках стержни могут поддерживаться в пяти точках, распределенных на 120^o в трех направлениях. Две пластинки 27 и 28, которые ограничивают ячейку (фиг. 5-7), снабжены выступами 29, расположенными на двух различных уровнях. Одна из пластинок третьего набора 30 содержит вырезанную и деформированную пружину 31. Если выступы 29 расположены близко от щелей, то предпочтительно их образовывать частями вырезанными в форме мостов малой ширины, при этом отверстие под мостом идет в продольном направлении пластинки. Выступы и пружины могут иметь одинаковую ширину. Однако, могут быть использованы и выступы, например, в виде полукнопки, как это описано во французском патенте N 9009446.

Как это указано выше, пластинки должны быть локально деформированы для создания в ячейках достаточных размеров для входа направляющих труб 4 (фиг. 6). Так как различие диаметров направляющих труб 4 и топливных стержней 7 является значительным, эта деформация должна затрагивать ячейки, смежные с теми, в которые входят направляющие трубы. В этом случае деформация пластинки заменяется игрой двух выступов, расположенных в продольном направлении стержней, как это показано на фиг. 6 9, при этом стержень поддерживается в четырех точках, две из которых образованы выступами пластинок 32, а две другие пружинами 31.

В том случае, когда промежуточные решетки изготовлены из сплава на основе циркония, как и направляющие трубы 4, они могут закрепляться сваркой на трубах. Для этого пластинки могут быть продолжены расположенными вокруг направляющих труб выступающими язычками 33 (фиг. 10), которые могут быть приварены к направляющим трубам контактной сваркой.

Для облегчения сборки между внутренними и внешними пластинами, образующими оболочку, предпочтительно изгибать концевые части 34 внутренних пластинок, таким образом, чтобы они пересекались под углом 90^o с внешними пластинками, образующими оболочку 35 (фиг. 11). Такое расположение позволяет снабжать внутренние пластинки штырями, входящими в щели, предусмотренные в оболочке, до проведения сварки.

Внешние пластинки могут соединяться по краям оболочки, как это показано на фиг. 11, или же на ее сторонах. Это крепление может быть реализовано аналогично соединению внутренних пластинок между собой, за счет сварки электронным пучком или лазером.

Как указывалось ранее, могут быть также использованы промежуточные решетки, образованные пластинками из сплава, сохраняющего свои свойства при воздействии радиации, например, из "Инконел 718". В этом случае пластинки могут иметь меньшую толщину, чем в случае использования материала "Циркалой" и быть спаяны в точках их пересечения.

В другом варианте выполнения изобретения, сборка имеет триста двенадцать стержней, распределенных по узлам сети с шагом 12,75 мм. Опорный каркас содержит пятнадцать направляющих труб, установленных съемно на наконечниках, и три направляющих трубы, расположенных в линию с распорками. Крайние решетки изготовлены из материала "Инконел 718", а промежуточные решетки из материала "Циркалой". Эти размеры приводят к необходимости выбрать общую ширину 1,8 мм для выступов и пружин. Высота пластинок является одинаковой для промежуточных решеток и крайних решеток. Толщина внутренних пластинок порядка 0,4 мм была признана удовлетворительной. В случае изготовления решеток из материала "Циркалой" толщина должна быть увеличена.

Сущность: топливная сборка содержит опорный каркас, имеющий два наконечника, соединенные направляющими трубами и решетки. Каждая решетка имеет три набора перекрещивающихся пластинок, ограничивающих ячейки. Пластинки снабжены средствами зажимания стержней, которые удерживают эти стержни в узлах треугольной регулярной сети. Верхний наконечник имеет нижнюю часть, содержащую колокол перехода с шестигранного сечения к цилиндрическому патрубку, снабженный переходной плитой, являющейся съемной, и верхнюю часть, имеющую цилиндрическую гильзу, обладающую возможностью скольжения по цилиндрическому патрубку, и поддерживающую плиту. Трубчатые распорки ограничивают взаимное удаление переходной плиты и поддерживающей плиты. Пружины оказывают на плиту усилие, которое стремится их раздвинуть. 9 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Ядерная топливная сборка для реактора, в котором для охлаждения и замедления используется легкая вода, содержащая опорный каркас, имеющий два наконечника, соединенных между собой при помощи направляющих труб, и содержащий решетки, распределенные вдоль топливной сборки, каждая из решеток ограничивает ячейки, часть из которых пересекают направляющие трубы, а сквозь другую часть проходят топливные стержни, снабжена средствами, которые удерживают топливные стержни в узлах регулярной треугольной сети и прикреплена к по меньшей мере некоторым из направляющих труб, образующим первую группу направляющих труб, верхний наконечник содержит верхнюю часть, имеющую цилиндрическую гильзу, обладающую возможностью скользить в вертикальном направлении на нижней цилиндрической части, прикрепленной к поддерживающей плите, и пружины, опирающиеся на поддерживающую плиту и стремящиеся приподнять верхнюю часть, отличающаяся тем, что верхний наконечник содержит также нижнюю часть, включает колокол перехода от шестиугольного поперечного сечения к цилиндрическому участку, и переходную плиту, имеющую разборное соединение только с некоторыми из направляющих труб, трубчатые распорки, ограничивающие взаимное удаление переходной плиты и поддерживающей плиты, установлены в линию с направляющими трубами другой группы, причем упомянутые пружины сжаты между переходной и поддерживающей плитами, каждая решетка образована связанными между собой пластинками, разграничивающими ячейки. 2. Сборка по п.1, отличающаяся тем, что пружины размещены вокруг распорок. 3. Сборка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что трубчатые распорки имеют одинковое отверстие с направляющими трубами и выполнены с возможностью введения стержней, принадлежащих к командному набору или набору изменения спектра. 4. Сборка по п.3, отличающаяся тем, что направляющие трубы второй группы опираются на распорки, последние имеют опорный фланец на переходной плите и резьбовую концевую часть, выполненную с возможностью навинчивания гайки регулировки максимального удаления между переходной и поддерживающей плитами. 5. Сборка по одному из предшествующих пунктов, отличающаяся тем, что средство закрепления переходной плиты на направляющих трубах содержит винт, блокированный от проворота после зажима на концевых патрубках направляющих труб. 6. Сборка по одному из предшествующих пунктов, отличающаяся тем, что пластинки выполнены с возможностью соединения по две в замок, средства зажима стержней содержат выступы, размещенные под углом 120^o на стенках ячейки относительно пружины, выполненной на другой стороне. 7. Сборка по п. 6, отличающаяся тем, что выступы и пружины вырезаны в стенке пластинки и создают опору для стержня в пяти точках. 8. Сборка по одному из пп.1 7, отличающаяся тем, что направляющие трубы имеют диаметр больше диаметра топливных стержней, при этом пластинки деформированы вокруг ячеек для приема труб, причем деформация простирается на смежные ячейки. 9. Сборка по одному из пп.1 8, отличающаяся тем, что внутренние пластинки каждой решетки изогнуты на концах с возможностью их стыковки с внешними пластинками под углом 90^o. 10. Сборка по одному из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что пластинки снабжены в местах перекрещивания прямыми щелями со скосами.