ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩАЯ СБОРКА ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА Российский патент 1998 года по МПК G21C3/30 G21C3/34 

Изобретение относится к области ядерной техники и технологии, в частности к конструкции ТВС ядерных реакторов водо-водяного типа, например ВВЭР-1000.

Известна ТВС, содержащая гексагональный в поперечном сечении пучок тепловыделяющих элементов, установленных вертикально таким образом, что их продольные оси находятся на одинаковом расстоянии друг от друга, в каркасе, включающем дистанционирующие решетки сотовой конструкции и имеющие в своем составе ячейки и обод, несущую решетку, хвостовик, съемную головку, а также центральную трубу и направляющие каналы в виде труб, внутрь которых входят стержни управления и защиты и имеющих на нижнем торце наконечники, которыми они прикреплены к несущей решетке, закрепленной на хвостовике [1].

Недостатком такой конструкции является закрепление дистанционирующих решеток на пучке твэлов и направляющих каналов только за счет сил трения, поскольку под влиянием, неравномерного роста твэлов происходит деформирование решеток, в том числе за счет изменения расстояний между ними вдоль оси ТВС, как следствие заклинивание твэлов в их ячейках и деформирование ТВС в целом, приводящее к искривлению ее продольной оси, искривлению продольных осей направляющих каналов, что в конечном итоге приводит к заклиниванию в них стержней управления и защиты, т.е. выходу ТВС из строя.

Наиболее близкой к заявляемой и взятой за прототип является конструкция ТВС, описанная в [2].

По сравнению с [1], обода дистанционирующих решеток этой ТВС скреплены уголками, приваренными к ним и закреплены на хвостовике винтами. Это препятствует взаимному перемещению решеток относительно друг друга при работе ТВС в реакторе.

Недостатком этой ТВС является сохраняющаяся возможность перемещения поля ячеек дистанционирующей решетки вдоль пучка твэлов с образованием прогиба ее в поперечном направлении с максимальным значением в районе продольной оси ТВС. Проведенные эксперименты по моделированию указанной ситуации на макетах ТВС показали, что изменение профиля поперечного сечения дистанционирующей решетки с увеличением прогиба влечет за собой увеличение усилий перемещения твэлов в ячейках.

Для обеспечения работоспособности ТВС за счет исключения прогибов полей дистанционирующих решеток возможно закрепление их на направляющих каналах, например сваркой, однако, учитывая особенности конструкций, затесненность подходов и значительные габариты по длине, такое закрепление создает существенные технологические проблемы, которые усугубляются при обеспечении соответствующей защиты мест сварки в связи с использованием в качестве материалов направляющих каналов и дистанционирующих решеток сплавов циркония. Все это снижает технологичность изготовления ТВС.

Известно, что в большинстве конструкций ТВС типа ВВЭР используются дистанционирующие решетки, описанные в [3], ячейки которых имеют пуклевки в виде гофров. В ТВС [1] и [2] также используются дистанционирующие решетки, описанные в [3], причем в местах расположения направляющих каналов (вместо твэлов) соответствующие ячейки отсутствуют, а посадочное место образовано частями контуров шести окружающих отсутствующую ячеек, и его контур имеет три центральносимметрично расположенных кармана в местах расположения гофров этих ячеек. Тогда, выполняя на наружной поверхности направляющих каналов ряд ограничительных конструктивных элементов, позволяющих пропускать каналы через посадочные места всех дистанционирующих решеток ТВС, а затем, повернув их вокруг продольной оси на 60 градусов можно закрепить поле ячеек решетки с возможностью перемещения его в пределах допуска на расстояние между этими ограничительными элементами. Это расстояние определяет допустимый прогиб поля ячеек дистанционирующей решетки. В свою очередь допустимый прогиб поля ячеек решетки выбирается из условия работы гофров ячеек в зоне упругих деформаций. Результаты экспериментальной проверки предложенной конструкции ТВС с ограниченным перемещением поля ячеек дистанционирующих решеток относительно направляющих каналов и центральной трубы при скрепленных между собой ободах показали, что усилия перемещения пучка твэлов в ТВС не возрастают при перемещении твэлов относительно дистанционирующих решеток, если прогиб последней при этом составляет не более определенной величины, которая зависит от того, выходят ли деформации гофров ячеек за пределы упругости.

Таким образом, дистанционирующая решетка с подкреплением в местах установки направляющих каналов не оказывает значительного сопротивления перемещению твэлов через нее в отличие от случая, когда такое подкрепление отсутствует и прогиб решетки приводит к возрастанию усилий и ее разрушению. Для ТВС реактора ВВЭР-1000 усилие перемещения 312 твэлов через две дистанционирующие решетки составляет около 900 кг, т.е. на 1 твэл приходится около 1,5 кг и соответствует среднему усилию перемещения единичного твэла через одну решетку, что говорит о том, что деформации в дистанционирующей решетке, вызванные ее прогибом на 1,5...2,0 мм не приводят к изменению усилий взаимодействия в системе твэл-ячейка и являются допустимыми. В качестве критерия предельных деформаций в дистанционирующей решетке принимается переход от упругих к пластическим деформациям в гофрах ячеек дистанционирующих решеток.

Из изложенного следует, что подкрепление дистанционирующих решеток по местам расположения направляющих каналов с возможностью ограниченного перемещения вдоль последних на величины, не выводящие гофры ячеек за пределы зоны упругих деформаций позволяют производить монтаж дистанционирующих решеток даже при наличии значительных отклонений от плоскости их поля расположения ячеек и обеспечивают работоспособность дистанционирующих решеток после установки твэлов и окончательной сборки ТВС.

Целью настоящего изобретения является повышение работоспособности ТВС, а также повышение технологичности выполнения сборочных операций.

Указанная цель достигается тем, что дистанционирующие решетки установлены на направляющих каналах с возможностью ограниченного перемещения ячеек вдоль последних при относительных движениях тепловыделяющих элементов вследствие радиационного роста и термического расширения, причем величина перемещения выбрана из условия работы гофров ячеек в зоне упругих деформаций, для чего на наружной поверхности труб направляющих каналов имеются три продольных центральносимметрично расположенных ребра, причем в местах установки дистанционирующих решеток эти ребра срезаны на соответствующую протяженность, а наружный диаметр оставшейся поверхности трубы равен диаметру вписанной окружности посадочного места под направляющий канал в дистанционирующей решетке, образованного поверхностями шести окружающих ячеек и имеющего три центральносимметрично расположенных "кармана" в местах расположения гофров, через которые пропускаются ребра направляющих каналов при установке их в дистанционирующие решетки до упора буртов наконечников направляющих каналов в несущую решетку с последующим поворотом на 60 градусов вокруг продольной оси, в результате чего ребра оказываются вне зоны расположения "карманов", ограничивая перемещение ячеек вдоль направляющих каналов, и закреплением в несущей решетке, например, сваркой, а конструкция центральной трубы аналогична направляющим каналам.

Для дальнейшего повышения работоспособности ТВС необходимо повысить жесткость соединения направляющих каналов с дистанционирующими решетками в посадочных местах последних, для чего в посадочных местах под направляющие каналы дистанционирующих решеток установлены цилиндрические втулки наружный диаметр которых равен вписанному диаметру отверстия, образованного шестью ячейками, окружающими посадочное место, внутренний диаметр равен диаметру посадочного места направляющего канала, а через 120 градусов в поперечном сечении выполнены гофры, уплотненные в упомянутые "карманы".

Для дальнейшего повышения работоспособности ТВС за счет увеличения эффективности перемешивания теплоносителя, ребра на направляющих каналах расположены по спирали с шагом, кратным шагу расположения дистанционирующих решеток на них.

На фиг. 1 представлен общий вид ТВС; на фиг. 2 - поперечное сечение ТВС в районе установки дистанционирующей решетки; на фиг. 3 - направляющий канал предлагаемой ТВС и его поперечное сечение; на фиг. 4 - поперечное сечение фрагмента предлагаемой ТВС в месте установки направляющего канала и сам канал в момент установки его в решетку; на фиг. 5 - положение направляющего канала в собранной ТВС; на фиг. 6 - поперечное сечение дистанционирующей решетки собранной ТВС со втулкой в посадочном месте под установку направляющего канала.

Тепловыделяющая сборка состоит из твэлов 1, дистанционирующих решеток 2, центральной трубы 3, направляющих каналов 4, несущей решетки 5, хвостовика 6, съемной головки 7 и уголков 8.

Дистанционирующие решетки состоят из ячеек 9 и 10, а также обода 11. Ячейки имеют в своем составе гофры 12. В местах установки направляющих каналов ячейки отсутствуют, за счет чего образованы "карманы" 13.

Направляющие каналы предлагаемой ТВС имеют на наружной поверхности ребра 14, срезанные в местах 15 установки на них дистанционирующих решеток, а также наконечник 16, которым он крепится в несущей решетке.

В посадочное место под направляющий канал дистанционирующих решеток может быть установлена втулка 17.

Источники информации.

1. Б. А. Дементьев. Ядерные энергические реакторы. М. Атомэнероиздат. 1990. с. 42-44.

2. Заявка 95105630/25, G 21 C.

3. Патент N 1785370, G 21 C.

Тепловыделяющая сборка содержит твэлы, дистанционирующие решетки сотовой конструкции, имеющие в своем составе соединенные между собой ячейки с пуклевками в виде гофров и обод, несущую решетку, хвостовик, съемную головку, центральную трубу и направляющие каналы. Дистанционирующие решетки установлены на направляющих каналах с возможностью ограниченного перемещения ячеек вдоль последних при движении тепловыделяющих элементов вследствие радиационного роста и термического расширения, при этом величина перемещения выбрана из условия работы гофров ячеек в зоне упругих деформаций. В результате снижаются деформации твэлов и уменьшается усилие установки твэлов в решетку. В посадочных местах под направляющие каналы дистанционирующих решеток могут быть установлены специально спрофилированные втулки. 2 з.п.ф-лы, 6 ил.

1. Тепловыделяющая сборка ядерного реактора, содержащая гексагональный в поперечном сечении пучок тепловыделяющих элементов, установленных вертикально таким образом, что их продольные оси находятся на одинаковом расстоянии друг от друга, дистанционирующие решетки сотовой конструкции, имеющие в своем составе соединенные между собой ячейки с пуклевками в виде гофров и обод, несущую решетку, хвостовик, съемную головку, центральную трубу и расположенные преимущественно в центре тепловыделяющей сборки направляющие каналы в виде труб, внутрь которых входят стержни управления и защиты и имеющих на нижнем торце наконечники, которыми они закреплены в несущей решетке, причем тепловыделяющие элементы установлены в ячейках с натягом, в месте установки в дистанционирующие решетки направляющих каналов соответствующие ячейки отсутствуют, а обода дистанционирующих решеток и хвостовик жестко соединены между собой по углам в продольном направлении уголками, отличающаяся тем, что дистанционирующие решетки установлены на направляющих каналах с возможностью ограниченного перемещения ячеек вдоль последних при относительных движениях тепловыделяющих элементов вследствие радиационного роста и термического расширения, причем величина перемещения выбрана из условия работы гофров ячеек в зоне упругих деформаций, для чего на наружной поверхности труб направляющих каналов имеются три продольных центрально-симметрично расположенных ребра, причем в местах установки дистанционирующих решеток эти ребра срезаны на соответствующую протяженность, а наружный диаметр оставшейся поверхности трубы равен диаметру вписанной окружности посадочного места под направляющий канал в дистанционирующей решетке, образованного поверхностями шести окружающих ячеек и имеющего три центрально-симметрично расположенных "кармана" в местах расположения гофров, через которые пропускаются ребра направляющих каналов при установке их в дистанционирующие решетки до упора буртов наконечников направляющих каналов в несущую решетку с последующим поворотом на 60^o вокруг продольной оси, в результате чего ребра оказываются в не зоны расположения "карманов", ограничивая перемещение ячеек вдоль направляющих каналов, и закреплением в несущей решетке, например, сваркой, а конструкция центральной трубы аналогична направляющим каналам. 2. Сборка по п. 1, отличающаяся тем, что в посадочных местах под направляющие каналы дистанционирующих решеток установлены цилиндрические втулки, наружный диаметр которых равен вписанному диаметру отверстия, образованного шестью ячейками, окружающими посадочное место, внутренний диаметр равен диаметру посадочного места направляющего канала, а через 120^o в поперечном сечении выполнены гофры, утопленные в упомянутые "карманы". 3. Сборка по п.2 или 3, отличающаяся тем, что ребра на направляющих каналах расположены по спирали с шагом, кратным шагу расположения дистанционирующих решеток на них.