ДИСТАНЦИОНИРУЮЩАЯ РЕШЕТКА ДЛЯ ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩЕЙ СБОРКИ Российский патент 1998 года по МПК G21C3/34 

Изобретение относится к области ядерной техники, а точнее к дистанционирующим устройствам тепловыделяющей сборки (ТВС), и может быть использовано в реакторах типа РБМК.

Известна конструкция дистанционирующей решетки, содержащей центральную втулку и обод, соединенные между собой радиальными ребрами, делящими решетку на шесть секторов, а каждый сектор содержит в себя шесть колец, соединенных в точках соприкосновения друг с другом, с центральной втулкой и ободом (1).

Недостатком такой конструкции является недостаточная эксплуатационная надежность ТВС из-за неоптимального расположения колец относительно друг друга с точки зрения возникновения кризиса теплообмена. Кризис теплообмена характеризуется существенным повышением температуры оболочки тепловыделяющего элемента (ТВЭЛ) вследствие ухудшения теплосъема, что может привести к расположению оболочки и топлива.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой является дистанционирующая решетка для 18-ти стержневой тепловыделяющей сборки, содержащая промежуточные и периферийные фигурные элементарные ячейки, расположенные вокруг центральной цилиндрической ячейки, опоясанные ободом цилиндрической формы с расположенными по ее периметру выступами (2).

Недостатком такой конструкции решетки (прототипа) является недостаточная эксплуатационная надежность сборки из-за малого коэффициента запаса по мощности сборки до кризиса теплообмена. Под коэффициентом запаса по мощности сборки до кризиса теплообмена (3) принимается в данном случае коэффициент n = q_кр/q_макс, где q_кр - критическая плотность теплового потока, а q_макс - плотность теплового потока в самом напряженном ТВЭЛ.

Технической задачей, стоящей перед предлагаемым изобретением является создание конструкции дистанционирующей решетки для повышения эксплуатационной надежности ТВС.

Поставленная задача решается тем, что в дистанционирующей решетке, предназначенной для 18-ти стержневой сборки, содержащей промежуточные и периферийные фигурные ячейки, расположенные вокруг центральной цилиндрической ячейки, опоясанные ободом цилиндрической формы с расположенными по ее периметру выступами, по крайней мере часть периферийных ячеек выполнена смещенными по высоте относительно промежуточных ячеек на расстояние, равное не менее шестикратной толщине стенки фигурных ячеек и не более высоты ячейки, при этом на границе между промежуточными и периферийными ячейками распложена как минимум одна фигурная обойма.

Смещение по высоте периферийных ячеек относительно промежуточных на расстояние, равное не менее шестикратной толщине стенки фигурных ячеек и не более высоты ячейки, образует, во-первых, пристенные выступы-турбулизаторы потока в ячейках с высотой, равной толщине их стенок, и, во-вторых, более плавное направленное сужение проходного сечения в наиболее узких межтвельных зазорах, находящихся на границе между периферийными и промежуточными ячейками, что вызывает благоприятное отклонение потока теплоносителя от стенки ячейки к поверхности ТВЭЛ.

Наличие пристенных выступов-турбулизаторов приводит к повышению турбулентной теплопроводности пристенного слоя и улучшению теплообмена. Из имеющегося уровня знаний известно, что в турбулентном режиме течения теплоносителя определяющую роль в процессе теплообмена играет тонкий пристенный слой. Величина турбулентной составляющей теплопроводности в среднем составляет в этом слое 10 - 20%. Наличие в канале пристенных выступов-турбулизаторов вызывает срыв жидкости в пристенном слое. В зоне отрыва возвратное течение оттесняет пристенный слой от стенки канала, сворачивая его в вихрь. Зона вихревого течения имеет протяженность порядка 6 - 10 высот выступа-турбулизатора. Следовательно, чтобы описанное выше воздействие на поток проявилось в полной мере необходимо, чтобы указанное смещение ячеек по высоте производилось на расстояние, равное не менее шестикратной толщине стенки ячейки. При смещении на меньшее расстояние указанные пристенные турбулизаторы будут находиться в зонах отрыва потока, образующихся при обтекании входных кромок ячеек, и поэтому практически никакого воздействия они на поток не окажут.

Кроме этого, смещение по высоте периферийных ячеек относительно промежуточных на расстояние, большее шестикратной толщины стенки, но еще позволяющее оставить "монтажный" пояс для контактной сварки их стенок между собой, образует удобное посадочное место для размещения и крепления распорной фигурной обоймы, содержащей сформированные на ней интенсификаторы теплообмена. Здесь следует иметь в виду, что указанное смещение ячеек, имеющих небольшую высоту ≈ 15-20 мм, неизбежно уменьшает жесткость ячеек и всей решетки в целом. Уменьшение жесткости ячеек при установке в них ТВЭЛ происходит за счет снятия ограничений деформации стенок, освободившихся от плотного контакта между собой. С одной стороны это способствует уменьшению вероятности образования царапин на ТВЭЛ при монтаже ТВС и, как следствие, повышению ее эксплуатационной надежности. С другой стороны это способствует понижению необходимой жесткости решетки, а следовательно, и ее требуемой механической прочности. Поэтому размещение распорной фигурной обоймы с соответствующим ее закреплением на границе между промежуточными и периферийными ячейками приводит к усилению механической прочности решетки.

Наличие локальных завихрителей, например, в виде коротких скрученных на 180^o-360^o полосок на распорной обойме при движении потока теплоносителя в канале вызывает локальную закрутку потока между ТВЭЛ, а следовательно, и повышение интенсивности межячейкового перемешивания однофазного теплоносителя, что приводит к улучшению теплосъема с поверхности ТВЭЛ. При этом, интенсификаторы теплообмена формируются на обойме таким образом, чтобы они находились вне области решетки и тем самым оказывали слабое воздействие на сопутствующее этому повышение коэффициента гидравлического сопротивления канала.

Таким образом, смещение по высоте периферийных ячеек относительно промежуточных на расстояние, равное не менее шестикратной толщине стенки ячейки и не более высоты ячейки с размещением на границе между промежуточными и периферийными ячейками распорной фигурной обоймы, содержащей интенсификаторы теплообмена, улучшает теплосъем с поверхности ТВЭЛ, а следовательно, увеличивает коэффициент запаса до кризиса теплообмена, что приводит к повышению эксплуатационной надежности сборки ТВЭЛ.

Повышению эксплуатационной надежности сборки ТВЭЛ также способствует улучшение качества дистанционирования ТВЭЛ за счет формирования в каждой ячейки трех центрирующих элементов в виде гофров с наличием по их высоте участков, имеющих различный радиус кривизны R. Наличие на гофре участка с большим R позволяет увеличить его пружинистость, поскольку запас упругих перемещений его поверхности под действием нагрузки пропорционален величине радиуса кривизны поверхности гофра.

В данном случае наличие у гофров участка с величиной R, большей, чем у гофров ячеек решетки-прототипа приводит к лучшему подпружиниванию ТВЭЛ, а следовательно, и повышению качества дистанционирования ТВС. При этом необходимая жесткость гофров сохраняется в виду наличия у них по высоте соседних участков с меньшим радиусом кривизны. Это подтверждено экспериментально при оснащении ТВС дистанционирующими решетками, содержащими центрирующие выступы-гофры, имеющими по их высоте участки с различным радиусом кривизны.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображен вид сверху на дистанционирующую решетку с расположением ТВЭЛ по треугольной и четырехугольной упаковке; на фиг. 2 - вид сбоку на эту решетку по сечению А-А на фиг. 1; на фиг. 3 и 4 показаны отдельно виды, соответственно сверху и сбоку на распорную фигурную обойму с сформированными на ней интенсификаторами теплообмена; на фиг. 5 изображен вид сверху на половину дистанционирующей решетки (другая половина симметрична) при расположении двух ТВЭЛ на одной радиальной направляющей; на фиг. 6 - вид сбоку на эту решетку по сечению Б-Б на фиг. 5; на фиг. 7 и 8 показаны отдельные виды, соответственно сверху и сбоку на распорную фигурную обойму с сформированными на ней интенсификаторами теплообмена. Размещение этой обоймы (фиг. 7 и 8) в решетке представлено на фиг. 5 и 6; на фиг. 9 представлен вариант выполнения ячейки для дистанционирующей решетки с центрирующими элементами-гофрами, сформированными при наличие по их высоте участков, имеющих различный радиус кривизны; на фиг. 10 показан вид сверху; на фиг. 11-13 показаны виды поперечных сечений ячейки, представленной на фиг. 9.

Дистанционирующая решетка согласно фиг. 1 и 2 представляет собой набор шести промежуточных фигурных ячеек 1 и двенадцати периферийных фигурных ячеек 2, расположенных вокруг центральной ячейки 3 и опоясанных ободом цилиндрической формы 4 с расположенными по ее периметру выступами 5. Периферийные ячейки 2 согласно фиг. 2 смещены по высоте относительно промежуточных ячеек 1 на расстояние S, а в местах смещения на границе между промежуточными и периферийными ячейками размещена распорная обойма 6 шестиугольной формы. На обойме 6 согласно фиг. 3 и 4 сформированы интенсификаторы теплообмена в виде закрученных на 180^o полосок 7. Вид распорной обоймы 6 и фигурных ячеек 1 и 2, как показано на фиг. 5-8, может быть отличен от уже представленных на фиг. 1 - 4, и определяется в основном видом упаковки ТВЭЛ 8, местом расположения границы смещения ячеек, необходимостью улучшения качества дистанционирования ТВЭЛ 8 и т.д. Из фиг. 8 видно, что на распорной обойме 6 могут быть сделаны сквозные отверстия 9 заданной формы. В данном случае они сделаны с целью плотного примыкания между собой части стенок промежуточных и периферийных ячеек и осуществления их сварки. С целью улучшения качества дистанционирования ТВС, как показано на фиг. 9-13, центрирующие элементы-гофры 10 могут иметь по их высоте участки с различным радиусом кривизны их поверхности. Кроме того, как показано на фиг. 5, при наличии плоских граней у периферийных ячеек 2 соответствующие плоские грани 11 с центрирующими выступами 5 могут быть сформированы на ободе 4. Это обеспечивает возможность плотного примыкания обода 4 со стенками периферийных ячеек 2 для осуществления контактной сварки, что увеличивает прочность дистанционирующей решетки, а следовательно, и эксплуатационную надежность ТВС. Все конструктивные элемента 1 - 6 решетки могут быть изготовлены из металлического трубчатого и листового материала и скреплены в местах плотного примыкания при помощи сварки.

Предлагаемая дистанционирующая решетка работает следующим образом. ТВС оснащается дистанционирующими решетками, расположенными с заданным шагом по ее длине. При помощи предлагаемые дистанционирующих решеток производится установка ТВЭЛ 8 и ТВС на заданном расстоянии друг от друга, предотвращается искривление и выталкивание их со своего места в течение всего времени эксплуатации ТВС. В активной зоне ядерного реактора ТВС омывается теплоносителем, обеспечивающим охлаждение с поверхности ТВЭЛ 8. При набегании потока теплоносителя на решетку происходит короткий приблизительно 6 толщин материала стенки ячеек) отрыв потока на входных кромках ячеек 1, 2, способствующей повышению степени турбулизации потока. При этом на границе между периферийными 2 и промежуточными 1 ячейками со стороны их входных кромок происходит дополнительный отрыв потока теплоносителя на пристенных выступах-турбулизаторах и благоприятное отклонение потока на поверхность ТВЭЛ 8 в периферийных ячейках. Направление отклонения потока теплоносителя зависит от направления смещения ячеек относительно друг друга по их высоте (вверх или вниз). А на выходе решетки производится локальная закрутка потока теплоносителя с помощью завихрителей потока 7, сформированных на распорной обойме 6. Под действием локальной закрутки возрастает интенсивность межячейкового перемешивания теплоносителя.

Таким образом, в результате увеличения турбулизации потока во входной области решетки на ходу потока теплоносителя и роста интенсивности межячейкового перемешивания потока в выходной области решетки по сравнению с решеткой-прототипом улучшается теплосъем с поверхности ТВЭЛ 8, увеличивается запас до кризиса теплообмена, а следовательно, повышается эксплуатационная надежность ТВС.

Источники информации
1. Патент Англии N 1301476, кл. G 6 C, опубл. 29.12.72 г.

2. Вопросы атомной науки и техники Сер. "Физика и техника ядерных реакторов". 1978, вып. 1 (21), ч. 1, с. 29 (прототип).

3. Нигматулин И. Н., Нигматулин Б.И. Ядерные энергетические установки. -М.: Энергатомиздат, 1986, с. 87.

Изобретение относится к области ядерной техники, а точнее к дистанционирующим устройствам тепловыделяющей сборки, и может быть использовано в реакторах типа РБМК. Дистанционирующая решетка для стержневой сборки представляет собой ячеистую конструкцию из фигурных промежуточных и периферийных ячеек, расположенных вокруг центральной цилиндрической ячейки, опоясанную ободом цилиндрической формы с расположенными по ее периметру выступами. Отличительной особенностью дистанционирующей решетки является то, что по крайней мере часть периферийных ячеек выполнена смещенными по высоте относительно промежуточных на расстояние, равное не менее шестикратной толщины стенки фигурных ячеек и не более высоты промежуточной ячейки, с возможностью размещения как минимум одной распорной фигурной обоймы на границе между промежуточными и периферийными ячейками. На распорной обойме могут быть сформированы интенсификаторы теплообмена. В результате повышается эксплуатационная надежность сборки за счет повышения коэффициента запаса по мощности сборки до кризиса теплообмена. 3 з.п. ф-лы, 13 ил.

1. Дистанционирующая решетка для стержневой сборки, содержащая промежуточные и периферийные фигурные элементарные ячейки, расположенные вокруг центральной цилиндрической ячейки, опоясанные ободом (цилиндрической формы) с расположенными по ее периметру выступами, отличающаяся тем, что по крайней мере часть периферийных ячеек выполнена смещенными по высоте относительно промежуточных на расстояние, равное не менее шестикратной толщины стенки фигурных ячеек и не более высоты промежуточной ячейки с возможностью размещения, как минимум, одной распорной фигурной обоймы на границе между промежуточными и периферийными ячейками. 2. Дистанционирующая решетка по п.1, отличающаяся тем, что на фигурной распорной обойме сформированы интенсификаторы теплосъема, например, в виде коротких скрученных на 180 - 360^o полосок. 3. Дистанционирующая решетка по п.1, отличающаяся тем, что центрирующие элементы в фигурных ячейках сформированы в виде гофров с возможностью наличия по высоте участков, имеющих различный радиус кривизны. 4. Дистанционирующая решетка по п.1, отличающаяся тем, что на ободе цилиндрической формы сформированы плоские грани, образующие в совокупности многогранную поверхность с количеством плоских граней, равных количеству периферийных ячеек.