ДРОССЕЛИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО КАНАЛА ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА Российский патент 1998 года по МПК G21C15/00 G21C15/24 

Изобретение относится к атомной энергетике и может быть использовано в ядерных реакторах, например в канальных уран-графитовых реакторах.

Известен дроссель с пересекающимися канавками, предназначенный в частности, для поддержания заданного значения расхода воды в технологическом канале и обладающий при этом низкой способностью к засорению мелкими твердыми взвесями, присутствующими в теплоносителе (1).

Особенностью этого устройства является то, что дросселирование в нем осуществляется за счет резких изменений потока во встречных винтовых канавках при достаточно больших проходных сечениях этих канавок, незасоряемых мелкими взвесями.

Недостатком такого дросселя является то, что его длина существенно превосходит диаметр водовода, в котором он находится. Поэтому дроссель с винтовыми канавками не может быть размещен в существующем входном водоводе технологического канала действующих уран-графитовых реакторов из-за ограниченной длины этого водовода и наличия в нем запорного плунжера и расходомерного устройства.

Известно также дросселирующее устройство технологического канала, загруженного тепловыделяющими элементами (твэлами), выполненными в виде цилиндрических блоков, содержащее корпус, плунжер с хвостовиком, собственно дроссель, выполненный в виде короткого цилиндрического стакана, что позволяет разместить его на коротком участке входного водовода с кольцевым зазором.

Данное устройство не засоряется мелкими взвесями теплоносителя, обладает достаточной дросселирующей способностью, размещается и сопрягается с входным участком технологического канала и выбрано в качестве прототипа (2).

Недостатком прототипа является то, что расход теплоносителя через канал, определяемый дросселем, может отличаться от заданного расхода на величину, зависящую от нескольких случайных факторов, например, от вариации диаметра твэлов или ширины боковых щелевых отверстий дросселя в пределах установленных полей допусков на эти размеры. Хотя вероятное отклонение расхода теплоносителя от заданной величины находится в допустимых пределах с точки зрения надежности охлаждения твэлов, тем не менее, случайный разброс значений расхода воды в каналах вызывает соответствующий поканальный разброс выходных температур теплоносителя, что определяет необходимость эксплуатации реактора при заниженной средней температуре воды на выходе из реактора (в отводящих водоводах), поскольку существует технологическое ограничение на величину допустимой максимальной выходной температуры теплоносителя в каком-либо канале реактора. Значение указанного недостатка прототипа усиливается при переводе реакторов в энергетический режим, так как заниженное значение температуры теплоносителя на выходе из реактора снижает коэффициент полезного действия реактора как энергетической установки.

Вторым недостатком прототипа является то, что дроссель, не засоряясь мелкими взвесями воды первого контура, пропускает относительно крупные частицы, которые, попадая в зазор между твэлами и стенкой канала, могут задерживаться в нем и тем самым вызывать местный перегрев оболочки твэла, ускорять процесс локальной коррозии и приводить таким образом, к сквозному аварийному поражению оболочки. Вероятность попадания крупных частиц в теплоноситель первого контура мала, но значимость второго недостатка прототипа возрастает и становится существенной при переводе промышленных реакторов в энергетический режим работы, так как при этом в несколько раз возрастает длительность межперегрузочных периодов эксплуатации твэлов и соответственно возрастает длительность возможного контакта частиц, задержанных в зазоре между твэлами и стенкой канала.

Задачей настоящего изобретения является обеспечение снижения разброса значений расхода воды и температуры теплоносителя в каналах уран-графитового реактора и исключение попадания в канал каких-либо предметов, способных задержаться в зазоре между твэлами и стенкой канала.

Поставленная задача решается тем, что в дросселирующем устройстве технологического канала с цилиндрическими твэлами, содержащем корпус, плунжер с хвостовиком, дроссель в виде короткого цилиндрического стакана с боковыми щелевыми отверстиями, вытянутыми по окружности стакана, в дне стакана выполнено центральное сквозное отверстие, причем диаметр отверстия и ширина кольцевого зазора между стаканом и корпусом равны между собой, а их величина, отнесенная к ширине кольцевого зазора между цилиндрическими твэлами и внутренней стенкой канала, находится в пределах от 0.7 до 0.9. При этом, осевой ход плунжера и длина его хвостовика позволяют закрыть отверстие стакана торцом хвостовика при полностью ввернутом плунжере. При эксплуатации устройства центральное отверстие в дне стакана может быть открытым или закрытым.

Сущность предложенной конструкции дросселирующего устройства, установленного на входе в технологический канал, содержащий цилиндрические твэлы, представлена на фиг. 1.

В корпусе (1) дросселирующего устройства размещен плунжер (2) с хвостовиком (3), который центрируется в решетке (4). Дроссель выполнен в виде короткого стакана (5) с боковыми щелевыми отверстиями (6), вытянутыми по окружности стакана и имеющими длину, соответствующую заданному расходу воды через технологический канал (7). В дне стакана (5) имеется центральное сквозное отверстие (8), которое может быть перекрыто хвостовиком (3) плунжера при вворачивании его в корпус сверху вниз - до упора в дно стакана, либо может находиться в положении "открыто" после выворачивания плунжера с хвостовиком на расстояние, равное примерно диаметру отверстия.

Дросселирующее устройство гидравлически связано с технологическим каналом (7), в котором находится столб цилиндрических твэлов (9). Ширина кольцевого зазора (10) между корпусом (1) и стаканом (5) и диаметр отверстия (8) в дне стакана на 10-30% меньше, чем ширина кольцевого зазора (11) между твэлами (10) и внутренней стенкой канала (7).

Длина щелей дросселя определяется из условия поддержания заданного значения расхода воды в канале при полностью закрытом отверстии в дне стакана хвостовиком плунжера.

На фиг. 2 представлены характеристики дросселирования теплоносителя в технологическом канале (зависимость расхода воды через канал от осевого хода плунжера) для прототипа (пунктир) и предложенного устройства (сплошная линия). Как и у прототипа, начальный участок характеристики предложенного устройство при относительно малом ходе плунжера имеет большую крутизну, а затем при вворачивании плунжера примерно на одну треть от величины полного хода возникает горизонтальный участок характеристики, т.е. зависимость расхода воды через канал от хода плунжера практически исчезает. Однако в отличие от прототипа, характеристика предлагаемого устройства имеет нисходящий участок на конце, обусловленный перекрытием центрального отверстия дна стакана хвостовиком плунжера. Этот нисходящий участок возникает при вворачивании плунжера на 80% и более от величины его полного хода.

Технологические каналы с предложенными дросселирующими устройствами эксплуатируются следующим образом. Перед подъемом мощности реактора плунжеры (2) дросселирующих устройств вворачиваются сверху вниз полностью - до упора в дно дросселей, закрывая отверстие (8). Далее, после анализа статистического поканального распределения расходов теплоносителя и определения величины среднего расхода для однотипных каналов, выбирают каналы, расходы теплоносителя которых имеют значения меньшие, чем средний, и в этих каналах добавляется расход путем выворачивания плунжера снизу вверх на 10-20% от величины его полного хода, открывая отверстие (8) в дне стакана (5). Таким образом, сокращается поканальный разброс значений расхода теплоносителя примерно в два раза. Соответственно, при работе реактора сокращается разброс выходных температур воды в каналах, что в свою очередь обеспечивает возможность повышения средней температуры теплоносителя на выходе из реактора при сохранении максимально допустимых температур теплоносителя в отдельных каналах. Засоряемость дросселя мелкими взвесями не возрастает, так как уменьшение зазора между плунжером и корпусом при обратном ходе штока мало, этот зазор остается достаточно большим и существенно превышает ширину входного кольцевого зазора между дросселем и корпусом и ширину боковых щелей дросселя.

Вместе с тем, наличие на входе в дросселирующее устройство кольцевого зазора, моделирующего возможный наиболее узкий зазор между твэлами и стенкой канала, с учетом формирования на твэлах и стенках канала коррозионных отложений, размерных отклонений твэлов, канала и т.д. исключает прохождение относительно крупных частиц к твэлам и задержки их в зазорах между твэлами и стенкой канала.

Так, на основании проведенных исследований установлено, что указанное вероятное уменьшение зазора между твэлами и каналом в процессе совместной их эксплуатации составляет от 10 до 30%. На основании этих данных и выбрано предлагаемое соотношение входного зазора дросселирующего устройства и зазора между твэлами и стенкой канала, равное 0,7-0,9. При этом, размеры мелких частиц, отслоившихся отложений первого контура реактора и попавших в поток теплоносителя не превышают десятой доли ширины зазора между твэлом и стенкой канала.

Таким образом, исполнение отверстия в дне стакана и обеспечение возможности его перекрытия хвостовиком, а также соотношение диаметра этого отверстия, входного кольцевого зазора дросселирующего устройства и зазора между твэлами и стенкой канала повышают надежность эксплуатации твэлов, обеспечивают возможность повышения средней выходной температуры теплоносителя реактора и соответственно его мощности.

Наибольший положительный эффект от использования предлагаемого дроссельного устройства возможно получить при эксплуатации уран-графитовых реакторов в энергетическом режиме.

Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР N 460408, кл. F 16 K 47/12, 1975.

2. Регулирующая головка, чертеж БА-31. СБ.71-92СБ (прототип).

Сущность: устройство содержит корпус, плунжер с хвостовиком и дроссель, выполненный в виде цилиндрического стакана с боковыми щелевыми отверстиями, вытянутыми по окружности стакана. В дне стакана имеется центральное сквозное отверстие. Осевой ход плунжера и длина хвостовика позволяют закрыть или открыть отверстие дна стакана торцом хвостовика. Диаметр отверстия в дне стакана и ширина кольцевого зазора между стаканом и корпусом равны между собой, а их величина, отнесенная к ширине кольцевого зазора между тепловыделяющими элементами и внутренней стенкой технологического канала, находится в пределах 0,7- 0,9. Дросселирующее устройство позволяет снизить поканальный разброс выходных температур теплоносителя и повысить тем самым эффективность реакторов как энергетических установок. Кроме того, устройство улучшает условия эксплуатации твэлов и снижает вероятность их отказа. 2 ил.

Дросселирующее устройство технологического канала ядерного реактора, загруженного цилиндрическими твэлами с образованием кольцевого зазора со стенкой канала, содержащее корпус, плунжер с хвостовиком, дроссель, выполненный в виде цилиндрического стакана с боковыми отверстиями, установленного с кольцевым зазором в корпусе, отличающееся тем, что в дне стакана выполнено центральное сквозное отверстие, перекрываемое торцом хвостовика при перемещении плунжера вниз, при этом диаметр отверстия равен ширине кольцевого зазора между стаканом и корпусом и составляет 0,7 - 0,9 ширины кольцевого зазора между твэлами и стенкой канала.