ДИСТАНЦИОНИРУЮЩАЯ РЕШЕТКА (ВАРИАНТЫ) Российский патент 1999 года по МПК G21C3/34 

Изобретение относится к атомной энергетике и может быть использовано в тепло выделяющих сборках (ТВС) ядерных реакторов, в том числе и типа ВВЭР-1000.

Тепловыделяющие элементы (твэлы) в ТВС располагают, как правило, в строго определенном порядке. Для этой цели часто применяют устройства, именуемые дистанционирующими решетками.

Нередко дистанционирующие решетки собирают из отдельных ячеек, в которые за тем устанавливают твэлы. Для обеспечения надежного дистанционирования твэлов такие решетки должны отвечать сразу ряду требований. Во-первых, они должны быть достаточно упругими, чтобы твэлы легко и без зазоров входили в свои ячейки, а также имели возможность беспрепятственно удлиняться под воздействием высоких температур и радиационного облучения.

Во-вторых, они должны быть достаточно жесткими, чтобы твэлы не изменяли своего первоначального положения под воздействием транспортно-технологических и эксплуатационных нагрузок. Очень важно, чтобы конструкция таких дистанционирующих решеток отвечала упомянутым требованиям. От этого в значительной мере зависит качество и эксплуатационные характеристики ТВС. Существующие в настоящее время дистанционирующие решетки подобного типа этим требованиям полностью не удовлетворяют.

Известна дистанционирующая решетка (см. Дементьев Б.А. Ядерные энергетические реакторы. Учебник для вузов, -2-е изд. перераб. и доп. -М.: Энергоатомиздат, 1990, стр. 44), которая имеет шестигранную форму и состоит из ячеек двух типов и обода, окружающего ее по периметру. Один тип ячеек выполнен в виде пятигранника, другой - шестигранника. Каждая ячейка снабжена тремя внутренними выступами, между которыми устанавливаются твэлы. Выступы размещены в несмежных углах ячеек параллельно их продольной оси и образованы вдавливанием этих углов по всей их высоте вовнутрь ячеек. В противолежащих концевых зонах каждого выступа имеются обратные скосы, облегчающие прохождение твэлов через ячейки. Дистанционирующая решетка собрана, в основном, из шестигранных ячеек. Пятигранные ячейки установлены только в местах, расположенных вдоль трех ее несмежных граней. Все ячейки установлены так, что прилегают своими гранями к граням соседних ячеек или к ободу, а вдавленные их углы при этом обращены навстречу друг другу, образуя отверстия для протока теплоносителя. Каждая пара прилегающих граней ячеек соединена между собой двумя сварными точками, расположенными в противолежащих зонах. Аналогичным образом соединены обод и грани ячеек, прилегающих к нему. Обод изготовлен из ленты, концы которой соединены сваркой. В качестве заготовок для ячеек использованы отрезки труб. В ТВС дистанционирующая решетка закрепляется на трубчатых каналах, в которых размещают стержни управления и защиты ядерного реактора. Для прохода этих каналов она снабжена отверстиями. Каждое такое отверстие выполнено путем пропуска в нужном месте одной шестигранной ячейки.

Недостатком данной дистанционирующей решетки является то, что выступы в ее ячейках обладают невысокой упругостью. Эти выступы не способны при установке твэлов в достаточной мере упруго деформироваться, поэтому твэлы входят в свои ячейки и зажимаются в них с большими усилиями. Это не только осложняет процесс сборки ТВС, но и не исключает риска повреждения твэлов, что может стать причиной их разгерметизации во время эксплуатации ТВС. Из-за этого не исключена также вероятность потери ТВС своей устойчивости. Причиной тому может послужить действие на ТВС изгибающего момента, возникающего вследствие наличия неравномерного температурного и радиационного роста твэлов, обусловленного существующей в ТВС неравномерностью энерговыделения, а также сильного закрепления твэлов в ячейках дистанционирующих решеток. Это увеличивает риск застревания стержней управления и защиты в трубчатых каналах ТВС, что может привести к нарушению безопасности ядерного реактора. Кроме того, вследствие невысокой упругости упомянутых выступов не исключена возможность образования между ними и твэлами зазоров. Наличие таких зазоров способствует под действием вибраций со стороны теплоносителя повышенному износу оболочек твэлов вплоть до их разгерметизации.

Известна также дистанционирующая решетка (см. патент Германии N DE 2839211 C2, G 21 С 3/34, 1979 г.) - прототип, имеющая шестигранную форму и состоящая из ячеек в виде шестигранников, снабженных просечками и внутренними выступами, из которых одни - рабочие - предназначены для крепления твэлов, а другие - страховочные - для защиты первых от недопустимых деформаций и дополнительного крепления твэлов. Выступы размещены на трех несмежных гранях каждой ячейки, причем рабочие - в центре граней, а страховочные - на их краях. Рабочие выступы имеют несколько большую протяженность и высоту, чем страховочные, и образуют вместе с ними линейную группу, проходящую по грани ячейки параллельно ее продольной оси. Выполнены выступы путем вдавливания участков граней вовнутрь ячеек. Просечки размещены на трех других несмежных гранях каждой ячейки на уровне рабочих выступов. Ячейки расположены относительно друг друга так, что грань с выступом каждой из них прилегает к грани с просечкой другой. Благодаря этому в каждой ячейке обеспечивается упругая деформация ее средней зоны, где размещены рабочие выступы. В то же время верхняя и нижняя зоны ячеек, где размещены страховочные выступы, остаются относительно неподвижными. Это позволяет страховочным выступам при установке твэлов препятствовать чрезмерной деформации рабочих выступов. Каждая пара прилегающих граней ячеек соединена между собой двумя сварными точками, расположенными в противолежащих концевых зонах.

Изготовлены ячейки из ленты, концы которой между собой не соединены. В ТВС дистанционирующая решетка закрепляется на специальных штырях, пропущенных через ячейку в каждом из шести ее углов.

Недостатком данной дистанционирующей решетки является ее невысокая поперечная жесткость, вследствие чего решетка неспособна в достаточной мере сопротивляться действию боковых нагрузок. Такие нагрузки возникают, например, при сейсмическом воздействии на ядерный реактор. Под действием горизонтальной составляющей ускорений, возникающих при землетрясениях, твэлы могут деформировать ячейки этой дистанционирующей решетки, так как они имеют незамкнутый по периметру контур. В результате этого произойдет нарушение взаимного расположения твэлов и их разрушение от перегрева. Подобные нагрузки возникают и при транспортировании ТВС с завода-изготовителя на АЭС, которое производится, в силу большой протяженности ТВС, при ее горизонтальном расположении. В этом случае ячейки данной дистанционирующей решетки могут деформироваться под действием веса твэлов и вибраций со стороны транспортного средства. Для исключения названного недостатка требуются либо дополнительные меры и материальные затраты, либо изменение конструкции дистанционирующей решетки.

Другим недостатком данной дистанционирующей решетки является невозможность ее применения в ТВС, где имеются трубчатые каналы для размещения стержней управления и защиты ядерного реактора, так как отверстия для прохода упомянутых каналов ее конструкцией не предусмотрены. Организация же таких отверстий, в силу конструктивных особенностей ее ячеек для твэлов и их взаимного расположения, без изменения конструкции дистанционирующей решетки затруднительна.

Недостатком данной дистанционирующей решетки является также и то, что требуется повышенная точность изготовления как ее самой, так и твэлов. В противном случае, в силу больших несоответствий между диаметрами твэлов и проходного сечения ячейки, образованного ее страховочными выступами, твэлы при сборке ТВС могут быть повреждены об эти выступы, поскольку они неспособны компенсировать упомянутые несоответствия, так как деформации участков граней, на которых размещены страховочные выступы, препятствуют грани соседних ячеек.

Целью изобретения является повышение надежности дистанционирующей решетки и снижение трудоемкости ее изготовления.

Задачей изобретения является создание надежной, обладающей повышенными упругими свойствами конструкции дистанционирующей решетки для ТВС, содержащей трубчатые каналы для размещения стержней управления и защиты ядерного реактора.

Техническим результатом изобретения является повышение поперечной жесткости дистанционирующей решетки и упругих свойств ее ячеек.

Указанная цель достигается тем, что в известной дистанционирующей решетке, состоящей из ячеек в виде прилегающих друг к другу своими гранями многогранников, снабженных внутренними выступами, из которых одни - рабочие - размещены в центре трех несмежных граней и имеют высоту большую, чем другие - страховочные, размещенные на их краях, а также просечками, расположенными вдоль рабочих выступов по обе стороны от них, согласно изобретению, ячейки выполнены в виде замкнутых по периметру восьми- и девятигранников, прилегающих друг к другу своими гранями без выступов и просечек, а просечки при этом размещены на гранях с выступами.

Указанная цель достигается и тем, что в известной дистанционирующей решетке, состоящей из ячеек в виде прилегающих друг к другу своими гранями многогранников, снабженных внутренними выступами разной высоты, из которых одни - рабочие - размещены в центре трех несмежных граней, а другие - страховочные - на их краях, а также просечками, расположенными вдоль рабочих выступов по обе стороны от них, согласно изобретению, ячейки выполнены в виде замкнутых по периметру восьми- и девятигранников, прилегающих друг к другу своими гранями без выступов и просечек, просечки размешены вместе со страховочными выступами только на одной грани, а рабочий выступ, расположенный на этой грани, выполнен при этом высотой, большей, чем все остальные выступы.

Такое устройство дистанционирующей решетки позволяет повысить ее надежность. Объясняется это тем, что в заявляемой дистанционирующей решетке ячейки, во-первых, имеют замкнутый по периметру контур, а, во-вторых, они выполнены и размещены так, что участки граней, где расположены страховочные выступы, могут упруго деформироваться. Как следствие, эта дистанционирующая решетка имеет, во-первых, большую поперечную жесткость, то есть способность выдерживать не деформируясь большие боковые нагрузки, сохраняя при этом заданное расположение твэлов, а, во-вторых, повышенные упругие свойства, за счет которых улучшаются условия установки твэлов в ТВС.

Заявляемая дистанционирующая решетка имеет также и меньшую трудоемкость изготовления, так как, во-первых, нет необходимости очень точно изготавливать ее ячейки, поскольку их форма и расположение не препятствуют упругой деформации участков граней, где размещены страховочные выступы, и этим способствуют компенсации больших несоответствий в геометрических размерах ячеек и твэлов, а, во-вторых, ее ячейки могут иметь меньшее число страховочных выступов и просечек. Все это требует меньших трудозатрат на изготовление и контроль как отдельных ячеек, так и самой дистанционирующей решетки в целом.

Кроме того, дистанционирующую решетку такой конструкции можно применять и в ТВС, где имеются трубчатые каналы для размещения стержней управления и защиты ядерного реактора, так как отверстия для размещения упомянутых каналов можно легко организовать путем пропуска в нужном месте девятигранной ячейки, не нарушая при этом условий дистанционирования твэлов в соседних ячейках.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых представлены:
фиг. 1 - общий вид дистанционирующей решетки;
фиг. 2 - девятигранная ячейка, вид сбоку;
фиг. 3 - девятигранная ячейка, вид сверху;
фиг. 4 - девятигранная ячейка, разрез по линии А-А;
фиг. 5 - восьмигранная ячейка, вид сверху;
фиг. 6 - фрагмент дистанционирующей решетки, поясняющий взаимное расположение ее ячеек;
фиг. 7 - вариант дистанционирующей решетки, фрагмент;
фиг. 8 - вариант девятигранной ячейки, вид сбоку;
фиг. 9 - вариант девятигранной ячейки, вид сверху;
фиг. 10 - вариант девятигранной ячейки, разрез по линии Б-Б;
фиг. 11 - вариант восьмигранной ячейки, вид сверху.

Дистанционирующая решетка 1 (фиг. 1) имеет форму правильного шестиугольника и содержит 312 ячеек 2 и 3. Из них 279 ячеек 2 выполнены в форме девятигранника, а остальные 33 ячейки 3 имеют форму восьмигранника. Девятигранные ячейки 2 размещены по всему полю дистанционирующей решетки 1, за исключением мест, расположенных вдоль трех ее несмежных граней 4, 5 и 6. В этих местах установлены восьмигранные ячейки 3. Для защиты периферийных ячеек от механических повреждений дистанционирующая решетка 1 снабжена ободом 7, а в девятнадцати ее местах пропущено по одной девятигранной ячейке 2. Образовавшиеся при этом отверстия 8 предназначены для прохода трубчатых каналов для размещения стержней управления и защиты (каналы и стержни на чертежах не показаны).

Ячейки 2 и 3 (фиг. 2 - 5) имеют на трех своих несмежных гранях по одному рабочему выступу 9 и по два страховочных выступа 10. Выступы 9 размещены в центре этих граней, а выступы 10 - по их краям, причем так, что вместе эти выступы образуют линейную группу, проходящую параллельно продольной оси ячеек 2 и 3. Выступы 9 и 10 образованы путем выдавливания участков граней снаружи вовнутрь ячеек 2 и 3 и имеют в направлении продольной оси этих ячеек закругленные края. Все выступы 9 имеют одинаковую высоту. Высота всех выступов 10 тоже одинакова, но меньше высоты выступов 9. Высота выступов 9 и 10 выбрана из условия, чтобы диаметр окружности, вписанной между выступами 9, был меньше, а диаметр окружности, вписанной между выступами 10, был больше минимального диаметра твэлов.

Кроме того, ячейки 2 и 3 снабжены просечками 11, которые выполнены вдоль выступов 9 по обе стороны от них и размещены вместе с этими выступами 9 на одних и тех же гранях.

Ячейки 2 и 3 установлены относительно друг друга так, что прилегают своими гранями к граням соседних ячеек или к ободу 7, но при этом грани с выступами 9 и 10, а также просечками 11 друг друга нигде не касаются (фиг. 6).

Каждая пара прилегающих граней ячеек 2 и 3 соединяется между собой в двух местах сваркой, например, точечной. Сварные швы размещены в противоположных концевых зонах ячеек 2 и 3. Периферийные ячейки 2 и 3 аналогичным образом соединены еще и с ободом 7.

Ячейки 2 и 3 имеют замкнутый периметр и изготовлены, например, из отрезков труб.

Обод 7 изготовлен из пластин, концы которых соединены между собой, например, сваркой.

Как вариант, дистанционирующая решетка может быть собрана из ячеек 12 и 13 (фиг. 7 - 11).

На двух несмежных гранях каждой ячейки 12 и 13 выполнены по одному рабочему выступу 14, а на третьей несмежной грани - рабочий выступ 15. Выступы 14 и 15 размещены в центре граней. По краям той же грани, на которой размещен выступ 15. выполнены еще два страховочных выступа 16, причем так, что вместе с выступом 15 они образуют линейную группу, проходящую параллельно продольной оси ячеек 12 и 13. Выступы 14, 15 и 16 образованы путем выдавливания участков граней снаружи вовнутрь ячеек 12 и 13 и имеют в направлении продольной оси закругленные края. Высота выступов 14 одинакова, высота выступов 16 также одинакова, а выступ 15 имеет высоту большую, чем выступы 14 и 16. Высота выступов 14, 15 и 16 выбрана из условия, чтобы диаметр окружности, вписанной между выступами 14 и 15, был меньше, а диаметр окружности, вписанной между выступами 14 и 16, был больше минимального диаметра твэлов.

Ячейки 12 и 13, кроме выступов 14, 15 и 16, снабжены еще двумя просечками 17. Просечки 17 размещены вдоль выступа 15 по обе стороны от него и на одной с ним грани.

Дистанционирующая решетка работает следующим образом.

При сборке ТВС через отверстия 8 дистанционирующей решетки 1 пропускают сначала трубчатые каналы, на которых ее затем закрепляют, например, с помощью упругих сил прилегающих к ним стенок ячеек 2 или приваркой этих стенок к трубчатым каналам. После этого в ячейки 2 и 3 начинают устанавливать твэлы.

Каждый твэл входит в свою ячейку, проходя сначала между выступами 10, размещенными на входе в ячейки 2 или 3, затем между выступами 9 и выступами 10, размещенными на выходе из ячеек 2 или 3. Поскольку диаметр окружности, вписанной между выступами 10, близок к максимальному диаметру твэла, то последний проходит между ними с небольшим трением. Выступы 9 благодаря просечкам 11 способны отклоняться при прохождении твэла в стороны, поэтому последний проходит между выступами 9 также с небольшим трением. Во время работы ТВС выступы 9 за счет своих упругих сил удерживают твэл без зазоров в заданном положении, а выступы 10 дополнительно поддерживают его и препятствуют недопустимой деформации выступов 9.

Дистанционирующая решетка по п.2 формулы работает аналогичным образом. Отличие заключается в следующем. После установки твэла в ячейку 12 или 13 выступ 15 за счет своих упругих свойств поджимает его к выступам 14 и вместе с ними удерживает твэл без зазоров в заданном положении. Выступы 16 дополнительно поддерживают твэл и препятствуют недопустимой деформации выступа 15.

Таким образом, предлагаемое решение обладает существенными техническими преимуществами по сравнению с прототипом.

Внедрением предложенного решения достигается повышение надежности дистанционирующей решетки за счет исключения обнаруженных при анализе конструкции прототипа его недостатков.

Экономическая эффективность предлагаемого технического решения определяется повышением надежности дистанционирования твэлов в ТВС, что в конечном итоге ведет к повышению безопасности ядерного реактора.

Изобретение относится к атомной энергетике и может быть использовано в тепловыделяющих сборках (ТВС) ядерных реакторов, в том числе типа ВВЭР-1000. Целью изобретения является повышение надежности дистанционирующей решетки и снижение трудоемкости ее изготовления за счет повышения ее поперечной жесткости и упругих свойств ее ячеек. В дистанционирующей решетке, состоящей из ячеек в виде прилегающих друг к другу своими гранями многогранников, снабженных внутренними выступами, имеющими разную высоту и размещенными на трех их несмежных гранях так, что одни из них - рабочие - находятся в центре этих граней, а другие - страховочные - на их краях, а также просечками, расположенными вдоль рабочих выступов по обе стороны от них, ячейки выполнены в виде восьми-и девятигранников с замкнутым по периметру контуром. Ячейки установлены так, что их грани с выступами и просечками нигде не касаются друг друга, а просечки при этом размещены на гранях с выступами. Ячейки могут быть снабжены страховочными выcтупaми и просечками, размещенными только на одной их грани. При этом страховочные выступы выполнены так, что имеют высоту, равную высоте рабочих выступов, размещенных на двух других гранях, а рабочий выступ, выполненный на одной со страховочными выступами грани, имеет высоту, большую, чем все остальные выступы. 2 с.п.ф-лы, 11 ил.

1. Дистанционирующая решетка, состоящая из ячеек в виде прилегающих друг к другу своими гранями многогранников, снабженных внутренними выступами, из которых одни - рабочие - размещены в центре трех несмежных граней и имеют высоту большую, чем другие - страховочные, размещенные на их краях, а также просечками, расположенными вдоль рабочих выступов по обе стороны от них, отличающаяся тем, что ячейки выполнены в виде замкнутых по периметру восьми- и девятигранников, прилегающих друг к другу своими гранями без выступов и просечек, а просечки при этом расположены на гранях с выступами. 2. Дистанционирующая решетка, состоящая из ячеек в виде прилегающих друг к другу своими гранями многогранников, снабженных внутренними выступами разной высоты, из которых одни - рабочие - размещены в центре трех несмежных граней, а другие - страховочные - на их краях, а также просечками, расположенными вдоль рабочих выступов по обе стороны от них, отличающаяся тем, что ячейки выполнены в виде замкнутых по периметру восьми- и девятигранников, прилегающих друг к другу своими гранями без выступов и просечек, просечки размещены вместе со страховочными выступами только на одной грани, а рабочий выступ, расположенный на этой грани, выполнен при этом высотой большей, чем все остальные выступа.