ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩАЯ СБОРКА ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА Российский патент 1999 года по МПК G21C3/30 G21C3/32 

Изобретение относится к ядерной технике, в частности к конструкциям тепловыделяющих сборок (ТВС) ядерных реакторов, используемых для формирования активной зоны, особенно для водо-водяных энергетических реакторов тепловой мощностью порядка 1150-3900 МВт (например ВВЭР-1000).

В конструкции ТВС основополагающим узлом является тепловыделяющий элемент (твэл), из набора (так называемый пучок твэлов) которых состоит собственно ТВС. Твэлы закреплены в нижней опорной решетке ТВС и имеют возможность температурного и радиационного расширения вдоль длины ТВС, в частности за счет их упругого подпружинивания относительно дистанционирующих решеток ТВС. Нормальное и безопасное функционирование твэлов в составе ТВС предполагает наличие надежного узла крепления хвостовика твэла в нижней опорной решетке, который должен обеспечивать заданную величину фиксации твэлов в нижней опорной решетке, удобство дистанционной сборки-разборки твэлов (особенно при контроле разгерметизированных твэлов и их последующей замене) и пр.

В настоящее время разработано множество конструкций узлов средств и элементов крепления хвостовика твэла в нижней опорной решетке, удовлетворяющих требованиям безопасности эксплуатации твэлов в составе ТВС.

К "классической" схеме крепления хвостовика твэлов в нижней опорной решетке следует отнести решение, согласно которому хвостовики (нижние заглушки) твэлов соединены с нижней опорной решеткой ТВС резьбовым соединением (см. патент США N 3775249, кл. G 21 C 3/32, 1973 г.). Соединение хвостовиков твэлов с нижней опорной решеткой при помощи резьбового соединения, очевидно является максимально надежным, но практически исключает дистанционную разборку ТВС и замену твэлов и усложняет процесс установки твэлов в ТВС, поскольку резьбовое соединение предполагает вращение твэлов относительно каркаса ТВС, т.е. относительно нижней решетки.

Известны также ТВС, имеющие средства крепления нижних заглушек твэлов в опорной решетке, позволяющие автоматизировать в той или иной степени процесс сборки-разборки (см., например, патент США N 3505170, кл. G 21 C 3/32, 1968 г. , патент США N 3743578, кл. G 21 C 3/32, 1973 г.). В данных устройствах узлы крепления нижних заглушек твэлов в соответствующей решетке выполнены различным образом с возможностью исключения взаимного вращательного перемещения хвостовиков твэлов относительно нижней решетки, но с риском потери качества поверхности твэлов во время сборки (образование царапин при линейном перемещении твэлов через дистанционирующие решетки), требуют достаточно точного позиционирования твэлов, чтобы в той или иной степени автоматизировать дистанционный процесс сборки-разборки ТВС.

Обеспечение дистанционной сборки-разборки твэлов может быть реализовано также за счет выполнения оконечного участка нижней заглушки твэла в виде цилиндра с буртиком, взаимодействующим с кольцевым внутренним выступом, имеющимся на разрезной полой вставке, устанавливаемой в посадочное отверстие нижней опорной решетки (см. заявка Великобритании N 1425038, кл. G 21 C 3/32, 1976 г.).

В такой ТВС во время сборки-разборки твэлы могут быть свободно ориентированы относительно посадочного гнезда и в процессе установки допускают вращение вокруг оси одновременно с продольным перемещением. Однако в данном узле крепления контактирование нижней заглушки твэла с посадочным гнездом осуществлено практически по линии, что предлагает шарнирное соединение и исключает надежное крепление твэла в посадочном гнезде, что приводит, в частности к недопустимым вибрациям твэлов при эксплуатации ТВС.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к описываемому изобретению является тепловыделяющая сборка ядерного реактора, содержащая тепловыделяющие элементы, соединяемые с нижней опорной решеткой узлами крепления, каждый из которых выполнен в виде упругого в поперечном сечении, по крайней мере на части его длины от нижнего торца, цилиндра (см. патент США N 4344915, кл. G 21 C 3/32, 1982 г.).

Известное устройство крепления заглушки твэла с нижней опорной решеткой ТВС выполнено в виде цилиндра с продольным фасонным разрезом, взаимодействующим с соответствующей профильной пластиной, что обеспечивает необходимое усилие крепления нижней заглушки и позволяет автоматизировать дистанционную сборку-разборку твэлов. Наличие в нижней части внешней поверхности заглушки и в нижней части паза значительных конических поверхностей допускает определенное вращение твэла вокруг оси и уменьшает требования к точности ориентирования твэла во время сборки.

Тем не менее вышеотмеченные различные формы выполнения узлов крепления нижних заглушек (хвостовиков) твэлов с нижней опорной решеткой не позволяют комплексно решить множество задач данного узла ТВС, т.к. указанные решения, как правило, направлены в основном на преодоление единичных конкретных недостатков, присущих известным ранее конструкциям. По этой причине зачастую невозможно оперативно проконтролировать твэлы и заменить дефектные, особенно в условиях эксплуатации до большой степени выгорания топлива и маневрирования мощности реактора.

Задачей настоящего изобретения является разработка и создание тепловыделяющей сборки ядерного реактора с узлами крепления нижних твэлов с нижней опорной решеткой, позволяющими упростить и повысить качество процесса автоматизированной дистанционной сборки-разборки твэлов при одновременном повышении надежности соединения твэлов с нижней опорной решеткой.

В результате решения данной задачи при осуществлении настоящего изобретения реализуются технические результаты, заключающиеся в повышении эффективности использования топлива, уменьшении повреждения наружной поверхности твэла при установке и замене, снижения трудоемкости сборки-разборки ТВС, а также в снижении вибраций твэлов.

Указанные технические результаты достигаются тем, что в тепловыделяющей сборке ядерного реактора, содержащей тепловыделяющие элементы, соединяемые с нижней опорной решеткой узлами крепления, каждый из которых выполнен в виде упорного в поперечном сечении, по крайней мере на части его длины от нижнего торца, цилиндра, последний установлен в посадочном отверстии, выполненным в нижней опорной решетке, и имеет в нижней части буртик, контактирующий с поверхностью кольцевой проточки, выполненной в нижней опорной решетке ниже ее верхнего торца, причем нижний торец цилиндра расположен не ниже нижней границы кольцевой проточки, а диаметр D цилиндра выбран из отношения:
0,6076 • (L • d)^0,5 ≤ D ≤ d,
где L - расстояние от верхнего торца нижней опорной решетки до поверхности буртика, контактирующего с поверхностью кольцевой проточки;
d - диаметр посадочного отверстия.

Кроме того, под нижней опорной решеткой установлены прилегающие к ней опорные ребра, в качестве узла крепления может быть использована нижняя заглушка тепловыделяющего элемента, кольцевая проточка в нижней опорной решетке образована путем выполнения отверстия, соосного посадочному отверстию, а упругое поперечное сечение цилиндра имеет форму кольца или круга c, по крайней мере, одним разрезом.

Целесообразно выполнить буртик и/или посадочное отверстие, и/или кольцевую проточку с нижней и/или верхней фасками.

Отличительной особенностью настоящего изобретения является то, что цилиндр установлен в посадочном отверстии, выполненным в нижней опорной решетке, и имеет в нижней части буртик, контактирующий с поверхностью кольцевой проточки, выполненной в нижней опорной решетке ниже ее верхнего торца. В ядерной технике известно выполнение узла крепления в виде упругого в поперечном сечении (разрезного) цилиндра с буртиком в нижней части (см. заявка Франции N 2670944, кл. G 21 C 3/32, 1990 г.), который используется для установки труб. Однако использование только признаков, характеризующих собственно узел крепления в описываемом объекте (тепловыделяющая сборка ядерного реактора), не позволит получить вышеуказанные технические результаты в связи со специфическими требованиями, предъявляемыми к узлу крепления именно твэлов с нижней опорной решеткой. Действительно, с одной стороны, разрезной цилиндр с буртиком обеспечивает дистанционную сборку-разборку элементов. С другой стороны, наряду с данным положительным моментом необходимо учитывать условия эксплуатации тепловыделяющих элементов. В процессе функционирования твэлов в составе ТВС твэлы подвергаются интенсивным нагрузкам, обусловленным интенсивным воздействием потока омывающего их теплоносителя, тем более при повышенных температурах. Поэтому крепление твэла в нижней решетке должно быть выполнено достаточно жестким (на уровне так называемой "глухой заделки"). Применение известного узла крепления для этой цели предполагает получение требуемой величины фиксации, но без учета иных параметров, особенно геометрических размеров.

Прочностные расчеты показывают, что толщина нижней опорной решетки, являющейся основным несущим узлом пучка твэлов, должна быть порядка 15 мм для реальных твэлов, в частности с наружним диаметром от 8 мм до 9,5 мм. Величина диаметра цилиндра, плотно устанавливаемого в посадочное отверстие, по прочностным и конструктивным соображениям составляет для вышеназванных твэлов около 5 мм. Установка разрезного цилиндра с буртиком в посадочное отверстие, выполненное по всей толщине нижней опорной решетки, предполагает контактирование буртика с нижним торцом опорной решетки и наличие значительной посадочной поверхности, что увеличивает степень фиксации. Однако в результате незначительных искривлений твэла в процессе эксплуатации на цилиндр с буртиком действует повышенный изгибающий момент вследствие достаточно протяженной длины поверхности контакта, равной толщине опорной решетки. Данный фактор приводит также к увеличению усилия расцепления и вытягивания твэла и, в предельной ситуации, к невозможности расфиксации твэла с нижней опорной решеткой. Устранение этого негативного фактора в принципе возможно за счет увеличения диаметра цилиндра, т.е. путем увеличения удельной величины - отношения диаметра цилиндра к длине поверхности контакта (толщина опорной решетки). Очевидно, что при увеличении диаметра цилиндра необходимо соответствующим образом повысить и диаметр посадочного отверстия. В свою очередь увеличение диаметра множества отверстий потребует однозначного повышения толщины опорной решетки и, естественно, к уменьшению величины отношения диаметра цилиндра к длине поверхности контакта, т.е. опять же к повышенному изгибающему моменту с вытекающими последствиями. Уменьшение толщины опорной решетки при заданном (рассчитанном) диаметре цилиндра невозможно из прочностных расчетов, т.к. в этом случае следует уменьшить диаметр множества отверстий с аналогичными последствиями.

Поэтому увеличение величины отношения диаметра цилиндра к длине контакта при допустимых заданных значениях диаметра цилиндра и толщины опорной решетки обеспечивается наличием кольцевой проточки, выполненной ниже верхнего торца нижней опорной решетки. Действительно, лишь в этом случае удается уменьшить длину поверхности контакта, которая будет менее чем толщина опорной решетки, т.к. буртик будет контактировать с поверхностью кольцевой проточки, а не с нижним торцом опорной решетки. При этом нижний торец цилиндра должен располагаться не ниже нижней границы кольцевой проточки (иными словами буртик будет "утоплен" в опорной решетке), что обусловлено следующим. Если нижний торец цилиндра выполнить выступающим за нижнюю границу кольцевой проточки, необходимо увеличить диаметр кольцевой проточки для обеспечения свободного размещения в ней буртика, поскольку с увеличением его высоты повышается величина его возможной деформации. Увеличение диаметра кольцевой проточки потребует повышения толщины опорной решетки в связи с ее ослаблением. Компенсация увеличения диаметра кольцевой проточки повышением толщины решетки невозможна по вышеперечисленным причинам. Кроме того, расположение нижнего торца цилиндра не ниже нижней границы кольцевой проточки значительно снижает воздействие на буртик потока теплоносителя и исключает его разрушение какими-либо включениями, поскольку кольцевая проточка выполняет в данном случае функцию защитной камеры.

Взаимная увязка вышеперчисленных признаков возможна лишь при выборе определенной взаимосвязи между диаметром D цилиндра, расстоянием L от верхнего торца нижней опорной решетки до поверхности буртика, контактирующего с поверхностью кольцевой проточки (длина поверхности контакта) и диаметром d посадочного отверстия, т. к. относительно значительное уменьшение диаметра D цилиндра по сравнению с величиной диаметра d посадочного отверстия не позволит получить требуемую фиксацию твэла при выборе определенного расстояния L. Экспериментально установлено, что надежное закрепление твэла в опорной решетке при выполнении других требований, вытекающих из условий функционирования твэла, будет обеспечено при выборе диаметра D цилиндра из отношения
0,6076 • (L • d)^0,5 ≤ D ≤ d.

(Из данного отношения возможен выбор и других величин, входящих в него).

Таким образом, как показано выше, только вся совокупность рассмотренных отличительных признаков, совместно с признаками ограничительной части независимого пункта формулы изобретения, позволяют реализовать вышеперечисленные технические результаты.

На фиг. 1 изображена нижняя часть тепловыделяющей сборки ядерного реактора, на фиг. 2 показан узел A на фиг. 1, на фиг. 3 приведено поперечное сечение B-B на фиг. 2, на фиг. 4 и на фиг. 5 - варианты выполнения сечения B-B.

Тепловыделяющая сборка 1 содержит тепловыделяющие элементы 2, которые соединены с нижней опорной решеткой 3 посредством узлов 4 крепления. Под решеткой 3 установлены опорные ребра 5, частично воспринимающие нагрузку, действующую на опорную решетку 3. Каждый узел 4 крепления выполнен в виде упругого в поперечном сечении по крайней мере на части его длины от нижнего торца 6 цилиндра 7. Цилиндр 7 достаточно плотно установлен в посадочном отверстии 8, диаметр которого "d", выполненном в нижней опорной решетке 3. В нижней части цилиндр 7 имеет буртик 9, располагаемый внутри кольцевой проточки 10, выполненной ниже верхнего торца 11 опорной решетки 3. Нижний торец 6 цилиндра 7 расположен не ниже нижней границы 12 кольцевой проточки 10. Диаметр D цилиндра 7, диаметр d посадочного отверстия 8 и расстояние L от верхнего торца нижней опорной решетки до поверхности буртика, контактирующего с поверхностью кольцевой проточки, удовлетворяют соотношению:
0,6076 • (L • d)^0,5 ≤ D ≤ d.

Цилиндр 7 выполнен упругим в поперечном сечении по крайней мере на части его длины от нижнего торца 6 с тем, чтобы буртик 9 мог свободно пройти через посадочное отверстие 8. Упругость поперечного сечения цилиндра 7 обеспечена наличием, по крайней мере, одного разреза (паза) 13. Поперечное сечение цилиндра 7 имеет форму кольца 14 или круга 15.

В качестве узла 4 крепления может быть использована нижняя заглушка 16 тепловыделяющего элемента. Для облегчения прохождения буртика 9 через посадочное отверстие 8 и кольцевую проточку 10, на данных элементах выполнены верхние и/или нижние фаски 17. Кольцевая проточка 10 может быть образована путем выполнения отверстия со стороны нижнего торца опорной решетки 3, соосного посадочному отверстию 8. Для прохода теплоносителя в опорной решетке 3 между тепловыделяющими элементами имеются отверстия 18.

Тепловыделяющая сборка функционирует следующим образом. При первоначальном монтаже твэлы специальной известной оснасткой захватываются и устанавливаются в ТВС, проходя через дистанционирующие решетки до контакта с опорной решеткой 3. Во время данной операции целесообразно придавать твэлам вращательное движение, что облегчает их установку. После начала взаимодействия буртика 9 с верхним торцом 11 опорной решетки 3 за счет упругости в поперечном сечении цилиндра 7, буртик 9 под воздействием продольного усилия войдет в посадочное отверстие 8. При дальнейшем движении вдоль отверстия 8 буртик 9 достигнет кольцевой проточки 10, диаметр которой больше диаметра буртика 9. За счет упругого поперечного сечения цилиндр 7 примет первоначальную форму, а буртик 9 будет контактировать с поверхностью кольцевой проточки 10, обеспечивая надежную фиксацию твэла.

Во время полной разборки ТВС или для проверки и замены одиночных твэлов специальным известным оборудованием твэл дистанционно захватывается за верхнюю часть. При превышении продольного усилия величины упругости поперечного сечения цилиндра 7, буртик 9 выйдет из контакта с поверхностью кольцевой проточки 10.

Таким образом, описываемая конструкция ТВС позволяет облегчить процесс автоматической сборки-разборки, обеспечивая достаточно надежное закрепление твэлов в нижней опорной решетке.

Тепловыделяющая сборка предназначена для формирования активной зоны водо-водяных энергетических реакторов. Сборка содержит тепловыделяющие элементы, соединяемые с нижней опорной решеткой посредством узла крепления. Узел крепления выполнен в виде упругого в поперечном сечении цилиндра, установленного в посадочном отверстии опорной решетки. В нижней части цилиндр имеет буртик, контактирующий с поверхностью кольцевой канавки, выполненной соосно с посадочным отверстием ниже верхнего торца опорной решетки, что обеспечивает фиксацию тепловыделяющего элемента в опорной решетке. Упругость цилиндра в поперечном сечении обеспечена за счет выполнения цилиндра разрезным. Диаметры цилиндра и посадочного отверстия должны удовлетворять определенному соотношению, в которое входит также расстояние от верхнего торца опорной решетки до поверхности буртика, контактирующего с поверхностью кольцевой проточки. В результате уменьшается повреждение твэлов при установке и замене, снижается вибрация твэлов, а также повышается эффективность использования топлива. 8 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Тепловыделяющая сборка ядерного реактора, содержащая тепловыделяющие элементы, соединяемые с нижней опорной решеткой узлами крепления, каждый из которых выполнен в виде упругого в поперечном сечении по крайней мере на части его длины от нижнего торца цилиндра, отличающаяся тем, что цилиндр установлен в посадочном отверстии, выполненном в нижней опорной решетке, и имеет в нижней части буртик, контактирующий с поверхностью кольцевой проточки, выполненной в нижней опорной решетке ниже ее верхнего торца, причем нижний торец цилиндра расположен не ниже нижней границы кольцевой проточки, а диаметр D цилиндра выбран из отношения
0,6076 • (L • d)^0,5 ≤ D ≤ d,
где L - расстояние от верхнего торца нижней опорной решетки до поверхности буртика, контактирующего с поверхностью кольцевой проточки;
d - диаметр посадочного отверстия. 2. Тепловыделяющая сборка по п. 1, отличающаяся тем, что под нижней опорной решеткой установлены прилегающие к ней опорные ребра. 3. Тепловыделяющая сборка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что упругое поперечное сечение цилиндра выполнено в форме кольца, имеющего по крайней мере один разрез. 4. Тепловыделяющая сборка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что упругое поперечное сечение цилиндра выполнено в форме круга, имеющего по крайней мере один разрез. 5. Тепловыделяющая сборка по п.1 или 2, или 3, или 4, отличающаяся тем, что в качестве узла крепления использована нижняя заглушка тепловыделяющего элемента. 6. Тепловыделяющая сборка по п.1 или 2, или 3, или 4, или 5, отличающаяся тем, что буртик имеет нижнюю и/или верхнюю фаски. 7. Тепловыделяющая сборка по п.1 или 2, или 3, или 4, или 5, или 6, отличающаяся тем, что посадочное отверстие имеет верхнюю и/или нижнюю фаски. 8. Тепловыделяющая сборка по п.1 или 2, или 3, или 4, или 5, или 6, или 7, отличающаяся тем, что кольцевая проточка имеет верхнюю и/или нижнюю фаски. 9. Тепловыделяющая сборка по п.1 или 2, или 3, или 4, или 5, или 6, или 7, или 8, отличающаяся тем, что кольцевая проточка в нижней опорной решетке образована путем выполнения отверстия, соосного с посадочным отверстием.