ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩАЯ СБОРКА ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА Российский патент 2001 года по МПК G21C3/34 G21C21/00 

Изобретение относится к атомной энергетике и может быть использовано на предприятиях, занятых изготовлением тепловыделяющих сборок (ТВС), преимущественно для энергетических ядерных реакторов типа ВВЭР-1000.

Известна ТВС ядерного реактора, включающая пучок тепловыделяющих элементов (ТВЭЛов), установленных вертикально в каркасе, собранном из дистанционирующих решеток, закрепленных на трубчатых каналах, хвостовик и съемную головку (см. патент США N 4687619, кл. G 21 C 19/20, 1987 год). Недостатком известной ТВС является низкий уровень технологичности конструкции ее головки, характеризующийся повышенной трудоемкостью операций сборки и ремонта пучка ТВЭЛов, монтажа-демонтажа самой головки.

Известна ТВС ядерного реактора, включающая пучок ТВЭЛов, установленных вертикально в каркасе, собранном из дистанционирующих решеток, закрепленных на трубчатых каналах, хвостовик и съемную головку (см. заявку Германии N 2845515, кл. G 21 C 3/04, 1979 год). Недостатком известной ТВС являются низкий уровень технологичности конструкции головки и невысокая надежность соединения, обеспечивающего ее съемность.

Известна ТВС ядерного реактора ВВЭР-1000, включающая пучок ТВЭЛов, установленных в каркасе из дистанционирующих решеток, закрепленных на трубчатых каналах, хвостовик и съемную головку, где каждая дистанционирующая решетка собрана из отдельных фигурных ячеек, сваренных между собой в точках и скрепленных снаружи ободом, каждая ячейка снабжена внутренними выступами, прочно с натягом фиксирующими пропущенные через ячейки ТВЭЛы и образующие каналы для прохождения теплоносителя между ТВЭЛами и стенками ячеек, между ячейками и между периферийными ячейками и ободом (см. книгу Б.А.Дементьев. Ядерные энергетические реакторы. М., Энергоатомиздат, 1990 г., стр. 44, рис. 2.13 ТВС реактора ВВЭР-1000). Недостатком известной ТВС являются те же недостатки, что и для ТВС по патенту США N 4687619 и заявке Германии N 2845515.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому эффекту является ТВС ядерного реактора, включающая пучок ТВЭЛов, установленных вертикально в каркасе из дистанционирующих решеток, закрепленных на трубчатых каналах, хвостовик и съемную головку, где каждая дистанционирующая решетка собрана из отдельных фигурных ячеек, сваренных между собой в точках и скрепленных снаружи ободом, каждая ячейка снабжена внутренними выступами прочно с натягом фиксирующими пропущенные через ячейки ТВЭЛы и образующие каналы для прохождения теплоносителя между ТВЭЛами и стенками ячеек, между ячейками и между периферийными ячейками и ободом (см. патент RU N 2124238 Российской Федерации по заявке N 97108408 от 20.05.97 г., кл. 6 G 21 C 3/30, 3/34).

ТВС по патенту 2124238 Российской Федерации устраняет недостатки известных ТВС, но вместе с тем ТВС по патенту 2124238 и известным ТВС присущи недостатки по неравномерному теплосъему в ядерном реакторе и ненадежности конструкции обода дистанционирующих решеток.

Известно, что в настоящее время идет широкое внедрение дистанционирующих решеток из циркониевых сплавов, перспективных по механическим свойствам, радиационному росту и релаксационным характеристикам для повышения выработки энергии (см. Атомная техника за рубежом, 1990 г., N 4, стр. 3-5), в процессе изготовления которых осуществляют набор и точечную сварку фигурных ячеек из сплава циркония между собой с образованием поля фигурных ячеек, ввод набранного поля фигурных ячеек в шестигранный обод из сплава циркония и закрепления в нем (см. Разработка, производство и эксплуатация ТВЭЛ энергетических реакторов. Книга 1, под редакцией Ф.Г.Решетникова, Энергоатомиздат, 1995 г., стр. 187).

Изготовление шестигранного обода из сплава циркония осуществляют по известной технологии из составных частей путем их аргонодуговой сварки в контролируемой среде аргона в камере, прошедшей предварительное вакуумирование для предупреждения окисления циркония во время сварки.

Согласно требованиям, предъявленным к ТВС по геометрическим размерам дистанционирующая решетка должна быть выполнена строго под ключ (см. Разработка, производство и эксплуатация ТВЭЛ энергетических реакторов, книга 1 под редакцией Ф. Г.Решетникова, Энергоатомиздат, 1995 г. стр. 154), однако из-за сварных швов аргонодуговой сварки составных частей обода дистанционирующая решетка после сварки этим требованиям не удовлетворяет и требуется зачистка сварных швов до уровня граней обода. Механическая зачистка сварных швов обода дистанционирующей решетки приведет к истиранию циркониевого сплава обода, возникновению разъедающей коррозии, появляющейся в результате истирания даже при отсутствии коррозионной среды (см. Металлургия циркония. Перевод с английского. Под редакцией Г.А. Меерсона и Ю.В.Гагаринского. Издательство иностранной литературы, М., 1959 г., стр. 298), что не исключает разрушения обода, соответственно дистанционирующей решетки ТВС в целом в ядерном реакторе. Испытания, проведенные в условиях аналогичных условиям ядерного реактора показали наличие следов разъедающей коррозии в области сварных швов обода дистанционирующей решетки.

Каналы для протока теплоносителя, в ядерном реакторе, образованные внутренними выступами, между стенкой ячейки и ТВЭЛом, между соседними ячейками и между периферийными ячейками и ободом параллельны друг другу и оси ТВС и создают ламинарный поток теплоносителя как в зоне интенсивного тепловыделения, так и в зоне меньшего тепловыделения, что не способствует равномерному теплосъему, так как плотность нейтронного потока в реакторе максимальна в центре и спадает к периферии. Поскольку энерговыделение обусловлено расщеплением ядер топливного вещества в нейтронном поле, то и тепловыделение в центре выше и спадает к периферии (см. А.С.Займовский, В.В. Калашников, И. С. Головнин. Тепловыделяющие элементы атомных реакторов, Госатомиздат, М., 1962 г., стр. 337). Соответственно можно рассматривать и единичную ТВС, у которой интенсивное тепловыделение в центре и спадает к периферии. Естественно, что и теплосъем у ТВС также неравномерен.

Энерговыделение в центре примерно в три раза выше, чем в среднем по активной зоне. В таком же соотношении находятся и удельные тепловые нагрузки. Любое выравнивание теплосъема, даже неполное, дает существенный экономический эффект по снятию большей мощности с реактора при прочих равных условиях, что особенно важно для энергетических реакторов (см. Б.А.Дементьев. Ядерные энергетические реакторы, М., 1990 г., Энергоатомиздат, стр. 147). Технической задачей изобретения является повышение надежности ТВС за счет повышения надежности крепления между собой составных частей обода дистанционирующей решетки в процессе изготовления и эффективности работы реактора за счет выравнивания теплосъема теплоносителем.

Эта техническая задача решается тем, что в тепловыделяющей сборке ядерного водо-водяного энергетического реактора, включающей пучок тепловыделяющих элементов, установленных вертикально в каркасе из дистанционирующих решеток, закрепленных на трубчатых каналах, хвостовик и съемную головку, где каждая дистанционирующая решетка собрана из отдельных фигурных ячеек, сваренных между собой в точках, скрепленных снаружи, изготовленным из составных частей ободом, и образующих каналы для прохождения теплоносителя между тепловыделяющими элементами и стенками ячеек, между ячейками и между периферийными ячейками и ободом;
согласно изобретению у каждой из составных частей обода один конец снабжен порогом с высотой, равной толщине обода, в нем внахлестку размещен и закреплен точечной сваркой другой конец составной части обода, место стыковки составных частей обода по ширине выполнено меньше ширины канала между периферийными ячейками и ободом и своим порогом размещено в одном из них, а каждая грань обода в верхней и нижней части снабжена по всей длине отбойниками теплоносителя от периферии к центру под углом 15-30^o. Другим отличием является то, что отбойники выполнены в виде лепестков и размещены между ТВЭЛами по периферийному ряду.

Закрепление между собой составных частей обода дистанционирующей решетки путем выполнения на каждой из составных частей порога с высотой, равной толщине обода с размещением в нем внахлестку и закреплением точечной сваркой другого конца составной части обода, выполнение места стыковки составных частей обода по ширине меньше ширины канала между периферийными ячейками и ободом и размещение места стыковки своим порогом в одном из них позволит повысить надежность крепления составных частей обода между собой, соответственно дистанционирующей решетки и в целом тепловыделяющей сборки за счет исключения аргонодуговой сварки в контролируемой среде аргона в камере с предварительным вакуумированием последней, исключить механическую зачистку сварных швов аргонодуговой сварки до уровня граней обода и соответственно исключить возникновение язвенной коррозии в местах аргонодуговой сварки составных частей обода из сплава циркония, получить обод под ключ без какой-либо механической обработки за счет размещения места стыка своим порогом в канале, образованном периферийными ячейками и ободом. Выполнение на каждой грани обода в верхней и нижней части отбойников в виде лепестков с размещением между тепловыделяющими элементами по периферийному ряду под углом 15-30^o от периферии к центру позволит повысить эффективность работы реактора за счет выравнивания теплосъема теплоносителем, который с помощью лепестков-отбойников будет изменять ламинарный поток на турбулентный с направлением от периферии к центру и наоборот при постоянном восходящем потоке.

Выполнение ободов дистанционирующих решеток с отбойниками с наклоном от периферии к центру позволит исключить повреждение тепловыделяющих сборок во время перегрузки в реакторе за счет исключения зацепления ободами дистанционирующих решеток ТВС друг о друга, отбойники при этом выполняют роль своеобразных фасок на ободах дистанционирующих решеток.

На чертежах представлены:
на фиг. 1 - ТВС ядерного реактора;
на фиг. 2 - дистанционирующая решетка, вид сверху;
на фиг. 3 - дистанционирующая решетка, вид сбоку;
на фиг. 4 - стыковка обода;
на фиг. 5 - схема направления движения потока теплоносителя в ядерном реакторе.

Тепловыделяющая сборка ядерного водо-водяного энергетического реактора включает пучок тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ) 1, установленных вертикально в каркасе из дистанционирующих решеток 2, закрепленных на трубчатых каналах 3, хвостовик 4 и съемную головку 5. Каждая дистанционирующая решетка 2 собрана из отдельных фигурных ячеек 6, сваренных между собой в точках 7 точечной сваркой, скрепленных снаружи изготовленным из составных частей 8, 9, 10 ободом и образующих каналы 11, 12, 13 для прохождения теплоносителя (показано стрелкой) между ТВЭЛами 1 и стенками ячеек 6, между ячейками 6 и между ячейками 6 и ободом из составных частей 8, 9, 10.

У каждой из составных частей 8, 9, 10 обола один конец снабжен порогом 14 с высотой, равной толщине обода, в нем внахлестку размещен и закреплен точечной сваркой 15 другой конец составной части обода, место стыковки составных частей 8, 9, 10 обода по ширине выполнено меньше ширины канала 13 между периферийными ячейками 6 и ободом и своим порогом 14 размещено в одном из них. Каждая грань составных частей 8, 9, 10 обода в верхней и нижней части снабжена по всей длине отбойниками теплоносителя от периферии к центру под углом α = 15-30^o. Отбойники выполнены в виде лепестков 16 и размещены между ТВЭЛами 1 по периферийному ряду. Угол α выбран оптимальным, т.к. при уменьшении угла менее 15^o турбулентность потока снижается и приближается к ламинарному потоку, а увеличение угла α > 30^o увеличит сопротивление потоку теплоносителя.

Дистанционирующую решетку 2 к тепловыделяющей сборке изготавливают следующим образом. Составные части 8, 9, 10 обода дистанционирующей решетки изготавливают штамповкой одновременно с лепестками 16 - отбойниками.

Осуществляют набор и точечную сварку 7 ячеек 6 между собой с образованием поля фигурных ячеек 6 и каналов 12 между ячейками для теплоносителя, размещают конец составной части 9 в пороге 14 составной части 8 и конец составной части 10 в пороге 14 составной части 9 и конец составной части 8 в пороге 14 составной части 10, осуществляют точечную сварку составных частей 8, 9, 10 друг к другу с образованием обода, вводят в обод поле фигурных ячеек 6 таким образом, чтобы места стыковок составных частей 8, 9, 10 своими порогами 14 разместились в каналах 13, образованных периферийными ячейками 6 и ободом из составных частей 8, 9, 10 и проводят точечную сварку периферийных ячеек 6 к ободу.

Тепловыделяющую сборку изготавливают следующим образом. В фигурные ячейки 6 дистанционирующих решеток 2, закрепленных на трубчатых каналах 3 каркаса, вводят пучок ТВЭЛ 1, которые прочно с натягом фиксируются в ячейках 6 с образованием каналов 11 между ТВЭЛами 1 и стенками фигурных ячеек 6 для протока теплоносителя в ядерном реакторе и закрепляют головку 5 и хвостовик 4.

Благодаря тому, что лепестки 16 отбойники имеют угол наклона 15-30^o от периферии к центру, то поток теплоносителя приобретает турбулентное движение в ядерном реакторе, способствующее лучшему теплосъему, а выполнение предложенного крепежа составных частей обода исключит разъедающую коррозию последнего и позволит увеличить длительность кампании тепловыделяющих сборок в ядерном реакторе.

Использование: в тепловыделяющих сборках преимущественно для энергетических реакторов типа ВВЭР-1000. Техническим результатом является повышение надежности тепловыделяющих сборок за счет повышения надежности крепления между собой составных частей обода дистанционирующей решетки в процессе изготовления и эффективности работы реактора за счет выравнивания теплосъема теплоносителем. Сущность изобретения: у каждой из составных частей обода дистанционирующей решетки один конец снабжен порогом высотой, равной толщине обода, в нем внахлест размещен и закреплен точечной сваркой другой конец составной части обода, место стыковки составных частей обода по ширине выполнено меньше ширины канала между периферийными ячейками и ободом и своим порогом размещено в одном из них, а каждая грань обода в верхней и нижней частях снабжена по всей длине отбойниками теплоносителя от периферии к центру под углом 15-30°. Отбойники выполнены в виде лепестков и размещены между тепловыделяющими элементами по периферийному ряду. 1 з. п. ф-лы, 5 ил. .

1. Тепловыделяющая сборка ядерного водо-водяного энергетического реактора, включающая пучок тепловыделяющих элементов, установленных вертикально в каркасе из дистанционирующих решеток, закрепленных на трубчатых каналах, хвостовик и съемную головку, где каждая дистанционирующая решетка собрана из отдельных фигурных ячеек, сваренных между собой в точках, скрепленных снаружи изготовленным из составных частей ободом и образующих каналы для прохождения теплоносителя между тепловыделяющими элементами и стенками ячеек, между ячейками и между периферийными ячейками и ободом, отличающаяся тем, что у каждой из составных частей обода один конец снабжен порогом с высотой, равной толщине обода, в нем внахлестку размещен и закреплен точечной сваркой другой конец составной части обода, место стыковки составных частей обода по ширине выполнено меньше ширины канала между периферийными ячейками и ободом и своим порогом размещено в одном из них, а каждая грань обода верхней и нижней частей снабжена по всей длине отбойниками теплоносителя от периферии к центру под углом 15 - 30^o. 2. Тепловыделяющая сборка по п.1, отличающаяся тем, что отбойники выполнены в виде лепестков и размещены между тепловыделяющими элементами по периферийному ряду.