РЕШЕТКА ДЛЯ КАССЕТЫ С ЯДЕРНЫМ ТОПЛИВОМ И ВКЛАДЫШ ДЛЯ ТАКОЙ РЕШЕТКИ Российский патент 2001 года по МПК G21C3/34 G21C3/356 

Изобретение относится к решеткам, поддерживающим топливные стержни кассеты с ядерным топливом, которые используются, в частности, в водо-водяных реакторах для удержания стержней в узловых точках сети, имеющей правильную, обычно квадратную, форму.

Более конкретно оно касается устройства образующих решетку вкладышей, которые соединяются друг с другом, как правило, в замок.

Решетки кассеты образуют как бы "подвижные" секции, в которые должны вставляться стержни, а также другие секции, через которые проходят трубчатые направляющие, в большинстве случаев привариваемые к решеткам. Чаще всего в решетках, предназначенных для поддержки стержней в осевом и поперечном направлениях, на двух из четырех поверхностей каждой подвижной секции со стержнем выполнены жесткие опорные приливы, к которым стержень прижимается двумя фиксирующими пружинами, вырезанными или насаженными на двух других ее поверхностях.

Предметом изобретения являются, в частности, вкладыши решетки, пружины которых выполнены за одно целое с плоским участком вкладыша. Такие вкладыши выполняются, по меньшей мере, в той части кассеты, которая подвержена действию интенсивного потока нейтронов, из сплавов на основе циркония, например Циркаллоя-4. При облучении нейтронами происходит ухудшение механических свойств таких сплавов. Ранее уже предлагали особую конструкцию пружин для ослабления последствий этого явления. Так, в патенте FR-A-2338549 описан вкладыш решетки, каждая пружина которого снабжена гибкой гофрированной лентой, проложенной в направлении циркуляции теплоносителя, то есть перпендикулярно вкладышу, или двумя параллельными лентами, соединенными посередине участком, вдающимся в траекторию циркуляции и имеющим между этими двумя лентами продолжение в виде двух лапок. Указанный вдающийся участок создает препятствие для нормальной циркуляции теплоносителя. В патенте WO-A-94/25935 описана пружина, образованная упругой лентой, концы которой соединены с подвижной частью вкладыша с помощью двух штампованных скоб. Хотя благодаря особой ориентации этих скоб они не оказывают существенного влияния на циркуляцию теплоносителя, последняя все равно затруднена из-за сохраняющегося прогиба пластины в момент ее опирания на стержень.

Таким образом, изобретение направлено на создание вкладыша с такой конструкцией фиксирующих пружин, которая позволила бы достичь определенного компромисса, с тем чтобы одновременно получить достаточную механическую прочность, сохранить необходимое упругое поддерживающее усилие и обеспечить беспрепятственную циркуляцию теплоносителя.

Поставленная задача решается благодаря вкладышу решетки для поддержания топливных стержней, в котором через равные промежутки выполнены пазы для соединения с поперечными вкладышами, а между пазами, по меньшей мере, некоторых пар пазов предусмотрена пружина для фиксации стержня, имеющая две упругие ленты, вырезанные в плоской стенке вкладыша и выполненные за одно целое с ним, при этом каждая из них установлена в направлении осевой циркуляции в решетке со вкладышем и присоединена к вкладышу по обоим концам, а обе ленты вдаются в направлении внутреннего объема соответствующей секции, по меньшей мере, в ненагруженном состоянии и соединены посередине с помощью поперечной скобы, выступающей за обе ленты.

Во внутреннем вкладыше можно предусмотреть как все пружины одинаковой конструкции, так и пружины разной конструкции, например, в зависимости от того, разделяет ли стенка, в которой выполнена пружина, две секции, занятые и та, и другая стержнем, или же две секции, одна из которых занята трубчатой направляющей.

В первом случае две упругие ленты целесообразно выполнить плотно прилегающими друг к другу вблизи от их опорных гнезд, то есть в зонах, близких к месту их соединения с подвижной частью вкладыша, и, напротив, удаленных относительно друг друга на их центральных участках, связанных скобой. В частности, участки, прилегающие к опорному гнезду, и центральные участки могут иметь в направлении циркуляции прямолинейную форму, при этом каждое опорное гнездо соединено с соответствующим центральным участком через криволинейную или наклонную зону. Благодаря такой конструкции во вкладыше отсутствуют крупные отверстия, которые могли бы помешать нормальной циркуляции, например, вследствие неконтролируемых обменов между секциями.

Во втором случае вкладыш образует стенку секции, которая опирается на трубчатую направляющую; пружина может состоять из двух лент, параллельных друг другу и траектории циркуляции, центральные участки которых соединены скобой. Имеющееся во вкладыше отверстие не препятствует в этом месте циркуляции, поскольку оно перекрыто трубчатой направляющей.

По обе стороны от этой пружины в направлении циркуляции остается практически плоская зона, в которой вкладыш может быть прикреплен с помощью сварного шва к трубчатой направляющей.

Необходимо предусмотреть опору для стержня, находящегося на стороне, противоположной действию пружины. Для этого пружину, размещенную на среднем участке вкладыша, заключают, как правило, между двумя опорами, образованными штампованными скобами, перпендикулярными направлению циркуляции, с тем чтобы предотвратить сколько-нибудь существенное изменение пропускного сечения для теплоносителя. Скобы опор могут иметь ту же форму, что и скобы пружин.

Форму, первоначально придаваемую штамповкой лентам пружины, целесообразно выбрать такой, чтобы ленты отталкивались практически в той же плоскости, что и подвижная часть вкладыша, при вставке удерживаемого пружиной стержня. При активном положении пружин величина выступания скоб и приливов в секции должна быть по возможности одинаковой.

Вкладыши могут быть также снабжены отклоняющими лопатками криволинейной формы, предназначенными для улучшения качества смеси теплоносителя.

Решетка содержит, как правило, наружные вкладыши, образующие своего рода обод и упирающиеся во внутренние вкладыши с использованием соединения в шип. Эти наружные вкладыши могут иметь направляющие лопатки, служащие для снижения риска сцепления решеток смежных кассет во время загрузки или выгрузки топливной сборки.

Согласно одному из предпочтительных вариантов осуществления наружные вкладыши изогнуты в основании направляющих лопаток и прилегают к торцевым кромкам подвижных внутренних вкладышей, для чего они выполнены криволинейными.

Наружные вкладыши также могут использоваться для поддержки периферийных стержней и иметь пружины. Учитывая относительно небольшое количество задействованных секций решеток и с целью придания этим вкладышам большей прочности, полученные вырезанием и штамповкой пружины могут быть расположены в направлении циркуляции.

Вкладыши можно изготавливать, в частности, из сплавов циркония типа Циркаллоя-4 в рекристализованном состоянии.

Более детально вышеупомянутые и иные признаки изобретения, которые предпочтительно использовать в сочетании, но можно и по отдельности, явствуют из нижеследующего описания отдельных вариантов выполнения, приведенных лишь в качестве примеров, не имеющих ограничительного характера. В ходе описания делаются ссылки на приложенные чертежи, на которых:
- фиг. 1 представляет собой аксонометрическое изображение части решетки и трубчатой направляющей, где внутренние вкладыши снабжены пружинами в соответствии с одним из конкретных вариантов выполнения и показаны в ненагруженном состоянии;
- на фиг. 2, аналогичной фиг. 1, показаны пружины в "активном" состоянии, то есть в момент, когда они отталкиваются опорой стержня;
- фиг. 3 представляет собой вид в разрезе по плоскости, проходящей через ось секции со стержнем, на котором показаны одна пружина в активном положении и одна пружина в ненагруженном состоянии;
- фиг. 4 представляет собой вид сверху конструкции по фиг. 3;
- на фиг. 5, аналогичной части фиг. 1, показан вариант выполнения, благодаря которому повышается прочность решеток;
- фиг. 6 представляет собой вид спереди части наружного вкладыша, образующего обод решетки, на котором показана решетка для фиксации стержня с повышенной упругостью и меньшей чувствительностью к случайным внешним воздействиям;
- фиг. 7 и 8 представляют собой виды в разрезе конструкции по фиг. 6, по линиям соответственно VII-VII и VIII-VIII;
- на фиг. 9 показана часть вкладыша с пружинами типа показанной на фиг. 1 и его соединение со вкладышем обода;
- на фиг. 10 дано изображение в перспективе части решетки типа показанной на фиг. 9.

Решетка 10, часть которой представлена на фиг. 1 и 2, образована двумя группами пересекающихся вкладышей 12 и 14, которые соединены между собой в замок и имеют для этой цели специальные пазы. Эти вкладыши скреплены между собой, например, сваркой в точках пересечения 16. Вкладыши 12 и 14 образуют секции, в которые вставляются топливные стержни 18 типа показанных на фиг. 2 штрихпунктирными линиями. В другие же секции входят трубчатые направляющие 20, служащие для обеспечения пропускания поглощающих стержней сборок управления. Как правило, по меньшей мере некоторые из указанных трубчатых направляющих прикреплены к решеткам. Они соединяют между собой верхний и нижний концы кассеты, не показанные на чертеже.

По меньшей мере, часть решеток данной кассеты служат для удержания стержней в узловых точках упорядоченной сети и поддержания их вертикального положения. Эти две задачи способна выполнять решетка, показанная в качестве примера на фиг. 1 и 2. Для этой цели она снабжена в двух взаимно перпендикулярных направлениях опорными элементами, выполненными на одной из поверхностей секции, а также пружиной, вырезанной на противоположной поверхности секции, которая прижимает стержень к этим опорным элементам.

На двух из поверхностей каждой секции со стержнем имеется пружина, которая благодаря своим упругим свойствам стремится вдаваться внутрь секции. Конструктивное исполнение этой пружины выбирается в зависимости от того, упирается ли она в секцию, служащую для вставки топливного стержня, или же в секцию с трубчатой направляющей 20.

Каждая из пружин, разделяющих две секции, занятые стержнями, образована двумя упругими лентами 24, вырезанными в плоской стенке вкладыша и выполненными за одно целое с ним, которые соединены посередине поперечной скобой 26, выступающей за пределы обеих лент. Каждая лента вытянута в направлении, поперечном относительно большего размера вкладыша, то есть в направлении циркуляции. Каждая лента 24 соединена по обоим концам со вкладышем. В состоянии покоя она наклонена в направлении внутреннего объема секции со стороны своих торцов (фиг. 1). Скоба образует дополнительный выступ по отношению к двум лентам, с которыми она соединена.

Каждая из пружин 22 заключена по ходу циркуляции между опорными элементами, образованными двумя приливами 28, форма которых может быть точно такой же, как у скоб 26.

Как пружины, так и скобы могут изготавливаться по традиционной технологии - штамповкой с последующей вытяжкой.

Упругие ленты 24 выполнены плотно прилегающими друг к другу вблизи от их опорных гнезд и отстоят друг от друга на их центральном участке, что позволяет оставить необходимое пространство для скобы. В результате зазор между двумя лентами, обеспечивающий сообщение двух смежных секций, каждая из которых занята одним стержнем, имеет незначительную ширину и, по существу, не препятствует нормальной циркуляции.

Пружины 30, упирающиеся в секцию с трубчатой направляющей 20, также снабжены двумя вырезанными упругими лентами, которые соединены на их центральном участке скобой 26. Однако здесь обе ленты 32 пружины 30 проходят практически параллельно друг другу и направлению циркуляции. Образующийся при этом зазор не создает никаких препятствий, поскольку он перекрыт трубчатой направляющей 20.

Решетка может прикрепляться сварными швами к трубчатым направляющим либо в зонах 34, имеющих практически плоскую или несколько выпуклую форму и расположенных по обе стороны от пружин 30, либо на накладках, предусмотренных в верхней и/или нижней части вкладышей под прямым углом к секции, в которую вставлена трубчатая направляющая 20.

Величину выступания скоб 26 относительно лент и форму лент в нерабочем состоянии целесообразно выбрать такими, чтобы при установке стержней 18 ленты отталкивались практически в той же плоскости, что и подвижный участок вкладыша, как видно на фиг. 2, 3 и 4.

Так, например, на фиг. 3 показано, что пружина 22 правого вкладыша 12 находится в выступающем положении, так как она не отталкивается каким-либо стержнем. Напротив, пружина 22 левого вкладыша прогибается под действием стержня 18 до такой степени, что образующие ее ленты оказываются, по существу, в той же плоскости, что и подвижная часть вкладыша 12, в результате чего они не оказывают помех циркуляции.

Для повышения прочности решеток можно приварить вкладыши друг к другу не только в точках пересечения 16 на каждой большей поверхности решетки, но и еще в каких-либо местах. Так, на фиг. 5 видны вкладыши 12, в которых выполнены два дополнительных окошка 36, расположенных по каждой линии пересечения с другим вкладышем. Благодаря этому создаются возможности доступа для приваривания вкладышей в минимум двух дополнительных точках. Сварка производится вставляемым в решетку инструментом, например, с использованием лазерного пучка. Окошки 36 должны обычно располагаться между приливами в зоне пружины, если смотреть в направлении циркуляции.

Решетка может быть снабжена четырьмя наружными вкладышами, которые, будучи соединенными друг с другом, образуют обод. При загрузке или выгрузке топливной кассеты существует опасность того, что какой-либо из ободов этой кассеты зацепится за обод смежной кассеты. Для уменьшения такого риска уже предлагалось загибать углы обода внутрь. Еще надежнее опасность зацепления можно устранить, применив обод, фрагмент которого показан на фиг. 9 и 10. Наружным вкладышам, образующим обод, придана особая форма: они загнуты внутрь на участке 40, прилегающем к их передней кромке, и на участке 42, прилегающем к задней кромке. Соответствующим образом вырезаны и торцы подвижных вкладышей 12 и 14. Передняя часть торца каждого вкладыша 12 или 14 скруглена или скошена и может быть, кроме того, снабжена выступом 44, входящим в отверстие изогнутого участка вкладыша обода.

Задняя часть торца каждого вкладыша 12 или 14 имеет направленное по ходу циркуляции утолщение 46 со скругленной или скошенной кромкой, на которое опирается обод. Это утолщение также может иметь выступ 44. Величина выступания утолщения может быть сделана такой же, как у традиционно предусматриваемых лопаток 48 для отклонения потока.

Показанный на фиг. 9 и 10 обод может быть использован с подвижными вкладышами 12 и 14, пружины которых имеют конструкцию, отличающуюся от показанной на фиг. 1-4, в частности, принятую для традиционных систем.

Пружины для поддержания периферийных стержней, расположенные на наружном ободе, подвержены воздействию случайных нагрузок, которые могут помешать выполнению их поддерживающих функций. Согласно одному из предпочтительных вариантов выполнения решетка снабжена ободом 38, в котором выполнены усиленные пружины. Для этого предусмотрено ограничение угла отклонения упругих пластин и усиление их защиты благодаря их размещению с отступом по отношению к наружной поверхности решетки.

Такое усиление можно обеспечить, например, с помощью средств, показанных на фиг. 6-8. Пружина 52 образована путем вырезания и изгиба участка обода, который деформируют в направлении внутрь, получая вздутие 54. На фиг. 6 можно видеть, что это вздутие вытянуто в направлении циркуляции, а следовательно, и прохождения пружины, причем его параллельные края соединены полукруглыми участками. Указанное вздутие можно получить штамповкой или формованием под прессом.

Собственно пружина 52 имеет традиционную форму с выступающей центральной частью 56, однако такая форма не единственно возможная, величина ее выступания в состоянии покоя может быть отличной от той, которая принята для пружин 22 и 30. Благодаря наличию вздутия пружина защищена от опасности прямых наружных неблагоприятных воздействий, что позволяет максимально воспользоваться ее боковыми вырезами для придания ей наибольшей жесткости и упругости. Кроме того, такое вздутие естественным путем ограничивает максимальный прогиб пружины и соответственно смещение стержня к наружной стороне решетки до такой величины, при которой стержень может опираться на нее.

Если необходимо по возможности больше ограничить потери напора, которые претерпевает теплоноситель, можно придать фасонную форму передней кромке вкладышей, обода, приливов и/или скоб, как это предложено, например, в заявке на патент "Вкладыши решетки для кассеты с ядерным топливом и решетка с такими вкладышами", поданной в тот же день, что и данная заявка.

Изобретение относится к решеткам, поддерживающим топливные стержни кассеты с ядерным топливом, которые используются, в частности, в водо-водяных реакторах для удержания стержней в узловых точках сети, имеющей правильную, обычно квадратную, форму. Во вкладыше решетки через равные промежутки выполнены пазы для соединения с поперечными вкладышами, а между пазами, по меньшей мере, некоторых пар пазов предусмотрена пружина для фиксации стержня, имеющая две упругие ленты, вырезанные в плоской стенке вкладыша и выполненные за одно целое с ним. Каждая лента проходит в направлении, перпендикулярном вкладышу, и присоединена к подвижной части вкладыша по обоим концам. Ленты вдаются в направлении внутреннего объема соответствующей секции в ненагруженном состоянии и соединены посередине поперечной скобой, выступающей за обе ленты. Технический результат - обеспечение достаточной механической прочности вкладыша и беспрепятственной циркуляции теплоносителя. 3 с. и 9 з. п. ф-лы, 10 ил.

1. Вкладыш решетки для поддержания топливных стержней, в котором через равные промежутки выполнены пазы для соединения с поперечными вкладышами, а между пазами, по меньшей мере, некоторых пар пазов предусмотрена пружина (22, 30) для фиксации стержня, имеющая две упругие ленты (24), вырезанные в плоской стенке вкладыша и выполненные за одно целое с ним, при этом каждая из них установлена, главным образом, в направлении циркуляции и присоединена к подвижной части вкладыша по обоим концам, а обе ленты вдаются в направлении внутреннего объема соответствующей секции в ненагруженном состоянии и соединены посередине с помощью поперечной скобы (26), выступающей за обе ленты, причем две упругие ленты (24), по меньшей мере, некоторых (22) из пружин выполнены плотно прилегающими друг к другу вблизи от их опорных гнезд и удалены друг от друга на их центральных участках, связанных скобой (26). 2. Вкладыш решетки для поддержания топливных стержней, в котором через равные промежутки выполнены пазы для соединения с поперечными вкладышами, а между пазами, по меньшей мере, некоторых пар пазов предусмотрена пружина (22, 30) для фиксации стержня, имеющая две упругие ленты (24), вырезанные в плоской стенке вкладыша и выполненные за одно целое с ними, при этом каждая из них установлена, главным образом, в направлении циркуляции и присоединена к подвижной части вкладыша по обоим концам, а обе ленты вдаются в направлении внутреннего объема соответствующей секции в ненагруженном состоянии и соединены посередине с помощью поперечной скобы (26), выступающей за обе ленты, причем форма лент и скобы каждой пружины (22, 30) выбрана такой, чтобы ленты упруго отталкивались в той же плоскости, что и подвижная часть вкладыша, снабженного пружиной, вследствие наличия стержня. 3. Вкладыш по п.1 или 2, отличающийся тем, что пружины имеют различную конструкцию, в зависимости от того, разделяет ли стенка, в которой выполнена пружина, две секции, предназначенные и та, и другая для ввода стержня, или же две секции, одна из которых служит для размещения трубчатой направляющей (20). 4. Вкладыш по пп.1, 2 или 3, отличающийся тем, что две ленты лишь некоторых из пружин (30), по существу, параллельны друг другу и направлению циркуляции. 5. Вкладыш по п.2, отличающийся тем, что пружины (30), образованные параллельными лентами, упираются в секцию, через которую проходит трубчатая направляющая (20). 6. Вкладыш по п.4 или 5, отличающийся тем, что каждая из пружин (30), образованных параллельными лентами, заключена в направлении, перпендикулярном вкладышу, между практически плоскими или несколько выпуклыми зонами сварки. 7. Вкладыш по любому из пп.1 - 4, отличающийся тем, что каждая пружина, которая должна опираться на секцию с топливным стержнем, заключена в направлении, перпендикулярном большему размеру вкладыша, между двумя приливами (28), выступающими в направлении, противоположном по отношению к пружине (22). 8. Вкладыш по п.7, отличающийся тем, что скоба (26) пружины (22) и охватывающие ее приливы (28), образующие собой упорные элементы, имеют одинаковую форму. 9. Решетка для поддержания топливных стержней для кассеты с ядерным топливом, образованная двумя пересекающимися группами вкладышей (12, 14), по любому из предшествующих пунктов, отличающаяся тем, что в передней части каждого торца каждого вкладыша выполнены вырезы или элементы усиления криволинейной формы, служащие опорой для обода (38), загнутого внутрь, по меньшей мере, в передней части решетки. 10. Решетка по п.9, отличающаяся тем, что криволинейные вырезы или элементы усиления снабжены выступом (44), входящим в отверстие загнутой части обода. 11. Решетка по п.9 или 10, отличающаяся тем, что на ободе установлены усиленные пружины, выполненные за одно целое с ним. 12. Решетка по п.11, отличающаяся тем, что каждая пружина обода вырезана в зоне этого обода, которая деформирована в направлении внутрь и образует таким образом вздутие, служащее для защиты пружины от прямых наружных воздействий и предотвращения чрезмерного смещения стержня в направлении наружу.