ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩАЯ СБОРКА ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА Российский патент 2001 года по МПК G21C3/32 

Изобретение относится к атомной энергетике и может быть использовано на предприятиях изготовления тепловыделяющих сборок (ТВС) для ядерных реакторов преимущественно типа ВВЭР.

Известна ТВС ядерного реактора ВВЭР-440, включающая пучок тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ), установленных в каркасе из дистанционирующих решеток шестигранной формы, смонтированных на центральном трубчатом канале, закрепленном вместе с ТВЭЛами нижним концом в нижней решетке, хвостовик, соединенный с нижней решеткой с помощью переходников, закрепленных в углах этой решетки, чехол в виде охватывающей весь пучок ТВЭЛов шестигранной трубы, присоединенной одним концом к хвостовику, головку, закрепленную на другом конце чехла, и элементы, обеспечивающие закрепление ТВЭЛов в нижней решетке (см. Дементьев Б.А., Ядерные энергетические реакторы: учебник для ВУЗов, 2-е издание переработанное и дополненное, М.: Энергоатомиздат., 1990 г., стр.31-35).

В известной ТВС от осевого перемещения вверх вниз ТВЭЛы закреплены в нижней решетке своими нижними заглушками, размещенными в ее соответствующих ячейках. В качестве элемента, препятствующего осевому перемещению ТВЭЛов относительно нижней решетки вниз, использован кольцевой уступ на каждой нижней заглушке над верхним торцем этой решетки.

Осевое перемещение ТВЭЛов относительно нижней решетки вверх ограничено посредством шплинта, размещенного в пазу, выполненном на нижнем торце этой нижней решетки вдоль всего ряда ячеек для нижних заглушек ТВЭЛа и пропущенного через отверстия в каждой нижней заглушке на уровне упомянутого паза для размещения шплинта. Количество шплинтов соответствует числу рядов ТВЭЛов в ТВС. Оба конца каждого шплинта закреплены на боковой грани нижней решетки. Центральный трубный канал, используемый для размещения в ТВС измерительных приборов, закреплен своим наконечником в нижней решетке аналогичным креплением, что и ТВЭЛы.

Недостатком данной ТВС является высокая трудоемкость ее изготовления из-за ручных операций по ориентированию каждого ТВЭЛа отверстиями в заглушках навстречу шплинту, по шплинтованию через отверстия в нижних заглушках каждого ТВЭЛа и закрепления шплинтов сваркой. Эти операции не поддаются автоматизации.

Известна ТВС ядерного реактора ВВЭР-1000, включающая пучок ТВЭлов, установленных в каркасе из дистанционирующих решеток шестигранной формы, смонтированных на трубчатых каналах, закрепленных вместе с ТВЭЛами нижними заглушками в нижней решетке, хвостовик, соединенный с нижней решеткой с помощью переходников, закрепленных в углах этой решетки, головку и элементы, обеспечивающие закрепление ТВЭЛов в нижней решетке (см. там же стр. 41-45). Эта ТВС, кроме центрального, имеет ряд трубчатых каналов, используемых для размещения в них регулирующих стержней.

ТВЭЛы закреплены в нижней решетке аналогичным, что и в описанной выше ТВС, образом. Хвостовик снабжен системой опорных ребер для нижней решетки, которые прилегают к ее нижнему торцу, а головка закреплена на выступающих из пучка ТВЭЛов верхних трубчатых каналах для регулирующих стержней.

Данная ТВС имеет тот же недостаток, что и ТВС, описанная выше, но выраженный более явно, поскольку она имеет почти втрое больше ТВЭЛов, следовательно, и более высокую трудоемкость операции монтажа шплинтов при закреплении пучка ТВЭЛ в нижней решетке. Кроме того, обе тепловыделяющиеся сборки являются неразборными, что создает известные трудности при замене одного или нескольких ТВЭЛ в ТВС, а пазы на нижних торцах нижних решеток для шплинтов, размещенные перпендикулярно потоку теплоносителя, могут вызвать непредсказуемую вибрацию ТВС и разрушение по сварке нижней заглушки к ТВЭЛу.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому эффекту является тепловыделяющая сборка ядерного реактора, преимущественно ВВЭР, включающая пучок тепловыделяющих элементов, установленных в каркасе из дистанционирующих решеток, смонтированных на трубчатых каналах, закрепленных вместе с тепловыделяющими элементами, нижними заглушками в нижней решетке, снабженной переходниками, хвостовик с опорными ребрами, присоединенный к переходникам нижней решетки, головку, закрепленную на верхних концах трубчатых каналов, и элементы, обеспечивающие закрепление нижних заглушек тепловыделяющих элементов в нижней решетке (см. Патент Российской Федерации RU 2079170 от 30.05.95 г., опубликован 10.05.97 г., МПК 6 G 21 C 3/32.

В тепловыделяющей сборке-прототипе у нижних заглушек тепловыделяющих элементов нижние концы предварительно перед сборкой рассечены в продольном направлении на две равные части, а при сборке тепловыделяющей сборки эти равные части за нижним торцом нижней решетки разведены в стороны, например, осадкой их на конусный дорн.

Тепловыделяющая сборка-прототип устраняет недостатки известных ТВС в части трудоемкости за счет исключения шплинтования ТВЭЛов, автоматизации закрепления заглушек ТВЭЛов в нижней решетке и появляется возможность замены одного или нескольких ТВЭЛов, т.е. такую ТВС можно назвать как вариант разборной ТВС. Однако при этом не учтено, что выполнение на каждой заглушке дополнительно фрезерных работ по рассечению конца заглушки на две части повышает ее себестоимость изготовления, толщина одной части при этом составляет 1,5 мм, что не исключает ее изгиба, повреждения на стадии изготовления и транспортировки. При запрессовке ТВЭЛа через 15 дистанционирующих решеток и одну нижнюю решетку при сборке ТВС не исключено повреждение рассеченных частей нижней заглушки в процессе сборки ТВС. Не исключено повреждение рассеченных частей нижней заглушки в процессе их осадки на дорн. ТВЭЛ со сломанной, хотя бы одной частью, уходит в брак.

Известно, что ядерные реакторы типа ВВЭР работают при температурах 270-330^oC теплоносителя и давлении 10-20 МПа с подачей теплоносителя снизу вверх активной зоны (см. Разработка, производство и эксплуатация тепловыделяющих элементов энергетических реакторов. Книга 1, М., Энергоатомиздат., 1995 г., стр. 14, 1.2), что не исключает осевого смещения ТВЭЛа снизу вверх в ТВС и выталкивания его из ячейки нижней решетки. Кроме того, разведенные части нижней заглушки ТВЭЛа создают дополнительное сопротивление потоку теплоносителя. Если же учесть, что концы нижних заглушек размещены в ячейках нижней решетки с зазором, то могут возникнуть непредсказуемая вибрация ТВЭЛ и разрушение сварного шва оболочки ТВЭЛа с нижней заглушкой, так как цирконий отличается склонностью к разъедающей коррозии, появляющейся в результате колебания даже при очень малых амплитудах (см. Металлургия циркония. Перевод с английского. Издательство Иностранной литературы, М., 1959 г. , стр. 298).

При сборке ТВС для предохранения от повреждения нижних рассеченных частей нижних заглушек ТВЭЛ при их запрессовке через ячейки пятнадцати параллельно установленных дистанционирующих решеток предварительно перед запрессовкой на рассеченную часть нижней заглушки устанавливались полимерные наконечники. Запрессовка ТВЭЛа через ячейки дистанционирующих решеток осуществлялась наконечниками вперед до нижней решетки. Перед нижней решеткой запрессовка прекращалась для удаления наконечников, а затем шла допрессовка ТВЭЛа нижней частью нижней заглушки в ячейку нижней решетки, где за нижним торцом нижней решетки осуществлялась осадка рассеченной части нижней заглушки на дорне. Остановка запрессовки снижала производительность сборки ТВС, а ручное снятие наконечников перед нижней решеткой и дорнование рассеченной части заглушки увеличивало трудозатраты и повышало себестоимость изготовления ТВС.

Технической задачей изобретения является повышение надежности эксплуатации тепловыделяющей сборки в ядерном реакторе, снижение себестоимости изготовления и обеспечение безопасности персонала.

Эта техническая задача решается тем, что в тепловыделяющей сборке ядерного реактора преимущественно типа ВВЭР, включающей пучок тепловыделяющих элементов, установленных в каркасе из дистанционирующих решеток, смонтированных на трубчатых каналах, закрепленных вместе с тепловыделяющими элементами нижними заглушками в нижней решетке, снабженной переходниками, хвостовик с опорными ребрами, присоединенный к переходникам нижней решетки, головку, закрепленную на верхних концах трубчатых каналов, и элементы, обеспечивающие закрепление тепловыделяющих элементов в нижней решетке,
согласно изобретению элементы, обеспечивающие закрепление тепловыделяющих элементов в ячейках нижней решетки, выполнены в виде по крайней мере одной пуклевки на стенках ячеек со стороны нижнего торца нижней решетки в сторону размещаемой в ячейке нижней части нижней заглушки, повторяющей форму ячейки и кольцевого пояска на нижней части нижней заглушки, фиксирующего пуклевку в месте их касания, а торец нижней части нижней заглушки выполнен полусферическим. Другим отличием является то, что на стенках каждой ячейки для нижней части нижней заглушки тепловыделяющего элемента по образующей со стороны нижнего торца нижней решетки выполнены фаски, а кольцевой поясок на нижней части нижней заглушки выполнен фиксирующим эту форму в месте касания с пуклевкой с углом раствора кольцевого пояска больше, чем угол раствора без фаски на ячейке.

Выполнение элементов крепления в нижней решетке в виде пары: кольцевой поясок на нижней части нижней заглушки и пуклевка или пуклевки на стенках ячейки нижней решетки, повторяющие в сечении кольцевой поясок с полусферическим торцом нижней части нижней заглушки позволяет:
- повысить надежность крепления тепловыделяющих элементов в нижней решетке ТВС за счет надежного сцепления пары: пуклевка - поясок и соответственно повысить надежность эксплуатации ТВС в ядерном реакторе;
- снизить трудозатраты и повысить производительность, что в целом снизит себестоимость изготовления ТВС за счет отмены использования наконечников при сборке ТВС;
- снизить себестоимость изготовления нижних заглушек за счет выполнения при изготовлении только токарных работ, отмены фрезерных и сверлильных работ и снизить себестоимость изготовления в целом ТВС;
- обеспечить безопасность персонала и не подвергать персонал облучению при изготовлении ТВС со смешанным топливом за счет предварительного закрепления хвостовика к нижней решетке, исключения операции снятия наконечников с нижних заглушек ТВЭЛ перед нижней решеткой и перевода сборки ТВС на безлюдную технологию;
- осуществить сборку ТВС в неразборном варианте и разборном варианте при выполнении фаски на стенках ячеек нижней решетки со стороны ее нижнего торца и соответственно выполнения ответного кольцевого пояска на нижней части нижней заглушки, повторяющего в сечении пуклевку с фаской.

На чертежах представлена тепловыделяющая сборка ядерного реактора, где
на фиг. 1 - общий вид ТВС;
на фиг. 2 - нижняя заглушка в нижней решетке (неразборный и разборный варианты ТВС);
на фиг. 3 - фрагмент нижней решетки с пуклевками ячейки.

Тепловыделяющая сборка ядерного реактора преимущественно типа ВВЭР, включающая пучок тепловыделяющих элементов 1, установленных в каркасе из дистанционирующих решеток 2, смонтированных на трубчатых каналах 3, закрепленных вместе с тепловыделяющими элементами нижними заглушками 4 (фиг. 2) в нижней решетке 5, снабженной переходниками 6, хвостовик 7 с опорными ребрами 8, присоединенный к переходникам 6 нижней решетки 5, головку 9, закрепленную на верхних концах трубчатых каналов 3, и элементы, обеспечивающие закрепление тепловыделяющих элементов 1 в нижней решетке 5.

Элементы, обеспечивающие закрепление тепловыделяющих элементов 1 в ячейках 10 нижней решетки 5, выполнены в виде по крайней мере одной пуклевки 11 (показано три) на стенках ячеек 10 со стороны нижнего торца 12 нижней решетки 5 в сторону размещаемой в ячейке 10 нижней части 13 нижней заглушки 4, повторяющей форму ячейки 10, и кольцевого пояска 14 на нижней части 13 нижней заглушки 4, фиксирующего пуклевку 11 в месте их касания, а торец 15 нижней части 13 нижней заглушки 4, выполнен полусферическим. Нижняя заглушка 4 снабжена кольцевым уступом 16 для предупреждения смещения ТВЭЛа 1 вниз нижней решетки 5. Данный вариант ТВС является неразборным.

Для разборности ТВС на стенках каждой ячейки 10 для нижней части 13 нижней заглушки 4 тепловыделяющего элемента 1 по образующей со стороны нижнего торца 12 нижней решетки 5 выполнены фаски 17, а кольцевой поясок 14 на нижней части 13 нижней заглушки 4 выполнен фиксирующим эту форму в месте касания с пуклевкой 11 с углом раствора β кольцевого пояска 14 больше чем угол раствора α фаски 17.

Тепловыделяющую сборку собирают следующим образом.

Собирают каркас из дистанционирующих решеток 2, трубчатых каналов 3, нижней решетки 5 и закрепляют к нижней решетке переходники 6 хвостовика 7 с опорными ребрами 8.

Нижняя решетка 5 предварительно должна быть подготовлены для сборки тепловыделяющей сборки в неразборном варианте, для чего на каждой ячейке 10 на стенках выполняют пуклевки 11, по крайней мере одну (показано три) со стороны нижнего торца 12 нижней решетки 5.

Тепловыделяющие элементы 1 соответственно должны иметь нижнюю заглушку 4, у которой на нижней части 13 должен быть выполнен кольцевой поясок 14, фиксирующий пуклевку 11, угол раствора α, кольцевой уступ 16 и полусферический торец 15.

Для разборного варианта ТВС применяют нижнюю решетку 5, у ячеек 10 которых со стороны нижнего торца 12 нижней решетки 5 выполнены фаски 17, и применяют для ТВЭЛ нижние заглушки 4, у которых на нижней части 13 выполнен кольцевой поясок 14, фиксирующий пуклевку 11 вместе с фаской 17 и имеющий угол раствора β больше угла раствора α
ТВЭЛы 1 через ячейки всех дистанционирующих решеток 2 запрессовывают полусферической частью 15 нижней заглушки 4 вперед до упора кольцевого уступа 16 о нижнюю решетку 5, а полусферический торец 15 нижней заглушки 4, войдя в контакт с пуклевкой 11, отожмет ее, и за счет упругой деформации стенки ячейки пуклевка 11 займет место в кольцевом пояске 14 с углом α на нижней части 13 нижней заглушки 4.

При сборке разборной ТВС все операции проводят аналогично, но за счет фаски 17 и угла раствора β, который больше угла α, ТВЭЛ 1 можно вернуть вверх и поменять.

Проведенные испытания опытного образца показали надежное закрепление нижней заглушки ТВЭЛа в нижней решетке, минимальное сопротивление потоку теплоносителя за счет полусферических торцов нижних заглушек и изготовление как разборного, так и неразборного вариантов ТВС.

Изобретение относится к атомной энергетике и может найти применение на предприятиях по изготовлению тепловыделяющих сборок (ТВС) для ядерных реакторов. Технический результат: повышение надежности эксплуатации тепловыделяющей сборки в ядерном реакторе, снижение себестоимости ее изготовления и обеспечение безопасности персонала. ТВС включает пучок тепловыделяющих элементов, установленный в каркасе из дистанционирующих решеток. Дистанционирующие решетки закреплены на трубчатых каналах. Каналы установлены нижними заглушками в нижней решетке. ТВС также содержит хвостовик с опорными ребрами, головку и элементы закрепления твэлов в нижней решетке. Элементы, обеспечивающие закрепление твэлов в ячейках решетки, выполнены в виде пуклевок на стенках ячеек и кольцевого пояска на нижней части нижней заглушки. На стенках каждой ячейки со стороны нижнего торца нижней решетки выполнены фаски. При этом угол раствора кольцевого пояска больше, чем угол раствора без фаски на ячейке. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Тепловыделяющая сборка ядерного реактора преимущественно типа водо-водяного энергетического реактора, включающая пучок тепловыделяющих элементов, установленных в каркасе из дистанционирующих решеток, смонтированных на трубчатых каналах, закрепленных вместе с тепловыделяющими элементами нижними заглушками в нижней решетке, снабженной переходниками, хвостовик с опорными ребрами, присоединенный к переходникам нижней решетки, головку, закрепленную на верхних концах трубчатых каналов, и элементы, обеспечивающие закрепление тепловыделяющих элементов в нижней решетке, отличающаяся тем, что элементы, обеспечивающие закрепление тепловыделяющих элементов в ячейках нижней решетки, выполнены в виде, по крайней мере, одной пуклевки на стенках ячеек со стороны нижнего торца нижней решетки в сторону размещенной в ячейке нижней части нижней заглушки, повторяющей форму ячейки и кольцевого пояска на нижней части нижней заглушки, фиксирующего пуклевку в месте их касания. 2. Тепловыделяющая сборка по п.1, отличающаяся тем, что на стенках каждой ячейки для нижней части нижней заглушки тепловыделяющего элемента по образующей со стороны нижнего торца нижней решетки выполнены фаски, а кольцевой поясок на нижней части нижней заглушки выполнен фиксирующим эту форму в месте касания с пуклевкой с углом раствора кольцевого пояска больше, чем угол раствора без фаски на ячейке.