ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩАЯ СБОРКА ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА Российский патент 2002 года по МПК G21C3/30 G21C3/322 

Изобретение относится к области ядерной техники и может быть применено преимущественно для энергетических или исследовательских установок с использованием ядерного реактора.

Известны различные конструкции тепловыделяющих сборок (ТВС) ядерных реакторов (ВВЭР, РБМК, PWR, BWR, CANDU, БН, БГР и др.) /1/ со стерженьковыми твэлами, охлаждаемыми водяным, жидкометаллическим или газовым теплоносителями. Общим для конструкций этих ТВС является размещение твэлов вдоль направления движения теплоносителя.

В качестве прототипа настоящего изобретения рассматривается конструкция тепловыделяющей сборки кипящего реактора BWR /2/ с квадратным поперечным сечением, содержащая стерженьковые твэлы, размещенные в узлах квадратной решетки вдоль продольной оси ТВС параллельно потоку теплоносителя.

Недостатками прототипа являются:
1. Большая длина (>4 м) тепловыделяющего элемента, что отрицательно сказывается на его продольной устойчивости, приводит к необходимости большого количества дистанционирующих решеток, вызывает значительную неравномерность энерговыделения и выгорания топлива по длине твэла, обуславливает выход значительного количества радиоактивности в случае разгерметизации.

2. Продольное обтекание твэла теплоносителем снижает коэффициент теплоотдачи, что приводит к повышению температуры оболочки.

3. Продольное размещение твэлов затрудняет выравнивание энерговыделения по высоте реактора в условиях, когда плотность теплоносителя резко меняется.

Техническая задача, решаемая в данном изобретении, заключалась в уменьшении числа дистанционирующих решеток, в уменьшении неравномерности энерговыделения и выгорания топлива по длине твэла, в сокращении выхода радиоактивных продуктов в случае разгерметизации отдельного твэла, в улучшении условий охлаждения за счет турбулизации потока теплоносителя (повышение коэффициента теплоотдачи), в выравнивании энерговыделения по высоте активной зоны в условиях, когда плотность теплоносителя резко меняется (кипящий реактор).

Сущность изобретения состоит в том, что в тепловыделяющей сборке с квадратным или прямоугольным поперечным сечением, стерженьковые тепловыделяющие элементы закрепляются в каркасе перпендикулярно к направлению движения теплоносителя, охлаждающего эту сборку. Причем твэлы могут размещаться в узлах квадратной, треугольной или какой-либо другой, в том числе и нерегулярной сетки, а поперечное сечение твэлов может быть круглым, треугольным, крестообразным и т.д. Каркасом может служить, например, чехол ТВС.

Технический результат достигается за счет того, что:
1. При поперечном обтекании твэлов поток теплоносителя эффективно турбулизуется, что значительно повышает коэффициент теплоотдачи, улучшая условия теплосъема.

2. Диаметр твэлов, шаг их размещения и состав топливной композиции может легко вырьироваться по высоте тепловыделяющей сборки с целью выравнивания энерговыделения, что особенно актуально для кипящих реакторов.

3. Малый линейный размер твэла (ориентировочно, 20-30 см) обеспечивает его более равномерное нагружение, высокую продольную устойчивость и, как следствие, повышенную работоспособность.

4. Количество радиоактивных осколков, а, следовательно, и выход радиоактивности при разгерметизации короткого твэла существенно меньше, чем у прототипа.

На чертеже показаны продольные (вдоль направления течения теплоносителя) сечения тепловыделяющей сборки с квадратной решеткой размещения стерженьковых твэлов; 1 - стерженьковые твэлы, 2 - каркас сборки.

Каркас сборки может быть выполнен как из металла, так из других материалов, например, из термостойкой керамики или металлокерамики. Стерженьковые твэлы могут быть как с металлической оболочкой, так и чисто керамическими - в случае использования в высокотемпературных газоохлаждаемых реакторах.

Тепловыделяющая сборка имеет каркас (2) (или чехол) квадратного или прямоугольного поперечного сечения. В этом каркасе закреплены стерженьковые тепловыделяющие элементы (1), расположенные перпендикулярно к направлению движения теплоносителя, охлаждающего эту сборку. На чертеже направление циркуляции теплоносителя - снизу вверх показано стрелками. При поперечном обтекании твэлов поток теплоносителя эффективно турбулизируется, что значительно повышает коэффициент теплоотдачи, улучшая условия теплосъема. Диаметр твэлов, шаг их размещения и состав топливной композиции может легко варьироваться по высоте тепловыделяющей сборки с целью выравнивания энерговыделения, что особенно актуально для кипящих реакторов. Малый линейный размер твэла (ориентировочно, 20-30 см) обеспечивает его более равномерное нагружение, большую продольную устойчивость и, как следствие, повышенную работоспособность. Выход радиоактивности при разгерметизации такого твэла существенно меньше, чем стандартного.

Примером возможного использования может служить корпусный реактор, охлаждаемый кипящей водой, в котором плотность теплоносителя по высоте активной зоны меняется в интервале от 0.75 до 0.2 г/см³. Твэлы с внешним диаметром 9,1 мм размещаются в циркониевом чехле квадратного сечения 20•20 см в узлах треугольной решетки перпендикулярно к направлению течения теплоносителя, аналогично тому, как это изображено на чертеже. Для того, чтобы сохранить водо-урановое отношение и таким образом обеспечить выравнивание энерговыделения по высоте реактора, шаг размещения твэлов необходимо постепенно изменять по высоте ТВС от примерно 14 мм до 23 мм.

Использованные источники
1. Ядерные реакторы повышенной безопасности. Анализ концептуальных разработок. М., Энергоатомиздат, 1993.

2. J.Yamashita, A.Nishimura, T.Moshida, O.Yokomizo. A new boiling water reactor core concept for a next-generation light water reactor. Nuclear Technol., Vol. 96, oct. 1991, p. 11-19. In-core fuel management code package validation for BWRs. IAEA-TECDOC-849, December 1995.

Изобретение относится к области ядерной техники и может быть применено преимущественно для энергетических или исследовательских установок с использованием ядерного реактора. Тепловыделяющая сборка (ТВС) с квадратным или прямоугольным поперечным сечением содержит стерженьковые тепловыделяющие элементы, расположенные перпендикулярно направлению движения теплоносителя, охлаждающего эту сборку. Технический результат - при поперечном обтекании твэлов поток теплоносителя эффективно турбулизуется, что значительно повышает коэффициент теплоотдачи, улучшая условия теплосъема. 1 ил.

Тепловыделяющая сборка ядерного реактора, содержащая стерженьковые тепловыделяющие элементы, закрепленные в каркасе с квадратным или прямоугольным поперечным сечением, отличающаяся тем, что тепловыделяющие элементы расположены перпендикулярно потоку теплоносителя, охлаждающего эту сборку.