ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩАЯ СБОРКА ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА Российский патент 2002 года по МПК G21C3/335 

Изобретение относится к тепловыделяющим сборкам (ТВС) ядерных реакторов и может быть использовано преимущественно в водографитовых реакторах типа РБМК.

Известна ТВС водоводяного реактора типа ВВЭР, содержащая более двухсот тепловыделяющих элементов (твэлов) и множество объединяющих их дистанционирующих решеток, верхняя и нижняя из которых выполнены съемными и допускающими возможность замены некоторых твэлов на другие, причем длина каждого твэла в ТВС равна примерно высоте активной зоны реактора /1/.

К недостатку описанной конструкции следует отнести то, что хотя возможность замены дефектных твэлов в отдельных ТВС и позволяет продлить ресурс их эксплуатации, таких ТВС по реактору в целом относительно мало и существенного повышения эффективности использования делящихся материалов она не обеспечивает. При этом речь идет о сравнении с ситуацией, когда в эксплуатации находятся только неразборные ТВС.

Известна ТВС реактора типа РБМК, содержащая подвеску с центральным несущим стержнем, на котором соосно размещены, через торцевые участки с взаимофиксацией соединены и между двумя оконечными узлами осевой стяжки закреплены две съемные кассеты, каждая из которых выполнена в виде набора стержневых тепловыделяющих элементов, объединенных дистанционирующими решетками в пучек вокруг трубы каркаса, причем длина каждого твэла в кассете и длина каждой кассеты в ТВС равны примерно половине высоты активной зоны реактора /2/.

Недостатком этой ТВС, принимаемой за прототип к изобретению, является то, что замена отдельных твэлов в ней невозможна, а принципиально возможная замена кассет с дефектными твэлами на кассеты неполной энерговыработки с исправными твэлами для экономии делящихся материалов столь малоэффективна (из-за гораздо меньшего числа твэлов в ТВС РБМК по сравнению с ТВС ВВЭР), что практически не используется.

Задачей изобретения является создание ТВС, обеспечивающей повышение экономической эффективности использования делящихся материалов в реакторе.

Технический результат, достигаемый при использовании изобретения, заключается в существенном повышении энерговыработки ТВС.

Указанный технический результат достигается тем, что торцевые участки каждой кассеты выполнены с возможностью сопряжения с любым торцевым участком другой кассеты и с любым из двух оконечных узлов осевой стяжки, которым придана соответствующая форма. В частности, оба торцевых участка каждой кассеты могут быть выполнены в виде осевых выступов трубы каркаса за пределы торцов тепловыделяющих элементов.

Суть предложения - в обеспечении после достижения некоторой энерговыработки твэлов возможности взаимной осевой переориентации кассет в ТВС. Дело в том, что энерговыделение, а значит и выгорание (энерговыработка) делящихся материалов по длине твэлов в ТВС действующего реактора, распределяется приблизительно по синусоидальному закону с максимумом в области центра активной зоны и минимума - в областях периферии (около верхнего и нижнего отражателей). Поэтому перестановка каждой кассеты на место другой без изменения осевой ориентации относительно, например, подвески или изменение осевой ориентации каждой кассеты относительно той же подвески в своей исходной позиции по высоте приводит к тому, что обе кассеты ТВС оказываются взаимно переориентированными относительно стыка кассет друг с другом и после установки такой ТВС в реактор делящийся материал с относительно меньшим выгоранием оказывается размещенным в центральной области активной зоны, а с относительно большим выгоранием - в верхней и нижней периферийных областях. А так как ценность нейтронов, генерируемых в центральной области активной зоны, выше, чем нейтронов, генерируемых на периферии, общая скорость генерации нейтронов, поддерживающих цепную реакцию деления ядер топлива после указанной перестановки кассет, увеличивается и, следовательно, заданный уровень энерговыделения в ТВС предложенной конструкции может поддерживаться в течение более длительного времени, чем это было возможно для ТВС-прототипа; другими словами, энерговыработка топлива по длине ТВС становится более равномерно распределенной, эффективность использования делящихся материалов в них и по реактору в целом увеличивается.

На чертеже представлен эскиз предложенной ТВС, где обозначено: 1 - нижняя часть подвески ТВС с центральным несущим стержнем 2; 3 - две съемных кассеты, каждая из которых представляет собой набор твэлов 4, объединенных дистанционирующими решетками 5, 6 в пучок вокруг трубы 7 каркаса; 8 - торцевые участки кассет, предназначенные для стыковки кассет как друг с другом, так и с узлами 9, 10 их осевой стяжки. Несущий стержень 2 закреплен на подвеске 1 при помощи резьбового соединения со штифтом 11. Труба 7 каркаса и твэлы 4 каждой кассеты соединены с дистанционирующей решеткой 5 жестко, а с каждой из нескольких решеток 6 - с возможностью осевого скольжения при изменении длины твэлов в зависимости от температуры (энерговыделения). Каждый торцевой участок 8 кассеты представляет собой осевой выступ (продолжение) трубы каркаса за пределы торцов твэлов, а профиль этого выступа по образующей имеет ступенчатую форму, обеспечивающую взаимосопряжение и фиксацию относительного положения кассет при любой их осевой ориентации. Такую же форму имеют и обращенные к кассетам части узлов 9, 10 осевой стяжки. В состав узла 10 входит гайка 12, которая после поджатия кассет на стержне 2 фиксируется штифтом 13.

Работает ТВС следующим образом. Первая установка ТВС в активную зону реактора осуществляется при такой осевой ориентации ее кассет, когда дистанционирующие решетки 5, соединенные с трубами 7 каркаса жестко, располагаются вблизи узлов 9, 10 стяжки, т.е. так, как это показано на чертеже и принято в ТВС-прототипе. Эксплуатация ТВС с такой осевой ориентацией кассет продолжается до тех пор, пока энерговыработка ее не станет близкой к номинальной для ТВС-прототипа. Затем ТВС из реактора извлекается и на специальном стенде подвергается перемонтажу: штифт 13 из гайки узла 10 удаляется, сама гайка полностью со стержня 2 скручивается, элемент сопряжения узла 10 с нижней кассетой и обе кассеты со стержня 2 снимаются; далее эти кассеты вновь на стержень 2 насаживаются, взаимно через торцевые участки 8 стыкуются и между узлами 9, 10 закрепляются так, чтобы решетки 5 оказались в области сопряжения кассет друг с другом. После перемонтажа ТВС вновь устанавливается в активную зону реактора и выдерживается там до тех пор, пока усредненная по высоте скорость деления ядер топлива не снизится до уровня, соответствующего номинальной энерговыработке ТВС-прототипа. При этом по причине, изложенной выше, общая энерговыработка топлива в ТВС предложенной конструкции оказывается существенно более высокой, чем номинальная для ТВС-прототипа.

Расчеты показывают, что эффективность использования делящихся материалов по реактору в целом за счет выравнивания распределения энерговыработки по длине ТВС предложенной конструкции может быть повышена по сравнению с номинальной для ТВС-прототипа на 5...10%, в то время как замена кассет с дефектными твэлами в ТВС известной конструкции могла бы в лучшем случае лишь приблизить ее на доли процента к номинальной.

Показанная на чертеже конструкция оконечного узла 10 в ТВС не является оптимальной, т. к. содержит гайку 12 со штифтом 13, операции по дистанционному демонтажу и повторному (после переориентации кассет) монтажу которых могут быть выполнены только весьма сложным манипулятором. Однако, если вместо гайки со штифтом использовать подпружиненное по оси соединение байонетного типа, узел 10 стяжки кассет станет более удобным в эксплуатации.

Задача упрощения перемонтажа кассет ТВС может быть решена путем аналогичного изменения конструкции и оконечного узла 9.

ЛИТЕРАТУРА
1. Проселков В.Н. Усовершенствование тепловыделяющих сборок. - Атомная техника за рубежом, 1986, 5, стр. 17-22.

2. Доллежаль Н.А., Емельянов И.Я. Канальный ядерный энергетический реактор. - М.: Атомиздат, 1980, стр. 95-101.

Изобретение относится к тепловыделяющим сборкам, преимущественно в водографитовых реакторах типа РБМК. Тепловыделяющая сборка (ТВС) ядерного реактора содержит подвеску с центральным несущим стержнем, на котором соосно размещены, через торцевые участки с взаимофиксацией соединены и между двумя оконечными узлами осевой стяжки закреплены две съемные кассеты со стержневыми тепловыделяющими элементами. Торцевые участки каждой кассеты выполнены с возможностью сопряжения одновременно с любым торцевым участком другой кассеты и с любым из двух оконечных узлов осевой стяжки, которым придана соответствующая форма. Технический результат - изобретение позволяет осуществлять перемонтаж ТВС с изменением взаимной осевой ориентации кассет на противоположную, так что после повторной установки в реактор в центре активной зоны оказываются участки твэлов с относительно меньшим выгоранием топлива, а на периферии - с большим. В результате общая энерговыработка ТВС и эффективность использования делящихся материалов в реакторе существенно повышается. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Тепловыделяющая сборка ядерного реактора, содержащая подвеску с центральным несущим стержнем, на котором соосно размещены, через торцевые участки с взаимофиксацией соединены и между двумя оконечными узлами осевой стяжки закреплены две съемные кассеты, каждая из которых выполнена в виде набора стержневых тепловыделяющих элементов, объединенных дистанционирующими решетками в пучок вокруг трубы каркаса, отличающаяся тем, что торцевые участки каждой кассеты выполнены с возможностью сопряжения с любым торцевым участком другой кассеты и с любым из двух оконечных узлов осевой стяжки, которым придана соответствующая форма. 2. Тепловыделяющая сборка по п. 1, отличающаяся тем, что торцевые участки каждой кассеты выполнены в виде осевых выступов трубы каркаса за пределы торцов тепловыделяющих элементов. 3. Тепловыделяющая сборка по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что соединение, по меньшей мере, одного узла осевой стяжки с несущим стержнем выполнено байонетным.