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

Изобретение относится к атомной промышленности и может найти применение на предприятиях изготовления тепловыделяющих сборок (ТВС) для ядерного реактора.

Известно, что ТВС должна удовлетворять ряду требований, среди которых наиболее важным являются:
1) обеспечение возможности независимого осевого термического и радиационного удлинения и возможного изменения формы тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ) без их существенных изгибов, нарушения дистанционирования и без существенного термомеханического воздействия на ТВЭЛы со стороны дистанционирующих элементов;
2) обеспечение возможности размещения органов стержней управления защитой (СУЗ) и их свободного перемещения в процессе эксплуатации (см. Разработка, производство и эксплуатация тепловыделяющих элементов энергетических реакторов. Книга 1. М.: Энергоатомиздат, 1995, с. 184).

Известна ТВС ядерного реактора, содержащая гексагональный в поперечном сечении пучок ТВЭЛ, установленных вертикально таким образом, что их продольные оси находятся на одинаковом расстоянии друг от друга, дистанционирующие решетки сотовой конструкции, имеющие в своем составе соединенные между собой ячейки с пуклевками в виде гофров и обод, несущую решетку, хвостовик, съемную головку, центральную трубу и расположенные преимущественно в центре ТВС направляющие каналы в виде труб, внутрь которых входят стержни управления и защиты (СУЗ) и имеющих на нижнем торце наконечники, которыми они закреплены в несущей решетке, причем ТВЭЛы установлены в ячейках с натягом, в месте установки в дистанционирующие решетки направляющих каналов соответствующие ячейки отсутствуют, а несущая решетка и хвостовик жестко соединены между собой (см. Разработка, производство и эксплуатация тепловыделяющих элементов энергетических реакторов. /Под ред. Ф.Г.Решетникова. Книга 1. М.: Энергоатомиздат, 1995, с. 184-187, рис. 7.1; Б.А.Дементьева. Ядерные энергетические реакторы. М.: Энергоатомиздат, 1990, с. 42-44, рис. 2.13).

Известно, что давление теплоносителя в активной зоне ядерного реактора ВВЭР-1000 составляет 15,8 МПа (см. Ф.Г.Решетников. Разработка ... Книга 1, с. 41, табл. 2), что не исключает при работе ядерного реактора смещения дистанционирующих решеток с посадочных мест.

При этом возможно увеличение расстояния между дистанционирующими решетками и возникновение фреттинг-коррозии, приводящей к разрушению циркониевой оболочки ТВЭЛа, имеющей практически нулевую осевую жесткость (см. Ф. Г. Решетников. Разработка ... Книга 1, с. 42). Известно также, что цирконий отличается склонностью к разъедающей коррозии, появляющейся в результате истирания металла между соприкасающимися поверхностями под влиянием колебаний даже при очень малых амплитудах (см. Металлургия циркония. /Под ред. Г. А. Меерсона и Ю.В.Гагаринского, перевод с англ. М.: Издательство иностранной литературы, 1959, с. 298).

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому эффекту является тепловыделяющая сборка ядерного реактора, содержащая гексагональный в поперечном сечении пучок тепловыделяющих элементов, установленных вертикально таким образом, что их продольные оси находятся на одинаковом расстоянии друг от друга, дистанционирующие решетки сотовой конструкции, имеющие в своем составе соединенные между собой ячейки с пуклевками в виде гофров и обод, несущую решетку, хвостовик, съемную головку, центральную трубу и расположенные преимущественно в центре тепловыделяющей сборки направляющие каналы в виде труб, внутрь которых входят стержни управления и защиты и имеющих на нижнем торце наконечники, которыми они закреплены в несущей решетке, причем тепловыделяющие элементы установлены в ячейках с натягом, в месте установки в дистанционирующие решетки направляющих каналов соответствующие ячейки отсутствуют, а дистанционирующие решетки установлены на направляющих каналах с возможностью ограниченного перемещения ячеек вдоль последних при относительных движениях тепловыделяющих элементов вследствие радиационного роста и термического расширения, причем величина перемещения выбрана из условия работы гофров ячеек в зоне упругих деформаций (см. патент Российской федерации RU 2124238 по заявке 97108408/25 от 20.05.1997, МПК 6 G 21 С 3/30, 3/34).

В указанной ТВС на наружной поверхности труб направляющих каналов имеются три продольных центрально-симметрично расположенных ребра, причем в местах установки дистанционирующих решеток эти ребра срезаны на соответствующую протяженность, а наружный диаметр оставшейся поверхности трубы равен диаметру вписанной окружности посадочного места под направляющий канал в дистанционирующей решетке, образованного поверхностями шести окружающих ячеек и имеющего три центрально-симметрично расположенных "кармана" в местах расположения гофров, через которые пропускаются ребра направляющих каналов при установке их в дистанционирующие решетки до упора буртов наконечников направляющих каналов в несущую решетку с последующим поворотом на 60^o вокруг продольной оси, в результате чего ребра оказываются вне зоны расположения "карманов", ограничивая перемещение ячеек вдоль направляющих каналов, и закреплением в несущей решетке, например сваркой, а конструкция центральной трубы аналогична направляющим каналам.

Тепловыделяющая сборка устраняет недостатки известной ТВС, однако она не удовлетворяет требованиям, предъявляемым к ТВЭЛам и соответственно к ТВС, а именно:
1) конструкция и технология изготовления ТВЭЛов и ТВС должны быть простыми и недорогими, позволяющими применять высокопроизводительные автоматизированные технологические процессы при изготовлении;
2) применяемые в ТВЭЛах и ТВС конструкционные материалы должны иметь низкое сечение паразитного захвата нейтронов, а их объемная доля должна быть минимальной (см. Ф.Г.Решетников. Разработка ... Книга 1, с. 44).

В ТВС - прототипе использованы направляющие каналы и центральная труба с продольными ребрами, которые увеличивают объемную долю конструкционного материала в ядерном реакторе.

В последующих местах под направляющие каналы в дистанционирующих решетках установлены цилиндрические втулки, наружный диаметр которых равен вписанному диаметру отверстия, образованного шестью ячейками, окружающими посадочное место, а внутренний диаметр равен диаметру посадочного места направляющего канала, что ведет к увеличению объемной доли конструкционного материала в ядерном реакторе. Использование уголков, жестко соединяющих по углам обода дистанционирующих решеток и хвостовик, ведет к увеличению объемной доли конструкционного материала в ядерном реакторе.

В местах установки пятнадцати дистанционирующих решеток эти ребра на 18 каналах направляющих и центральной трубе срезаны на соответствующую протяженность, а наружный диаметр оставшейся поверхности равен диаметру вписанной окружности посадочного места под направляющий канал в дистанционирующей решетке, то только для одной ТВС потребуется таких резов выполнять (18+1)•15= 285, что естественно подпадает под п.1. требований, предъявляемых к ТВС, т. е. конструкция и технология изготовления ТВС не является простой и недорогой.

При радиационном росте и термическом расширении тепловыделяющих элементов в ядерном реакторе максимальная величина их изменения падает на вторую верхнюю половину тепловыделяющих элементов тепловыделяющей сборки, однако из патента 2124238 и чертежей не следует, что срез ребер под дистанционирующие решетки на направляющих каналах и центральной трубе на этой верхней половине тепловыделяющей сборки увеличен, что не исключает повреждения циркониевых оболочек тепловыделяющих элементов при их удлинении не вместе с ячейками дистанционирующих решеток, а относительно их, поскольку перемещению дистанционирующих решеток на направляющих каналах и центральной трубе будут препятствовать торцы среза ребер.

Технической задачей является снижение себестоимости, упрощение технологии изготовления при сохранении надежности и снижение объемной доли конструкционных материалов ТВС.

Эта техническая задача решается тем, что тепловыделяющая сборка ядерного реактора, содержащая гексагональный в поперечном сечении пучок тепловыделяющих элементов, установленных вертикально таким образом, что их продольные оси находятся на одинаковом расстоянии друг от друга, дистанционирующие решетки сотовой конструкции, имеющие в своем составе соединенные между собой ячейки с пуклевками в виде гофров и обод, несущую решетку, хвостовик, съемную головку, центральную трубу и расположенные преимущественно в центре тепловыделяющей сборки направляющие каналы в виде труб, внутрь которых входят стержни управления и защиты и имеющих на нижнем торце наконечники, которыми они закреплены в несущей решетке, причем тепловыделяющие элементы установлены в ячейках с натягом, в месте установки в дистанционирующие решетки направляющих каналов и центральной трубы соответствующие ячейки отсутствуют, а дистанционирующие решетки установлены на направляющих каналах и центральной трубе с возможностью ограниченного перемещения вдоль последних при относительных движениях тепловыделяющих элементов вследствие радиационного роста и термического их расширения, причем величина перемещения выбрана из условия работы гофров ячеек в зоне упругой деформации;
согласно изобретению
величина перемещения дистанционирующих решеток на центральной трубе при радиационном росте и термическом расширении тепловыделяющих элементов ограничена на величину этого перемещения выполнением с обеих сторон каждой дистанционирующей решетки ограничительных колец, которые закреплены пуклевками по отверстиям в центральной трубе с углом 90^o между нижней и верхней пуклевками с обеих сторон каждой дистанционирующей решетки с расстоянием между дистанционирующей решеткой и нижней кромкой верхнего ограничительного кольца для нижней половины дистанционирующих решеток тепловыделяющей сборки, равным 0,45-0,5 диаметра центральной трубы, а для верхней половины дистанционирующих решеток тепловыделяющей сборки расстояние между дистанционирующей решеткой и нижней кромкой верхнего ограничительного кольца выполнено равным 0,95-1,0 диаметра центральной трубы, причем на трех направляющих каналах, расположенных под углом 120^o относительно друг друга и на равном расстоянии от центральной трубы, в верхней части над дистанционирующими решетками закреплены страховочные кольца, ограничивающие максимальное расстояние перемещения дистанционирующих решеток при радиационном росте и термическом расширении тепловыделяющих элементов с расстоянием от дистанционирующей решетки до нижней кромки страховочного кольца нижней половины дистанционирующих решеток, равным 0,65-0,7 диаметра направляющего канала, а для верхней половины дистанционирующих решеток тепловыделяющей сборки расстояние между дистанционирующей решеткой и нижней кромкой страховочного кольца выполнено равным 1,15-1,16 диаметра направляющего канала.

Другим отличием является выполнение страховочного кольца разрезным и его закрепление к направляющему каналу осуществлено точечной сваркой.

На чертежах представлена ТВС, где
на фиг.1 - общий вид ТВС;
на фиг. 2 - поперечное сечение ТВС в месте установки дистанционирующей решетки;
на фиг.3 - схема расположения ограничительных колец на центральной трубе и страховочных колец на каналах направляющих;
на фиг. 4 - фрагмент расположения ограничительных колец на центральной трубе и страховочного кольца на канале направляющем нижней половины ТВС;
на фиг. 5 - фрагмент расположения ограничительных колец на центральной трубе и страховочного кольца на канале направляющем верхней половины ТВС;
на фиг.6 - разрез крепления ограничительного кольца на центральной трубе;
на фиг.7 - разрез крепления страховочного кольца на канале направляющем.

Тепловыделяющая сборка ядерного реактора содержит гексагональный в поперечном сечении пучок тепловыделяющих элементов 1, установленных вертикально таким образом, что их продольные оси находятся на одинаковом расстоянии друг от друга, дистанционирующие решетки 2 сотовой конструкции, имеющие в своем составе соединенные между собой ячейки 3 с пуклевками в виде гофров (не показаны) и обод 4, несущую решетку 5, хвостовик 6, съемную головку 7, центральную трубу 8 и расположенные преимущественно в центре тепловыделяющей сборки направляющие каналы 9 в виде труб, внутрь которых входят стержни управления и защиты (не показаны) и имеющих на нижнем торце наконечники 10, которыми они закреплены в несущей решетке 5, причем тепловыделяющие элементы 1 установлены в ячейках 3 с натягом, в месте установки в дистанционирующие решетки направляющих каналов 9 и центральной трубы 8 соответствующие ячейки отсутствуют, а дистанционирующие решетки 2 установлены на направляющих каналах 9 и центральной трубе 8 с возможностью ограниченного перемещения вдоль последних при относительных движениях тепловыделяющих элементов 1 вследствие радиационного роста и термического их расширения, причем величина перемещения выбрана из условия работы гофров ячеек 3 в зоне упругой деформации. Величина перемещения дистанционирующих решеток 2 на центральной трубе 8 при радиационном росте и термическом расширении тепловыделяющих элементов 1 ограничена на величину этого перемещения выполнением с обеих сторон каждой дистанционирующей решетки ограничительных колец 11, 12, которые закреплены пуклевками 13, 14 к отверстиям 15 в центральной трубе 8 с углом α=90^o между нижней 13 и верхней 14 пуклевками с расстоянием L между дистанционирующей решеткой 2 и нижней кромкой верхнего кольца 12 для нижней половины дистанционирующих решеток 2 тепловыделяющей сборки L=0,45Д-0,5Д, где Д - диаметр центральной трубы 8. Для верхней половины дистанционирующих решеток 2 тепловыделяющей сборки расстояние L₁ между дистанционирующей решеткой 2 и нижней кромкой верхнего кольца 12 выполнено равным L₁=0,95Д-1,0Д, где Д - диаметр центральной трубы 8. На трех направляющих каналах 9, расположенных под углом β= 120^o относительно друг друга и на равном расстоянии от центральной трубы 8, в верхней части над дистанционирующими решетками 2 закреплены страховочные кольца 16, ограничивающие максимальное расстояние перемещения дистанционирующих решеток 2 при радиационном росте и термическом расширении тепловыделяющих элементов 1. Расстояние L₂ перемещения дистанционирующих решеток 2 до нижней кромки страховочного кольца 16 нижней половины дистанционирующих решеток 2 равно L₂=0,65Д₁-0,7Д₁, где Д₁ - диаметр направляющего канала.

Для верхней половины дистанционирующих решеток 2 тепловыделяющей сборки расстояние L₃ между дистанционирующей решеткой 2 и нижней кромкой страховочного кольца 17 равно L₃=1,15Д₁-1,16Д₁, где Д₁ - диаметр направляющего канала 9. Страховочные кольца 16, 17 выполнены разрезными и закреплены к направляющим каналам точечной сваркой 18.

Тепловыделяющую сборку ядерного реактора собирают следующим образом.

Предварительно на центральной трубе 8 выполняют отверстия 15 под пуклевку 13 для ограничительного кольца 11, а затем с разворотом α=90^o под пуклевку 14 для ограничительного кольца 12 как для нижней половины, так и для верхней половины будущей тепловыделяющей сборки.

Осуществляют сборку каркаса, для чего в установленные на равном растоянии друг от друга пятнадцать дистанционирующих решеток 2 и несущую решетку 5 вводят по центру центральную трубу 8 с чередованием ограничительных колец 11, 12 с обеих сторон каждой дистанционирующей решетки 2. Наконечник 10 центральной трубы 8 жестко закрепляют в несущей решетке 5, а ограничительные кольца 11,12 закрепляют пуклевками 13, 14 с разворотом α=90^o между пуклевками, причем расстояние L между дистанционирующей решеткой 2 и нижней кромкой ограничительного кольца нижней половины ТВС равно L=0,45Д-0,5Д, где Д - диаметр центральной трубы 8. Расстояние L₁ между дистанционирующей решеткой 2 и нижней кромкой ограничительного кольца 12 верхней половины ТВС равно L₁= 0,95Д-1,0Д, где Д - диаметр центральной трубы. Расстояние L и L₁ выбраны оптимальными, обеспечивающими перемещение дистанционирующей решетки 2 при радиационном росте и термическом расширении ТВЭЛ 1 при работе в ядерном реакторе. Направляющие каналы 9 в количестве трех штук под углом β= 120^o между ними вводят в дистанционирующие решетки 2, чередуя со страховочными кольцами 16 для нижней половины будущей ТВС и страховочными кольцами 17 для верхней половины ТВС. Наконечники 10 направляющих каналов 9 жестко закрепляют в несущей решетке 5, а страховочные кольца 16 на нижней половине будущей ТВС на расстоянии L₂ от дистанционирующей решетки 2 до нижней кромки страховочного кольца 16, равном L₂=0,65Д₁-0,7Д₁, жестко закрепляют точечной сваркой 18, где Д₁ - диаметр направляющего канала 9. Страховочные кольца 17 на направляющем канале 9 верхней половины будущей ТВС жестко закрепляют точечной сваркой 18 на расстоянии L₃=1,15Д₁-1,16Д₁ от дистанционирующей решетки до нижней кромки, где Д₁ - диаметр направляющего канала. Страховочные кольца 16, 17 выполняют роль страховки при несрабатывании пуклевок 13 на ограничительных кольцах 11, 12. Расстояния L₂, L₃ выбраны оптимальными, обеспечивающими перемещение дистанционирующих решеток 2 при несрабатывании пуклевок 13 на ограничительных кольцах 11, 12. Остальные направляющие каналы 9 вводят в дистанционирующие решетки 2 и их наконечники 10 жестко закрепляют в несущей решетке 5. В ячейки 3, размещенные и закрепленные в ободе 4, вводят ТВЭЛы 1, закрепляют их наконечники в несущей решетке 5, закрепляют хвостовик 6 и съемную головку 7.

Проведенные испытания подтвердили положительные качества предложенной ТВС и принято решение изготавливать и поставлять на атомные станции предложенную конструкцию ТВС.

Изобретение относится к атомной энергетике и может найти применение на предприятиях по изготовлению тепловыделяющих сборок для энергетических ядерных реакторов. Технический результат достигается тем, что величина перемещения дистанционирующих решеток на центральной трубе при радиационном росте и термическом расширении тепловыделяющих элементов ограничена на величину этого перемещения выполнением с обеих сторон каждой дистанционирующей решетки ограничительных колец, которые закреплены пуклевками по отверстиям в центральной трубе с углом 90^o между нижней и верхней пуклевками с обеих сторон каждой дистанционирующей решетки с расстоянием между дистанционирующей решеткой и нижней кромкой верхнего ограничительного кольца для нижней половины дистанционирующих решеток, равным 0,45-0,5 диаметра центральной трубы, а для верхней половины дистанционирующих решеток расстояние между дистанционирующей решеткой и нижней кромкой верхнего ограничительного кольца выполнено равным 0,95-1,0 диаметра центральной трубы, причем на трех направляющих каналах, расположенных под углом 120^o относительно друг друга и на равном расстоянии от центральной трубы, в верхней части над дистанционирующими решетками закреплены страховочные кольца, ограничивающие максимальное расстояние перемещения дистанционирующих решеток при радиационном росте и термическом расширении тепловыделяющих элементов с расстоянием от дистанционирующей решетки до нижней кромки страховочного кольца нижней половины дистанционирующих решеток, равным 0,65-0,7 диаметра направляющего канала, а для верхней половины дистанционирующих решеток расстояние между решеткой и нижней кромкой страховочного кольца выполнено равным 1,15-1,16 диаметра направляющего канала. Страховочное кольцо выполнено разрезным и закреплено к направляющему каналу точечной сваркой. Снижается себестоимость, упрощается технология изготовления. 1 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Тепловыделяющая сборка ядерного реактора, содержащая гексагональный в поперечном сечении пучок тепловыделяющих элементов, установленных вертикально таким образом, что их продольные оси находятся на одинаковом расстоянии друг от друга, дистанционирующие решетки сотовой конструкции, имеющие в своем составе соединенные между собой ячейки с пуклевками в виде гофров и обод, несущую решетку, хвостовик, центральную трубу и расположенные преимущественно в центре тепловыделяющей сборки направляющие каналы в виде труб, внутрь которых входят стержни управления и защиты, имеющих на нижнем торце наконечники, которыми они закреплены в несущей решетке, причем тепловыделяющие элементы установлены в ячейках с натягом, в месте установки в дистанционирующие решетки направляющих каналов и центральной трубы соответствующие ячейки отсутствуют, а дистанционирующие решетки установлены на направляющих каналах и центральной трубе с возможностью ограниченного перемещения вдоль последних при относительных движениях тепловыделяющих элементов вследствие радиационного роста и термического их расширения, причем величина перемещения выбрана из условия работы гофров ячеек в зоне упругой деформации, отличающаяся тем, что величина перемещения дистанционирующих решеток на центральной трубе при радиационном росте и термическом расширении тепловыделяющих элементов ограничена на величину этого перемещения выполнением с обеих сторон каждой дистанционирующей решетки ограничительных колец, которые закреплены пуклевками по отверстиям в центральной трубе с углом 90^o между нижней и верхней пуклевками с обеих сторон каждой дистанционирующей решетки с расстоянием между дистанционирующей решеткой и нижней кромкой верхнего ограничительного кольца для нижней половины дистанционирующих решеток тепловыделяющей сборки, равным L= 0,45Д÷0,5Д, где L - расстояние между дистанционирующей решеткой и нижней кромкой ограничительного кольца; Д - диаметр центральной трубы, а для верхней половины дистанционирующих решеток тепловыделяющей сборки расстояние между дистанционирующей решеткой и нижней кромкой верхнего ограничительного кольца выполнено равным L₁= 0,95Д÷Д, где L₁ - расстояние между дистанционирующей решеткой и нижней кромкой ограничительного кольца; Д - диаметр центральной трубы, причем на трех направляющих каналах, расположенных под углом 120^o относительно друг друга и на равном расстоянии от центральной трубы, в верхней части над дистанционирующими решетками закреплены страховочные кольца, ограничивающие максимальное расстояние перемещения дистанционирующих решеток при радиационном росте и термическом расширении тепловыделяющих элементов с расстоянием от дистанционирующей решетки до нижней кромки страховочного кольца нижней половины дистанционирующих решеток равным L₂= 0,65Д₁÷0,7Д₁, где L₂ - расстояние между дистанционирующей решеткой и нижней кромкой страховочного кольца; Д₁ - диаметр направляющего канала, а для верхней половины дистанционирующих решеток тепловыделяющей сборки расстояние между дистанционирующей решеткой и нижней кромкой страховочного кольца выполнено равным L₃= 1,15Д₁÷1,16Д₁, где L₃ - расстояние между дистанционирующей решеткой и нижней кромкой страховочного кольца; Д₁ - диаметр направляющего канала. 2. Тепловыделяющая сборка по п. 1, отличающаяся тем, что страховочные кольца выполнены разрезными и закреплены к направляющим каналам точечной сваркой.