ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩАЯ СБОРКА Российский патент 2003 года по МПК G21C17/06 

Изобретение относится к области теплофизических исследований и может быть использовано для исследований температурных режимов тепловыделяющих элементов (твэл) ядерных реакторов, при исследовании различных аварийных режимов работы тепловыделяющих сборок ТВС на электрообогреваемых стендах.

Известна конструкция тепловыделяющей сборки, содержащая корпус, нижний и верхний токоподводы, между которыми включены имитаторы твэл, электрически соединенные токоподводом гибкими электропроводными связями (Болтенко Э.А., Пометько Р.С. Исследование кризиса теплообмена на модели альтернативного топлива для ВВЭР-1000. Препринт ФЭИ-2774. Обнинск. 1999, 42 с.).

Основной недостаток такой конструкции заключается в том, что при работе ТВС в условиях термоциклирования имитаторов гибкая электропроводная связь обеспечивает перемещение имитаторов, но не обеспечивает сохранения условий обтекания имитаторов. Это связано с тем, что гибкая связь при перемещении имитаторов хаотично изгибается и занимает произвольное положение. В связи с этим условия идентичности обтекания имитаторов потоком теплоносителя не сохраняются. При этом также нарушается гидродинамика потока в надзонной области тепловыделяющей сборки и, соответственно, условия моделирования реальной тепловыделяющей сборки.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является тепловыделяющая сборка (Болтенко Э.А., Пометько Р.С., Песков О. Л. Кризис теплоотдачи в стержневой сборке при отсутствии циркуляции воды. Препринт ФЭИ 1464. Обнинск, 1983, 12 с.), в которой для сохранения условий обтекания имитаторов при термоперемещениях гибкие электропроводные связи помещены в защитную оболочку.

В этом случае при перемещении имитаторов гибкая связь изгибается хаотично, но не выходит за пределы оболочки.

Основной недостаток такой конструкции заключается в том, что мощность такой ТВС ограничена, последнее обусловлено тем, что из условий моделирования наружный и, соответственно, внутренний диаметр защитной оболочки ограничен. В связи с этим поперечное сечение гибких связей также ограничено (определяется условиями запирания гибкой связи в защитной оболочке при ее хаотичном перемещении).

Вместе с тем поперечное сечение гибкой связи определяет тот максимальный ток (при известных условиях охлаждения) (мощность ТВС определяется током, проходящим через имитаторы), который можно пропустить через гибкую связь. Таким образом, поперечное сечение гибкой связи ограничивает ток, пропускаемый через имитаторы. Следовательно, мощность тепловыделяющей сборки также ограничена.

Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в повышении мощности тепловыделяющей сборки при сохранении условий моделирования ТВС, что обеспечивается тем, что верхние токоподводы дополнительно снабжены установочными штырями, на которые навиты гибкие электропроводные связи, а имитаторы снабжены в верхней части глухими отверстиями, обеспечивающими подвижное соединение имитаторов с верхним токоподводом в процессе термоперемещений.

Для увеличения тока, пропускаемого через гибкую электропроводную связь, поперечное сечение ее может быть увеличено за счет того, что навивка гибких электропроводных связей на установочные штыри может выполняться многозаходной. Число заходов n_з выбирается из условия
n_з≥S_t/S,
где S_t - минимальное сечение гибкой электропроводной связи, обеспечивающее прохождение тока без нарушения ее температурного режима;
S - сечение однозаходной гибкой электропроводной связи;
n_з - число заходов гибкой электропроводной связи.

Для надежного перемещения гибких электропроводных связей при термических перемещениях имитаторов (изменение температуры имитаторов до 800-1000^oС) расстояние между витками гибкой электропроводной связи h в начальном положении выбрано из условия h≤d_п, где d_п - диаметр провода, образующего гибкую связь. (Провод, образующий гибкую связь, набирается из большого количества медных проводков диаметром 0,05-0,12 мм.)
Выбор расстояния между виткам сделан на основе опытов, проведенных в лабораторных условиях. Установлено, что при расстоянии h>d_п (в начальном положении) перемещение имитатора вверх (имитация термоперемещений) и, соответственно, уменьшение зазоров между витками приводит к заклиниванию гибкой связи в защитной оболочке. Последнее обусловлено потерей устойчивости гибкой связи.

Выбор числа витков гибкой электропроводной связи определяется из следующего условия:
n≥h_t/(h•n_з),
где h_t - максимальное расстояние, на которое перемещается имитатор за счет термоперемещений;
h - расстояние между витками гибкой электропроводной связи в начальном положении;
n_з - число заходов гибкой электропроводной связи.

Для обеспечения перемещения гибкой связи размеры защитной оболочки выбраны из условия:
d_oб=d_cт+2d_п+Δ (1)
где d_oб - внутренний диаметр защитной оболочки;
d_п - наружный диаметр провода, образующий гибкую электропроводную связь;
d_ст - наружный диаметр установочного штыря;
Δ - технологический зазор. Технологический зазор выбран на основе опытов, проведенных в лабораторных условиях (Δ=0,05-0,1 мм).

Диаметр глухих отверстий в верхней части имитаторов d_oтв и их глубина h_отв выбираются из следующих условий:
d_отв = d_ст+Δ_t (2)
h_отв≥h_t+h_техн (3)
где d_отв - диаметр глухих отверстий;
Δ_t - зазор, выбранный исходя из значений термических расширений установочных стержней и имитатора. Определяется на основе расчетов, проведенных исходя из условий эксперимента;
h_отв - глубина глухих отверстий;
h_техн - глубина отверстия, выбираемая из технологических соображений из удобства сборки h_техн=5-15 мм;
Н_t - максимальное расстояние, на которое перемещается имитатор за счет терморасширений. Определяется расчетом, исходя из условий эксперимента.

На чертежах показана конструкция тепловыделяющей сборки. На фиг.1 представлен вертикальный разрез тепловыделяющей сборки. На фиг.2 представлен вертикальный разрез имитатора твэл. На фиг.3 показано соединение элементов имитатора твэл, обеспечивающее сохранение условий обтекания имитатора при термоперемещении, вид А на фиг.2. На фиг.4 представлен вертикальный разрез имитатора твэл, находящегося в условии, когда произошло перемещение.

Тепловыделяющая сборка (фиг.1) состоит из корпуса 2, служащего для размещения имитаторов твэл и поддержания требуемых режимных параметров (давление, температура). Так как при проведении экспериментов давление рабочей среды (теплоносителя) достаточно высоко (10-20 МПа), корпус выполнен прочным и герметичным (толщина стенка не менее 10 мм). Подвод теплоносителя в корпус осуществляется через патрубок подвода теплоносителя 1. Герметизация корпуса осуществляется с помощью фланцевых соединений 6, 8 и 10, 13. Имитаторы твэл 3 размещены в корпусе 2 и подсоединены к верхнему токоподводу 4. Нижние части имитаторов 7 выведены через нижний фланец 6 и подсоединены к источнику питания (не показан).

Фиксация имитаторов 3 в корпусе 2 достигается с помощью дистанционирующих решеток 5. Верхний токоподвод 4 через передающие шины 17 подсоединен к источнику питания с помощью токоподвода 12.

Верхний токоподвод 4 и имитаторы твэл 3 разделены гибкими электропроводными связями 19. Гибкие электропроводные связи жестко закреплены (с помощью пайки) в верхних переходниках 16, которые, в свою очередь, жестко закреплены в верхний токоподвод 4 (с помощью сварки). В верхние переходники 16 также жестко закреплены установочные штыри 14. На установочные штыри 14 навиты гибкие электропроводные связи 19. С нижней стороны и верхней стороны гибкие электропроводные связи 19 жестко закреплены в нижнем переходнике 17 и верхнем переходнике 16. Верхний переходник 16 жестко закреплен в верхнем токоподводе 4, нижний переходник 17 жестко подсоединен к имитатору 3 и является его неотъемлемой частью.

Имитаторы твэл 3 в верхней части снабжены глухими отверстиями 18 (в данном случае отверстия выполнены в переходниках 17).

Глухие отверстия 18 служат для перемещений установочных штырей 14 и обеспечения подвижного соединения имитаторов с верхним токоподводом 4. Защитная оболочка 20 (фиг.2-4) жестко закреплена (сварка) к верхнему переходнику 16 и, соответственно, к верхнему токоподводу 4. Защитная оболочка 20 служит для сохранения условий обтекания теплоносителем имитатора при его термоперемещениях.

Тепловыделяющая сборка работает следующим образом. Теплоноситель (вода) подается через патрубок подвода теплоносителя 1 в корпус 2. Далее устанавливаются режимные параметры, требуемые по условиям эксперимента (давление, температура воды на входе). Далее подается мощность на имитаторы твэл и путем увеличения мощности достигают требуемого по условиям эксперимента температурного режима имитаторов твэл 3.

В наших опытах температура имитаторов достигает 800-900^oС при температуре теплоносителя 300-400^oС (вода-пар). При изменении температуры имитатора 3 за счет терморасширений имитатор 3 перемещается вверх (низ жестко закреплен) и входит в защитную оболочку 20. Установочные штыри 14 при этом перемещаются вниз и углубляются в глухие отверстия 18, а гибкие электропроводные связи, перемещаясь по установочным штырям, движутся вверх, уменьшая расстояние между витками за счет уменьшения шага закрутки. На фиг.2 показано положение имитатора в начальном положении (нижнем), на фиг.4 показано положение имитатора в конечном положении - при максимальном термоперемещении. Теплоноситель проходит через отверстия в стенке защитных оболочек 20, омывая гибкие электропроводные связи, установочные штыри 18 и снимает тепло, выделяемое за счет прохождения тока в гибких электропроводных связях.

В качестве примера рассмотрим ТВС мощностью 10 МВт с имитаторами косвенного нагрева (число имитаторов n=168).

Основные параметры:
1. Номинальный ток через имитатор твэл 450 А.

2. Напряжение источника питания до 150 В.

3. Сечение гибкой электропроводной связи 4,5 мм².

4. Наружный диаметр имитатора 9,1 мм (диаметр переходника 8,5 мм).

5. Внутренний диаметр защитной оболочки d_oб=9 мм.

6. Диаметр провода, образующего гибкую электропроводную связь, d_n=3,45 мм. Провод набран из медных проводков диаметром 0,12 мм.

7. Диаметр глухих отверстий d_отв=2,9 мм.

8. Диаметр установочных штырей d_ст=2 мм.

9. Глубина глухих отверстий h_отв=45 мм.

10. Максимальное расстояние, на которое перемещается имитатор за счет терморасширений (в наших опытах температура имитаторов достигала 800^oС), h_t= 30 мм.

11. Число заходов n_з=1.

Эксперименты проведены, как при максимальной мощности (10 МВт), так и в условиях осушения сборки (мощность ТВС<<1 МВт).

В первом случае на вход ТВС подавалась вода с температурой Т_вх=240^oС, давление воды на выходе ТВС Р=16 МПа. Во втором случае опыты проведены при Р= 0,1 МПа, сборка предварительно осушалась (мощность ≈1 МВт). Во всех случаях контролировалась температура верхнего токоподвода и гибкой электропроводной связи. Как показали опыты, при номинальной мощности температура гибких электропроводных связей превышала температуру воды, проходящей через отверстия в верхнем токоподводе, не более чем на 10-15^oС, что соответствует ожидаемому режиму охлаждения.

При осушении ТВС проверялась возможность термоперемещений имитаторов с помощью гибких электропроводных связей. Как показали опыты, гибкие электропроводные связи обеспечивали перемещения имитаторов без каких-либо отклонений.

Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет повысить мощность ТВС при сохранении условия моделирования за счет увеличения сечения гибких токоподводящих связей и увеличения тока, проходящего через сечение гибких электропроводных связей и, соответственно, имитатор твэл.

Изобретение относится к области теплофизических исследований и может быть использовано для исследований температурных режимов тепловыделяющих элементов (твэл) ядерных реакторов. Известная тепловыделяющая сборка ТВС содержит корпус, нижний и верхний токоподводы, между которыми включены имитаторы твэл, электрически соединенные с верхним токоподводом гибкими электропроводными связями, помещенными в защитную оболочку. Основной недостаток такой конструкции ТВС заключается в том, что мощность ТВС ограничена. Последнее обусловлено тем, что из условий моделирования наружный (внутренний) диаметр защитной оболочки ограничен. В связи с этим поперечное сечение гибкой связи также ограничено и определяется условиями запирания гибкой связи в защитной оболочке при ее хаотичном перемещении. Верхний токоподвод снабжен установочными штырями, на которые навиты гибкие электропроводные связи, а имитаторы снабжены в верхней части глухими отверстиями, обеспечивающими подвижное соединение имитаторов с верхним токоподводом в процессе термоперемещений имитаторов. Технический результат: повышение мощности ТВС при сохранении условия моделирования за счет увеличения сечения гибких токопроводящих связей и увеличения тока, проходящего через сечение гибких электропроводных связей и, соответственно, имитаторы твэл. 5 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Тепловыделяющая сборка, содержащая корпус, нижний и верхний токоподводы, между которыми расположены имитаторы Твэл, электрически соединенные с верхним токоподводом гибкими электропроводными связями, помещенными в защитные оболочки, отличающаяся тем, что верхний токоподвод дополнительно снабжен установочными штырями, на которые навиты гибкие электропроводные связи, а имитаторы снабжены в верхней части глухими отверстиями, обеспечивающими подвижное соединение имитаторов с верхним токоподводом в процессе термоперемещений имитаторов. 2. Тепловыделяющая сборка по п.1, отличающаяся тем, что навивка гибких электропроводных связей на установочные штыри выполнена многозаходной, причем число заходов n₃ выбрано из условия
n₃≥S_t/S,
где n₃ - число заходов;
S_t - минимальное сечение гибкой электропроводной связи, обеспечивающее прохождение тока без нарушения ее температурного режима;
S - сечение однозаходной гибкой электропроводной связи. 3. Тепловыделяющая сборка по п.1, отличающаяся тем, что расстояние между витками h гибкой электропроводной связи в начальном ее положении выбрано из условия h≤d_п, где d_п - диаметр провода, образующего гибкую электропроводную связь. 4. Тепловыделяющая сборка по п.1, отличающаяся тем, что число витков гибкой электропроводной связи выбрано из условия
n≥h_t/(h•n₃),
где h - расстояние между витками гибкой электропроводной связи в начальном положении;
h_t - максимальное расстояние, на которое перемещается имитатор за счет термоперемещений. 5. Тепловыделяющая сборка по п.1, отличающаяся тем, что внутренний диаметр защитной оболочки выбран из условия
d_об=d_ст+2d_п+Δ,
где d_ст - наружный диаметр установочного штыря;
Δ - технологический зазор;
Δ - зазор, обусловленный термическим расширением установочных штырей;
d_об - внутренний диаметр защитной оболочки выбран из условия. 6. Тепловыделяющая сборка по п.1, отличающаяся тем, что диаметр глухих отверстий в верхней части имитаторов d_отв и их глубина h_отв выбраны из следующих условий:
d_отв>d_ст+Δ_t;
h_отв≥h_t+h_техн,
где h_отв - глубина глухих отверстий;
h_тех - глубина отверстия, выбираемая из технологических соображений.