ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩАЯ СБОРКА Российский патент 2003 года по МПК G21C3/00 G21C3/30 G21C3/32 

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано в устройствах для нагрева воды, например, в ядерных энергетических установках.

Известна конструкция тепловыделяющей сборки, ТВС, содержащая корпус с входной и выходной камерами, а также с промежуточным коллектором и продольно установленными трубчатыми твэлами, последние из которых одними концами укреплены в трубной доске, а другими заведены в упомянутый промежуточный коллектор, причем камеры отделены одна от другой и расположены со стороны трубной доски твэлов (В.Д. Терентьев. Основы тепловых и гидравлических расчетов судовых ядерных реакторов и парогенераторов. Издательство Судостроение. Л-д. 1967. С.51).

Основной недостаток такой конструкции заключается в том, что с помощью концентрически установленных тепловыделяющих элементов (твэлов) невозможно создать тепловыделяющую сборку ТВС большой мощности. Это связано с тем, что достаточно сложно создать трубчатые элементы большого диаметра (с увеличением числа концентрически установленных твэлов в сборке их размер увеличивается). Кроме того, в таких ТВС каналы, по которым движется вода, гидравлически не связаны. Последнее может привести к неустойчивой работе ТВС, срыву циркуляции, ухудшению теплосъема из-за уменьшения расхода в каком-либо из каналов, выходу из строя ТВС.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является тепловыделяющая сборка, содержащая корпус с входной и выходной камерами и установленные в трубных досках тепловыделяющие элементы (Ф. Я. Овчинников, В.В. Семенов. Эксплуатационные режимы ВВЭР. -M.: Энергоатомиздат. 1988 г. С.149).

Основной недостаток ТВС такого типа связан с их низкой энергонапряженностью.

Последнее обусловлено следующим.

Поскольку запасы до кризиса теплообмена определяются по среднесмешанным параметрам сборки (по сечению) расчетные значения критических тепловых потоков КТП могут значительно отличаться от тех, которые имеют место в реальной ситуации. Это обусловлено тем, что в ТВС всегда присутствуют необогреваемые элементы (ПЭЛ, стержни СУЗ), наличие которых приводит к значительному снижению КТП, по сравнению с теми КТП, которые имеют место в ТВС с теплогидравлически равноценными ячейками. В настоящее время практически отсутствуют методики расчета КТП в ТВС с теплогидравлически неравноценными ячейками. Методики, используемые для оценок запасов до кризиса, несовершенны и определяют КТП с большой погрешностью (Pometko R.S., Boltenko E.A. et all. The critical Heat Flux in WWER Fuel Subas-sembly Model with Nonuiform Crossectional Parameters Distubution / NURETH-8, September 30-October, 1997, Japan).

Для того, чтобы избежать аварийных ситуаций, связанных с неверным определением КТП, запасы до кризиса завышают, тем самым снижая энергонапряженность и соответственно экономичность ТВС.

Одна из причин низких значений КТП в ТВС такой конструкции в том, что теплоноситель по сечению ТВС слабо перемешивается. Последнее приводит к тому, что в ячейках ТВС теплоноситель имеет различные параметры (температуры, скорости и т.д.). Любое возмущение на входе передается практически на выход сборки. В связи с этим локальное ухудшение теплогидравлической обстановки в ячейке ТВС приводит к локальному ухудшению температурного режима твэла (при соответствующих тепловых потоках) - кризису теплосъема выходу его и соответственно ТВС из строя.

Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в повышении энергонапряженности и надежности ТВС за счет увеличения поверхности теплосъема, улучшения межъячеечного перемешивания, образования тепловых и гидравлических обратных связей между внутренними и наружными теплоотдающими поверхностями твэла, внутренними полостями твэла и межтвэльным пространством, что обеспечивается тем, что тепловыделяющие элементы выполнены полыми, причем внутренние полости тепловыделяющих элементов соединены соответственно с входными и выходными камерами, а по длине тепловыделяющие элементы с шагом h снабжены отверстиями, соединяющими внутренние полости тепловыделяющих элементов и межтвэльный объем ТВС.

Технический результат достигается также за счет того, что шаг размещения отверстий по длине твэла выбран из следующего условия

Технический результат достигается также за счет того, что число отверстий n_отв и их величина d_отв выбраны из следующих условий
n_отв≤n_яч;
d_отв≤S_MTB/2 или (F_отв≤f_mtb);
где h - шаг размещения отверстий по длине твэла;
h_др - шаг размещения дистанционирующих решеток;
L_тв - длина твэла;
n_отв - число отверстий;
n_яч - число ячеек, с которыми граничит твэл;
s_МТВ - межтвэльное расстояние;
d_отв - диаметр отверстия;
F_мтв - проходное сечение межтвэльного зазора;
F_отв - площадь отверстия.

На фиг. 1 представлена схема тепловыделяющей сборки ТВС. ТВС включает в себя следующие элементы.

1 - корпус ТВС, служит для размещения тепловыделяющих элементов твэлов и создания требуемых по условиям работы режимных параметров.

2 - входная камера, служит для подачи теплоносителя и распределения его между внутренними полостями твэлов и межтвэльным объемом. Подключена к источнику подачи теплоносителя.

3 - выходная камера, служит для сбора теплоносителя, выходящего из твэлов и межтвэльного объема. Подключена к потребителю.

4 - тепловыделяющие элементы твэлы фиксированы в трубных решетках, снабжены внутренними полостями 7, соединенными на входе и выходе с входной и выходной камерами. Твэлы также снабжены отверстиями 8, соединяющими внутренние полости твэлов и межтвэльный объем ТВС.

5 - трубная доска, служит для фиксации твэлов.

6 - трубная доска, служит для фиксации твэлов.

7 - внутренние полости твэлов.

8 - отверстия для соединения внутренних полостей твэлов и межтвэльного объема.

9 - дистанционирующие решетки.

Тепловыделяющая сборка - ТВС работает следующим образом.

Теплоноситель, поданный во входную камеру 2, распределяется между внутренними полостями твэлов 7 и межтвэльным объемом. Распределение расходов теплоносителя происходит в соответствии с гидравлическими сопротивлениями внутренних полостей твэлов и межтвэльного объема. Далее теплоноситель, проходя через межтвэльный объем и внутренние полости твэлов, за счет тепловыделения в твэлах нагревается до требуемого значения и собирается в выходной камере 3.

Рассмотрим случай нарушения теплосъема на какой-либо из теплоотдающих поверхностей твэла. Допустим, что кризис имеет место на выпуклой теплоотдающей поверхности какого-либо твэла, т.е. снаружи твэла. В этом случае срабатывает обратная тепловая связь между вогнутой и выпуклой теплоотдающей поверхностью твэла. Тепло в твэле перераспределяется, плотность теплового потока на выпуклой поверхности становится ниже, восстанавливается нормальный режим теплосъема.

Гидравлическая обратная связь реализуется путем перетоков теплоносителя через отверстия из внутренних полостей твэлов в межтвэльное пространство (или наоборот). Этим самым теплоноситель перемешивается по сечению ТВС, улучшая тем самым теплосъем с теплоотдающих поверхностей.

Размещение отверстий по высоте твэла осуществляется на основе следующих условий.

Шаг размещения выбирается из условия:

т. е. , если твэл не слишком длинный, достаточно выполнить один пояс отверстий посредине твэла h= L_ТВ/2. Если твэл длинный, возможно размещение отверстий на расстоянии, равном 2 шагам дистанционирующих решеток, посредине между ними, фиг. 1.

Оптимальное размещение отверстий по высоте возможно после гидравлических проливок, в этом случае шаг размещения выбирается исходя из условия равенства потерь на трение в межтвэльном пространстве и во внутренних полостях.

Размещение отверстий по периметру твэла выбирается исходя их схемы размещения твэлов. На фиг.2, 3 показаны варианты размещения отверстий для квадратной и треугольной упаковок.

Во всяком случае n_отв≤n_яч.

Соответсвенно d_отв≤S_мтв/2 или (F_отв≤F_мтв),
где S_мтв - межтвэльное расстояние;
d_отв - диаметр отверстия;
F_мтв - проходное сечение межтвэльного зазора;
F_отв - площадь отверстия.

В качестве примера рассмотрим тепловыделяющую сборку реакторной установки ВВЭР-1000.

Тепловая мощность - 3000 МВт.

Число сборок - 163.

Число имитаторов в ТВС - 312.

Мощность одного твэла
Плотность теплового потока
Допустим, что ТВС набрана из трубчатых твэлов наружным диаметром 9,1 мм и внутренним 4 мм. В этом случае суммарная теплоотдающая поверхность твэла - 0,144 м².

Предполагая, что средняя плотность теплового потока осталась прежней, т. е. q=0,58 МВт/м², получим, что мощность рассматриваемой ТВС N_твс= 0,58•0,144312•163 ≈ 4246 МВт, т. е. тепловая мощность ТВС только за счет увеличения поверхности теплосъема может быть увеличена ~ на 41,5%, электрическая мощность при этом составит ~1400 МВт, запасы до кризиса при этом будут повышены. Учитывая наличие тепловых и гидравлических обратных связей, а также тот известный экспериментальный факт, что КТП на вогнутой теплоотдающей поверхности выше, чем на выпуклой, возможно повысить средний тепловой поток. В этом случае тепловую мощность ТВС можно довести до 4500-5000 МВт, электрическая мощность при этом составит 1500-1700 МВт. При этом запасы до кризиса не снизятся.

Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет повысить энергонапряженность ТВС, увеличить ее надежность за счет увеличения поверхности теплосъема, улучшения межъячеечного перемешивания, образования тепловых и гидравлических обратных связей между внутренними и наружными теплоотдающими поверхностями твэла, внутренними полостями твэла и межтвэльным пространством.

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано в устройствах для нагрева воды, например, в ядерных энергетических установках. Технический результат - повышение энергонапряженности и надежности ТВС за счет увеличения поверхности теплосъема и улучшения межъячеечного перемешивания. Тепловыделяющие элементы выполнены полыми, причем внутренние полости тепловыделяющих элементов соединены на входе и выходе соответственно с входной и выходной камерами, а по длине тепловыделяющие элементы с шагом h снабжены отверстиями, соединяющими внутренние полости тепловыделяющих элементов и межтвэльный объем ТВС. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Тепловыделяющая сборка, содержащая корпус с входной и выходной камерами и установленные в трубных досках тепловыделяющие элементы, отличающаяся тем, что тепловыделяющие элементы выполнены полыми, причем внутренние полости тепловыделяющих элементов соединены на входе и выходе соответственно с входной и выходной камерами, а по длине тепловыделяющие элементы с шагом h снабжены отверстиями, соединяющими внутренние полости тепловыделяющих элементов и межтвэльный объем.2. Тепловыделяющая сборка по п.1, отличающаяся тем, что шаг размещения отверстий h выбран из условия

где h - шаг размещения отверстий по длине твэла;

h_др - шаг размещения дистанционирующих решеток;

L_тв - длина твэла.

n_отв ≤ n_яч;

d_отв ≤ S_мтв/2 или F_отв ≤F _мтв,

где n_отв - число отверстий;

n_яч - число ячеек, с которыми граничит твэл;

S_мтв - межтвэльное расстояние;

d_отв - диаметр отверстия;

F_мтв - проходное сечение межтвэльного зазора;

F_отв - площадь отверстия.