ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ ДЛЯ ПАРОГЕНЕРИРУЮЩИХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК Российский патент 2004 года по МПК G21C3/02 G21C3/04 G21C3/30 

Изобретение относится к конструкциям парогенерирующих энергетических установок высокой теплонапряженности и, в первую очередь, может быть использовано в парогенерирующих установках с ядерным топливом (в пароводяных ядерных реакторах).

Объектом изобретения является устройство тепловыделяющего элемента (далее, ТВЭЛ) стержневого типа, используемого в парогенерирующих энергетических установках.

Устройство ТВЭЛов является предметом большого числа изобретений. Наиболее представительные из ряда таких изобретений, зарегистрированных за последние 15 лет, содержатся в материалах приведенных ниже патентов и представленных на экспертизу заявок на изобретения:
1. USA патент 4592479, 1986,
2. USA патент 4664882, 1987,
3. USA патент 4783308, 1988,
4. USA патент 5178825, 1993,
5. USA патент 5323434, 1994,
6. USA заявка на изобретение No 20010003537, Kind Code A1 2001,
7. USA заявка на изобретение No 20010014135, Kind Code A1, 2001.

Недостатком всех известных конструкций ТВЭЛов является неустойчивость теплового режима их работы по отношению к возмущениям, случайно возникающим на локализованном участке ТВЭЛа. Такие возмущения могут вызывать в возмущенной зоне спонтанный переход нормального (штатного) теплового режима работы ТВЭЛа (соответствующего пузырьковому кипению рабочей жидкой среды) в аварийный высокотемпературный режим пленочного кипения, который затем распространяется по всей длине ТВЭЛа. Описанное явление, известное в физике и теплоэнергетике как "кризис кипения", приводит к разрушению парогенерирующей установки и сопровождается крупными социальными катастрофами.

В качестве прототипа предлагаемого изобретения выбран патент, представленный под 3 в приведенном выше списке проанализированных источников информации: USA патент 4783308, 1988, "Boiling water reactor fuel rod" ("Тепловыделяющий элемент для пароводяного реактора"). Защищаемое этим патентом устройство (прототип) конструктивно оформлено следующим образом: тепловыделяющий элемент имеет трубчатую, цилиндрическую форму; источник тепловой энергии (ядерное топливо в форме таблеток) загружается внутри трубчатого, цилиндрического ТВЭЛа по всей его длине однородно (однородная сборка уложенных друг на друга таблеток ядерного топлива). Прототипу присущи все вышеприведенные недостатки конструкций ТВЭЛов, а именно, явления неустойчивости теплового режима парогенерации по отношению к возмущениям, случайно возникающим на локализованном участке такого ТВЭЛа. Эти локальные возмущения являются причиной возникновения аварийного высокотемпературного режима пленочного кипения, который затем самопроизвольно распространяется из возмущенной зоны на всю длину ТВЭЛа.

Задачей предлагаемого изобретения является разработка конструкции ТВЭЛа, в которой были бы исключены названные недостатки и которая должна обеспечить высокий уровень устойчивости нормального режима работы ТВЭЛа к тепловым возмущениям, т.е. высокий уровень безопасности парогенерирующих энергетических установок большой мощности.

Конкретные задачи, на решение которых ориентировано предлагаемое изобретение и которые обеспечивают преимущества защищаемого устройства при сравнении с устройством-прототипом, состоят в следующем.

- Локализация возникшего на ТВЭЛе аварийного очага перегрева и исключение возможности фронтального распространения этого очага пленочного кипения на всю длину ТВЭЛа, приводящего к катастрофическим последствиям.

- Повышение порога теплового возмущения, способного сформировать аварийный очаг перегрева на ТВЭЛе (т.е. повышение уровня устойчивости ТВЭЛа к локальным возмущениям).

- Повышение предельно безопасного значения тепловой мощности, снимаемой с единицы массы загруженного в ТВЭЛ источника энергии.

Поставленные в изобретении задачи реализуются следующим образом.

Предлагается тепловыделяющий элемент для парогенерирующих энергетических установок с размещенным внутри источником энергии (например, ядерным топливом), в котором источник энергии имеет периодическую структуру, состоящую из чередующихся активных зон, содержащих источник энергии, и неактивных зон, заполненных инертным балластом.

В тепловыделяющем элементе для парогенерирующих энергетических установок период (L) чередования по его длине активных и неактивных зон выбран в интервале L= 1 - 100 эффективных размеров его сечения (диаметров), при этом преимущественными являются значения L>(λD/α)^1/2, где λ - эффективный коэффициент теплопроводности ТВЭЛа ; D - эффективный диаметр сечения ТВЭЛа, [см] ; α - коэффициент теплоотдачи от поверхности ТВЭЛа в кипящую жидкую среду
В тепловыделяющем элементе для парогенерирующих энергетических установок отношение длины активной зоны к длине неактивной зоны выбрано в интервале 0,1-1, при этом преимущественным является интервал 0,5-1.

В тепловыделяющем элементе для парогенерирующих энергетических установок неактивные зоны заполнены инертным балластом из керамических материалов (например, из оксидов алюминия, титана, циркония, кремния) или металлов (например, из различных сталей, циркония).

Пример 1. Пример конструкции (устройства) заявляемого ТВЭЛа приведен на фиг.1,
где 1 - активная зона ТВЭЛа, содержащая источник энергии;
2 - неактивная зона ТВЭЛа, содержащая инертный балласт;
3 - корпус ТВЭЛа стержневого типа в форме цилиндрической трубы;
L - шаг периодической структуры размещенного в ТВЭЛе источника энергии;
La, Lн - размеры соответственно активной и неактивной зон в периодической структуре ТВЭЛа;
D - диаметр ТВЭЛа.

Проведенные расчеты показали, что предлагаемая в данном изобретении периодическая конструкция ТВЭЛа позволяет достигнуть существенные преимущества в сравнении с традиционной конструкцией ТВЭЛа, однородно заполненного источником энергии. Наиболее сильно выражены достигаемые преимущества, если период чередования активных и неактивных зон выбран в интервале L=1-100 эффективных размеров сечения ТВЭЛа, при этом преимущественными являются значения L>(λD/α)^1/2, где λ - эффективный коэффициент теплопроводности ТВЭЛа ; D - эффективный диаметр сечения ТВЭЛа [см]; α - коэффициент теплоотдачи от поверхности ТВЭЛа в кипящую жидкую среду . Оптимальное соотношение размеров активной и пассивной зон лежит в интервале La/Lн= 0,1-1, при этом преимущественным является интервал 0,5-1.

ТВЭЛ с указанными параметрами характеризуется следующими преимуществами.

Опасный очаг пленочного кипения, сформированный локально в одиночной активной зоне ТВЭЛа, локализуется в ней ("запирается" в этой зоне) и не распространяется на всю длину ТВЭЛа, в то время как на однородном ТВЭЛе с идентичной мощностью весь ТВЭЛ в режиме бегущей волны переходит в аварийное состояние пленочного кипения.

Порог теплового возмущения, способный сформировать аварийный очаг перегрева на ТВЭЛе предлагаемой конструкции, возрастает в 1,5-3 раза по сравнению с аналогичным по мощности ТВЭЛом-прототипом.

Для ТВЭЛа предлагаемой конструкции предельно безопасное значение тепловой мощности, снимаемой с единицы массы введенного в ТВЭЛ источника энергии, возрастает в 1,2-2 раза.

Пример 2.

Прямая проверка эффективности предлагаемого изобретения проведена на электрической модели ТВЭЛа. Модельный электронагревательный элемент изготавливался из спаянных между собой и чередующихся проволочных фрагментов, где активными тепловыделяющими зонами являлись фрагменты из проволок с высоким электросопротивлением (например, изготовленными из Pt, сплавов Ni-Cr и Fe-Cr-Al), а неактивные зоны моделировались низкоомными проволочными фрагментами (например, изготовленные из Си или Ag).

Схема конструкции ТВЭЛа приведена на фиг.2,
где 1 - активная зона ТВЭЛа;
2 - неактивная зона ТВЭЛа;
4 - регулируемый источник электрического питания ТВЭЛа;
5,6 - приборы для измерения электрического тока и напряжения на проволочном электронагревательном элементе "аб" для регистрации рассеиваемой на этом ТВЭЛе мощности.

В опытах, иллюстрируемых на фиг.2, использовалась пара Pt - активная зона (1), Cu - неактивная зона (2). Эти проволочные фрагменты сваривались между собой, образуя периодическую структуру, моделирующую предлагаемый ТВЭЛ.

Диаметр платиновых и медных проволок 0,1 мм, размеры проволочных фрагментов для активной и неактивной зон были равны между собой и составляли 3 мм. Такая комбинированная проволочная нить натягивалась в вертикальном направлении и погружалась в водную среду. Электрическое питание подавалось от регулируемого источника электрического тока (4), а рассеиваемая на модельном ТВЭЛе интегральная мощность измерялась с помощью приборов, регистрирующих ток и напряжение (5 и 6). Сравнение выходных характеристик такого модельного секционированного ТВЭЛа проводилось с данными аналогичного нагревателя, целиком изготовленного из платиновой проволоки (ТВЭЛ - прототип).

Опыты проводились в нагретой до 95-98^oС водной среде, чтобы избежать разрушения модельного проволочного ТВЭЛа при возникновении на нем локализованного участка пленочного кипения. Локальное возмущение вносилось путем барботажа воздушной струи через локальный участок проволочного ТВЭЛа размером 2-3 мм. Факт возникновения на ТВЭЛе режима пленочного кипения (аварийная ситуация) регистрировался визуально по появлению зон красного каления (700-800 С) на проволочном нагревателе.

Полученные результаты подтвердили преимущества предлагаемого ТВЭЛа с периодическим по его длине размещением источника тепловой энергии перед ТВЭЛом-прототипом с однородным (равномерным по всей длине) энерговыделением:
предельно допустимая тепловая мощность, при которой самопроизвольно возникает аварийное высокотемпературное состояние пленочного кипения, возросла почти на 30%;
мощность, при которой локальное возмущение может инициировать аварийный пленочный режим, увеличилась более чем на 50%.

Изобретение относится к конструкциям парогенерирующих энергетических установок высокой теплонапряженности и, в первую очередь, может быть использовано в парогенерирующих установках с ядерным топливом (в пароводяных ядерных реакторах). Предложено устройство тепловыделяющего элемента стержневого типа, используемого в парогенерирующих энергетических установках. Предложенный тепловыделяющий элемент для парогенерирующих энергетических установок содержит внутри источник энергии (например, ядерное топливо). Источник энергии имеет переодическую структуру, состоящую из чередующихся зон, содержащих источник энергии, и неактивных зон, заполненных инертным балластом. Период (L) чередования по его длине активных и неактивных зон находится в интервале L=1-100 эффективных размеров его сечения (диаметров). Преимущественными являются значения L>(λD/α)^1/2, где λ - эффективный коэффициент теплопроводности ТВЭЛа; D - эффективный диаметр сечения ТВЭЛа; α - коэффициент теплоотдачи от поверхности ТВЭЛа в кипящую жидкую среду. Отношение длины активной зоны к длине неактивной зоны находится в интервале 0,1-1, при этом преимущественным является интервал 0,5-1. Неактивные зоны заполнены инертным балластом из керамических материалов (например, из оксидов алюминия, титана, циркония, кремния) или металлов (например, из различных сталей, циркония). Технический результат - повышение уровня устойчивости ТВЭЛа к локальным возмущениям. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Тепловыделяющий элемент для парогенерирующих энергетических установок, содержащий внутри источник энергии (например, ядерное топливо), отличающийся тем, что источник энергии имеет периодическую структуру, состоящую из чередующихся активных зон, содержащих источник энергии, и неактивных зон, заполненных инертным балластом, причем период (L) чередования по его длине активных и неактивных зон выбран в интервале L = 1-100 эффективных размеров его сечения (диаметров), а отношение длины активной зоны к длине неактивной зоны выбрано в интервале 0,1-1.2. Тепловыделяющий элемент для парогенерирующих энергетических установок по п.1, отличающийся тем, что значения

L > (λD/α)^1/2,

где λ - эффективный коэффициент теплопроводности ТВЭЛа

D - эффективный диаметр сечения ТВЭЛа [см];

α - коэффициент теплоотдачи от поверхности ТВЭЛа в кипящую жидкую среду