ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩАЯ СБОРКА ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА Российский патент 2004 года по МПК G21C3/24 G21C21/00 

Изобретение относится к атомной энергетике и может быть использовано на предприятиях, занятых сборкой из тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ) тепловыделяющих сборок (ТВС), преимущественно для ядерных водо-водяных энергетических реакторов (ВВЭР).

Известна ТВС ядерного реактора, содержащая пучок ТВЭЛов, установленных вертикально в каркасе из дистанционирующих решеток, закрепленных на трубчатых каналах, хвостовик и съемную головку, где каждая дистанционирующая решетка собрана из отдельных фигурных ячеек, сваренных между собой в точках и скрепленных снаружи ободом, каждая ячейка снабжена внутренними выступами, прочно с натягом фиксирующими пропущенные через ячейки ТВЭЛы и образующие каналы для прохождения теплоносителя между ТВЭЛами и стенками ячеек, между ячейками и периферийными ячейками и ободом (см. патент RU 2124238 по заявке 97108408 от 20.05.97 г., кл. 6 G 21 C 3/30, 3/34).

В известной ТВС для придания ей жесткости обода дистанционирующих решеток и хвостовик жестко соединены между собой в продольном направлении уголками, т.е. в активную зону ядерного реактора ВВЭР-1000 дополнительно вводится вместе с ТВС ≈790 кг паразитного материала. Согласно требованиям, предъявляемым к ТВЭЛам и ТВС, их конструкция и технология изготовления должны быть простыми и недорогими, позволяющими применять высокопроизводительные автоматизированные технологические процессы при изготовлении, и применяемые конструкционные материалы должны иметь низкое сечение паразитного захвата нейтронов, а их объемная доля должна быть минимальной (см. Разработка, производство и эксплуатация тепловыделяющих элементов энергетических реакторов. Книга 1. Под редакцией Ф.Г. Решетникова. - М.: Энергоатомиздат, 1995 г., с.44). Известная ТВС вступает в противоречие с вышеуказанными требованиями и этим требованиям по минимальной объемной доле и технологичности изготовления не удовлетворяет. Кроме того, известно, что при работе в ядерном реакторе наиболее напряженные - угловые ТВЭЛы. Это обусловлено заметным всплеском плотности потока тепловых нейтронов в зазорах между ТВС (см. Б.А. Дементьев. Ядерные энергетические реакторы. - М.: Энергоатомиздат, 1990 г., с.150, рис. 7, 8). Потому при конструировании ТВС предусматривают равномерное распределение воды в активной зоне (см. там же, с.27), что нарушается в известной ТВС из-за применения уголков. Известно, что активная зона реактора типа ВВЭР набирается из сравнительно плотно упакованных шестигранных ТВС, в которых размещены ТВЭЛы с ядерным топливом с зазором между ТВС 2 мм, который необходим только для свободной установки и выемки их в процессе перегрузки (см. Б. А. Дементьев. Ядерные энергетические реакторы. - М.: Энергоатомиздат, 1990 г., с.31), однако наличие уголков на известных ТВС уменьшает зазор между ТВС в активной зоне и вызывает определенные трудности по установке и выемке ТВС из активной зоны и при этом не исключается их повреждение соседними ТВС. Кроме того, выполнение на направляющих каналах ребер вступает в противоречие с требованиями по объемной доле конструкционного материала, которая должна быть минимальной. Сварка уголков к хвостовику и ободам дистанционирующих решеток не поддается автоматизации и является трудоемкой и нетехнологичной, что не соответствует требованиям, предъявляемым к технологии изготовления ТВС. Одним из основных требований, предъявляемым к ТВС, является выполнение размера в поперечнике или размер шестигранника строго под ключ 234 мм (см. там же, с.43) для обеспечения зазора 2 мм между ТВС в активной зоне. Размер под ключ ТВС ВВЭР-1000 задают дистанционирующие решетки, расположенные по длине ТВС через 250 мм каждая (см. Разработка, производство и эксплуатация тепловыделяющих элементов энергетических реакторов. Книга 1. Под ред. Решетникова. - М.: Энергоатомиздат, 1995 г., с.184-185). Известно, что фигурные ячейки из сплава циркония, изготавливаемые из тонкостенных трубок, имеют колебания как по толщине стенок, так и по диаметру в соответствии с ТУ. Это приводит к тому, что набранное поле ячеек и сваренное между собой точечной сваркой входит в обод с прослаблением, что отрицательно сказывается на качестве дистанционирующей решетки, так как ввод в обод набранного поля ячеек с прослаблением потребует перед точечной сваркой обода к периферийным ячейкам поджимать обод к ячейкам, что приводит к деформации средней части граней обода, тогда как в углах обода зазоры остаются, а увеличенный зазор между ободом и полем фигурных ячеек приводит к прожогу периферийных ячеек при сварке и к браку (см. патент РФ 2155998 по заявке 98115170 от 04.08.1998 г. , опубл. 10.09.2000 г. , MПK 7 G 21 C 3/34. Дистанционирующая решетка тепловыделяющей сборки и способ ее изготовления).

Наиболее близкой по техническим условиям и достигаемому эффекту является ТВС ядерного водо-водяного энергетического реактора, включающая пучок ТВЭЛов, установленных вертикально в каркасе из дистанционирующих решеток, закрепленных на трубчатых каналах, хвостовик и съемную головку, где каждая дистанционирующая решетка собрана из отдельных фигурных ячеек, сваренных между собой в точках, скрепленных снаружи изготовленным из составных, состыкованных между собой частей ободом с отбойниками теплоносителя от периферии к центру (см. патент РФ 2163036 по заявке 99107684/06 от 05.04.1999 г., опубл. 10.02.2001 г. , МПК 7 G 21 C 3/34, 21/00. Тепловыделяющая сборка ядерного реактора). В ТВС-прототипе устранены недостатки известной ТВС в части изготовления обода дистанционирующей решетки не сплошным, а составным, позволяющим при изготовлении не вводить в обод набранное и сваренное между собой поле ячеек, а осуществлять точечную сварку составных частей обода непосредственно периферийным ячейкам набранного поля ячеек, а потом между собой с размещением сварных стыков в промежутках между ячейками. Устранен недостаток по объемной доле конструкционного материала - нет ребер на направляющих каналах, вместо которых для перемешивания теплоносителя использованы верхние и нижние края ободов дистанционирующих решеток, выполненные в виде лепестков отбойников с наклоном от периферии к центру. ТВС-прототип имеет только изгибную жесткость, не усиленную жестким креплением дистанционирующих решеток между собой и к хвостовику. Недостатком является то, что в ТВС-прототипе при набранном, сваренном между собой поле ячеек по нижнему минусовому допуску после точечной сварки составных частей обода к периферийным ячейкам размер под ключ дистанционирующей решетки будет с минусовым допуском, что влечет за собой увеличение зазора между ТВС в активной зоне ядерного реактора и не исключена при этом возможность изгиба ТВС в этом направлении.

Технической задачей изобретения является увеличение жесткости ТВС после сформирования всей активной зоны ядерного реактора, повышение надежности и безопасности работы ТВС в активной зоне, технологичности и точности изготовления ТВС. Эта техническая задача решается тем, что в ТВС ядерного водо-водяного энергетического реактора, включающей пучок тепловыделяющих элементов, установленных вертикально в каркасе из закрепленных на трубчатых каналах дистанционирующих решеток в виде поля фигурных ячеек, сваренных между собой в точках, скрепленных снаружи составными, состыкованными между собой частями - ободом с отбойниками теплоносителя от периферии к центру, нижнюю решетку, хвостовик и съемную головку; согласно изобретению на гранях обода дистанционирующей решетки, находящихся под углом 120^o друг к другу, выполнены выступы-пуклевки с высотой, равной половине ширины зазора между тепловыделяющими сборками в активной зоне ядерного реактора, на соседних гранях обода дистанционирующей решетки, находящихся под углом 120^o друг к другу, выполнены выступы-пуклевки с высотой, определяемой по формуле:
Нв2=S-S1-Нв1,
где Нв2 - переменная высота выступа-пуклевки;
S - шаг ТВС в активной зоне;
S1 - фактический размер "под ключ" дистанционирующей решетки по паре граней без выступов-пуклевок;
Нв1 - постоянная высота выступа-пуклевки, Нв1=Const=1/2 зазора δ между ТВС в активной зоне,
а количество выступов-пуклевок выполнено достаточным для исключения искривления тепловыделяющей сборки в активной зоне и создания дополнительных промежуточных опор, воспринимающих горизонтальные нагрузки после сформирования всей активной зоны ядерного реактора. Другим отличием является то, что выступы-пуклевки выполнены на гранях обода дистанционирующей решетки, находящейся в центре тепловыделяющей сборки. Такое выполнение тепловыделяющей сборки позволит ее изгибную жесткость оставить прежней и сохранить усилия трения между тепловыделяющими сборками, возникающими при операциях загрузки-выгрузки, на прежнем уровне. Благодаря выступам-пуклевкам, размещенным на гранях, находящихся под углом 120^o друг к другу, равным по высоте половине зазора между тепловыделяющими сборками в активной зоне ядерного реактора, и выступам-пуклевкам, размещенным на соседних гранях, находящихся под углом 120^o друг к другу, с высотой, определяемой по формуле, размер "под ключ" по выступам-пуклевкам дистанционирующей решетки в трех измерениях будет равным. Следовательно, соседние тепловыделяющие сборки в активной зоне не будут иметь зазоров в местах касания выступов-пуклевок, а после сформирования активной зоны и установки всех ТВС все ТВС будут зафиксированы в нижней части и в верхней части ядерного реактора, а в средней части благодаря выступам-пуклевкам будет создан единый, монолитный, жесткий элемент - активная зона.

На чертежах представлена тепловыделяющая сборка ядерного реактора, где:
на фиг.1 изображена ТВС;
на фиг.2 - дистанционирующая решетка с выступами-пуклевками;
на фиг.3 - ТВС в активной зоне ядерного реактора.

ТВС ядерного водо-водяного энергетического реактора включает пучок ТВЭЛ 1, установленных в каркасе из закрепленных на трубчатых каналах 2 дистанционирующих решеток 3 в виде поля фигурных ячеек 4, сваренных между собой в точках, скрепленных снаружи составными, состыкованными между собой частями - ободом 5 с отбойниками 6 теплоносителя от периферии к центру, хвостовик 7 и съемную головку 8.

На гранях 9 обода 5 дистанционирующей решетки 3, находящихся под углом α= 120^o друг к другу, выполнены выступы-пуклевки 10 с высотой Нв1, равной половине ширины δ зазора между тепловыделяющими сборками в активной зоне ядерного реактора. На соседних гранях 11 обода 5 дистанционирующей решетки 3, находящихся под углом β=120^o друг к другу, выполнены выступы-пуклевки 12 с высотой, определяемой по формуле:
Нв2=S-S1-Нв1,
где Нв2 - переменная высота выступа-пуклевки 12;
S - шаг ТВС в активной зоне;
S1 - фактический размер "под ключ" дистанционирующей решетки по паре граней без выступов-пуклевок;
Нв1 - постоянная высота выступа-пуклевки 10, HB1=const=1/2 зазора δ между ТВС в активной зоне.

Количество выступов-пуклевок 10, 12 выполнено достаточным для исключения искривления тепловыделяющей сборки в активной зоне и создания дополнительных промежуточных опор, воспринимающих горизонтальные нагрузки после сформирования всей активной зоны ядерного реактора. В данном случае выступы-пуклевки 10, 12 выполнены на гранях обода 5 дистанционирующей решетки, находящейся в центре тепловыделяющей сборки. ТВС снабжена нижней решеткой 13. ТВС изготавливают следующим образом. Поле фигурных ячеек 4, сваренных между собой в точках, подвергают замеру по параллельным граням по трем измерениям. Результаты заносят в таблицу.

При толщине обода 0,8 мм к одному из замеров суммируют двойную толщину обода
S1=0,8+0,8+232,3=233,9 мм,
где S - шаг ТВС в активной зоне,
S=234+δ=234+2=236 мм;
Нв1=1/2δ=1/2•2=1 мм выступа-пуклевки 10,
по формуле
Hв2=S-S1-Hв1
определяют высоту Нв2 выступа-пуклевки 12
Нв2=236-233,9-1=1,1 мм.

При изготовлении дистанционирующей решетки предварительно готовят составные части обода 5, на каждой из которых выполнены выступы-пуклевки 10 на грани 9 с высотой Нв1=1 мм и на смежной грани 11 выступ-пуклевка 12 Нв2 с высотой, определяемой по формуле. При этом после стыковки составных частей обода 5 дистанционирующей решетки 3 размер под ключ по выступам-пуклевкам 10-12 в трех измерениях будет равным.

Набор составных частей обода 5 готовят предварительно с разными значениями Нв2 и постоянными значениями Нв1, а после расчета по формуле выбирают соответствующие части обода 5 и осуществляют точечную сварку к периферийным ячейкам 4.

При изготовлении каркаса из дистанционирующих решеток 3 на трубчатых каналах 2 дистанционирующую решетку 3 с выступами-пуклевками 10, 12 устанавливают по центру собранного каркаса.

Пучок ТВЭЛов 1 размещают в ячейках 4 с натягом, закрепляют в нижней решетке 13 вместе с трубчатыми каналами 2 и крепят хвостовик 7 и головку 8.

В ядерном реакторе ТВС хвостовиками 7 устанавливают в гнезда нижней опорной решетки (не показана) с зазором δ=2 мм между собой. Благодаря расположенной в средней части ТВС дистанционной решетки 3 с выступами-пуклевками 10, 12 при формировании активной зоны ТВС имеет прежнюю изгибную жесткость, сохраняющую прежние условия сборки активной зоны с зазором δ=2 мм до момента касания выступов-пуклевок между собой. При полной сборке активной зоны выступы-пуклевки создадут между ТВС жесткий контакт - монолитную активную зону, а после дистанционирования сверху плитой блока защитных труб (не показано) ТВС будут зафиксированы в трех позициях, исключающих нежелательный изгиб ТВС.

Изобретение относится к атомной энергетике, в частности к тепловыделяющей сборке ядерного реактора. Изобретение позволяет увеличить жесткость ТВС, повысить надежность и безопасность работы ТВС в активной зоне, технологичность и точность изготовления ТВС. Тепловыделяющая сборка ядерного водо-водяного энергетического реактора включает пучок тепловыделяющих элементов, установленных вертикально в каркасе из закрепленных на трубчатых каналах дистанционирующих решеток в виде поля фигурных ячеек, сваренных между собой в точках, скрепленных снаружи составными, состыкованными между собой частями - ободом с отбойниками теплоносителя от периферии к центру, нижнюю решетку, хвостовик и съемную головку. На гранях обода дистанционирующей решетки, находящихся под углом 120^o друг к другу, выполнены выступы-пуклевки с высотой, равной половине ширины зазора между тепловыделяющими сборками в активной зоне ядерного реактора. На соседних гранях обода дистанционирующей решетки, находящихся под углом 120^o друг к другу, выполнены выступы-пуклевки с высотой, определяемой по формуле Нв2-S-S1-Нв1, где Нв2 - переменная высота выступа-пуклевки; S - шаг ТВС в активной зоне; S1 - фактический размер "под ключ" дистанционирующей решетки по паре граней без выступов-пуклевок; Нв1 - постоянная высота выступа-пуклевки, Hв1=Const=1/2 зазора δ между ТВС в активной зоне. Количество выступов-пуклевок выполнено достаточным для исключения искривления тепловыделяющей сборки в активной зоне и создания дополнительных промежуточных опор, воспринимающих горизонтальные нагрузки после сформирования всей активной зоны ядерного реактора. 1 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл.

1. Тепловыделяющая сборка ядерного водо-водяного энергетического реактора, включающая пучок тепловыделяющих элементов, установленных вертикально в каркасе из закрепленных на трубчатых каналах дистанционирующих решеток в виде поля фигурных ячеек, сваренных между собой в точках, скрепленных снаружи составными, состыкованными между собой частями-ободом с отбойниками теплоносителя от периферии к центру, нижнюю решетку, хвостовик и съемную головку, отличающаяся тем, что на гранях обода дистанционирующей решетки, находящихся под углом 120° друг к другу, выполнены выступы-пуклевки с высотой, равной половине ширины зазора между тепловыделяющими сборками в активной зоне ядерного реактора, на соседних гранях обода дистанционирующей решетки, находящихся под углом 120° друг к другу, выполнены выступы-пуклевки с высотой, определяемой по формуле

Нв2=S-S1-Нв1,

где Нв2 - переменная высота выступа-пуклевки;

S - шаг ТВС в активной зоне;

S1 - фактический размер “под ключ” дистанционирующей решетки по паре граней без выступов-пуклевок;

Нв1 - постоянная высота выступа-пуклевки, HB1=Const=1/2 зазора δ между ТВС в активной зоне,

а количество выступов-пуклевок выполнено достаточным для исключения искривления тепловыделяющей сборки в активной зоне и создания дополнительных промежуточных опор, воспринимающих горизонтальные нагрузки после сформирования всей активной зоны ядерного реактора.