АКТИВНАЯ ЗОНА И ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩАЯ СБОРКА КАНАЛЬНОГО УРАН-ГРАФИТОВОГО ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА Российский патент 2004 года по МПК G21C3/30 G21C3/34 

Изобретение относится к ядерной технике, в частности к активным зонам канальных уран-графитовых ядерных реакторов типа РБМК (реактор большой мощности канальный), сформированным из тепловыделяющих сборок, конструкция которых учитывает предыдущую и последующую эксплуатацию активной зоны.

Уровень техники
Известны ядерные реакторы, содержащие каналы, в которых установлены тепловыделяющие сборки, выполненные в виде тонкостенного кожуха, внутри которого по вертикали расположены пакеты тепловыделяющих элементов (SU 665556 А, G 21 С 3/30, 15.05.85).

Для облегчения установки кожуха внутрь канала сборка снабжена направляющей трубой, соединенной нижней кромкой с верхней кромкой кожуха и имеющей наружный опорный фланец с конусным заходным участком для постановки пакетов тепловыделяющих элементов.

Кожух установлен с зазором относительно поверхности канала, что исключает их контакт и возможное истирание в процессе эксплуатации. Однако наличие сплошного кожуха значительной длины существенно снижает нейтронно-физические параметры активной зоны вследствие паразитного захвата нейтронов.

Наиболее близкой к описываемому изобретению является активная зона канального уран-графитового ядерного реактора, содержащая технологические каналы, в которых установлены тепловыделяющие сборки, выполненные в виде двух вертикальных пучков тепловыделяющих элементов, зафиксированных в дистанционирующих решетках (Н. А.Доллежаль, И.Я.Емельянов. Канальный ядерный энергетический реактор, -М.: Атомиздат, 1980, с. 48, 49, 52, 53, 54, 97).

При эксплуатации известной активной зоны имеют место существенные радиальные вибрации тепловыделяющих сборок внутри технологических каналов за счет взаимодействия потока теплоносителя с конструктивными элементами сборки. По этой причине происходит интенсивное взаимодействие дистанционирующих решеток с внутренней поверхностью технологического канала, приводящее к истиранию стенок технологического канала и соответственно ослаблению поперечного сечения технологического канала в месте контакта с дистанционирующей решеткой. Кроме того, многократное циклическое ударное воздействие дистанционирующих решеток на стенки канала приводит к снижению усталостной прочности материала стенки технологического канала. Поэтому в течение кампании осуществляют постоянный контроль целостности стенок технологического канала, наличия участков технологических каналов с ослабленными поперечными сечениями и степень их ослабления.

В случае критического ослабления какого-либо участка технологического канала, производят ремонтно-восстановительную операцию, заключающуюся в замене всего технологического канала. Все этапы такой операции достаточно сложны, трудоемки и требуют значительных затрат времени. Кроме того, при замене технологического канала происходит увеличение зазоров между блоками графитовой кладки, которые увеличиваются также из-за радиационного облучения. В итоге в целом снижается надежность активной зоны и ее ресурс.

Наиболее близкой к описываемой тепловыделяющей сборке является тепловыделяющая сборка уран-графитового ядерного реактора, содержащей два пучка тепловыделяющих элементов, одни концевики которых зафиксированы в опорных решетках, и N дистанционирующих решеток в каждом пучке, (N-1) из которых, начиная от опорной решетки, установлены по длине сборки на расстоянии d друг от друга (Н. А. Доллежаль, И.Я.Емельянов. Канальный ядерный энергетический реактор, -М.: Атомиздат, 1980, с.95-101).

Известная тепловыделяющая сборка предназначена для формирования активной зоны канального уран-графитового ядерного реактора. После окончания срока ее функционирования сборка подлежит выгрузке. На ее место устанавливается свежая тепловыделяющая сборка, полностью идентичная предшествующей. Естественно, что в этом случае имеет место дальнейшее истирание технологического канала за счет взаимодействия дистанционирующих решеток со стенками канала, причем на одних и тех же участках технологического канала.

Сущность изобретения
Задачей настоящего изобретения является создание и разработка активной зоны уран-графитового ядерного реактора, сформированной из тепловыделяющих сборок, обладающей повышенной надежностью и увеличенным ресурсом.

В результате решения данной задачи возможно получение новых технических результатов, заключающихся в том, что увеличивается работоспособность технологических каналов до планового ремонта, снижается скорость увеличения зазоров между блоками графитовой кладки, повышается суммарная энерговыработка.

Данные технические результаты достигаются тем, что в активной зоне канального уран-графитового ядерного реактора, содержащей технологические каналы, в которых установлены тепловыделяющие сборки, выполненные в виде двух пучков тепловыделяющих элементов, зафиксированных в дистанционирующих решетках, дистанционирующие решетки размещены по высоте сборки между участками технологических каналов с ослабленными поперечными сечениями.

Для этого в тепловыделяющей сборке уран-графитового ядерного реактора, содержащей два пучка тепловыделяющих элементов, одни концевики которых зафиксированы в опорных решетках, и N дистанционирующих решеток в каждом пучке, (N-1) из которых, начиная от опорной решетки, установлены по длине сборки на расстоянии d друг от друга, в каждом пучке торец первой от опорной решетки дистанционирующей решетки расположен от торца опорной решетки на расстоянии l не менее 0,25•h и не более (d-2,125•h) или на расстоянии l не менее (d+2,125•h) и не более (d+2,875•h), где h - высота дистанционирующей решетки.

Отличительная особенность описываемых решений состоит в следующем. Размещение дистанционирующих решеток по высоте сборки между участками технологических каналов с ослабленными поперечными сечениями исключает дальнейшее негативное взаимодействие дистанционирующих решеток со стенками технологического канала, приводящее к дальнейшему снижению прочностных характеристик.

Чтобы сформировать данную активную зону необходимо использовать тепловыделяющие сборки, у которых дистанционирующие решетки расположены по длине каждого пучка определенным образом, а именно: в каждом пучке торец первой от опорной решетки дистанционирующей решетки расположен от торца опорной решетки на расстоянии l не менее 0,25•h и не более (d-2,125•h) или на расстоянии l не менее (d+2,125•h) и не более (d+2,875•h), где h - высота дистанционирующей решетки. Если величина расстояния l будет более чем (d-2,125•h) или менее (d+2,125•h), то дистанционирующие решетки при установке сборки в технологический канал будут расположены в зонах участков технологического канала с ослабленными поперечными сечениями. Ослабление поперечных сечений на участках канала обусловлено взаимодействием со стенками канала дистанционирующих решеток тепловыделяющих сборок, эксплуатировавшихся в активной зоне ранее. Если приблизить первую дистанционирующую решетку к торцу опорной решетки на расстояние l менее 0,25•h, то в зоны участков технологического канала со сниженными прочностными характеристиками попадут дистанционирующие решетки, начиная со второй. При величине расстояния l более (d+2,875•h) необходимо устанавливать между опорной решеткой и первой дистанционирующей решеткой дополнительную решетку. В этом случае первой от опорной решетки дистаницонирующей решеткой будет дополнительная дистанционирующая решетка, торец которой должен быть установлен на расстоянии l от торца опорной решетки, выбранном из вышеуказанных диапазонов.

Кроме того, опорные решетки могут быть установлены на концевых участках тепловыделяющей сборки или в средней части тепловыделяющей сборки.

Перечень фигур чертежей
На фиг. 1 изображен фрагмент активной зоны канального уран-графитового ядерного реактора, на фиг. 2 показана тепловыделяющая сборка канального уран-графитового реактора.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения.

Активная зона содержит графитовую кладку, состоящую из собранных в колонны блоков 1 с осевыми цилиндрическими отверстиями, в которых установлены технологические каналы 2. В технологических каналах 2 установлены тепловыделяющие сборки 3, выполненные в виде двух вертикальных пучков 4, 5 (верхний и нижний соответственно) тепловыделяющих элементов 6. Тепловыделяющие элементы 6 зафиксированы в дистанционирующих решетках 7, которые стабилизируют пучок, уменьшают изгиб тепловыделяющих элементов и снижают их вибрацию. В процессе эксплуатации активной зоны за счет интенсивного взаимодействия дистанционирующих решеток 7 со стенкой технологического канала 2 в последнем могут возникнуть участки 8 с ослабленным поперечным сечением (с пониженными прочностными характеристиками). Появление в технологическом канале 2 участков 8 с ослабленным поперечным сечением может быть обусловлено не только взаимодействием со стенками канала дистанционирующих решеток, но и иными причинами. В частности появление участков 8 может быть следствием погрешностей изготовления технологического канала или воздействием на канал графитовой кладки при ее распухании, особенно в местах стыка блоков. Повысить надежность и увеличить ресурс технологического канала и активной зоны в целом можно за счет того, что при формировании активной зоны следует выявлять наличие участков 8 технологического канала и располагать дистанционирующие решетки между участками 8 технологического канала с ослабленным поперечным сечением. Обеспечить периодический контроль технологических каналов, например путем ультразвукового сканирования, можно во время перегрузок технологических каналов. При обнаружении в технологическом канале участков с ослабленным поперечным сечением, в него загружают свежую тепловыделяющую сборку, у которой дистанционирующие решетки расположены таким образом, что при штатной установке тепловыделяющей сборки дистанционирующие решетки 7 располагаются между участками 8 технологического канала с ослабленным поперечным сечением.

Для формирования описываемой активной зоны необходимо изготовить тепловыделяющие сборки, в которых дистанционирующие решетки 7 расположены соответствующим образом. Тепловыделяющая сборка уран-графитового ядерного реактора содержит два пучка 4 и 5 тепловыделяющих элементов 6, одни концевики которых зафиксированы в опорных решетках 9 и 10 (верхняя и нижняя соответственно) и N дистанционирующих решеток 7 в каждом пучке. При этом в каждом пучке торец первой от опорной решетки 9 и 10 (верхняя и нижняя соответственно), дистанционирующей решетки 11 и 12 (верхняя и нижняя соответственно) расположены от торцов указанных опорных решеток на расстоянии l не менее 0,25•h и не более (d-2,125•h) или на расстоянии l не менее (d+2,125•h) и не более (d+2,875•h), где h - высота дистанционирующей решетки. Диапазон расстояний l не менее 0,25•h и не более (d-2,125•h) соответствует обозначению "А" на фиг. 2, а диапазон растояний l не менее (d+2,12•h) и не более (d+2,875•h) соответствует обозначению "В" на фиг.2.

Выбор вышеприведенных диапазонов возможных расстояний между торцом опорной решетки и торцом первой от нее дистанционирующей решетки учитывает не только необходимость сдвига дистанционирующей решетки на величину, как минимум равную высоте дистанционирующей решетки, но и фактор превышения длины участка 8 с пониженными прочностными характеристиками значения высоты дистанционирующей решетки. Не соответствие длины участка 8 высоте дистанционирующей решетки обусловлено конструктивными особенностями крепления дистанционирующих решеток к центральному стержню 13. В центральном стержне выполнен паз, взаимодействующий с дистанционирующей решеткой и исключающий ее осевое смещение. При функционировании дистанционирующей решетки в составе сборки имеет место ее перемещения вдоль центрального стержня, приводящее к увеличению длины участка 8 технологического канала с ослабленными поперечными сечениями. Конкретные значения вышеприведенных диапазонов расстояния между торцом опорной решетки и торцом первой от нее дистанционирующей решетки установлены экспериментально.

Если первую от опорной решетки дистанционирующую решетку расположить на минимально возможном расстоянии l от торца опорной решетки, общее количество дистанционирующих решеток в пучке будет увеличено на единицу. В данном случае, поскольку расстояние между (N-1) первыми дистанционирующими решетками равно d и постоянно, то расстояние между предпоследней дистанционирующей решеткой и последней дистанционирующей решеткой превысит максимально допустимую величину.

При фиксации концевиков тепловыделяющих элементов 6 в опорных решетках 9 и 10, расположенных на концевых участках тепловыделяющей сборки, происходит температурное удлинение и радиационное расширение тепловыделяющих элементов 6 по направлению к центру.

Опорные решетки, в которых закреплены концевики тепловыделяющих элементов, могут располагаться в средней части тепловыделяющей сборки. При этом одна из опорных решеток все равно будет верхней, а другая нижней. Тепловыделяющие элементы, в данном случае, будут удлиняться и расширяться по направлению к концевым участкам тепловыделяющей сборки.

Тепловыделяющая сборка содержит головку 14 и хвостовик 15, между которыми расположены пучки 4 и 5 тепловыделяющих элементов. С головкой 14 соединен узел 16 для установки сборки в активную зону и ее выгрузке из активной зоны. Силовой каркас тепловыделяющей сборки образован головкой 14 и хвостовиком 15, с которыми соединен центральный стержень 16, на котором размещены дистанционирующие решетки 7.

Формирование описываемой активной зоны производят следующим образом. Изначально активную зону формируют из тепловыделяющих сборок, которые соответствуют прототипу. С течением времени дистанционирующие решетки таких сборок все более и более истирают стенку технологического канала. Если не изменить определенным образом положение дистанционирующих решеток, то утончение стенки канала достигнет критической величины и технологический канал следует заменить. Поэтому при существенном истирании стенки канала, но менее критической величины, необходимо формировать активную зону с использованием описываемых тепловыделяющих сборок. Тогда дистанционирующие решетки будут взаимодействовать с участками стенок канала, которые ранее не подвергались истиранию. В случае существенного истирания следующих участков стенок канала необходимо изготовить комплект тепловыделяющих сборок, в которых дистанционирующие решетки будут расположены вдоль сборки в других местах. Целесообразно изготовить первый комплект описываемых тепловыделяющих сборок с расположением дистанционирующих решеток, соответствующих одному диапазону расстояний торца первой дистанционирующей решетки от торца опорной решетки. Следующий комплект тепловыделяющих сборок в этом случае следует изготовить так, чтобы торец первой дистанционирующей решетки располагался на расстоянии от торца опорной решетки, соответствующем другому диапазону.

Описываемая тепловыделяющая сборка может быть изготовлена на существующем известном оборудовании с использованием известной технологии и не требует какой-либо модернизации оснастки.

Изобретение относится к ядерной технике и может быть использовано в активных зонах канальных уран-графитовых ядерных реакторов, сформированных из тепловыделяющих сборок, конструкция которых учитывает предыдущую и последующую эксплуатацию активной зоны. Активная зона содержит технологические каналы, в которых установлены тепловыделяющие сборки, выполненные в виде двух пучков тепловыделяющих элементов, зафиксированных в дистанционирующих решетках. Дистанционирующие решетки размещены по высоте сборки между участками технологических каналов с ослабленными поперечными сечениями. Для этого в тепловыделяющей сборке в каждом пучке торец первой от опорной решетки дистанционирующей решетки расположен от торца опорной решетки на расстоянии, значение которого лежит в определенных диапазонах. В результате увеличивается работоспособность технологических каналов до планового ремонта, снижается скорость увеличения зазоров между графитовыми блоками, повышается суммарная энерговыработка. 2 с. и 2 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Активная зона канального уран-графитового ядерного реактора, содержащая технологические каналы, в которых установлены тепловыделяющие сборки, выполненные в виде двух пучков тепловыделяющих элементов, зафиксированных в дистанционирующих решетках, отличающаяся тем, что дистанционирующие решетки размещены по высоте сборки между участками технологических каналов с ослабленными поперечными сечениями.2. Тепловыделяющая сборка уран-графитового ядерного реактора, содержащая два пучка тепловыделяющих элементов, одни концевики которых зафиксированы в опорных решетках, и N дистанционирующих решеток в каждом пучке, (N-1) из которых, начиная от опорной решетки, установлены по длине сборки на расстоянии d мм друг от друга, отличающаяся тем, что в каждом пучке торец первой от опорной решетки дистанционирующей решетки расположен от торца опорной решетки на расстоянии l мм не менее 0,25·h мм и не более (d-2,125·h) мм или на расстоянии l мм не менее (d+2,125·h) мм и не более (d+2,875·h) мм, где h - высота дистанционирующей решетки, мм.3. Тепловыделяющая сборка уран-графитового ядерного реактора по п.2, отличающаяся тем, что опорные решетки установлены на концевых участках тепловыделяющей сборки.4. Тепловыделяющая сборка уран-графитового ядерного реактора по п.2, отличающаяся тем, что опорные решетки установлены в средней части тепловыделяющей сборки.