ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩАЯ СБОРКА И ДИСТАНЦИОНИРУЮЩАЯ РЕШЕТКА Российский патент 2004 года по МПК G21C3/356 

Изобретение относится к атомной энергетике, в частности к конструкциям тепловыделяющих сборок и дистанционирующих решеток, фиксирующих тепловыделяющие элементы, особенно для реакторов ВВЭР-1000, тепловыделяющие сборки которого не имеют чехла.

Уровень техники
Известна тепловыделяющая сборка, содержащая пучок тепловыделяющих элементов, установленный в дистанционирующих решетках по гексагональной решетке (Б.А. Дементьев. Ядерные энергетические реакторы. М.: Атомэнергоиздат, 1990, с.42-44). Дистанционируюшие решетки, имеющие сотовые ячейки, охваченные ободом, образуют совместно с хвостовиком и направляющими каналами каркас для фиксации тепловыделяющих элементов. Дистанционируюшие решетки закреплены на тепловыделяющих элементах и направляющих каналах только за счет сил трения. Под влиянием неравномерного роста тепловыделяющих элементов за счет температурных удлинений и радиационного облучения происходит деформация дистанционирующих решеток в различных направлениях. В результате имеет место заклинивание тепловыделяющих элементов в ячейках, а также искривление тепловыделяющих элементов и тепловыделяющей сборки в целом. Стержни управления, находящиеся в направляющих каналах, также подвергаются деформациям, что приводит к заклиниванию стержней управления и выходу тепловыделяющей сборки из строя, снижению безопасности работы активной зоны.

В большинстве конструкций тепловыделяющих сборок для реакторов типа ВВЭР используются дистанционирующие решетки, ячейки которых имеют три симметрично расположенные пуклевки в виде гофров (RU 2127000, G 21 С 3/34, 27.02.1999). В известной конструкции наряду с основными (рабочими) гофрами на гранях ячейки выполнены страховочные гофры, которые фиксируют тепловыделяющий элемент при ослабевании натяга между основными гофрами и оболочкой тепловыделяющего элемента, а также предотвращает деформацию ячеек при транспортировке ТВС в горизонтальном положении. Наличие страховочных гофров усложняет конструкцию дистанционирующей решетки и снижает ее технологичность.

Известна также тепловыделяющая сборка ядерного реактора, содержащая гексагональный пучок тепловыделяющих элементов, размещенный в расположенных по длине сборки дистанционирующих решетках (RU 2093906, G 21 С 3/30, 20.10.1997). В данной конструкции для повышения безопасности ядерного реактора путем увеличения жесткости тепловыделяющей сборки по высоте сборки установлены угловые пластины из циркониевого сплава, соединенные сваркой с дистанционирующими решетками и винтами с хвостовой частью сборки. Наличие угловых пластин существенно увеличивыает жестность конструкции. Однако при этом повышается масса металла в активной зоне и увеличиваются затраты на изготовление тепловыделяющей сборки.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату к настоящему изобретению является тепловыделяющая сборка, содержащая расположенные в ячейках дистанционирующих решеток направляющие каналы и тепловыделяющие элементы, хвостовики которых закреплены в отверстиях опорной решетки (RU 1785370, G 21 С 3/356, 30.04.1995).

В данной тепловыделяющей сборке каждая дистанционирующая решетка содержит ячейки, выполненные в виде вписанного в шестигранный профиль фигурного многогранника, имеющего пуклевки в виде криволинейной поверхности, вершины которых охватывают окружность. Пуклевки выполнены так, что отношение величины радиуса поперечного сечения криволинейной поверхности при вершине пуклевки к величине переходного радиуса от криволинейной поверхности к плоской грани составляет менее 0,5, что повышает технологичность монтажа тепловыделяющей сборки.

В этом случае минимальная зона упругости ячеек дистанционирующей решетки составила ~0,14 мм, что недостаточно ввиду наличия поля допуска на оболочку тепловыделяющего элемента, равного 0,15 мм, а также ввиду необходимости обеспечения гарантированного натяга (0,02 мм min) при монтаже тепловыделяющей сборки и необходимости наличия поля допуска на вписанный диаметр ячеек. Наличие такого профиля привело также к резкому уменьшению площади контакта "оболочка тепловыделяющего элемента - ячейка" (0,06 мм²), что увеличило контактные напряжения, а следовательно, и степень повреждения защитного окисного слоя на оболочках тепловыделяющих элементов при монтаже тепловыделяющей сборки при общем снижении усилий проталкивания тепловыделяющих элементов во время монтажа тепловыделяющей сборки. Естественно, что при эксплуатации тепловыделяющей сборки между оболочками тепловыделяющих элементов и пуклевками дистанционирующих решеток происходят интенсивные адгезионные процессы.

Очевидно также, что в процессе эксплуатации пучок тепловыделяющих элементов подвергается нагрузкам как в продольном, так и в поперечном направлении. Для фиксации пучка тепловыделяющих элементов применяют дистанционирующие решетки, дискретно расположенные по длине сборки. В зависимости от места расположения дистанционирующих решеток, их размеров и параметров и прочих характеристик достигается различная степень фиксации тепловыделяющих элементов. Чем больше дистанционирующих элементов будет установлено вдоль длины тепловыделяющей сборки, тем более надежно будут зафиксированы тепловыделяющие элементы. Но в этом случае существенно повышается гидравлическое сопротивление тракта теплоносителя, что приводит к повышению вибрации тепловыделяющих элементов и, следовательно, к увеличению нагрузок на них. Затеснение потока теплоносителя также снижает теплоотдачу, вследствие чего тепловыделяющие элементы могут перегреваться.

Сущность изобретения
Задачей настоящего изобретения является разработка и создание тепловыделяющем сборки и дистанционирующей решетки ядерного реактора типа BBЭР-1000, обладающих улучшенными параметрами.

В результате решения данной задачи возможно получение технических результатов, заключающихся в том, что повышается изгибная жесткость каркаса тепловыделяющей сборки, увеличивается критическая сила потери устойчивости, снижаются контактные напряжения между ячейками дистанционирующей решетки и оболочками тепловыделяющих элементов и уменьшаются адгезионные процессы, а также уменьшаются усилия при сборке тепловыделяющих элементов.

Данные технические результаты достигаются тем, что в тепловыделяющей сборке, содержащей расположенные в ячейках дистанционирующих решеток направляющие каналы и тепловыделяющие элементы, хвостовики которых закреплены в отверстиях опорной решетки, расстояние между вторым по ходу теплоносителя торцом опорной решетки и первым по ходу теплоносителя торцом первой дистанционирующей решетки выбрано от 0,0633 L до 0,0655 L, где L - длина тепловыделяющего элемента от второго по ходу теплоносителя торца опорной решетки, расстояние между поперечными осями соседних дистанционирующих решеток составляет от 0,131 L до 0,135 L, а высота дистанционирующей решетки выбрана от 7,85•10^-3 L до 11,78•10^-3 L, причем направляющие каналы жестко соединены с дистанционирующими решетками посредством промежуточных втулок, размещенных в соответствующих ячейках дистанционирующих решеток.

Для этого же в дистанционирующей решетке, содержащей ячейки, выполненные в виде вписанного в шестигранный профиль фигурного многогранника, имеющего пуклевки в виде криволинейной поверхности, вершины которых охватывают окружность, радиус поперечного сечения криволинейной поверхности при вершине пуклевки выбран от 4,32 до 5,64 мм, отношение величины радиуса поперечного сечения криволинейной поверхности при вершине пуклевки к величине переходного радиуса от криволинейной поверхности к плоской грани при вершине пукленки составляет от 1,92 до 3,27, а отношение величины радиуса криволинейной поверхности в плоскости торца решетки к величине переходного радиуса от криволинейной поверхности к плоской грани в плоскости торца решетки выбрано от 1,08 до 49,21.

Отличительная особенность настоящего изобретения заключается в том, что расстояние между вторым по ходу теплоносителя торцом опорной решетки и первым по ходу теплоносителя торцом первой дистанционирующей решетки выбрано от 0,0633 L до 0,0655 L, где L - длина тепловыделяющего элемента от второго по ходу теплоносителя торца опорной решетки, а расстояние между поперечными осями соседних дистанционирующих решеток составляет от 0,131 L до 0,135 L. Отсюда следует, что расстояние между опорной решеткой и первой по ходу теплоносителя дистанционирующей решеткой меньше, чем расстояние между решетками. В этом случае общее количество решеток равно 8, в то время как в известных тепловыделяющих сборках их количество 15.

Данные соотношения получены экспериментально с учетом предварительных расчетов исходя из того, что пучок тепловыделяющих элементов рассматривался как вертикально установленная балка, к которой приложены нагружающие усилия. Очевидно, что в этом случае дистанционирующие решетки выполняют функцию своеобразных опор, фиксирующих пучок тепловыделяющих элементов. Однако лишь выбор вышеприведенных величин расстояний не позволяет увеличить жесткость тепловыделяющей сборки в целом. Для увеличения площади взаимодействия дистанционирующих решеток-опор с направляющими каналами и тепловыделяющими элементами необходимо, чтобы высота каждой дистанционирующей решетки была выбрана от 7,85•10^-3 L до 11,78•10^-3 L, а направляющие каналы должны быть жестко соединены с дистанционирующими решетками посредством промежуточных втулок, размещенных в соответствующих ячейках дистанционирующих решеток. Таким образом, только при реализации всей совокупности признаков возможно улучшение параметров тепловыделяющей сборки в целом при меньшем количестве дистанционирующих решеток. Кроме того, вышеприведенные величины расстояний между элементами сборки обеспечивают не только наибольшую жесткость конструкции, но в меньшей степени оказывают гидравлическое сопротивление потоку теплоносителя.

Отличительной особенностью дистанционирующей решетки является то, что радиус поперечного сечения криволинейной поверхности при вершине пуклевки выбран от 4,32 мм до 5,64 мм, а отношение величины радиуса поперечного сечения криволинейной поверхности при вершине пуклевки к величине переходного радиуса от криволинейной поверхности к плоской грани при вершине пуклевки составляет от 1,92 до 3,27, в то время как в штатных решетках данное соотношение составляло ~ 0,5. При величине радиуса от 4,32 до 5,64 мм и величине отношения от 1,92 до 3,27 площадь контакта между оболочкой тепловыделяющего элемента и ячейкой дистанционирующей решетки составляет не менее 2,0 мм². При этом для сохранения пружинных свойств каждой ячейки необходимо, чтобы отношение величины радиуса криволинейной поверхности в плоскости торца решетки к величине переходного радиуса от криволинейной поверхности к плоской грани в плоскости торца решетки было выбрано от 1,08 до 49,21. Иными словами, в отличии от штатных дистанционирующих решеток, в которых контур пуклевки или полностью лежит в плоскости грани или бесконечен, как в решении по наиболее близкому аналогу, в настоящем изобретении контур пуклевки замыкается вне пределов ячейки.

Следует также отметить, что вышеприведенные величины в наибольшей степени соответствуют условию правильной формовки деталей из циркониевых сплавов, что уменьшает величину остаточных напряжений и снижает деформацию в процессе дальнейшей эксплуатации.

Кроме тою, целесообразно выполнить жесткое соединение направляющих каналов с дистанционирующими решетками в виде сварки симметрично относительно продольной оси направляющего канала со стороны обоих торцов дистанционирующей решетки.

Предпочтительно, чтобы количество направляющих каналов было равно 18, высота дистанционирующей решетки - от 30 до 45 мм, диаметр охватываемой окружности - от 8,92 до 9,14 мм, а толщина фигурного многогранника - от 0,21 до 0,29 мм.

Перечень чертежей
На фиг. 1 изображен общий вид тепловыделяющей сборки, на фиг.2 показана дистанционирующая решетка, на фиг.3 показан узел А на фиг.1 (повернуто), на фиг.4 изображена ячейка дистанционирующей решетки.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения.

Тепловыделяющая сборка содержит дистанционирующие решетки 1, образующие с направляющими каналами 2 (условно показан один), жестко соединенными с хвостовиком 3, каркас для фиксации и дистанционирования тепловыделяющих элементов 4 (условно показаны два). Хвостовики тепловыделяющих элементов 4 закреплены в отверстиях опорной решетки 5. Верхние концы направляющих каналов 2 и центральной трубы 6 соединены с разъемной головкой 7. Расстояние L₀ между вторым по ходу теплоносителя торцом опорной решетки и первым по ходу теплоносителя торцом первой дистанционирующей решетки выбрано от 0,0633 L до 0,0655 L, где L - длина тепловыделяющею элемента от второго по ходу теплоносителя торца опорной решетки. Расстояние L_ДР между поперечными осями соседних дистанционирующих решеток 1 составляет от 0,131 L до 0,135 L. Высота каждой дистанционирующей решетки 1 выбрана от 7,85•10^-3 L до 11,78•10^-3 L. Предпочтительный размер высоты дистанционирующей решетки составляет от 30 до 45 мм, в частности 38 мм. Направляющие каналы 2 жестко соединены с дистанционирующими решетками 1 посредством промежуточных втулок 8, размещенных в соответствующих ячейках дистанционирующих решеток 1. Втулки 8 соединены с направляющими каналами 2 при помощи точечной сварки 9, которую выполняют симметрично относительно продольной оси направляющего канала со стороны обоих торцов дистанционирующей решетки.

Дистанционирующие решетки 1 содержат ячейки 10 для фиксации тепловыделяющих элементов 4 и ячейки 11 для направляющих каналов 2. Ячейки 10 и 11 соединены между собой сваркой и охвачены ободом 12, с которым сваркой соединены ячейки периферийных рядов. Ячейки 10 выполнены в виде вписанного в шестигранный профиль фигурного многогранника 13. Фигурный многогранник 13 имеет пуклевки 14 в виде криволинейной поверхности, вершины которых охватывают окружность. Радиус R₁ поперечного сечения криволинейной поверхности при вершине пуклевки выбран от 4,32 до 5,64 мм, f - отношение величины радиуса R₁ поперечного сечения криволинейной поверхности при вершине пуклевки к величине переходного радиуса R₂ от криволинейной поверхности к плоской грани при вершине пуклевки составляет от 1,92 до 3,27. Отношение величины радиуса R₃ криволинейной поверхности в плоскости торца решетки к величине переходного радиуса R₄ от криволинейной поверхности к плоской грани в плоскости торца решетки выбрано от 1,08 до 49,21. Диаметр охватываемой окружности в фигурном многограннике 13 выбран от 8,92 до 9,14 мм, а его толщина составляет от 0,21 до 0,29 мм.

Изготовление и монтаж тепловыделяющей сборки и дистанционирующей решетки осуществляют известным образом с использованием стандартного оборудования и технологий. Габаритные размеры тепловыделяющей сборки не отличаются от штатных конструкций.

Тепловыделяющая сборка и дистанционирующая решетка предназначены для использования в области атомной энергетики, для фиксирования тепловыделяющих элементов. В тепловыделяющей сборке расстояние между вторым по ходу теплоносителя торцом опорной решетки и первым по ходу теплоносителя торцом первой дистанционирующей решетки выбрано от 0,0633 L до 0,0655 L. Расстояние между поперечными осями соседних дистанционирующих решеток составляет от 0,131 L до 0,135 L. Высота дистанционирующей решетки выбрана от 7,85•10^-3 L до 11,78•10^-3 L. Направляющие каналы жестко соединены с дистанционирующими решетками посредством промежуточных втулок. Последние размещены в соответствующих ячейках дистанционирующих решеток. В дистанционирующей решетке радиус поперечного сечения криволинейной поверхности при вершине пуклевки выбран от 4,32 до 5,64 мм. Отношение величины радиуса поперечного сечения криволинейной поверхности при вершине пуклевки к величине переходного радиуса от криволинейной поверхности к плоской грани при вершине пуклевки составляет от 1,92 до 3,27. Отношение величины радиуса криволинейной поверхности в плоскости торца решетки к величине переходного радиуса от криволинейной поверхности к плоской грани в плоскости торца решетки выбрано от 1,08 до 49,21. Обеспечивается повышение изгибной жесткости каркаса тепловыделяющей сборки и увеличение критической силы потери устойчивости. 2 с. и 6 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Тепловыделяющая сборка, содержащая расположенные в ячейках дистанционирующих решеток направляющие каналы и тепловыделяющие элементы, хвостовики которых закреплены в отверстиях опорной решетки, отличающаяся тем, что расстояние между вторым по ходу теплоносителя торцом опорной решетки и первым по ходу теплоносителя торцом первой дистанционирующей решетки выбрано от 0,0633 до 0,0655 L, где L - длина тепловыделяющего элемента от второго по ходу теплоносителя торца опорной решетки, расстояние между поперечными осями соседних дистанционирующих решеток составляет от 0,131 до 0,135 L, а высота дистанционирующей решетки выбрана от 7,85*10^-3 до 11,78*10^-3 L, причем направляющие каналы жестко соединены с дистанционирующими решетками посредством промежуточных втулок, размещенных в соответствующих ячейках дистанционирующих решеток.2. Тепловыделяющая сборка по п.1, отличающаяся тем, что жесткое соединение направляющих каналов с дистанционирующими решетками расположено симметрично относительно продольной оси направляющего канала со стороны обоих торцов дистанционирующей решетки.3. Тепловыделяющая сборка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что жесткое соединение направляющих каналов с дистанционирующими решетками выполнено в виде точечной сварки.4. Тепловыделяющая сборка по п.1, или 2, или 3, отличающаяся тем, что количество направляющих каналов составляет 18.5. Тепловыделяющая сборка по п.1, или 2, или 3, или 4, отличающаяся тем, что высота дистанционирующей решетки выбрана от 30 до 45 мм.6. Дистанционирующая решетка, содержащая ячейки, выполненные в виде вписанного в шестигранный профиль фигурного многогранника, имеющего пуклевки в виде криволинейной поверхности, вершины которых охватывают окружность, отличающаяся тем, что радиус поперечного сечения криволинейной поверхности при вершине пуклевки выбран от 4,32 до 5,64 мм, отношение величины радиуса поперечного сечения криволинейной поверхности при вершине пуклевки к величине переходного радиуса от криволинейной поверхности к плоской грани при вершине пуклевки составляет от 1,92 до 3,27, а отношение величины радиуса криволинейной поверхности в плоскости торца решетки к величине переходного радиуса от криволинейной поверхности к плоской грани в плоскости торца решетки выбрано от 1,08 до 49,21.7. Дистанционирующая решетка по п.6, отличающаяся тем, что диаметр охватываемой окружности выбран от 8,92 до 9,14 мм.8. Дистанционирующая решетка по п.6 или 7, отличающаяся тем, что толщина фигурного многогранника составляет от 0,21 до 0,29 мм.