ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩАЯ СБОРКА ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА ТЕПЛОВОЙ МОЩНОСТЬЮ ОТ 1150 МВТ ДО 1700 МВТ Российский патент 2004 года по МПК G21C3/30 G21C3/324 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к атомной энергетики, в частности к конструкциям тепловыделяющих сборок (ТВС) активных зон ядерных энергетических реакторов тепловой мощностью от 1150 до 1700 МВт, особенно для усовершенствования и модернизации действующих активных зон реакторов типа ВВЭР-440.

Уровень техники

Известна тепловыделяющая сборка, которая может быть использована для формирования активной зоны реактора ВВЭР-440 (RU 2126999, G 21 С 1/04, 27.02.99). Тепловыделяющая сборка содержит от 216 до 270 стержневых тепловыделяющих элементов (твэлов), имеющих наружный диаметр оболочки от 5,85 до 6,17 мм и/или от 6,66 до 6,99 мм. Шаг установки твэлов по гексагональной решетке в тепловыделяющий сборки и их диаметр выбраны исходя из условия обеспечения величины водоуранового отношения от 1,6 до 2,0. Известная тепловыделяющая сборка обладает повышенной работоспособностью как в нормальных условиях эксплуатации, так и в аварийных режимах. Активная зона, сформированная из таких тепловыделяющих сборок, позволяет расширить диапазон маневрирования мощностью реактора, повысить выгорание ядерного топлива. В данной тепловыделяющей сборке снижена также вероятность разгерметизации тепловыделяющих элементов, что обусловило использование тепловыделяющих элементов с диаметром меньшим, чем диаметр штатных твэлов. Известная тепловыделяющая сборка является перспективной разработкой и может быть использована при формировании принципиально новой активной зоны реактора ВВЭР-440.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к описываемой тепловыделяющей сборке является тепловыделяющая сборка ядерного реактора тепловой мощностью от 1150 до 1700 МВт, содержащая гексагональный пучок тепловыделяющих элементов, размещенный в расположенных по длине сборки дистанционирующих решетках, головную и хвостовые части (Нигматулин И.Н., Нигматулин Б.И. Ядерные энергетические установки. М.: Энергоатомиздат, 1986 г., с.116). Активная зона реактора ВВЭР-440 с помощью внутрикорпусных устройств закреплена внутри корпуса реактора и сформирована из 349 тепловыделяющих сборок. Тепловыделяющие сборки подразделяются на неподвижно установленные в активной зоне (рабочие ТВС в количестве 312 единиц) и управляющие тепловыделяющие сборки (двухэтажные аварийно-регулирующие ТВС в количестве 37 единиц), способные перемещаться в вертикальном направлении.

Известная тепловыделяющая сборка используемая для формирования активных зон реакторов типа ВВЭР-440 состоит из 126 стержневых тепловыделяющих элементов диаметром 9,1 мм, которые размещены в полости шестигранного чехла, с концами которого соединены головная часть и хвостовая части. Тепловыделяющие элементы закреплены на нижней опорной решетке и дистанционируются в пучок с шагом 12,2 мм посредством одиннадцати сотовых дистанционирующих решеток, предварительно сформированных в каркас на центральной трубе. Конструкция тепловыделяющей сборки обеспечивает аксиальные смещения дистанционирующих решеток по центральной трубе и тепловыделяющих элементов в ячейках дистанционирующих решеток, что необходимо для компенсации неравномерности температурных и радиационных удлинений твэлов, возникающих в процессе эксплуатации.

Таким образом, пучок тепловыделяющих элементов в известной тепловыделяющей сборке зафиксирован только посредством верхней и нижней опорных решеток и расположенных между ними дистанционирующих решеток, образующих каркас пучка. В результате имеет место износ оболочек тепловыделяющих элементов под пуклевками дистанционирующих решеток с образованием зазоров в соединениях, износ поверхности тепловыделяющих элементов в результате воздействия посторонних предметов, которые в случаях истирания оболочки насквозь вызывают разгерметизацию твэлов и потертости ободов дистанционирующих решеток. Ослабление жесткости посадок, появление и развитие зазоров твэлов в ячейках дистанционирующих решеток определяется уменьшением диаметров твэлов и износом в местах контакта твэлов с пуклевками ячеек дистанционирующих решеток, протекающих в условиях вибрации твэлов в пучке и пучка твэлов в чехле от гидродинамического воздействия напорного движения теплоносителя. Соударения пучка твэлов с чехлом и соударения в образующихся в процессе эксплуатации зазорных соединениях твэлов с ячейками дистанционирующих решеток являются одной из основных причин разгерметизации твэлов, которая проявляется в условиях вибрации.

Кроме того, наличие чехла вносит “паразитный” металл в активную зону, увеличивает линейную тепловую нагрузку тепловыделяющих элементов за счет вынужденного увеличения шага между тепловыделяющими сборками, увеличивает неравномерность энерговыделения по объему тепловыделяющей сборки, ухудшает условия теплообмена в аварийных ситуациях, связанных с потерей теплоносителя и пр.

Сущность изобретения

Задачей настоящего изобретения является создание и разработка тепловыделяющей сборки ядерного реактора тепловой мощностью от 1150 до 1700 МВт, обеспечивающей повышение безопасности эксплуатации в составе активной зоны ядерного реактора при одновременном увеличении экономичности.

В результате решения данной задачи могут быть получены новые технические результаты, заключающиеся в том, что повышается жесткость пучка тепловыделяющих элементов и всей сборки в целом, исключается возможность соударения пучка твэлов с чехлом, снижается неравномерность энерговыделения по объему тепловыделяющей сборки.

Указанные технические результаты достигаются тем, что в тепловыделяющей сборке ядерного реактора тепловой мощностью от 1150 до 1700 МВт, содержащей гексагональный пучок тепловыделяющих элементов, размещенный в расположенных по длине сборки дистанционирующих решетках, головную и хвостовые части, головная часть, хвостовая часть и дистанционирующие решетки жестко соединены с опорными элементами, выполненными в виде угловых пластин из циркониевого сплава, причем ширина D луча пластины выбрана от 0,117·Н до 0,177·Н, где Н - размер тепловыделяющей сборки “под ключ”.

Отличительная особенность описываемого изобретения состоит в следующем. Головная часть, хвостовая часть и дистанционирующие решетки жестко соединены с опорными элементами, выполненными в виде угловых пластин из циркониевого сплава, образуя единый каркас для пучка тепловыделяющих элементов и всей сборки в целом, который существенно снижает вибрацию пучка твэлов. Для этого ширина D луча пластины выбрана от 0,117·Н до 0,177·Н, где Н - размер тепловыделяющей сборки “под ключ”. При величине ширины d луча пластины менее 0,117·Н жесткости угловых пластин недостаточно для надежной фиксации пучка тепловыделяющих элементов, которые будут вибрировать в процессе эксплуатации как в аксиальном, так и в радиальном направлениях. Если значение ширины d луча пластины более 0,177·Н, то, несмотря на дальнейшее повышение жесткости сборки, увеличиваются напряжения в дистанционирующих решетках за счет увеличения поверхности их контакта с угловыми пластинами. Кроме того, в этом случае имеет место неравномерность охлаждения твэлов по сечению сборки, т.к. профиль расхода теплоносителя в угловых зонах и в остальных областях сборки различен.

Целесообразно гексагональный пучок тепловыделяющих элементов выполнить с шагом 12,75 мм.

Кроме того, угловые пластины могут быть соединены с головной частью и хвостовой частью посредством разборного соединения, в качестве которого использовано резьбовое соединение в виде винтов, резьбовая часть которых взаимодействует с ответной резьбой, выполненной в головной и хвостовой частях сборки.

Угловые пластины целесообразно соединять с дистанционирующими решетками посредством неразборного соединения, например сваркой.

Анализ решений, известных из предшествующего уровня техники, не выявил устройства, совпадающего с описываемым изобретением по всей совокупности существенных, включенных в независимый пункт формулы изобретения, что свидетельствует о том, что настоящее изобретение соответствует условию патентоспособности “новизна”.

Из уровня техники известна тепловыделяющая сборка ядерного реактора, содержащая часть признаков с признаками описываемого изобретения - RU 2093906, C1, G 21 С 3/30, 1997 г. Известная тепловыделяющая сборка предназначена для использования в ядерном реакторе с тепловой мощностью 1000 МВт. Общими признаками известного и настоящего изобретений являются признаки, касающиеся наличия опорных элементов в виде угловых пластин, выполненных из циркониевого сплава и жестко соединенных с хвостовой частью и дистанционирующими решетками. С головной частью угловые пластины в известном устройстве не соединены, что не позволяет использовать их в качестве единого каркаса для пучка тепловыделяющих элементов и сборки в целом. В известном устройстве жесткость сборки в целом образуют несущие каналы. Таким образом, вся совокупность отличительных признаков настоящего изобретения из уровня техники не известна, а известные признаки не позволяют получить результат, заключающийся в одновременном повышении жесткости пучка твэлов и всей тепловыделяющей сборки в целом. Поэтому настоящее изобретение соответствует условию патентоспособности “изобретательский уровень”.

На фиг.1 изображен общий вид тепловыделяющей сборки ядерного реактора; на фиг.2 показано сечение А-А на фиг.1.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

Тепловыделяющая сборка ядерного реактора содержит гексагональный пучок 1 тепловыделяющих элементов 2, размещенный в расположенных по длине сборки дистанционирующих решетках 3. Головная часть 4, хвостовая часть 5 и дистанционирующие решетки 3 жестко соединены с опорными элементами, выполненными в виде угловых пластин 6 из циркониевого сплава. Ширина D луча 7 пластины выбрана от 0,117·Н до 0,177·Н, где Н - размер тепловыделяющей сборки “под ключ”.

Описываемая конструкция тепловыделяющей сборки относится к конструкциям с жестким каркасом, который состоит из головной части 4, хвостовой части 5, дистанционирующих решеток 3 и угловых пластин 6. Угловые пластины 6 целесообразно приваривать к ободам дистанционирующих решеток 3, а с головной частью 4 и хвостовой частью 5 соединять посредством винтов. Данная тепловыделяющая сборка позволяет исключить зазор между дистанционирующими решетками и чехлом, что позволяет увеличить шаг расположения твэлов до (12,65-12,75) мм. Отсутствие чехла уменьшает количество “паразитного” металла в активной зоне - около 10 кг циркониевого сплава на каждую сборку.

Таким образом, в описываемой тепловыделяющей сборке повышается эффективность использования топлива, снижается неравномерность энерговыделения по объему сборки и обеспечивается выравнивание расхода теплоносителя в нормальных условиях эксплуатации, при нарушении нормальных условий эксплуатации и в аварийных режимах. Использование данной тепловыделяющей сборки позволит существенно повысить устойчивость и собственные частоты пучка твэлов.

Изобретение относится к атомной энергетике и может быть использовано, в частности, в конструкциях тепловыделяющих сборок (ТВС) активных зон ядерных энергетических реакторов тепловой мощностью от 1150 до 1700 МВт, особенно для реакторов типа ВВЭР-440. Тепловыделяющая сборка ядерного реактора содержит гексагональный пучок тепловыделяющих элементов, размещенный в расположенных по длине сборки дистанционирующих решетках, головную и хвостовые части. Головная часть, хвостовая часть и дистанционирующие решетки жестко соединены с опорными элементами, выполненными в виде угловых пластин из циркониевого сплава. Ширина луча пластины выбрана от 0,117·Н до 0,177·Н, где Н - размер тепловыделяющей сборки “под ключ”. Технический результат - повышается жесткость пучка тепловыделяющих элементов и всей сборки в целом, исключается возможность соударения пучка твэлов с чехлом, снижается неравномерность энерговыделения по объему тепловыделяющей сборки. 1 н. и 5 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Тепловыделяющая сборка ядерного реактора тепловой мощностью от 1150 МВт до 1700 МВт, содержащая гексагональный пучок тепловыделяющих элементов, размещенный в расположенных по длине сборки дистанционирующих решетках, головную и хвостовые части, отличающаяся тем, что головная часть, хвостовая часть и дистанционирующие решетки жестко соединены с опорными элементами, выполненными в виде угловых пластин из циркониевого сплава, причем ширина d луча пластины выбрана от 0,117·Н до 0,177·Н, где Н - размер тепловыделяющей сборки “под ключ”.2. Тепловыделяющая сборка ядерного реактора по п.1, отличающаяся тем, что гексагональный пучок тепловыделяющих элементов выполнен с шагом 12,75 мм.3. Тепловыделяющая сборка ядерного реактора по п.1 или 2, отличающаяся тем, что угловые пластины соединены с головной частью и хвостовой частью посредством разборного соединения.4. Тепловыделяющая сборка ядерного реактора по п.3, отличающаяся тем, что в качестве разборного соединения использовано резьбовое соединение в виде винтов, резьбовая часть которых взаимодействует с ответной резьбой, выполненной в головной и хвостовой частях сборки.5. Тепловыделяющая сборка ядерного реактора по п.1, или 2, или 3, или 4, отличающаяся тем, что угловые пластины соединены с дистанционирующими решетками посредством неразборного соединения.6. Тепловыделяющая сборка ядерного реактора по п.5, отличающаяся тем, что в качестве неразборного соединения использована сварка.