ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩАЯ СБОРКА КАНАЛЬНОГО ВОДООХЛАЖДАЕМОГО ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА Российский патент 2004 года по МПК G21C3/322 G21C15/24 

Изобретение относится к тепловыделяющим сборкам (ТВС) канальных водоохлаждаемых с кипением ядерных реакторов, в частности реакторов типа РБМК.

Конструкция ТВС РБМК известна /1/. В целом она представляет собой совокупность двух кассет с тепловыделяющими элементами и дистанционирующими их решетками, закрепленными на подвеске с защитной от гамма-излучения пробкой с винтовыми проточками для тока пароводяной смеси или охлаждающей воды (теплоносителя). В связи с неизменностью состава и основных характеристик в течение более двух десятилетий эта ТВС принимается за единственный аналог и прототип к изобретению.

Важной особенностью канального реактора является работа в режиме непрерывной циклической замены отработавших, “выгоревших” ТВС на “свежие” (т.е. ТВС с относительно малой концентрацией делящихся ядер - на ТВС с их исходной концентрацией). Поэтому при работе реактора даже на постоянном уровне общей мощности энерговыделение в ТВС, находящихся в разных технологических каналах (ТК) и загруженных в разное время, существенно различно. А это означает, что технологически обоснованные расходы охлаждающей воды в ТК - для поддержания на их выходах приблизительно одинакового (экономически выгодного) паросодержания - должны быть установлены разными: в диапазоне от максимальных в ТК со “свежими” ТВС до минимальных в ТК с почти отработавшими ТВС. В течение кампании, по мере “выгорания” ТВС, в соответствии с принятыми подходами к гидравлическому профилированию активной зоны расходы охлаждающей воды в ТК принудительно, ступенчато и неоднократно уменьшаются от максимума к минимуму при помощи индивидуальных, на входах в ТК, запорно-регулирующих клапанов (ЗРК). При этом гидравлическое сопротивление ЗРК и перепад давления на нем увеличиваются, а давление охлаждающей воды в месте размещения кассет в ТК (при постоянстве перепада давления на главных циркуляционных насосах реактора) - уменьшается.

К недостаткам известной ТВС можно отнести то, что состав и геометрические параметры ее, влияющие на значение коэффициента теплоотдачи от тепловыделяющих элементов к теплоносителю, не оптимальны. В частности, они таковы, что технологически обоснованный расход охлаждающей воды в ТК при любом энерговыделении в кассетах может быть установлен лишь за счет значимого перепада давления на ЗРК. В результате абсолютное значение давления охлаждающей воды в месте размещения кассет в ТК, коэффициент теплоотдачи от тепловыделяющих элементов к теплоносителю и, в конечном счете, эффективность использования ядерного топлива всегда оказываются меньшими принципиально возможных.

Задачей изобретения является улучшение характеристик прототипа в указанном отношении.

Технический результат, достигаемый при использовании изобретения, заключается в увеличении коэффициента теплоотдачи от тепловыделяющих элементов к теплоносителю (предположительно, - на величину порядка 5%) и, следовательно, в повышении эффективности использования ядерного топлива.

Указанный технический результат достигается тем, что известная тепловыделяющая сборка дополнена элементами, образующими в канале размещения неуправляемый и/или управляемый дроссель расхода охлаждающей воды, причем неуправляемый дроссель выполнен с возможностью обеспечения на выходе из канала паросодержания, близкого к оптимальному, при максимально разрешенном энерговыделении в кассетах с исходным содержанием делящихся ядер и практически полностью открытом запорно-регулирующем клапане на входе в канал, а управляемый - при том же положении названного клапана - при изменении энерговыделения в кассетах в диапазоне от максимально разрешенного до минимального, соответствующего максимуму выгорания делящихся ядер.

Возможны следующие варианты предложенной ТВС:

а) ТВС с элементами неуправляемого дросселя, выполненными в виде уменьшенных в поперечном сечении винтовых проточек в защитной пробке или дросселирующих шайб, закрепленных на участке выше кассет;

б) ТВС с элементами управляемого дросселя, закрепленными на участке выше кассет, средства управления которыми выполнены в виде сильфона, подвижная часть которого непосредственно или через редуктор соединена с подвижной частью дросселирующих элементов, а внутренняя полость - через центральную гильзу в подвеске - с теплоносителем на участке ниже кассет (в наличии обособленных элементов неуправляемого дросселя нет необходимости, поскольку в неявном виде они неизбежно входят в состав управляемого);

в) ТВС с элементами неуправляемого дросселя, закрепленными на участке выше кассет, дополненными элементами управляемого, закрепленными на участке ниже кассет, средства управления которыми выполнены в виде сильфона, подвижная часть которого непосредственно или через редуктор соединена с подвижной частью дросселирующих элементов, а внутренняя полость - через центральную гильзу в подвеске - с теплоносителем на участке выше кассет;

г) ТВС с элементами управляемого дросселя, закрепленными на участке выше кассет, средства управления которыми выполнены в виде сильфона, подвижная часть которого соединена с подвижной частью дросселирующих элементов и механизмом для перемещения их вручную, расположенным в полостях сильфона и центральной гильзы подвески с доступом со стороны верхнего торца сборки (в наличии обособленных элементов неуправляемого дросселя нет необходимости по причине, указанной для варианта б)).

д) ТВС с элементами неуправляемого дросселя, закрепленными на участке выше кассет, дополненными элементами управляемого, закрепленными на участке ниже кассет, средства управления которыми выполнены по варианту г).

Перечисленные варианты предложенной ТВС объединяет способность обеспечить повышенное по сравнению с прототипом давление в ТК на участке размещения кассет за счет создания дополнительного гидравлического сопротивления на участке выше кассет; именно этим достигается желаемое увеличение значения коэффициента теплоотдачи от тепловыделяющих элементов к теплоносителю. Взаимное же различие этих вариантов обусловлено различием в степени возможного приближения к максимуму такого увеличения в среднем за кампанию, т.е. за время от загрузки в канал “свежей” ТВС до выгрузки отработавшей, а также в источнике и характере управляющих воздействий для поддержания паросодержания на выходе канала в заданных пределах. Так:

вариант а) конструкции обеспечивает максимум коэффициента теплоотдачи к теплоносителю только от “свежей” ТВС, а со временем, по мере “выгорания” делящихся ядер и уменьшения энерговыделения в ТВС, значение его уменьшается. Причина - в уменьшении давления на участке размещения кассет с увеличением перепада давления на ЗРК при уменьшении расхода охлаждающей воды для восстановления на выходе ТК исходного паросодержания в ходе работ по гидравлическому профилированию активной зоны. Изменение расхода воды в ТК с такой ТВС осуществляется при помощи ЗРК вручную;

вариант б) конструкции обеспечивает максимум коэффициента теплоотдачи к теплоносителю от ТВС с любой концентрацией делящихся ядер, от максимальной до минимальной. Причина - в увеличении давления на участке размещения кассет с увеличением перепада давления на управляемом дросселе для поддержания на выходе ТК паросодержания, близкого к оптимальному. Изменение расхода воды в ТК с такой ТВС осуществляется при помощи управляемого дросселя автоматически;

вариант в) конструкции обеспечивает максимум коэффициента теплоотдачи к теплоносителю только от “свежей” ТВС, а со временем, по мере “выгорания” делящихся ядер и уменьшения энерговыделения в ТВС, значение его уменьшается. Причина - в уменьшении давления на участке размещения кассет с увеличением перепада давления на управляемом дросселе для поддержания на выходе ТК паросодержания, близкого к оптимальному. Изменение расхода воды в ТК с такой ТВС осуществляется в принципе так же, как и при помощи ЗРК, но автоматически;

вариант г) конструкции по эффективности в отношении коэффициента теплоотдачи и паросодержания подобен варианту б) с той разницей, что изменение расхода воды в ТК с такой ТВС осуществляется управляемым дросселем периодически, вручную (как и при помощи ЗРК, но - с доступом со стороны верхнего торца сборки, выходящей в центральный зал реактора);

вариант д) конструкции по эффективности в отношении коэффициента теплоотдачи и паросодержания подобен варианту а) с той разницей, что изменение расхода воды в ТК с такой ТВС осуществляется не при помощи ЗРК, а дросселя, управляемого со стороны верхнего торца сборки.

Преимущество ТВС варианта а) перед всеми другими - в простоте реализации, варианта б) - в максимуме эффективности, достигаемой, правда, за счет существенного усложнения (повышения себестоимости) дросселя и сборки в целом. ТВС варианта в), возможно, предпочтительнее ТВС варианта а) из-за способности автоматического поддержания заданного паросодержания на выходе канала. ТВС вариантов г), д) предложены для полноты рассмотрения проблемы, поскольку из-за наличия ручного привода несколько сложнее ТВС варианта б), а по эффективности уступают ему. Вместе с тем, выбор наилучшего варианта предложенной ТВС может быть осуществлен, как минимум, лишь по результатам математического моделирования теплогидродинамики как в отдельном ТК, так и в ТК с такими ТВС по реактору в целом, причем главным тут является вопрос об обеспечении теплогидравлической устойчивости, надежности, бескризисности отвода тепла от ТВС при случайных колебаниях энерговыделения в них и расхода охлаждающей воды.

Конструкция ТВС варианта а) практически целиком идентична конструкции ТВС, описанной в /1/, принцип действия неуправляемого дросселя известен, принципы гидравлического профилирования активной зоны и дросселирования расходов охлаждающей воды в ТК подробно описаны в /2/, а зависимость коэффициента теплоотдачи от тепловыделяющих элементов к пароводяной среде от давления в этой среде с учетом параметров теплоносителя реакторов типа РБМК - в /3/. Поэтому для пояснения принципа действия ТВС варианта а) можно обойтись без специального эскиза и ограничиться лишь следующим замечанием.

Сама по себе методика регулировки расхода охлаждающей воды в ТК с ТВС варианта а) остается точно такой же, как в ТК с известной ТВС, и осуществляется путем ступенчатого уменьшения степени открытия ЗРК по мере “выгорания” делящихся ядер. Отличие - лишь в том, что начальное значение расхода охлаждающей воды, т.е. расхода в ТК со “свежей” ТВС при максимальном разрешенном энерговыделении в кассетах, устанавливается при полностью или почти полностью открытом ЗРК, когда перепад давления на нем минимален, а на неуправляемом дросселе - максимален. Слова “при почти полностью открытом ЗРК” означают, что фактическое значение расхода воды в том или ином конкретном ТК со “свежей” ТВС при полностью открытом ЗРК может оказаться несколько большим технологически обоснованного (из-за естественного разброса размеров ТК и ТВС) и тогда, для уменьшения его до необходимого, может потребоваться некоторое прикрытие этого ЗРК. Оценочное повышение “начального” коэффициента теплоотдачи от ТВС варианта а) к теплоносителю при характерных для РБМК значениях параметров теплоносителя, поканальных расходов и положений ЗРК составляет величину порядка 5%.

Конструкцию ТВС вариантов б), в) рассмотрим по эскизам фиг.1-3. На первом из них изображена известная ТВС (ТВС РБМК) с указанием мест возможного размещения элементов управляемых дросселей расхода, на втором - сами эти элементы с размещением на участке подвески выше кассет, на третьем - аналогичные элементы с размещением ниже кассет. На фиг.1-3 обозначено: 1 - запорная пробка ТВС с хвостовиком 2; 3 - несущий стержень подвески с защитной (от гамма-излучения) пробкой 4 с винтовыми проточками для тока теплоносителя; 5 - закрепленные на подвеске кассеты тепловыделяющих элементов с дистанционирующими - 6 и концевыми - 7 решетками; 8 - наконечник подвески с крепежной гайкой 9; 10 - ТК реактора с трубопроводами 11, 12 для отвода пароводяной смеси и подачи охлаждающей воды соответственно; 13, 14 - области возможного размещения элементов, образующих в ТК управляемые дроссели расхода охлаждающей воды (в области 13 размещаются элементы и неуправляемого дросселя); 15-19 - элементы управляемого дросселя с размещением в области 13 подвески выше кассет; 15 - неподвижная заслонка дросселя с боковыми отверстиями 16; 17 - подвижная заслонка дросселя с возможностью частичного перекрытия отверстий 16; 18 - сильфон, подвижная (верхняя) часть которого соединена с заслонкой 17, неподвижная - с заслонкой 15 и стержнем 3, а внутренняя полость - через центральную гильзу 19 в стержне 3 подвески - с теплоносителем ниже кассет; 20-24 - элементы управляемого дросселя с размещением в области 14 подвески ниже кассет; 20 - неподвижная заслонка дросселя с боковыми отверстиями 21; 22 - подвижная заслонка дросселя с торцевыми отверстиями 23 и возможностью частичного перекрытия отверстий 21; 24 - сильфон, подвижная (верхняя) часть которого соединена с заслонкой 22, неподвижная - с заслонкой 20 и стержнем 3, а внутренняя полость - через центральную гильзу 25 в стержне 3 подвески и отверстия 26 - с теплоносителем выше кассет; предполагается (для упрощения эскизов), что сильфон в отношении аксиальных перемещений подвижной части обладает пружинящими свойствами; направления тока воды и пароводяной смеси в ТК показаны стрелками; кассеты ТВС находятся в пределах активной зоны реактора.

ТВС варианта б) работает следующим образом. Допустим, что в ТК находится “свежая” ТВС, реактор имеет мощность, близкую к максимально разрешенной, а расход охлаждающей воды в трубопроводе 12 (в канале 10) при полностью открытом ЗРК установлен при помощи настроенного соответствующим образом управляемого дросселя, образованного элементами 15-19 и стенками канала 10, таким, что паросодержание пароводяной смеси в трубопроводе 11 (на выходе ТК) близко к оптимальному. Под “соответствующей настройкой” управляемого дросселя подразумевается обеспечение такого зазора между неподвижной заслонкой 15 и внутренней стенкой канала 10, таких пружинящих свойств сильфона 18, такого перекрытия отверстий 16 заслонкой 17 и, в конечном счете, такого гидравлического сопротивления в области 13, при которых и достигается требуемое паросодержание. Причем необходимое положение подвижной заслонки 17 относительно отверстий 16 обеспечивается равновесием двух сил, воздействующих на подвижную часть сильфона 18, одна из которых обусловлена перепадом давления в теплоносителе между областями 13 и 14, растягивающим гофры сильфона 18, а другая - упругой силой сжатия гофр этого сильфона.

Со временем по мере “выгорания” делящихся ядер и уменьшения энерговыделения в ТВС интенсивность генерации пара в области размещения кассет начинает уменьшаться. В результате начинают уменьшаться гидравлическое сопротивление ТК на участке размещения кассет, перепад давления между областями 13, 14 и сила, растягивающая гофры сильфона 18. Последнее приводит к некоторому сжатию гофр сильфона 18 и перемещению подвижной заслонки 17 в сторону, увеличивающую степень перекрытия отверстий 16 (по фиг.2 - вниз) до нового состояния равновесия сил, воздействующих на подвижную часть сильфона 18, когда за счет увеличения гидравлического сопротивления управляемого дросселя расход воды в ТК уменьшается настолько, что паросодержание на выходе ТК увеличивается до приблизительно прежнего значения. Увеличение энерговыделения в кассетах приводит, наоборот, к увеличению перепада давления между областями 13, 14 и перемещению подвижной заслонки 17 в сторону, уменьшающую степень перекрытия отверстий 16 (по фиг.2 - вверх) до нового состояния равновесия сил, воздействующих на подвижную часть сильфона 18, когда за счет уменьшения гидравлического сопротивления управляемого дросселя расход воды в ТК увеличивается настолько, что паросодержание на выходе ТК уменьшается до приблизительно прежнего значения. Так осуществляется автоматическая стабилизация паросодержания на выходе ТК в достаточно узких пределах. Значение коэффициента теплоотдачи от тепловыделяющих элементов к теплоносителю остается при этом близким к максимальному.

Принцип действия ТВС варианта в) аналогичен описанному с той разницей, что уменьшение энерговыделения в кассетах и обусловленное этим уменьшение перепада давления между областями 13, 14 приводит к перемещению подвижной заслонки 22 (по фиг. 3) вверх, а увеличение энерговыделения в кассетах и обусловленное этим увеличение перепада давления между областями 13, 14 - к перемещению подвижной заслонки 22 вниз (в сторону уменьшения и увеличения степени перекрытия отверстий 21 соответственно). Значение коэффициента теплоотдачи от тепловыделяющих элементов к теплоносителю остается при этом близким к значению коэффициента теплоотдачи от ТВС варианта а) при непрерывном поддержании заданного паросодержания на выходе ТК путем постепенного прикрытия ЗРК.

Принцип действия ТВС вариантов г), д) подобен принципу действия ТВС вариантов б), в) с той разницей, что перемещение подвижных заслонок 17 или 22 для изменения степени открытия отверстий 16 или 21 в неподвижных заслонках 15 или 20 осуществляется вручную.

Литература

1. Доллежаль Н.А., Емельянов И.Я. Канальный ядерный энергетический реактор. - М.: Атомиздат, 1980, стр. 95-97.

2. Емельянов И.Я., Михан В.И., Солонин В.И. и др. Конструирование ядерных реакторов. - М.: Энергоиздат, 1982, стр. 309-317.

3. Аметистов Е.В., Григорьев В.А., Емцев Б.Т. и др. Тепло- и массообмен. Теплотехнический эксперимент: Справочник. - М.: Энергоиздат, 1982, стр. 106-111, 178-188.

Изобретение и применяется в конструкциях тепловыделяющих сборок, используемых в канальных водоохлаждаемых ядерных реакторах, особенно в ядерных реакторах типа РБМК. Тепловыделяющая сборка дополнена элементами, образующими в канале размещения неуправляемый и/или управляемый дроссель расхода охлаждающей воды, причем неуправляемый дроссель выполнен с возможностью обеспечения на выходе из канала паросодержания, близкого к оптимальному, при максимально разрешенном энерговыделении в кассетах с исходным содержанием делящихся ядер и практически полностью открытым запорно-регулирующем клапане на входе в канал, а управляемый - при том же положении названного клапана - при изменении энерговыделения в кассетах в диапазоне от максимально разрешенного до минимального, соответствующего максимуму выгорания делящихся ядер. Технический результат заключается в увеличении коэффициента теплоотдачи от тепловыделяющих элементов к теплоносителю и, следовательно, в повышении эффективности использования ядерного топлива. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Тепловыделяющая сборка канального водоохлаждаемого ядерного реактора, содержащая кассеты с тепловыделяющими элементами и их подвеску с защитной от гамма-излучения пробкой с винтовыми проточками, отличающаяся тем, что дополнена элементами, образующими в канале размещения неуправляемый и/или управляемый дроссель расхода охлаждающей воды, причем неуправляемый дроссель выполнен с воможностью обеспечения на выходе из канала паросодержания, близкого к оптимальному, при максимально разрешенном энерговыделении в кассетах с исходным содержанием делящихся ядер и практически полностью открытом запорно-регулирующем клапане на входе в канал, а управляемый - при том же положении названного клапана - при изменении энерговыделения в кассетах в диапазоне от максимально разрешенного до минимального, соответствующего максимуму выгорания делящихся ядер.2. Тепловыделяющая сборка по п.1, отличающаяся тем, что элементы неуправляемого дросселя выполнены в виде уменьшенных в поперечном сечении винтовых проточек в защитной пробке или дросселирующих шайб, закрепленных на участке выше кассет.3. Тепловыделяющая сборка по п.1, отличающаяся тем, что средства управления управляемого дросселя, закрепленного на участке выше кассет, выполнены в виде сильфона, подвижная часть которого непосредственно или через редуктор соединена с подвижной частью дросселирующих элементов, а внутрення полость через центральную гильзу в подвеске - с теплоносителем на участке ниже кассет.4. Тепловыделяющая сборка по п.1, отличающаяся тем, что средства управления управляемого дросселя, закрепленного на участке ниже кассет, выполнены в виде сильфона, подвижная часть которого непосредственно или через редуктор соединена с подвижной частью дросселирующих элементов, а внутрення полость - через центральную гильзу в подвеске - с теплоносителем на участке выше кассет.5. Тепловыделяющая сборка по п.1, отличающаяся тем, что средства управления управляемого дросселя, закрепленного на участке выше или ниже кассет, выполнены в виде сильфона, подвижная часть которого соединена с подвижной частью дросселирующих элементов и механизмом для перемещения их вручную, расположенным в полостях сильфона и центральной гильзы подвески с доступом со стороны верхнего торца сборки.