ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩАЯ СБОРКА ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА Российский патент 2004 года по МПК G21C3/32 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к атомной технике, в частности к конструкциям бесчехловых тепловыделяющих сборок, из которых сформированы активные зоны водо-водяных энергетических реакторов (ВВЭР), особенно типа ВВЭР 1000.

Уровень техники

Известна тепловыделяющая сборка, содержащая нижний наконечник и верхний наконечник, между которыми расположен пучок направляющих каналов и тепловыделяющих элементов, зафиксированных в дистанционирующих решетках (JP 2-22353, G 21 С 3/33, 04.06.1985). Верхний наконечник состоит из нижней переходной плиты и верхней прижимной плиты, которая подпружинена относительно пучка тепловыделяющих элементов и может скользить вдоль направляющих каналов. Все направляющие каналы объединены вверху закрепленной на них плитой. Направляющие каналы изготовлены из сплава циркония, который распухает под действием нейтронного потока. Поэтому в тепловыделяющей сборке, простоявшей некоторое время в активной зоне, направляющие каналы удлиняются. Однако вследствие неравномерности нейтронного потока по радиусу тепловыделяющей сборки и неоднородности металла направляющих каналов их удлинение будет различным. Очевидно, что с течением времени эксплуатации различие в удлинении направляющих каналов увеличится, что может привести к перекосу верхнего наконечника, а также к искривлению направляющих каналов. В результате существенно снижается надежность тепловыделяющей сборки и безопасность активной зоны, поскольку в искривленных направляющих каналах возможно заклинивание установленных в них регулирующих стержней. Кроме того, ухудшаются и экономические показатели, т.к. в целях снижения неравномерности удлинения направляющих каналов необходимо уменьшать время эксплуатации тепловыделяющих сборок, а следовательно, и глубину выгорания топлива. В связи с тем, что верхний наконечник выполнен несъемным, при повреждении одного или нескольких тепловыделяющих элементов на переработку отправляют всю тепловыделяющую сборку.

Известна также тепловыделяющая сборка ядерного реактора, содержащая пучок тепловыделяющих элементов, размещенный в расположенных по длине тепловыделяющей сборки дистанционирующих решетках, хвостовик и головку, соединенные направляющими трубками, в которых перемещаются регулирующие стержни (Improvements in Water Reactor Fuel Technology and Utilization, Proceedings of a symposium, Stockholm, 15-19 September 1986, IAEA, Vienna, 1987, p.183). Головка в данной тепловыделяющей сборке выполнена съемной. Его переходная плита крепится к верхушкам направляющих трубок при помощи гаек, которые контрятся в пазы на переходной плите. Такая конструкция позволяет ремонтировать тепловыделяющую сборку - отвинтив гайку, снимать головку и заменять поврежденные тепловыделяющие элементы. Это снижает стоимость топливного цикла, т.к. тепловыделяющая сборка с незначительными повреждениями, содержащая обогащенный уран, не выводится досрочно из эксплуатации. Недостатком данной конструкции является то, что все направляющие трубки соединены с одной переходной плитой головки, что не позволяет им расширяться независимо друг от друга. Это снижает надежность тепловыделяющей сборки из-за возможности искривления направляющих трубок и безопасность активной зоны ядерного реактора вследствие возможности заклинивания регулирующих стержней в искривленных направляющих трубках, а также ухудшает экономические показатели топливного цикла, поскольку ограничивает глубину выгорания топлива.

Известна тепловыделяющая сборка, у которой съемная верхняя головка крепится на направляющих трубках из циркониевого сплава, причем верхушки труб разрезаны и функционируют как пружины (GB 2255669, G 21 С 3/32, 16.04.1992). Когда выступы на направляющей трубке входят в отверстия в плите головки, внутрь трубы вставляют запирающую втулку, которая не дает разрезанным частям верхушки направляющей трубки сжаться. Такая конструкция обеспечивает простой съем головки, для чего достаточно вытащить запирающие втулки и сдернуть головку с направляющих трубок. Кроме того, разрезы в верхней части направляющих трубок выполняют функцию демпфирующих устройств, компенсирующих разницу в радиационном росте трубок, упирающихся в общую плиту. Однако возможности таких демпфирующих устройств крайне незначительны. В свою очередь разрезы в верхней части направляющих трубок ослабляют их механическую прочность, а запирающие втулки не законтрены и могут вылететь при аварийной ситуации, связанной с разрывом выходного участка трубопровода первого контура, когда из-за перепада давления тепловыделяющая сборка подскакивает вверх и происходит жесткий удар со значительными перегрузками о верхнюю плиту активной зоны.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к описываемому изобретению является тепловыделяющая сборка ядерного реактора, содержащая жестко соединенные с хвостовиком направляющие каналы, верхние части которых размещены в пружинном блоке, включающем нижнюю плиту и верхнюю плиту, каждый направляющий канал имеет расположенные между плитами нижнюю и верхнюю опорные втулки, подпружиненные соответственно к нижней плите и к верхней плите, причем верхняя опорная втулка установлена с возможностью взаимодействия с упором, расположенным на верхнем конце направляющего канала выше верхней плиты (RU 2137223, G 21 С 3/32, 10.09.1999). В известной тепловыделяющей сборке упор выполнен в виде гайки, диаметр которой меньше диаметра отверстия в верхней плите. Пружины, установленные на направляющих каналах, не только удерживают тепловыделяющую сборку от всплытия в потоке теплоносителя, но и компенсируют неравномерность роста направляющих каналов и выравнивают усилия от перегрузочной машины при выгрузке тепловыделяющей сборки из активной зоны, при этом пружины во всех случаях работают на сжатие. Таким образом, данная конструкция исключает искривление направляющих каналов, которые имеют возможность удлиняться независимо друг от друга. Однако выполнение упора в виде гайки не во всех случаях обеспечивает использование тепловыделяющей сборки после ее демонтажа и замены дефектных тепловыделяющих элементов, поскольку при отвинчивании гайки после ее эксплуатации в условиях радиоактивного облучения и повышенных температур повреждается и закусывается ее резьба.

Поэтому при повреждении резьбового соединения между гайкой и направляющим каналом на переработку необходимо отправлять всю тепловыделяющую сборку, ресурс которой до конца не выбран.

Сущность изобретения

Задачей настоящего изобретения является разработка и создание тепловыделяющей сборки ядерного реактора, обладающей улучшенными характеристиками и повышенными экономическими показателями.

В результате решения данной задачи возможно получение технических результатов, заключающихся в повышении надежности функционирования узла упора, существенном повышении повторного использования тепловыделяющей сборки после ее демонтажа, что увеличивает глубину выгорания топлива, а также в упрощении монтажа-демонтажа тепловыделяющей сборки.

Данные технические результаты достигаются тем, что в тепловыделяющей сборке ядерного реактора, содержащей жестко соединенные с хвостовиком направляющие каналы, верхние части которых размещены в пружинном блоке, включающем нижнюю плиту и верхнюю плиту, каждый направляющий канал имеет расположенные между плитами нижнюю и верхнюю опорные втулки, подпружиненные соответственно к нижней плите и к верхней плите, причем верхняя опорная втулка установлена с возможностью взаимодействия с упором, расположенным на верхнем конце направляющего канала выше верхней плиты, каждый упор выполнен в виде цанги, имеющей буртик и соединенные с ним зажимные элементы, на наружной поверхности которой расположена фиксирующая втулка, зажимные элементы цанги расположены в кольцевой проточке, выполненной в направляющем канале и имеют в поперечном сечении профиль, соответствующий профилю поперечного сечения кольцевой проточки, причем на наружной поверхности зажимных элементов выполнен буртик для закрепления фиксирующей втулки от перемещения в направлении хвостовика, а от перемещения в противоположном направлении фиксирующая втулка закреплена посредством отогнутых лепестков, выполненных на буртике цанги.

Отличительная особенность настоящего изобретения заключается в том, что каждый упор выполнен в виде цанги, имеющей буртик и соединенные с ним зажимные элементы, на наружной поверхности которой расположена фиксирующая втулка, зажимные элементы цанги расположены в кольцевой проточке, выполненной в направляющем канале, и имеют в поперечном сечении профиль, соответствующий профилю поперечного сечения кольцевой проточки. В результате цанга фиксирует сама себя на оконечной части направляющего канала и служит упором для верхней опорной втулки. Для закрепления фиксирующей втулки от перемещения в направлении хвостовика на наружной поверхности зажимных элементов выполнен буртик, а от перемещения в противоположном направлении фиксирующая втулка закреплена посредством отогнутых лепестков, выполненных на буртике цанги. Таким образом, цанга закреплена фиксирующей втулкой, а фиксирующая втулка закреплена при помощи элементов цанги -буртиков и лепестков.

Кроме того, зажимные элементы соединены с буртиком посредством перемычек, выполненных с возможностью пластической деформации, что позволяет перед установкой цанги отогнуть зажимные элементы в требуемое положение.

Для удобства снятия фиксирующей втулки на ее наружной поверхности может быть выполнена кольцевая канавка.

Предпочтительно, чтобы количество зажимных элементов и отогнутых лепестков было равно 4.

Целесообразно профиль поперечного сечения кольцевой проточки со стороны торца направляющего канала выполнить с конической фаской, что обеспечит раскрытие цанги при ее демонтаже с меньшими усилиями.

Перечень фигур чертежей

На фиг.1 приведена принципиальная схема тепловыделяющей сборки, на фиг.2 показан разрез фрагмента пружинного блока, на фиг.3 показано начальное положение элементов упора при монтаже, на фиг.4 показано промежуточное положение элементов упора при монтаже, на фиг.5 показано окончательное положение элементов упора при монтаже, на фиг.6 приведен вариант раскрытия зажимных элементов цанги.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

Тепловыделяющая сборка содержит жестко соединенные с хвостовиком 1 направляющие каналы 2 (условно показан один). Верхние части направляющих каналов 2 размещены в пружинном блоке 3, посредством которого головка 4 имеет возможность разъединения с направляющими каналами 2 и центральной трубкой 5. Тепловыделяющая сборка предназначена для закрепления и дистанционирования пучка тепловыделяющих элементов 6 (условно показан один). Фиксация тепловыделяющих элементов осуществляется дистанционирующими решетками 7 (условно показана одна). Пружинный блок 3 включает нижнюю плиту 8 и верхнюю плиту 9. Каждый направляющий канал 2 имеет расположенные между плитами 8 и 9 нижнюю и верхнюю опорные втулки 10 и 11. Опорные втулки 10 и 11 подпружинены пружиной 12 соответственно к нижней плите 8 и к верхней плите 9. Верхняя опорная втулка 11 установлена с возможностью взаимодействия с упором, расположенным на верхнем конце направляющего канала 2 выше верхней плиты 9. Каждый упор выполнен в виде цанги 13, имеющей буртик 14 и соединенные с ним зажимные элементы 15, на наружной поверхности которой расположена фиксирующая втулка 16. Зажимные элементы 15 цанги расположены в кольцевой проточке, выполненной в направляющем канале 2, и имеют в поперечном сечении профиль, соответствующий профилю поперечного сечения кольцевой проточки. На наружной поверхности зажимных элементов 15 выполнен буртик 17 для закрепления фиксирующей втулки от перемещения в направлении хвостовика 1, а от перемещения в противоположном направлении фиксирующая втулка закреплена посредством отогнутых лепестков 18, выполненных на буртике 14 цанги. Зажимные элементы 15 соединены с буртиком 14 цанги посредством перемычек 19, выполненных с возможностью пластической деформации. На наружной поверхности фиксирующей втулки 16 выполнена кольцевая канавка 20, которая упрощает функционирование захватного устройства, особенно при снятии фиксирующей втулки 16. Профиль поперечного сечения кольцевой проточки, выполненной в направляющем канале 2 со стороны торца направляющего канала, выполнен с конической фаской, что упрощает монтаж-демонтаж цанги.

Перед установкой цанги на направляющий канал 2 зажимные элементы 15 отгибают под углом к продольной оси цанги (см. фиг.3) или параллельно продольной оси цанги путем деформации перемычек 19. Затем цангу устанавливают вокруг кольцевой проточки, выполненной на направляющем канале 2. После чего на цангу надевают фиксирующую втулку 16. Вследствие этого зажимные элементы 15 входят в кольцевую проточку. После досыла фиксирующей втулки 16 производят развальцовку лепестков 18. В результате цанга надежно закреплена на направляющем стержне. Снятие цанги производят путем выполнения вышеприведенных действий в обратной последовательности.

Изготовление настоящей конструкции может быть осуществлено на любом известном оборудовании с использованием стандартных технологий.

Применяется в конструкциях бесчехловых тепловыделяющих сборок, из которых сформированы активные зоны водо-водяных энергетических реакторов. Тепловыделяющая сборка содержит направляющие каналы, имеющие нижнюю и верхнюю опорные втулки. Верхняя опорная втулка установлена с возможностью взаимодействия с упором, расположенным на верхнем конце направляющего канала. Упор выполнен в виде цанги, имеющей буртик и соединенные с ним зажимные элементы, на наружной поверхности которой расположена фиксирующая втулка. Зажимные элементы цанги расположены в кольцевой проточке, выполненной в направляющем канале. Техническим результатом является увеличение надежности функционирования узла упора, существенно повышается повторное использование тепловыделяющей сборки после ее демонтажа, что увеличивает глубину выгорания топлива, а также упрощается монтаж-демонтаж сборки. 5 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Тепловыделяющая сборка ядерного реактора, содержащая жестко соединенные с хвостовиком направляющие каналы, верхние части которых размещены в пружинном блоке, включающем нижнюю плиту и верхнюю плиту, каждый направляющий канал имеет расположенные между плитами нижнюю и верхнюю опорные втулки, подпружиненные соответственно к нижней плите и к верхней плите, причем верхняя опорная втулка установлена с возможностью взаимодействия с упором, расположенным на верхнем конце направляющего канала выше верхней плиты, отличающаяся тем, что каждый упор выполнен в виде цанги, имеющей буртик и соединенные с ним зажимные элементы, на наружной поверхности которой расположена фиксирующая втулка, зажимные элементы цанги расположены в кольцевой проточке, выполненной в направляющем канале и имеют в поперечном сечении профиль, соответствующий профилю поперечного сечения кольцевой проточки, причем на наружной поверхности зажимных элементов выполнен буртик для закрепления фиксирующей втулки от перемещения в направлении хвостовика, а от перемещения в противоположном направлении фиксирующая втулка закреплена посредством отогнутых лепестков, выполненных на буртике цанги.2. Тепловыделяющая сборка по п.1, отличающаяся тем, что зажимные элементы соединены с буртиком посредством перемычек, выполненных с возможностью пластической деформации.3. Тепловыделяющая сборка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что на наружной поверхности фиксирующей втулки выполнена кольцевая канавка.4. Тепловыделяющая сборка по п.1, или 2, или 3, отличающаяся тем, что количество зажимных элементов равно 4.5. Тепловыделяющая сборка по п.1, или 2, или 3, или 4, отличающаяся тем, что количество отогнутых лепестков равно 4.6. Тепловыделяющая сборка по п.1, или 2, или 3, или 4, или 5, отличающаяся тем, что профиль поперечного сечения кольцевой проточки со стороны торца направляющего канала выполнен с конической фаской.