ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩАЯ СБОРКА Российский патент 2004 года по МПК G21C17/06 

Изобретение относится к области теплофизических исследований и может быть использовано для исследований температурных режимов тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ) ядерных реакторов, при исследовании различных аварийных режимов работы тепловыделяющих сборок (ТВС) на электрообогреваемых стендах.

Для исследования различных аварийных режимов, имеющих место в реакторных установках, используют модельные сборки различных конструкций. Адекватное моделирование требует полного соответствия условий взаимодействия ТВЭЛов с потоком в реакторе и в модельной ТВС. В настоящее время из-за конструктивных особенностей ТВС полное моделирование условий в реакторной установке РУ и модельной ТВС не имеет место. Последнее обусловлено тем, что верхний токоподвод, к которому подсоединяются имитаторы, перекрывает большую часть проходного сечения канала. В связи с этим выполняется лишь частичное моделирование, при этом важное значение имеют место условия обтекания имитаторов, равенство гидравлических сопротивлений и т.д.

Известна конструкция тепловыделяющей сборки, содержащая корпус, узлы герметизации, токоподводы (нижний и верхний), между которыми расположены имитаторы ТВЭЛ, содержащие оболочку, электрически подсоединенную с противоположных сторон (верх, низ) к различным токоподводам (Болтенко Э.А., Пометько Р.С., Песков О.Л. Кризис теплоотдачи в стержневой сборке при отсутствии циркуляции воды (в условиях натекания тепла из графитовой кладки). Препринт ФЭИ-1464. Обнинск. 1983 г. 12 с.).

Основной недостаток такой конструкции заключается в том, что в такой ТВС выполняется лишь частичное моделирование. Последнее связано с тем, что верхний (внутренний) токоподвод, к которому электрически подсоединены общие точки имитаторов перекрывает примерно 50-60% проходного сечения. В связи с этим подобие процессов в реакторе и модельной сборке отсутствует (в реакторе пространство над ТВЭЛами свободно). При проведении исследований на таких ТВС удается получить лишь частичное подобие.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является тепловыделяющая сборка (Болтенко Э.А. и др. отчет ЭНИЦ ВНИИАЭС “Разработка и исследование работоспособности имитаторов ТВЭл для ПСЕ ВВЭР”. ВКГ ОКП № госрегистрации 01.20.0001004, инв. №02.200.205347, Электрогорск. 2001), содержащая корпус, узлы герметизации, наружный и внутренний токоподводы, размещенные соответственно вне и внутри корпуса, между которыми расположены имитаторы ТВЭЛ, содержащие внутренние электроды и оболочки, отделенные электроизолятором от внутренних электродов с одной стороны и электрически объединенные в общей точке с другой стороны, электрически подсоединенные через внутренние электроды к наружному токоподводу, а через общие точки к внутреннему токоподводу.

На фиг.1 показан вертикальный разрез тепловыделяющей сборки. Тепловыделяющая сборка, фиг.1, состоит из корпуса 1, служащего для размещения имитаторов ТВЭЛ и поддержания требуемых режимных параметров (давление, температура). Так как при проведении экспериментов давление рабочей среды (теплоносителя) достаточно высоко (10-20 МПа), корпус выполнен прочным и герметичным (толщина стенки не менее 10 мм). Подвод теплоносителя в корпус осуществляется через патрубок подвода теплоносителя 2. Герметизация корпуса осуществляется с помощью фланцевых соединений 3, 4, 6, 7 прокладок 5, 8. Имитаторы ТВЭЛ 9, включающие оболочку 11, внутренний электрод 12, разделенные слоем электроизоляции 13, размещены в корпусе 1 и подсоединены через электрически общие точки 10 к внутреннему токоподводу 18 и через гибкие токоподводы 19 к токоподводящей плите 20. Нижние части имитаторов через внутренние электроды 12 выведены через нижний фланец 7 и подсоединены к наружному токоподводу 14 и источнику питания (не показан на фиг.1).

Основной недостаток такой конструкции заключается в том, что в такой ТВС выполняется лишь частичное моделирование. Последнее связано с тем, что внутренний токоподвод, к которому электрически подсоединены общие точки имитаторов перекрывает примерно 50-60% проходного сечения. В связи с этим подобие процессов в реакторе и модельной сборке отсутствует (в реакторе пространство над ТВЭЛами свободно). При проведении исследований на таких ТВС удается получить лишь частичное моделирование.

В качестве второго недостатка можно отметить тот факт, что мощность ТВС ограничена. Ограничение мощности обусловлено ограниченностью мощности имитаторов ТВЭЛ с косвенным нагревом. В имитаторах ТВЭЛ слой электроизоляции между внутренним электродом и оболочкой при увеличении мощности имитатора уменьшается и достигает своего предельного значения (1-0,5 мм). Кроме того, из-за малого коэффициента теплопроводности электроизолятора (периклаз) при высокой мощности (плотности теплового потока) имитатора температура в центре внутреннего нагревателя достигает своих предельных значений (температура плавления).

Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в повышении представительности получаемых результатов, мощности тепловыделяющей сборки и повышении надежности работы тепловыделяющей сборки.

Технический результат, направленный на повышение представительности получаемых результатов, достигается тем, что общие точки электрически подсоединены последовательно через оболочки к внутреннему токоподводу. Результатом такого технического решения является то, что пространство над имитаторами освобождается от верхнего токоподвода. В результате условия работы имитаторов ТВЭЛ и тепловыделяющей сборки ТВС становятся полностью идентичными тем, которые имеют место в реакторе.

Технический результат, направленный на повышение мощности ТВС, достигается тем, что оболочка и внутренний электрод подключаются последовательно. В результате появляется возможность варьировать электрическими сопротивлениями оболочки и внутреннего электрода и создать имитатор и, соответственно, ТВС практически любой мощности.

Технический результат, направленный на повышение надежности работы ТВС, достигается тем, что узел герметизации отделен от токоподвода, электрически подсоединенного к оболочкам. В результате разделения функций облегчается работа как узла герметизации, так и токоподвода, электрически подсоединенного к оболочкам.

На фиг.2-4 показаны варианты конструктивных исполнений предлагаемой тепловыделяющей сборки.

На фиг.2 показан вертикальный разрез тепловыделяющей сборки для случая, когда токоподвод, электрически подсоединенный к оболочкам, размещен в корпусе. Тепловыделяющая сборка, фиг.2, состоит из корпуса 1, служащего для размещения имитаторов ТВЭЛ и поддержания требуемых режимных параметров (давление, температура). Так как при проведении экспериментов давление рабочей среды (теплоносителя) достаточно высоко (10-20 МПа), корпус выполнен прочным и герметичным (толщина стенка не менее 10 мм). Подвод теплоносителя в корпус осуществляется через патрубок подвода теплоносителя 2. Герметизация корпуса осуществляется с помощью фланцев 3, 4 и прокладки 5 и фланцев 6, 7 и прокладки 8. Прокладки 5 и 8 выполняют одновременно роль электроизоляторов. Имитаторы ТВЭЛ 9, включающие оболочку 11, внутренний электрод 12, разделенные слоем электроизоляции 13 размещены в корпусе 1 и электрически подсоединены через внутренний электрод к наружному токоподводу 14 и последовательно через общие точки 10 и оболочки имитаторов 11 электрически подсоединены к внутреннему токоподводу 18 (в данном случае подсоединена часть оболочки). Такое подсоединение дополнительно к улучшению условий моделирования позволяет расширить возможности исследований за счет изменения обогреваемой длины ТВС (имитаторов).

На фиг.3 показан вертикальный разрез тепловыделяющей сборки для случая, когда внутренний токоподвод, электрически подсоединенный к оболочкам, вынесен за пределы корпуса и совмещен с узлом герметизации. В этом случае фланец 7 одновременно является и токоподводом. Тепловыделяющая сборка, фиг.3, состоит из корпуса 1, служащего для размещения имитаторов ТВЭЛ и поддержания требуемых режимных параметров (давление, температура). Так как при проведении экспериментов давление рабочей среды (теплоносителя) достаточно высоко (10-20 МПа), корпус выполнен прочным и герметичным (толщина стенка не менее 10 мм). Подвод теплоносителя в корпус осуществляется через патрубок подвода теплоносителя 2. Герметизация корпуса осуществляется с помощью фланцев 3, 4 и прокладки 5 и фланцев 6, 7 и прокладки 8. Прокладки 5 и 8 выполняют одновременно роль электроизоляторов. Имитаторы ТВЭЛ 9, включающие оболочку 11, внутренний электрод 12, разделенные слоем электроизоляции 13 размещены в корпусе 1 и электрически подсоединены через внутренний электрод к наружному токоподводу 14, и последовательно через общие точки 10 и оболочки имитаторов 11 электрически подсоединены к токоподводу 7, электрически подсоединенному к оболочкам. В данном случае токоподвод и фланец объединены (имитаторы впаяны в токоподвод). Внутренний электрод 12 в его нижней части подсоединен к наружному токоподводу 14 и, соответственно, к источнику питания (не показан на фиг.3). Фиксация имитаторов 9 в корпусе 1 достигается с помощью дистанционирующих решеток 15. Электроизоляция дистанционирующих решеток 15 от корпуса 1 достигается с помощью вытеснителя 16, выполненного из электроизолирующего материала (керамика).

На фиг.4 показан вертикальный разрез тепловыделяющей сборки для случая, когда функции узла герметизации и вынесенного “внутреннего” токоподвода разделены. В этом случае фланец 7 служит для герметизации имитаторов, проходящих через него, с помощью уплотнений 17. В качестве последних могут быть использованы резиновые уплотнения (в нашем случае) либо сальниковые уплотнения. “Внутренний” токоподвод 18, в который впаяны имитаторы, вынесен за пределы корпуса и служит для подсоединения оболочек имитаторов.

Тепловыделяющая сборка работает следующим образом. Теплоноситель (вода) подается через патрубок подвода теплоносителя 2 в корпус 1. Далее устанавливаются режимные параметры, требуемые по условиям эксперимента (давление, температура воды на входе). Далее подается мощность на имитаторы ТВЭЛ и путем ее увеличения достигают требуемого по условиям эксперимента температурного режима имитаторов ТВЭЛ 9. В наших опытах температура имитаторов достигает 800-900°С при температуре теплоносителя 300-400°С (вода - пар). При изменении температуры имитатора 9 за счет терморасширений имитатор 9 перемещается вверх (низ жестко закреплен).

В качестве примера рассмотрим ТВС мощностью 10 МВт с имитаторами косвенного нагрева (число имитаторов n=168).

Основные параметры:

1. Номинальный ток через имитатор ТВЭЛ - 450 А

2. Напряжение источника питания до 150В

3. Наружный диаметр имитатора 9,1 мм

4. Максимальное расстояние, на которое перемещается имитатор за счет терморасширений (в наших опытах температура имитаторов достигала 800°С), h_t=40 мм.

Имитатор состоит из оболочки толщиной 1,1 мм и внутреннего электрода из меди диаметром 4 мм. Для уменьшения тепла, выделяемого в нижней части оболочки, она шунтирована медной трубкой (толщина стенки 0,1 мм), прокатанной вместе с оболочкой.

Эксперименты проведены как при максимальной мощности (10 МВт), так и в условиях осушения сборки (мощность ТВС ≈1 МВт).

В первом случае на вход ТВС подавалась вода с температурой Т_вх=240°С, давление воды на выходе ТВС Р=16 МПа. Во втором случае опыты проведены при Р=0,1 МПа, сборка предварительно осушалась (мощность ≈1 МВт). Во всех режимах ТВС функционировала без нарушения работы ее основных узлов.

Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет повысить представительность получаемых результатов за счет того, что пространство над имитаторами освобождается от верхнего токоподвода. В результате условия работы имитаторов ТВЭЛ и тепловыделяющей сборки ТВС становятся полностью идентичными тем, которые имеют место в реакторе.

Изобретение относится к области теплофизических исследований и может быть использовано для исследований температурных режимов тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ) ядерных реакторов, при исследовании различных аварийных режимов работы тепловыделяющих сборок (ТВС) на электрообогреваемых стендах. Тепловыделяющая сборка содержит корпус, узлы герметизации, наружный и внутренний токоподводы, размещенные соответственно вне и внутри корпуса, между которыми расположены имитаторы ТВЭЛ, содержащие внутренние электроды и оболочки, отделенные электроизолятором от внутренних электродов с одной стороны и электрически объединенные в общей точке с другой стороны, электрически подсоединенные через внутренние электроды к наружному токоподводу, а через общие точки к внутреннему токоподводу. Общие точки последовательно через оболочки электрически подсоединены к внутреннему токоподводу. Технический результат - пространство над имитаторами становится свободным. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Тепловыделяющая сборка, содержащая корпус, узлы герметизации, наружный и внутренний токоподводы, размещенные соответственно вне и внутри корпуса, между которыми расположены имитаторы ТВЭЛ, содержащие внутренние электроды и оболочки, отделенные электроизолятором от внутренних электродов с одной стороны и электрически объединенные с оболочкой в общей точке с другой стороны, с одной стороны электрически подсоединенные через внутренние электроды к наружному токоподводу, а с другой стороны через общие точки к внутреннему токоподводу, отличающаяся тем, что общие точки электрически подсоединены к внутреннему токоподводу последовательно через оболочки.2. Тепловыделяющая сборка по п.1, отличающаяся тем, что внутренний токоподвод, электрически подсоединенный к оболочкам, вынесен за пределы корпуса и совмещен с узлом герметизации.3. Тепловыделяющая сборка по п.1, отличающаяся тем, что внутренний токоподвод, электрически подсоединенный к оболочкам, вынесен за пределы корпуса и отделен от узла герметизации.