СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДИСТАНЦИОНИРУЮЩИХ РЕШЕТОК ДЛЯ ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩЕЙ СБОРКИ Российский патент 2005 года по МПК G21C3/34 G21C3/344 G21C21/00 

Изобретение относится к атомной энергетике и может найти применение в тепловыделяющих сборках (ТВС) ядерных реакторов для дистанционирования тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ).

Известен способ изготовления дистанционирующей решетки, включающий изготовление из сплава циркония с 1% ниобия шестигранного обода и ячеек с внутренними выступами, размещение в нем и закрепление точечной сваркой между собой и к ободу ячеек с внутренними выступами (см. Б.А.Дементьев. Ядерные энергетические ректоры, 11^е издание, М., Энергоатомиздат 1990 г., стр.44). Недостатками способа изготовления дистанционирующей решетки из циркониевого сплава являются:

- невысокая упругость выступов ячеек, не способных при установке тепловыделяющих элементов в достаточной мере упруго деформироваться;

- склонность циркония к налипанию и схватыванию (см. Металлургия циркония, перевод с английского, М., “Иностранная литература”, 1959 г., стр.162-163), что не исключает повреждений поверхности циркониевой оболочки ТВЭЛ при сборке ТВС;

- внутренние напряжения, возникающие при точечной сварке ячеек между собой, не исключающие деформацию и перекос ячеек в дистанционирующей решетке и соответственно не исключающие повреждений поверхности ТВЭЛа при запрессовке их в ячейки.

Известен способ изготовления дистанционирующей решетки из циркониевого сплава, включающий изготовление из сплава циркония с 1% ниобия шестигранного обода и ячеек с внутренними выступами, размещение в нем и закрепление точечной сваркой между собой и к ободу ячеек с внутренними выступами (см. Патент RU 2127001 по заявке 97104685/25 от 27.03.1997, опубликован 27.02.1999, бюллетень №6, МКИ 6 G 21 C 3/34, “Дистанционирующая решетка ТВС”). Известные недостатки известного способа присущи и способу по патенту 2127001.

Кроме того, из-за невысокой упругости упомянутых выступов ячеек и применения при запрессовке ТВЭЛ в ячейки дистанционирующих решеток наконечников большего диаметра, чем диаметр ТВЭЛа как расширителей стенок ячеек, не исключена возможность образования между ТВЭЛом и стенкой ячейки зазоров, что при работе в ядерном реакторе, при колебаниях ТВЭЛа в возможном зазоре может произойти разрушение циркониевой оболочки ТВЭЛа (см. “Металлургия циркония”. Перевод с английского, М., “Иностранная литература”, 1959, стр.298), так как цирконий отличается склонностью к разъедающей коррозии, появляющейся в результате истирания металла между соприкасающимися поверхностями.

При запрессовке ТВЭЛов в ячейки дистанционирующих решеток с применением конусных расширителей стенок ячеек может возникнуть смещение стенок ячеек, деформация соседних ячеек и станет не возможным запрессовка ТВЭЛ в соседние ячейки дистанционирующей решетки, так как при этом не исключено повреждение ячейки либо повреждение и разрушение поверхности ТВЭЛа.

Известен способ изготовления дистанционирующей решетки из циркониевого сплава, включающий изготовление шестигранного обода и ячеек с внутренними выступами, размещение в нем и закрепление точечной сваркой между собой и к ободу ячеек; согласно изобретению собранную дистанционирующую решетку подвергают отжигу при температуре, времени и разряжении, достаточных для снятия внутренних напряжений без окисления ячеек и обода, а затем температуру снижают до величины, достаточной для образования защитной окисной пленки на поверхности обода и ячеек дистанционирующей решетки, и дальнейшее охлаждение ведут в окислительной среде.

Другими отличиями являются: отжиг осуществляют при t 580±15°C в течение не менее 180 минут при остаточном давлении 2×l0^-3 мм pт.столба; температуру снижают до 500±20°С, а образование защитной окисной пленки ведут с использованием в качестве окислительной среды атмосферного воздуха (см. Заявку 2000115190/06 (016048) от 13.06.2000, МПК 7 G 21 С 3/34, 21/00 “Способ изготовления дистанционирующей решетки из циркониевого сплава”, опубл. 27.04.2002).

Выполнение отжига дистанционирующей решетки при выше приведенных режимах позволит снять внутренние напряжения с ячеек и обода дистанционирующей решетки, а охлаждение на воздухе с температуры 500°С до комнатной температуры позволит образовать на поверхности дистанционирующей решетки окисный слой, повысить при этом твердость и прочность за счет кислорода, повысить надежность и упругие свойства ячеек, снизить усилия запрессовки в них тепловыделяющих элементов за счет исключения фактора схватывания между соприкасающимися поверхностями (ТВЭЛами и ячейками дистанционирующей решетки) при сборке тепловыделяющей сборки и предотвратить повреждение поверхности тепловыделяющих элементов при этом.

Известно, что в дистанционирующей решетке для тепловыделяющей сборки ядерного реактора ВВЭР-1000 ячеек под ТВЭЛы 312, отверстий под направляющие каналы 18 и одно отверстие для центральной трубы.

Отверстия под направляющие каналы и под центральную трубу не содержат ячеек и образованы стенками ячеек, периферийно расположенных вокруг каждого направляющего канала и центральной трубы (см. “Разработка, производство и эксплуатация тепловыделяющих элементов энергетических реакторов”. Книга 1 под ред. Ф.Г.Решетникова - М.: Энергоатомиздат, 1995 г., с.184, табл.7.1). В процессе изготовления дистанционирующей решетки в результате пружинящих свойств стенок ячеек вписанная окружность в отверстиях между ячейками под направляющие каналы и центральную трубу становится по диаметру меньше заданного и требуется ее восстановление до заданного исполнительного размера путем дорнования. При дорновании же происходит деформация ячеек вокруг каждого направляющего канала и центральной трубы, теряются межосевые размеры между ячейками и вписанные окружности в ячейки под ТВЭЛы теряют свой размер.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является способ изготовления дистанционирующих решеток для тепловыделяющих сборок из нержавеющих сталей или сплавов циркония (см. Заявку 96103549/25 от 22.02.1996, МПК 6 G 21C 3/34, 3/344, 21/00, опубликована в бюллетене изобретений №13 за 1998 год), включающий механическую формовку отдельных ячеек, химическую обработку, сварку ячеек в решетку и термическую обработку.

В способе-прототипе термообработку дистанционирующих решеток осуществляют с установленным одним концом в ячейки, а другим концом в поддерживающие плиты вкладышами, при этом материал для вкладышей выбирают с температурным коэффициентом линейного расширения большим, чем у материала для ячеек. При термообработке величина вписанного диаметра в ячейке меньше диаметра вкладыша на 1-2%.

Недостатками способа-прототипа являются:

- в процессе сварки неизбежны внутренние напряжения, возникающие при точечной сварке ячеек между собой и не исключающие деформацию ячеек в сторону свободного пространства, т.е. в отверстия под направляющие каналы и центральную трубу, образованные стенками ячеек вокруг каждого направляющего канала и центральной трубы;

- усилие внутренних напряжений в ячейках после ввода в них вкладышей с диаметром на 1-2% большим, чем диаметр вписанной окружности в ячейку;

- увеличение деформации ячеек в сторону отверстий под направляющие каналы и отверстие под центральную трубу после установки в ячейки вкладышей с коэффициентом линейного расширения большим, чем у материала ячеек;

- вдвое упадет производительность печей термообработки из-за сокращения полезного объема печи вследствие применения поддерживающих вкладыши плит;

- не исключается деформация 312 вкладышей и поддерживающей плиты при многократных термообработках, что может привести к повреждению ячеек дистанционирующей решетки;

- способ предусматривает установку вкладышей в ячейки и не предусматривает установку вкладышей в отверстия под направляющие каналы и центральную трубу непосредственно перед термообработкой, а не перед сваркой, при которой возможно усиление напряжений и деформация ячеек;

- повышенная трудоемкость по установке, съему 312 вкладышей в одну решетку.

Технической задачей изобретения является повышение качества изготовления дистанционирующих решеток, повышение производительности и снижение трудоемкости работ.

Эта техническая задача решается тем, что в способе изготовления дистанционирующих решеток для тепловыделяющей сборки из нержавеющих сталей или сплавов циркония, включающем механическую формовку отдельных ячеек, химическую обработку, сварку ячеек в решетку и термическую обработку с применением технологических вкладышей; согласно изобретению перед точечной сваркой ячеек между собой в набранном поле с образованными отверстиями под направляющие каналы и центральную трубу с заданной вписанной окружностью в каждом отверстии в каждое отверстие вводят технологические вкладыши, повторяющие по диаметру диаметр направляющего канала и диаметр центральной трубы и имеющие температурный коэффициент линейного расширения равным температурному коэффициенту линейного расширения материала ячеек, осуществляют точечную сварку ячеек между собой и с ободом в присутствии установленных технологических вкладышей, образующих каркас, предупреждающий деформацию ячеек в отверстия под направляющие каналы и центральную трубу, а после термообработки технологические вкладыши удаляют.

Такое выполнение способа изготовления дистанционирующей решетки позволит повысить качество изготовления за счет использования технологических вкладышей, устанавливаемых в отверстия для направляющих каналов и центральной трубы, предупреждающих деформацию ячеек в сторону этих отверстий при сварке и термообработке, повысить производительность за счет использования объема печи вдвое и снизить трудоемкость за счет установки и съема 19 технологических вкладышей вместо 312 по способу-прототипу.

На чертеже представлена дистанционирующая решетка для тепловыделяющей сборки.

Дистанционирующая решетка для ядерного реактора ВВЭР-1000 включает ячейки 1, закрепленные между собой точечной сваркой с образованием восемнадцати отверстий 2 под направляющие каналы (не показаны) и одного отверстия 3 под центральную трубу (не показана) с заданной вписанной окружностью 4 в каждом отверстии 2, 3.

В каждое отверстие 2, 3 введены технологические вкладыши, повторяющие по диаметру диаметр направляющего канала или вписанной окружности 4 в отверстиях 2, 3.

Обод 6 закреплен к периферийным ячейкам 1 точечной сваркой.

Способ изготовления дистанционирующей решетки осуществляют следующим образом. Ячейки 1 из циркониевого сплава с 1% ниобия или из нержавеющей стали с внутренними выступами выкладывают с образованием поля ячеек 1 с внутренними выступами, в образованные отверстия 2, 3 с вписанными окружностями и под 18 направляющих каналов и одну центральную трубу вводят вкладыши 5, имеющие диаметры, равные диаметрам направляющих каналов и центральной трубы, и температурные коэффициенты линейного расширения, равные материалу ячеек 1, точечной сваркой закрепляют между собой ячейки 1 и подвергают обезжириванию, затем поле ячеек 1 закрепляют точечной сваркой к ободу 6 и подвергают обезжириванию. Дистанционирующую решетку подвергают отжигу при 580±15°С в течение не менее 180 мин при остаточном давлении 2×10^-3 мм pт.столба. Режимы выбраны оптимальными и увеличение температуры выше заданной может привести к короблению дистанционирующей решетки, а снижение температуры не позволит решить техническую задачу. Температуру снижают до 500±20°С и охлаждают на воздухе с образованием на поверхности дистанционирующей решетки окисной защитной пленки, предохраняющей от коррозии.

Режимы также выбраны оптимальными. После термообработки и охлаждения технологические вкладыши 5 удаляют.

Изобретение относится к атомной энергетике и применяется при сборке тепловыделяющих сборок энергетических ядерных реакторов для дистанционирования тепловыделяющих элементов. При изготовлении дистанционирующих решеток перед точечной сваркой ячеек между собой в набранном поле с образованными отверстиями под направляющие каналы и центральную трубу с заданной вписанной окружностью в каждом отверстии в каждое отверстие вводят технологические вкладыши, повторяющие по диаметру диаметры направляющего канала и центральной трубы и имеющие температурный коэффициент линейного расширения, равный температурному коэффициенту линейного расширения материала ячеек, осуществляют точечную сварку ячеек между собой и с ободом в присутствии установленных вкладышей, а после термообработки вкладыши удаляют. Техническим результатом изобретения является улучшение качества и повышение производительности при изготовлении дистанционирующих решеток. 1 ил.

Способ изготовления дистанционирующих решеток для тепловыделяющей сборки, включающий механическую формовку отдельных ячеек, химическую обработку, сварку ячеек в решетку и термическую обработку с применением вкладышей, отличающийся тем, что перед точечной сваркой ячеек между собой в набранном поле с образованными отверстиями под направляющие каналы и центральную трубу с заданной вписанной окружностью в каждом отверстии в каждое отверстие вводят технологические вкладыши, повторяющие по диаметру диаметр направляющего канала и диаметр центральной трубы и имеющие температурный коэффициент линейного расширения, равный температурному коэффициенту линейного расширения материала ячеек, осуществляют точечную сварку ячеек между собой и с ободом в присутствии установленных технологических вкладышей, образующих каркас, предупреждающий деформацию ячеек в отверстия под направляющие каналы и центральную трубу, а после термообработки технологические вкладыши удаляют.