ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩАЯ СБОРКА ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА Российский патент 2005 года по МПК G21C3/34 G21C3/348 G21C21/02 

Изобретение относится к атомной энергетике и может быть использовано на предприятиях, занятых изготовлением тепловыделяющих сборок (ТВС), преимущественно для энергетических ядерных реакторов типа ВВЭР-1000, ВВЭР-440.

Известна ТВС ядерного реактора, включающая пучок тепловыделяющих элементов (ТВЭЛов), установленных вертикально в каркасе, собранном из дистанционирующих решеток, закрепленных на трубчатых каналах, хвостовик и съемную головку (см. патент США №4687619, кл. G 21 С 19/20, 1987 год). Недостатком известной ТВС является низкий уровень технологичности конструкции ее головки, характеризующийся повышенной трудоемкостью сборки и ремонта пучка ТВЭЛов, монтажа-демонтажа самой головки.

Известна ТВС ядерного реактора, включающая пучок ТВЭЛов, установленных вертикально в каркасе, собранном из дистанционирующих решеток, закрепленных на трубчатых каналах, хвостовик и съемную головку (см. заявку Германии №2845515, кл. С 21 С 3/04, 1979 год). Недостатком известной ТВС являются низкий уровень технологичности конструкции головки и невысокая надежность соединения, обеспечивающего ее съемность.

Известна ТВС ядерного реактора ВВЭР-1000, включающая пучок ТВЭЛов, установленных в каркасе из дистанционирующих решеток, смонтированных на трубчатых каналах, закрепленных вместе с ТВЭЛами нижними концами в нижней решетке, хвостовик и съемную головку, где каждая дистанционирующая решетка собрана из отдельных фигурных ячеек, сваренных между собой в точках и скрепленных снаружи ободом, каждая ячейка снабжена внутренними выступами, прочно с натягом фиксирующими пропущенные через ячейки ТВЭЛы и образующие каналы для прохождения теплоносителя между ТВЭЛами и стенками ячеек, между ячейками и между периферийными ячейками и ободом (см. книгу Б.А.Дементьев. Ядерные энергетические реакторы. М. Энергоатомиздат, 1990 г., стр. 41-45, рис 2.13. ТВС реактора ВВЭР-1000). Известная ТВС имеет те же недостатки, что и ТВС по патенту США №4687619 и заявке Германии №2845515, и конструкция ТВС является неразборной, т.к. ТВЭЛы в нижней решетке зашплинтованы и закреплены сваркой.

Известна ТВС ядерного реактора, включающая пучок ТВЭЛов, установленных вертикально в каркасе из дистанционирующих решеток, смонтированных на трубчатых каналах, закрепленных вместе с ТВЭЛами нижними концами в нижней решетке, хвостовик и съемную головку, где каждая дистанционирующая решетка собрана из отдельных фигурных ячеек, сваренных между собой в точках и скрепленных снаружи ободом, каждая ячейка снабжена внутренними выступами, прочно с натягом фиксирующими пропущенные через ячейки ТВЭЛы и образующие каналы для прохождения теплоносителя между ТВЭЛами и стенками ячеек, между ячейками и между периферийными ячейками и ободом, а крепление нижних заглушек в нижней решетке осуществлено продольно рассеченными и разведенными в противоположные стороны частями нижней заглушки (см. патент Российской федерации RU 2079170, МПК6 G 21 C 3/32 от 30.05.95 г., опубл. 10.05.97. Тепловыделяющая сборка ядерного реактора). В тепловыделяющей сборке у нижних заглушек ТВЭЛов нижние части перед сборкой в ТВС предварительно рассечены в продольном направлении на две равные части, а при сборке тепловыделяющей сборки эти равные части за нижним торцом нижней решетки разводят в стороны, например, осадкой их на конусный дорн. ТВС устраняет недостатки известных ТВС в части трудоемкости за счет исключения шплинтования ТВЭЛов, автоматизации закрепления заглушек ТВЭЛов в нижней решетке и появляется возможность замены ТВЭЛов, если в этом появляется необходимость, т.е. такую ТВС можно назвать как вариант разборной ТВС. Однако при этом не учтено, что выполнение на каждой заглушке дополнительно фрезерных работ по рассечению конца заглушки на две части повышает ее себестоимость изготовления, толщина одной части при этом составляет 1.5 мм, что не исключает ее изгиба, повреждения на стадии изготовления и транспортировки. При запрессовке ТВЭЛа через 15 дистанционирующих решеток (ТВЭЛ ВВЭР-1000) и одну нижнюю решетку при сборке ТВС не исключено повреждение рассеченных частей нижней заглушки. Не исключено повреждение рассеченных частей нижней заглушки в процессе их осадки на дорн. ТВЭЛ со сломанной хотя бы одной частью уходит в брак. Не исключен также отрыв рассеченных частей нижней заглушки восходящим потоком теплоносителя в активной зоне ядерного реактора. В этом случае оторванные потоком теплоносителя части заглушки представляют опасность для сохранности других ТВЭЛов, т.к. при ударе их об оболочку ТВЭЛа под большим давлением теплоносителя оболочка ТВЭЛа может разрушиться и ядерное топливо загрязнит теплоноситель.

Известно, что ядерные реакторы типа ВВЭР работают при температуре теплоносителя 270-330°С и давлении 10-20 МПа с подачей теплоносителя снизу вверх активной зоны (см. Разработка, производство и эксплуатация тепловыделяющих элементов энергетических реакторов. Книга 1, М., Энергоатомиздат., 1995 г., стр 14, §1.2), что не исключает осевого смещения в ТВС ТВЭЛа снизу вверх и выталкивания его из отверстия нижней решетки. Кроме того, разведенные части нижней заглушки ТВЭЛа создают дополнительное сопротивление потоку теплоносителя, непредсказуемую вибрацию ТВЭЛа и не исключено разрушение сварного шва оболочки ТВЭЛа с нижней заглушкой т.к. цирконий отличается склонностью к разъедающей коррозии, появляющейся в результате колебания даже при очень малых амплитудах (см. Металлургия циркония. Перевод с английского. Издательство иностранной литературы. М., 1959 г., с.298).

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому эффекту является тепловыделяющая сборка ядерного реактора, включающая пучок тепловыделяющих элементов, установленных в каркасе из дистанционирующих решеток, смонтированных на трубчатых каналах, закрепленных вместе с тепловыделяющими элементами нижними заглушками с кольцевыми пазами в нижней решетке, снабженной переходниками, хвостовик, присоединенный к переходникам нижней решетки, головку закрепленную на верхних концах трубчатых каналов, и элементы, обеспечивающие закрепление тепловыделяющих элементов в нижней решетке (см. патент Российской Федерации RU 2174718, МПК7 G 21 C 3/32 от 28.12.1992 г., опубл. 10.10.2001 г. Тепловыделяющая сборка ядерного реактора).

В ТВС - прототипе в элемент крепления ТВЭЛа входит пуклевка на стенке ячейки, входящая в кольцевой поясок на нижней части нижней заглушки.

ТВС - прототип устраняет недостатки ТВС аналогов, но вместе с тем известно, что ТВС ВВЭР-1000 имеет 312 ТВЭЛов, 18 направляющих каналов и одну центральную трубу, для закрепления которых в нижней решетке потребуется выполнить 331 пуклевку, что весьма трудоемко и не поддается автоматизации, т.к. выполняется вручную. При выполнении же трех пуклевок на каждой ячейке нижней решетки потребуется выполнить 993 пуклевки. ТВС - прототип может быть выполнена как в неразборном варианте, так и в разборном варианте. При выполнении ТВС в разборном варианте надежность ее работы в активной зоне ядерного реактора снижается за счет выполнения фаски на каждой ячейке со стороны нижнего торца нижней решетки, что в условиях высокой температуры и высокого давления теплоносителя не исключает выхода нижней заглушки ТВЭЛа из зацепления с нижней решеткой и возможного “всплытия” вверх.

Технической задачей изобретения является повышение надежности крепления нижних заглушек ТВЭЛов в отверстиях нижней решетки в тепловыделяющей сборке в разборном и не разборном вариантах и снижение трудоемкости изготовления и сборки.

Эта техническая задача решается тем, что в тепловыделяющей сборке ядерного реактора, преимущественно водо-водяного энергетического ядерного реактора, включающей пучок тепловыделяющих элементов, установленных в каркасе из дистанционирующих решеток, смонтированных на трубчатых каналах, закрепленных вместе с тепловыделяющими элементами в нижней решетке нижними заглушками, имеющими кольцевые пояски, хвостовик, закрепленный к нижней решетке, и головку, закрепленную на верхних концах трубчатых каналов; согласно изобретению нижняя решетка выполнена составной, по крайней мере, из двух повторяющих друг друга частей по расположению отверстий для ТВЭЛов и трубчатых каналов с суммарной толщиной составных частей, равной высоте кольцевого пояска на нижней заглушке тепловыделяющего элемента и трубчатого канала с диаметром отверстий для нижних заглушек тепловыделяющих элементов и трубчатых каналов, равных соответственно диаметрам нижних торцов нижних заглушек тепловыделяющих элементов и трубчатых каналов, при этом крепеж нижних заглушек тепловыделяющих элементов и трубчатых каналов в отверстиях совмещенных частей нижней решетки осуществлен сдвигом составных частей нижней решетки относительно друг друга, нижних заглушек тепловыделяющих элементов и трубчатых каналов с фиксацией по кольцевому пояску на нижних заглушках между кольцевыми уступами верхней и нижней частей нижней решетки и совмещением проточных отверстий в составных частях нижней решетки. Другим отличием является жесткий крепеж составных частей нижней решетки после их сдвига к хвостовику в неразборном варианте тепловыделяющей сборки и разборный крепеж составных частей нижней решетки после их сдвига к хвостовику в разборном варианте тепловыделяющей сборки.

Такое выполнение в тепловыделяющей сборке крепления в составной нижней решетке нижних заглушек ТВЭЛов и заглушек трубчатых каналов позволит:

- повысить надежность их крепления и в то же время обеспечить как разборность конструкции тепловыделяющей сборки, так и неразборность в зависимости от требований заказчика;

- снизить трудоемкость изготовления составных частей нижней решетки за счет возможной их штамповки при уменьшении толщины составных частей нижней решетки;

- снизить трудоемкость сборки тепловыделяющей сборки за счет выполнения только одной операции сдвига составных частей нижней решетки относительно друг друга и кольцевых поясков нижних заглушек тепловыделяющих элементов после их сборки в нижнюю решетку.

На чертежах представлена:

на фиг.1 - тепловыделяющая сборка ядерного реактора;

на фиг.2 - момент ввода нижней заглушки тепловыделяющего элемента в совмещенные отверстия составных частей нижней решетки;

на фиг.3 - положение нижней заглушки тепловыделяющего элемента после сдвига составных частей нижней решетки.

Тепловыделяющая сборка ядерного реактора, преимущественно водо-водяного энергетического ядерного реактора, включает пучок тепловыделяющих элементов 1, установленный в каркасе из дистанционирующих решеток 2, смонтированных на трубчатых каналах 3, закрепленных вместе с тепловыделяющими элементами 1 в нижней решетке 4 нижними заглушками 5, имеющими кольцевые пояски 6, хвостовик 7, закрепленный к нижней решетке 4, и головку 8, закрепленную на верхних концах трубчатых каналов 3. Головка 8 закреплена с возможностью ее съема.

Нижняя решетка 4 выполнена составной, по крайней мере, из двух повторяющих друг друга частей 9, 10 по расположению отверстий 11 для тепловыделяющих элементов 1 и трубчатых каналов 3 с суммарной толщиной “Н” составных частей 9, 10, равных высоте “H1” кольцевого пояска 6 на нижней заглушке 5 тепловыделяющего элемента 1 и трубчатого канала 3 с диаметром “Д” отверстий 11 для нижних заглушек 5 тепловыделяющих элементов 1 и трубчатых каналов 3, равным соответственно диаметрам “Д1” нижних торцов 12 нижних заглушек 5 тепловыделяющих элементов 1 и трубчатых каналов 3.

Крепеж нижних заглушек 5 тепловыделяющих элементов 1 и трубчатых каналов 3 осуществлен сдвигом составных частей 9, 10 нижней решетки 4 относительно друг друга и нижних заглушек 5 тепловыделяющих элементов 1 и трубчатых каналов 3 с фиксацией по кольцевому пояску 6 на нижних заглушках 5 между кольцевыми уступами 13, 14 верхней 9 и нижней 10 частей нижней решетки и совмещением проточных отверстий 15, 16 в составных частях 9, 10 нижней решетки 4. В неразборном варианте тепловыделяющей сборки составные части 9, 10 нижней решетки 4 после их сдвига жестко закреплены к хвостовику 7.

В разборном варианте тепловыделяющей сборки составные части 9, 10 нижней решетки 4 после сдвига закреплены к хвостовику 7 с возможностью разборки.

Тепловыделяющую сборку собирают следующим образом. Предварительно собирают каркас из дистанционирующих решеток 2 на трубчатых каналах 3. Нижние заглушки 5 с кольцевыми поясками 6 размещают в совмещенных отверстиях 11 нижней решетки 4 в составных ее частях 9, 10. Запрессовывают ТВЭЛы 1 в дистанционирующие решетки 2 и в отверстия 11 торцами 12 нижних заглушек 5 в составные части 9, 10 нижней решетки 4. Запрессовку ТВЭЛов 1 в дистанционирующие решетки 2 и в отверстия 11 нижней решетки 4 осуществляются с применением смазки, наносимой на поверхность ТВЭЛов 1, которая предварительно покрыта водорастворимым лаком. По окончании сборки составные части 9,10 нижней решетки 4 находятся между кольцевыми уступами 13, 14 кольцевого пояска 6 нижней заглушки 5 ТВЭЛа 1 и проточные отверстия 15, 16 не совпадают. Крепеж нижних заглушек 5 в нижней решетке 4 осуществляется сдвигом составных частей 9, 10 и их фиксацией в кольцевом пояске 6 каждого ТВЭЛа 1 и трубчатого канала 3 между кольцевыми уступами 13, 14 нижних заглушек 5. При сдвиге составных частей 9, 10 проточные отверстия 15, 16 займут соосное положение. Хвостовик 7 закрепляют к нижней решетке 4 жестко при неразборном варианте ТВС либо с возможностью разборки при разборном варианте ТВС. Головку 8 закрепляют на верхних концах трубчатых каналов 3 с возможностью ее съема. При необходимости замены ТВЭЛа или ТВЭЛов достаточно выполнить обратный сдвиг составных частей 9, 10 нижней решетки 4 при снятых головке 8 и хвостовике 7.

Изобретение относится к атомной энергетике и используется при изготовлении тепловыделяющих сборок преимущественно для энергетических ядерных реакторов типа ВВЭР-1000, ВВЭР-440. В тепловыделяющей сборке нижняя решетка выполнена составной, по крайней мере, из двух повторяющих друг друга частей по расположению отверстий с суммарной толщиной составных частей, равной высоте кольцевого пояска на нижней заглушке тепловыделяющего элемента, и трубчатого канала с диаметром отверстий для нижних заглушек, равным соответственно диаметрам нижних торцов нижних заглушек, при этом крепеж нижних заглушек в отверстиях совмещенных частей нижней решетки осуществлен сдвигом составных частей нижней решетки относительно друг друга, нижних заглушек с фиксацией по кольцевому пояску на нижних заглушках между кольцевыми уступами верхней и нижней частей нижней решетки и совмещением проточных отверстий в составных частях нижней решетки. Осуществляют жесткий крепеж составных частей нижней решетки после их сдвига к хвостовику в неразборном варианте сборки и разборный крепеж составных частей нижней решетки после их сдвига к хвостовику в разборном варианте сборки. Техническим результатом изобретения является повышение надежности крепления нижних заглушек ТВЭЛов в отверстиях нижней решетки в тепловыделяющей сборке в разборном и неразборном вариантах, снижение трудоемкости изготовления и сборки. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Тепловыделяющая сборка ядерного реактора, преимущественно водо-водяного энергетического ядерного реактора, включающая пучок тепловыделяющих элементов, установленных в каркасе из дистанционирующих решеток, смонтированных на трубчатых каналах, закрепленных вместе с тепловыделяющими элементами в нижней решетке нижними заглушками, имеющими кольцевые пояски, хвостовик, закрепленный к нижней решетке, и головку, закрепленную на верхних концах трубчатых каналов, отличающаяся тем, что нижняя решетка выполнена составной, по крайней мере, из двух повторяющих друг друга частей по расположению отверстий для ТВЭЛ и трубчатых каналов с суммарной толщиной составных частей, равной высоте кольцевого пояска на нижней заглушке тепловыделяющего элемента и трубчатого канала с диаметром отверстий для нижних заглушек тепловыделяющих элементов и трубчатых каналов, равных соответственно диаметрам нижних торцов нижних заглушек тепловыделяющих элементов и трубчатых каналов, при этом крепеж нижних заглушек тепловыделяющих элементов и трубчатых каналов в отверстиях совмещенных частей нижней решетки осуществлен сдвигом составных частей нижней решетки относительно друг друга, нижних заглушек тепловыделяющих элементов и трубчатых каналов с фиксацией по кольцевому пояску на нижних заглушках между кольцевыми уступами верхней и нижней частей нижней решетки и совмещением проточных отверстий в составных частях нижней решетки.2. Тепловыделяющая сборка ядерного реактора по п.1, отличающаяся тем, что крепеж составных частей нижней решетки после их сдвига к хвостовику в неразборном варианте тепловыделяющей сборки осуществляют жестко.3. Тепловыделяющая сборка ядерного реактора по п.1, отличающаяся тем, что крепеж составных частей нижней решетки в разборном варианте тепловыделяющей сборки к хвостовику осуществлен с возможностью разборки.