ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩАЯ СБОРКА ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА Российский патент 2005 года по МПК G21C3/32 G21C21/02 

Изобретение относится к атомной энергетике и может быть использовано на предприятиях изготовления тепловыделяющих сборок (ТВС) для ядерных реакторов преимущественно типа водоводяных энергетических реакторов - ВВЭР.

Известна ТВС ядерного реактора ВВЭР-440, включающая пучок тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ), установленных в каркасе из дистанционирующих решеток шестигранной формы, смонтированных на центральном трубчатом канале, закрепленном вместе с ТВЭЛами нижним концом в нижней решетке, хвостовик, соединенный с нижней решеткой с помощью переходников, закрепленных в углах этой решетки, чехол в виде охватывающей весь пучок ТВЭЛов шестигранной трубы, присоединенной одним концом к хвостовику, головку, закрепленную на другом конце чехла, и элементы, обеспечивающие закрепление ТВЭЛов в нижней решетке (см. Дементьев Б.А. “Ядерные энергетические реакторы”: учебник для ВУЗов, 2^е издание, переработанное и дополненное, М.: Энергоатомиздат, 1990 г., стр.31-35).

В известной ТВС от осевого перемещения вверх-вниз ТВЭЛы закреплены в нижней решетке своими нижними заглушками, размещенными в ее соответствующих отверстиях. В качестве элемента, препятствующего осевому перемещению ТВЭЛов относительно нижней решетки вниз, использован кольцевой уступ на каждой нижней заглушке над верхним торцом этой решетки.

Осевое перемещение ТВЭЛов относительно нижней решетки вверх ограничено посредством шплинта, размещенного в пазу, выполненном на нижнем торце этой нижней решетки вдоль всего ряда отверстий для нижних заглушек ТВЭЛа и пропущенного через отверстия в каждой нижней заглушке на уровне упомянутого паза для размещения шплинта. Количество шплинтов соответствует числу рядов ТВЭЛов в ТВС. Оба конца каждого шплинта закреплены на боковой грани нижней решетки. Центральный трубный канал, используемый для размещения в ТВС измерительных приборов, закреплен своим наконечником в нижней решетке аналогичным креплением, что и ТВЭЛы.

Недостатком данной ТВС является высокая трудоемкость ее изготовления из-за ручных операций по ориентированию каждого ТВЭЛа отверстиями в заглушках навстречу шплинту, по шплинтованию через отверстия в нижних заглушках каждого ТВЭЛа и закрепления шплинтов сваркой. Эти операции не поддаются автоматизации. Известна ТВС ядерного реактора ВВЭР-1000, включающая пучок ТВЭЛов, установленных в каркасе из дистанционирующих решеток шестигранной формы, смонтированных на трубчатых каналах, закрепленных вместе с ТВЭЛами нижними заглушками в нижней решетке, хвостовик, соединенный с нижней решеткой с помощью переходников, закрепленных в углах этой решетки, головку и элементы, обеспечивающие закрепление ТВЭЛов в нижней решетке (см. там же, стр.41-45). Эта ТВС, кроме центрального, имеет ряд трубчатых каналов, используемых для размещения в них регулирующих стержней.

ТВЭЛы закреплены в нижней решетке аналогичным, что и в описанной выше ТВС, образом. Хвостовик снабжен системой опорных ребер для нижней решетки, которые прилегают к ее нижнему торцу, а головка закреплена на выступающих из пучка ТВЭЛов верхних трубчатых каналах для регулирующих стержней.

Данная ТВС имеет тот же недостаток, что и ТВС, описанная выше, но выраженный более явно, поскольку она имеет почти втрое больше ТВЭЛов, следовательно, и более высокую трудоемкость операции монтажа шплинтов при закреплении пучка ТВЭЛов в нижней решетке. Кроме того, обе тепловыделяющиеся сборки являются неразборными, что создает известные трудности при замене одного или нескольких ТВЭЛ и ТВС, а пазы на нижних торцах нижних решеток для шплинтов, размещенные перпендикулярно потоку теплоносителя, могут вызвать непредсказуемую вибрацию ТВС и разрушение по сварке нижней заглушки ТВЭЛа.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому эффекту является тепловыделяющая сборка ядерного реактора, преимущественно ВВЭР, включающая пучок тепловыделяющих элементов, установленных в каркасе из дистанционирующих решеток, смонтированных на трубчатых каналах, закрепленных вместе с тепловыделяющими элементами, нижними заглушками в нижней решетке, снабженной переходниками, хвостовик с опорными ребрами, присоединенный к переходникам нижней решетки, головку, закрепленную на верхних концах трубчатых каналов, и элементы, обеспечивающие закрепление нижних заглушек тепловыделяющих элементов в нижней решетке (см. Патент Российской Федерации RU 2079170 от 30.05.1995, опубликован 10.05.1997, МПК 6 G 21 С 3/32).

В тепловыделяющей сборке-прототипе у нижних заглушек тепловыделяющих элементов нижние концы предварительно перед сборкой рассечены в продольном направлении на две равные части, а при сборке тепловыделяющей сборки эти равные части за нижним торцом нижней решетки разведены в стороны, например, осадкой их на конусный дорн.

Тепловыделяющая сборка-прототип устраняет недостатки известных ТВС в части трудоемкости за счет исключения шплинтования ТВЭЛов, автоматизации закрепления заглушек ТВЭЛов в нижней решетке и появляется возможность замены одного или нескольких ТВЭЛов, т.е. такую ТВС можно назвать как вариант разборной ТВС. Однако при этом не учтено, что толщина одной рассечной части составляет 1,5 мм, что не исключает ее изгиба, повреждения на стадии изготовления и транспортировки. При запрессовке ТВЭЛа через 15 дистанционирующих решеток и одну нижнюю решетку при сборке ТВС не исключено повреждение рассеченных частей нижней заглушки в процессе сборки ТВС. Не исключено повреждение рассеченных частей нижней заглушки в процессе их осадки на дорн. ТВЭЛ со сломанной, хотя бы одной частью, уходит в брак.

Известно, что ядерные реакторы типа ВВЭР работают при температурах 270-330°С теплоносителя 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 ТВЭЛа снизу вверх в ТВС и выталкивания его из отверстия нижней решетки. Кроме того, разведенные части нижней заглушки ТВЭЛа создают дополнительное сопротивление потоку теплоносителя. Если же учесть, что концы нижних заглушек размещены в отверстиях нижней решетки с зазором, то может возникнуть непредсказуемая вибрация ТВЭЛ и разрушение сварного шва оболочки ТВЭЛа с нижней заглушкой, так как 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., стр.298).

При сборке ТВС для предохранения от повреждения нижних рассеченных частей нижних заглушек ТВЭЛ при их запрессовке через ячейки пятнадцати параллельно установленных дистанционирующих решеток предварительно перед запрессовкой на рассеченную часть нижней заглушки устанавливались полимерные наконечники. Запрессовка ТВЭЛа через ячейки дистанционирующих решеток осуществлялась наконечниками вперед до нижней решетки. Перед нижней решеткой запрессовка прекращалась для удаления наконечников, а затем шла допрессовка ТВЭЛа нижней частью нижней заглушки в отверстие нижней решетки, где за нижним торцом нижней решетки осуществлялась осадка рассеченной части нижней заглушки на дорн. Остановка запрессовки снижала производительность сборки ТВС, а ручное снятие наконечников перед нижней решеткой и дорнование рассеченной части заглушки увеличивало трудозатраты и повышало себестоимость изготовления ТВС.

Согласно требований, предъявляемых к ТВЭЛам, объемная доля конструкционных материалов должна быть минимальной (см. “Разработка, производство и эксплуатация тепловыделяющих элементов энергетических реакторов”. Книга 1. Под ред. Ф.Г.Решетникова. - М.: Энергоатомиздат, 1995, стр.44). Однако в конструкции ТВС-прототипа ТВЭЛы вступают в противоречие с этим требованием, так как имеют удлиненную нижнюю заглушку, имеющую непосредственно концевую герметизирующую ТВЭЛ часть, находящуюся над нижней решеткой, среднюю часть, находящуюся в отверстии нижней решетки, и нижнюю крепежную часть, находящуюся под нижней решеткой, с помощью которой рассеченные вдоль ее концы дорнованием разводятся в стороны. При этом при дорновании рассеченные концы нижней заглушки при соприкосновении с острыми кромками отверстий нижней решетки могут повреждаться вплоть до их отсечения.

Технической задачей изобретения является повышение надежности эксплуатации тепловыделяющей сборки в ядерном реакторе, снижение себестоимости изготовления и объемной доли конструкционного материала.

Эта техническая задача решается тем, что в тепловыделяющей сборке ядерного реактора, преимущественно типа ВВЭР, включающей пучок тепловыделяющих элементов, установленных в каркасе из дистанционирующих решеток, смонтированных на трубчатых каналах, закрепленных вместе с тепловыделяющими элементами нижними заглушками в нижней решетке, снабженной переходниками, хвостовик с опорными ребрами, присоединенный к переходникам нижней решетки, головку, закрепленную на верхних концах трубчатых каналов, и элементы, обеспечивающие закрепление тепловыделяющих элементов в нижней решетке, согласно изобретению элементы, обеспечивающие закрепление тепловыделяющего элемента в отверстии нижней решетки, выполнены в виде укороченной нижней заглушки с суммарной длиной средней и нижней крепежной частей, не превышающей 1/2 толщины нижней решетки, в крепежной части нижней заглушки соосно ее цилиндрической средней части на торце выполнено глухое отверстие с образованием кольцевой стенки с толщиной, достаточной для ее развальцовки в отверстии большего диаметра, выполненного со стороны нижнего торца нижней решетки на глубину ниже выступающей части кольцевой стенки торца нижней заглушки в отверстии большего диаметра нижней решетки, при этом крепеж нижней заглушки осуществлен развальцовкой кольцевой стенки в указанном отверстии большего диаметра.

При таком крепеже нижней заглушки ТВЭЛа в нижней решетке, а также нижних заглушек каналов направляющих повышается надежность эксплуатации тепловыделяющей сборки в активной зоне ядерного реактора за счет исключения люфта нижней заглушки в нижней решетке путем ее развальцовки в отверстиях нижней решетки, что соответственно исключит вибрацию ТВЭЛа, повысит надежность крепления, исключит осевое смещение ТВЭЛа вверх и непредсказуемую вибрацию. Выполнение предложенных элементов крепления нижних заглушек ТВЭЛ в нижней решетке снижает себестоимость изготовления за счет технологичности операций и снижается объемная доля конструкционного материала за счет выполнения укороченных нижних заглушек ТВЭЛ, каналов направляющих и снижения веса нижних решеток за счет выполнения отверстий большего диаметра для развальцовки в них торцов нижних заглушек.

На чертежах представлена тепловыделяющая сборка ядерного реактора, где на:

фиг.1 - общий вид тепловыделяющей сборки;

фиг.2 - фрагмент крепления нижней заглушки в нижней решетке до развальцовки;

фиг.3 - фрагмент крепления нижней заглушки в нижней решетке после развальцовки.

Тепловыделяющая сборка ядерного реактора, преимущественно типа ВВЭР, включает пучок тепловыделяющих элементов 1, установленных в каркасе из дистанционирующих решеток 2, смонтированных на трубчатых каналах 3, закрепленных вместе с тепловыделяющими элементами 1 нижними заглушками 4 в нижней решетке 5, снабженной переходниками, хвостовик 6 с опорными ребрами, присоединенный к переходникам нижней решетки 5, головку 7, закрепленную на верхних концах трубчатых каналов 3, и элементы, обеспечивающие закрепление тепловыделяющих элементов 1 в нижней решетке 5.

Элементы, обеспечивающие закрепление тепловыделяющего элемента 1 в отверстии 8 нижней решетки 5, выполнены в виде укороченной нижней заглушки 4 с суммарной длиной средней 9 и нижней крепежной частей, не превышающей 1/2 толщины “Н” нижней решетки 5.

В крепежной части нижней заглушки 4 соосно ее цилиндрической средней части 9 на торце выполнено глухое отверстие 10 с образованием кольцевой стенки 11 с толщиной, достаточной для ее развальцовки в отверстии 12 большего диаметра, выполненного со стороны нижнего торца нижней решетки 5 на глубину ниже выступающей части кольцевой стенки 11 торца нижней заглушки в отверстии 12 большего диаметра нижней решетки 5. Крепеж нижней заглушки 4 осуществлен развальцовкой (раздорновкой) кольцевой стенки 11 в указанном отверстии 12 большого диаметра. Тепловыделяющую сборку собирают следующим образом. Собирают каркас из дистанционирующих решеток 2 на трубчатых каналах 3 с нижней решеткой 5. Нижняя решетка 5 предварительно должна быть подготовлена для сборки тепловыделяющей сборки, для чего на каждом отверстии 8 с нижнего торца нижней решетки 5 должны быть выполнены отверстия 12 большего диаметра, а нижние заглушки 4 на ТВЭЛах 1 должны иметь на нижних торцах глухие отверстия 10, соосные цилиндрической средней части 9, и иметь кольцевую стенку 11, которая развальцовывается (раздорновывается) в отверстии 12 нижней решетки 5.

К нижней решетке 5 закрепляют хвостовик 6, а на верхних концах трубчатых каналов 3 закрепляют головку 7.

Изобретение относится к атомной энергетике. Элементы, обеспечивающие закрепление ТВЭЛа в отверстии нижней решетки, выполнены в виде укороченной нижней заглушки, у которой соосно на торце выполнено глухое отверстие образованием кольцевых стенок, которые развальцованы (раздорнованы) в отверстии большего диаметра в нижней решетке. Технический результат - повышение надежности эксплуатации тепловыделяющей сборки в ядерном реакторе, снижение себестоимости изготовления и объемной доли конструкционного материала. 3 ил.

Тепловыделяющая сборка ядерного реактора, преимущественно типа ВВЭР, включающая пучок тепловыделяющих элементов, установленных в каркасе из дистанционирующих решеток, смонтированных на трубчатых каналах, закрепленных вместе с тепловыделяющими элементами нижними заглушками в нижней решетке, снабженной переходниками, хвостовик с опорными ребрами, присоединенный к переходникам нижней решетки, головку, закрепленную на верхних концах трубчатых каналов, и элементы, обеспечивающие закрепление тепловыделяющих элементов в нижней решетке, отличающаяся тем, что элементы, обеспечивающие закрепление тепловыделяющего элемента в отверстии нижней решетки, выполнены в виде укороченной нижней заглушки с суммарной длиной средней и нижней крепежной части, не превышающей 1/2 толщины нижней решетки, в крепежной части нижней заглушки соосно ее цилиндрической средней части на торце выполнено глухое отверстие с образованием кольцевой стенки с толщиной, достаточной для ее развальцовки в отверстии большего диаметра, выполненного со стороны нижнего торца нижней решетки на глубину ниже выступающей части кольцевой стенки торца нижней заглушки в отверстии большего диаметра нижней решетки, при этом крепеж нижней заглушки осуществлен развальцовкой кольцевой стенки в указанном отверстии большего диаметра.