ДИСТАНЦИОНИРУЮЩАЯ РЕШЕТКА ДЛЯ ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩЕЙ СБОРКИ Российский патент 2005 года по МПК G21C3/34 G21C3/352 

Предлагаемое изобретение относится к области ядерной техники, а именно к дистанционирующим устройствам тепловыделяющей сборки (ТВС) с треугольной упаковкой стержней - тепловыделяющих элементов (твэлов), и может быть использовано в реакторах типа ВВЭР.

Известна конструкция дистанционирующей решетки для сборки с треугольной упаковкой твэлов, содержащая три группы полос, расположенных под углом друг к другу и образующих при их пересечении ряды ячеек треугольной формы для размещения твэлов. Полосы совмещены между собой с помощью прорезей и скрепляются в местах пересечения, а также привариваются к опоясывающему их ободу (см. заявку Франции №25884109 А1, кл. G 21 С 3/32, опубл. 10.04.87 г.).

Центровка твэла в ячейке осуществляется четырьмя жесткими упорами, расположенными у верхней и нижней кромки каждой из двух соседних стенок ячейки, и одним эластичным элементом в виде гидравлической пружины, расположенной на третьей стенке ячейки. При обтекании профиля такой пружины теплоносителем давление пружины на поверхность твэла усиливается.

Недостатками такой конструкции решетки являются трудоемкость ее изготовления и недостаточная эксплутационная надежность ТВС. Это обусловлено плохой работоспособностью гидравлических пружин при вибрации ТВС и сложностью изготовления полос с такими пружинами. Запас упругих перемещений этих пружин зависит от упругости перемычек в виде узких полосок, соединяющих пружины с боковыми стенками ячеек, и величины расхода теплоносителя.

Известна дистанционирующая решетка для ТВС с треугольной упаковкой твэлов, содержащая обод, охватывающий три группы полос, взаимно пересекающихся под углом 120° друг к другу, параллельных между собой в каждой группе, снабженных прорезями в местах пересечения и центрирующими элементами, расположенными между соседними прорезями с чередованием через одну, образующих при пересечении ячейки шестиугольной формы для размещения твэлов и связующие их элементы с поперечным сечением в форме равностороннего треугольника, смесительные лопатки (см. заявку Великобритании №2277191 А, кл. G 21 C 3/352, опубл. 19.10.94 г.).

Техническое решение по указанной заявке выбираем за прототип, так как оно является наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату.

Центровка твэла в ячейке осуществляется тремя центрирующими элементами, расположенными под углом 120° друг к другу. Причем два из них являются жесткими пуклевками (выступами полуэллипсоидальной формы), а третий элемент представляет собой петлевую пружину, расположенную между двух специальных параллельных прорезей на средней части поверхности полосы.

Смесительные лопатки выполнены на верхних кромках только одной группы параллельных полос и отогнуты в сторону связующих треугольных элементов. При этом лопатки, расположенные на соседних полосах и отогнутые в сторону связующих треугольных элементов с общей вершиной и двумя боковыми сторонами, имеют противоположную ориентацию.

Недостатком такой решетки является трудоемкость ее изготовления, вызванная сложностью штамповки полос с пружинами и недостаточная эксплутационная надежность ТВС, обусловленная плохой работоспособностью этих пружин как при вибрации ТВС в течение длительной работы реактора, так и при технологических операциях с ТВС. Запас упругих перемещений петлевых пружин, а следовательно, и работоспособность зависит от упругости перемычек в виде узких полосок, соединяющих петлю с поверхностью боковых стенок ячеек. Малая упругость таких полосок способствует появлению в ячейке люфтов (зазоров) между поверхностями твела и петлевой пружины и последующих механических повреждений поверхности твела.

Недостаточная эксплуатационная надежность ТВС обусловлена также формированием смесительных лопаток в решетке только на одной группе полос, что ограничивает диапазон направлений воздействия лопаток на поток теплоносителя для осуществления его эффективного перемешивания между ячейками. При этом у смесительных лопаток, расположенных на соседних параллельных полосах и отогнутых в сторону связующих треугольных элементов с общей вершиной и двумя боковыми сторонами имеется противоположная ориентация. Под действием этих лопаток в пределах проходного сечения двух связующих элементов образуются встречные короткодействующие поперечные течения теплоносителя, которые вызывают в основном только его локальное перемешивание. Это приводит к недостаточному выравниванию теплосодержаний и температур теплоносителя по всему проходному сечению канала, а следовательно, и к недостаточному запасу по величине критической мощности.

Технической задачей является создание конструкции дистанционирующей решетки с увеличенным запасом упругих перемещений центрирующих упоров и более равномерным распределением температур теплоносителя по всему проходному сечению канала.

Решение поставленной задачи позволяет повысить эксплутационную надежность ТВС и уменьшить трудоемкость ее изготовления.

Поставленная задача решается за счет того, что в дистанционирующей решетке для сборки с треугольной упаковкой твэлов, содержащей опоясывающий обод, три группы взаимно пересекающихся и параллельных между собой в каждой группе полос, снабженных прорезями в местах пересечения, центрирующими упорами, расположенными между соседними прорезями с чередованием через одну, и образующих при пересечении ячейки для размещения твэлов и связующие их элементы с поперечным сечением в форме равностороннего треугольника, смесительные лопатки, центрирующие упоры на каждой полосе выполнены в виде гибов, образующих при пересечении полос связующие элементы, имеющие в поперечном сечении фигуру с выпуклыми сторонами, центры радиуса кривизны которых расположены на линиях, проходящих через точку пересечения полос и ось твэла, взаимодействующего с этой стороной. Кроме того, смесительные лопатки выполнены одновременно не менее чем на двух группах полос и ориентированы в одной группе полос в одну сторону, центр радиуса кривизны выпуклых сторон связующих элементов расположен в точке пересечения полос, а на выпуклых сторонах связующих элементов выполнены дополнительные выступы, например, в виде гофр.

Выполнение гибов на каждой полосе между соседними прорезями с чередованием через одну дает возможность при пересечении полос получить связующие элементы другого типа, что дает возможность формировать фигурную ячейку с центрирующими упорами, имеющими достаточный запас упругости (запас упругих перемещений - коэффициент жесткости). Это позволяет обеспечить более точное центрирование и жесткую фиксацию твэла в ячейке по сравнению с прототипом.

Жесткость любой геометрической фигуры (контура) определяется коэффициентом жесткости С=P/V, где: Р - сила, а V - радиальное перемещение.

Сравнительный расчет коэффициентов жесткости для элементов с одинаковой толщиной используемого материала и их высотой, выполненных в виде сплошных колец С_к, полуколец С_пк и с поперечным сечением в виде фигуры, с выпуклыми одинаковыми сторонами, у которых центры радиусов кривизны лежат в вершинах этой фигуры (в точках пересечения полос), С_ф показывает:

С_к/С_ф=7,24 и С_пк=(1-0,7)×С_к

Следовательно, эффект, получаемый при использовании такого связующего элемента, по сравнению с кольцом и полукольцом будет больше.

Исходя из выше приведенных результатов расчета, можно сделать вывод, что связующие элементы имеют достаточный запас упругости и будут более работоспособными. Запас упругих перемещений таких элементов зависит только от радиуса кривизны их боковых сторон. Расположение центра радиуса кривизны в точке пересечения полос (в вершине фигуры с выпуклыми сторонами) позволяет получить наибольшую жесткость.

Таким образом, предложенное техническое решение по сравнению с прототипом повышает эксплуатационную надежность ТВС из-за уменьшения механических повреждений поверхности твэлов как при сборке ТВС, так и в реакторных условиях (при вибрации ТВС).

Кроме того, такое выполнение уменьшает величину степени перекрытия проходного сечения ячейки, что приводит к понижению величины гидравлического сопротивления решетки.

Размещение смесительных лопаток одновременно на двух или трех группах полос с ориентацией в одну сторону на одной группе полос позволяет получить протяженные поперечные течения, что приводит к более эффективному перемешиванию теплоносителя между ячейками в проходном сечении канала по сравнению с прототипом.

Выполнение дополнительных центрирующих выступов, например, в виде гофров уменьшает площадь контакта выпуклых сторон (упоров) и твэла, что приводит к снижению температуры и напряжения в местах их контакта, а следовательно, к повышению надежности ТВС.

Трудоемкость изготовления решетки уменьшается за счет исключения сложных в изготовлении пружин прототипа.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где:

на фиг.1 изображен вид сверху (без смесительных лопаток);

на фиг.2 изображен фрагмент решетки фиг.1;

на фиг.3 изображены связующие элементы ячеек;

на фиг.4 изображен вид сверху на полосу без смесительных лопаток;

на фиг.5 изображен общий вид полосы фиг.4;

на фиг.6 изображен общий вид полосы со смесительными лопатками;

на фиг.7 изображено сечение Б-Б полосы фиг.6;

на фиг.8 изображен вид сверху на полосу с выступами;

на фиг.9 изображен общий вид полосы с выступами;

на фиг.10 изображен фрагмент решетки со смесительными лопатками, расположенными на двух группах полос;

на фиг.11 показаны линии тока теплоносителя на фиг.10;

на фиг.12 изображен фрагмент решетки со смесительными лопатками, расположенными на трех группах полос;

на фиг.13 показаны линии тока теплоносителя на фиг.12.

Дистанционирующая решетка для тепловыделяющей сборки с треугольной упаковкой твэлов выполнена в виде расположенных внутри опоясывающего обода 1 ячеек 2, предназначенных для размещения твэлов 3, и связующих элементов двух типов 4 и 5. Ячейки 2 и связующие элементы 4 и 5 образованы при пересечении под углом 120° друг к другу трех групп параллельных между собой полос 6, 7 и 8.

Полное или частичное совмещение полос 6, 7 и 8 между собой обеспечено прорезями 9. На каждой полосе между прорезями 9 с чередованием через одну прорезь (один плоский участок) выполнены центрирующие упоры 10 в виде гибов. Выполнение гибов позволяет при пересечении полос получить связующие элементы двух типов 4 и 5 (см. фиг.2 и фиг.3). В поперечном сечении элемент 4 имеет вид обычного равностороннего треугольника, а элемент 5 - фигуру с выпуклыми одинаковыми сторонами, центры радиусов кривизны которых лежат на линиях, проходящих через точки пересечения полос и оси твэлов, взаимодействующих с этими сторонами. За счет связующих элементов 5, выполненных в виде фигуры с выпуклыми сторонами, сформированы ячейки 2 с тремя упругими центрирующими упорами 10 для установки твэлов 3. На полосах выполнены смесительные лопатки 11, которые отогнуты в сторону связующих элементов 4 на заданный угол α относительно плоской поверхности полос. Смесительные лопатки 11 одновременно выполнены не менее чем на двух группах полос. При использовании двух групп полос 5 и 6 лопатки 11 выполнены на каждой из них через два гиба. При использовании трех групп полос 5, 6 и 7 лопатки 11 на полосах 5 и 6 выполнены через четыре гиба, а для полосы 7 - через два гиба. В пределах одной группы полос лопатки имеют одинаковую ориентацию.

Для формирования указанных ячеек 2 гибы расположены друг от друга на расстоянии L, равном шагу размещения твэлов 3 (см. фиг.4), и имеют одинаковый радиус кривизны r, величина которого определяется из условия надежного дистанционирования твэлов 3. При необходимости формирования ячеек большего размера, предназначенных для установки в ТВС специальных направляющих труб, гибы в местах заданного размещения этих труб не выполняют.

Прорези 9 выполнены с заданной высотой (глубиной) h. Они могут быть выполнены только на одной кромке полосы (верхней или нижней) в зависимости от ее положения при совмещении, например 6 и 7. Для совмещения с ними полосы 8 из третьего набора прорези 9 выполнены соответственно как на верхней, так и на нижней кромке.

При необходимости площадь контакта выпуклых сторон связующих элементов 5 с твэлами может быть уменьшена путем формирования на них дополнительных центрующих выступов 12, например, в виде гофр.

На основе предложенной базовой решетки (фиг.1) посредством локального уменьшения длины и количества используемых полос могут быть получены ее модификации.

Предлагаемая дистанционирующая решетка работает следующим образом.

При помощи дистанционирующих решеток производится установка твэлов 3 в ТВС на заданном расстоянии L друг от друга. Твэлы 3 устанавливаются в ячейки 2, в которых они за счет гибов (выпуклых сторон связующих элементов 5) центрируются и закрепляются, чтобы предотвратить их искривление и выталкивание со своего места в течение всего времени эксплуатации ТВС.

В активной зоне ядерного реактора ТВС омывается теплоносителем, с помощью которого производится охлаждение поверхности твэлов 3. Под действием потока теплоносителя происходит вибрация твэлов 3, которая гасится за счет достаточного запаса упругости гибов 10.

Под действием смесительных лопаток 11 на поток теплоносителя между рядами твэлов образуются протяженные поперечные течения, которые вызывают эффективное перемешивание теплоносителя между ячейками. Это приводит к более полному выравниванию температур теплоносителя в проходном сечении канала, что обуславливает повышение запаса по величине критической мощности, а следовательно, и эксплутационной надежности ТВС.

Изобретение относится к области ядерной техники, а именно к дистанционирующим решеткам тепловыделяющей сборки (ТВС) с треугольной упаковкой стержней - тепловыделяющих элементов (твэлов) и может быть использовано в реакторах типа ВВЭР. Дистанционирующая решетка для сборки с треугольной упаковкой твэлов содержит опоясывающий обод и три группы взаимно пересекающихся и параллельных между собой в каждой группе полос, снабженных прорезями в местах пересечения и центрирующими упорами, расположенными между соседними прорезями с чередованием через одну. При пересечении полос образуются ячейки для размещения твэлов и связующие элементы. Элементы имеют в поперечном сечении форму равностороннего треугольника и фигуру с выпуклыми сторонами, центры радиуса кривизны которых расположены на линиях, проходящих через точку пересечения полос и ось твэла, взаимодействующего с этой стороной. Центрирующие упоры на каждой полосе выполнены в виде гибов. Кроме того, смесительные лопатки выполнены одновременно не менее чем на двух группах полос и ориентированы в одной группе полос в одну сторону. Выполнение гибов на каждой полосе между соседними прорезями с чередованием через одну дает возможность при пересечении полос получить связующие элементы другого типа, что дает возможность формировать фигурную ячейку с центрирующими упорами, имеющими достаточный запас упругости (запас упругих перемещений - коэффициент жесткости). Это позволяет обеспечить более точное центрирование и жесткую фиксацию твэла в ячейке. 4 з.п. ф-лы, 13 ил.

1. Дистанционирующая решетка для тепловыделяющей сборки с треугольной упаковкой твэлов, содержащая опоясывающий обод, три группы взаимно пересекающихся и параллельных между собой в каждой группе полос, снабженных прорезями в местах пересечения, центрирующими упорами, расположенными между соседними прорезями с чередованием через одну, и образующих при пересечении ячейки для размещения твэлов и связующие их элементы с поперечным сечением в форме равностороннего треугольника, смесительные лопатки, отличающаяся тем, что центрирующие упоры на каждой полосе выполнены в виде гибов, образующих при пересечении полос связующие элементы, имеющие в поперечном сечении фигуру с выпуклыми сторонами, центр радиуса кривизны которых расположен на линии, проходящей через точку пересечения полос и ось твэла, взаимодействующего с этой стороной.2. Дистанционирующая решетка для тепловыделяющей сборки по п.1, отличающаяся тем, что смесительные лопатки выполнены одновременно не менее, чем на двух группах полос.3. Дистанционирующая решетка для тепловыделяющей сборки по п.1 или 2, отличающаяся тем, что смесительные лопатки одной группы полос ориентированы в одну сторону.4. Дистанционирующая решетка для тепловыделяющей сборки по любому из пп.1-3, отличающаяся тем, что центр радиуса кривизны выпуклых сторон связующих элементов расположен в точке пересечения полос.5. Дистанционирующая решетка для тепловыделяющей сборки по любому из пп.1-4, отличающаяся тем, что на выпуклых сторонах связующих элементов выполнены дополнительные выступы, например, в виде гофр.