ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩАЯ СБОРКА ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА Российский патент 2005 года по МПК G21C3/322 

Область техники

Изобретение относится к атомной энергетике, а более конкретно - к тепловыделяющим сборкам для ядерных реакторов с водой под давлением.

Предшествующий уровень техники

Известна тепловыделяющая сборка ядерного реактора [RU 2177650 C2, 27.12.2001], содержащая размещенные по длине тепловыделяющей сборки дистанционирующие решетки для пучка тепловыделяющих элементов, направляющие каналы, проходящие через дистанционирующие решетки с возможностью взаимного перемещения. На направляющих каналах с осевым зазором не более 1,5 мм относительно верхних торцов дистанционирующих решеток установлены втулки, имеющие в плане сечение, размер которого превышает вписанный диаметр ячеек, вследствие чего упомянутые втулки являются упорами для дистанционирующих решеток.

Существенным недостатком известной тепловыделяющей сборки являются повышенные усилия взаимодействия дистанционирующих решеток со втулками, возникающие в начальный период эксплуатации тепловыделяющей сборки. Дистанционирующие решетки установлены на пучке тепловыделяющих элементов с натягом между ячейками и тепловыделяющими элементами. Поэтому между ячейками дистанционирующих решеток и тепловыделяющими элементами возникают силы трения. Суммарная сила трения может достигать существенной величины. Вследствие этого дистанционирующие решетки покоятся на пучке тепловыделяющих элементов, совершая вместе с ним все температурные и радиационные перемещения вдоль оси. При эксплуатации тепловыделяющие элементы имеют существенно большее радиационное удлинение, чем направляющие каналы, поэтому пучок тепловыделяющих элементов перемещает дистанционирующие решетки относительно втулок на направляющих каналах и очень быстро начальные зазоры 1,5 мм уменьшаются до нуля. Дальнейшее удлинение пучка тепловыделяющих элементов приводит к усиливающемуся взаимодействию втулок с ячейками дистанционирующих решеток в осевом направлении. А развиваемые при этом усилия могут превысить предельные значения с точки зрения прочности крепления втулок на направляющих каналах и даже самих направляющих каналов или дистанционирующих решеток. В результате может наступить разрушение тепловыделяющей сборки или ее узлов и нарушение безопасности ядерного реактора.

Раскрытие изобретения

Целью изобретения является повышение надежности тепловыделяющих сборок и безопасности ядерного реактора.

Задачей изобретения является обеспечение фиксации дистанционирующих решеток на направляющих каналах в условиях существенного взаимодействия дистанционирующих решеток с пучком тепловыделяющих элементов, которые имеют значительно большее радиационное удлинение, чем направляющие каналы тепловыделяющей сборки.

Техническим результатом изобретения является обеспечение фиксации дистанционирующих решеток на направляющих каналах с исключением образования повышенных нагрузок на элементы тепловыделяющей сборки при взаимодействии дистанционирующих решеток с пучком тепловыделяющих элементов.

Поставленная задача решается тем, что в тепловыделяющей сборке ядерного реактора, содержащей хвостовик, закрепленные на хвостовике тепловыделяющие элементы, направляющие каналы, проходящие с возможностью взаимного перемещения сквозь дистанционирующие решетки, закрепленные на пучке тепловыделяющих элементов посредством натягов между упругими ячейками и тепловыделяющими элементами, причем, по крайней мере, на одном из направляющих каналов с осевым зазором над дистанционирующими решетками установлены упоры, новым является то, что осевые зазоры между упорами и дистанционирующими решетками выбраны из условия, чтобы при радиационном удлинении тепловыделяющих элементов и направляющих каналов дистанционирующие решетки имели возможность контакта с упорами, когда уменьшение натяга между релаксирующими упругими ячейками дистанционирующих решеток и тепловыделяющими элементами, уменьшающимися в диаметре от ползучести и радиационных воздействий, обеспечит возможность одновременного проскальзывания всех тепловыделяющих элементов сквозь дистанционирующие решетки.

Такое решение поставленной задачи обеспечивает возникновение взаимодействия дистанционирующих решеток с упорами на направляющих каналах только в момент времени, когда натяги между ячейками дистанционирующих решеток и тепловыделяющими элементами существенно снизятся. Снижение упомянутых натягов происходит вследствие происходящих в ядерном реакторе при повышенной температуре и облучении нейтронами процессов релаксации упругих свойств ячеек дистанционирующих решеток, а также вследствие радиационных воздействий и ползучести, в результате которых под воздействием высокого наружного давления уменьшается наружный диаметр тепловыделяющих элементов. Таким образом, в первый период эксплуатации тепловыделяющей сборки дистанционирующие решетки, имея существенный натяг и соответствующие силы трения между ячейками и тепловыделяющими элементами, неподвижно закреплены силами трения на пучке тепловыделяющих элементов и перемещаются вместе с ними в осевом направлении при радиационном удлинении тепловыделяющих элементов. Если в таком состоянии произойдет контакт дистанционирующих решеток с упорами, то усилие взаимодействия между ними, определяющееся суммой сил трений всех взаимодействующих пар «тепловыделяющий элемент - упругая ячейка», будет иметь такую величину, что может произойти разрушение дистанционирующих решеток, направляющих каналов или крепления упоров на них. Наличие повышенного осевого зазора между дистанционирующими решетками и упорами исключает в этот период их взаимодействие с повышенными усилиями. В следующий период эксплуатации тепловыделяющей сборки, когда натяги ячеек дистанционирующих решеток на тепловыделяющих элементах постепенно ослабевают до такой степени, что силы трения больше не достигают в сумме заметных величин, и когда разность радиационных удлинений тепловыделяющих элементов и направляющих каналов достигает величины исходного осевого зазора между упором и дистанционирующей решеткой, дистанционирующие решетки приближаются к упорам и начинают взаимодействовать с ними с относительно небольшими усилиями, гарантирующими сохранение прочности дистанционирующих решеток, креплений упоров на направляющих каналах и прочности самих направляющих каналов.

Краткое описание чертежей

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых представлены:

фиг.1 - схема установки упоров на направляющих каналах в тепловыделяющей сборке и начальное положение дистанционирующих решеток относительно упоров;

фиг.2 - схема положения дистанционирующих решеток относительно упоров во втором периоде эксплуатации;

фиг.3 - поперечный разрез упругой ячейки дистанционирующей решетки с установленным в ней с натягом тепловыделяющим элементом.

Варианты осуществления изобретения

Тепловыделяющая сборка содержит хвостовик 1, на котором параллельно установлены тепловыделяющие элементы 2 и направляющие каналы 3. Тепловыделяющие элементы 2 объединены в пучок дистанционирующими решетками 4. Направляющие каналы 3 свободно проходят сквозь дистанционирующие решетки 4. Тепловыделяющие элементы 2 установлены с натягом в упругих ячейках 5 дистанционирующих решеток 4. На направляющие каналы 3 сверху опирается головка 6. На направляющих каналах 3 с осевыми зазорами 7 над дистанционирующими решетками 4 установлены упоры 8. Упоры 8 могут быть выполнены в виде втулок, которые крепятся сваркой на направляющих каналах 3.

Работа тепловыделяющей сборки осуществляется следующим образом.

Величины упомянутых осевых зазоров 7 (δ₁, δ₂, δ₃) изначально устанавливаются не менее прогнозируемых разностей радиационных удлинений тепловыделяющих элементов 2 и направляющих каналов 3 на уровнях установки соответствующих упоров 8. Например, на уровне самых верхних упоров 8 разность радиационных удлинений тепловыделяющих элементов 2 и направляющих каналов 3 составляет δ₅-δ₄, где δ₅ - это радиационное удлинение тепловыделяющих элементов, а δ₄ - радиационное удлинение направляющих каналов на уровне самого верхнего из упоров 8, причем величины δ₄ и δ₅ определены для моментов времени, когда натяги между упругими ячейками 5 дистанционирующих решеток 4 и тепловыделяющими элементами снизятся от исходной величины до существенно более низкой. Очевидно, что из-за того, что радиационное удлинение как тепловыделяющих элементов 2, так и направляющих каналов 3 пропорционально их длине, разность их удлинений на уровне любого поперечного сечения также пропорциональна расстоянию от хвостовика 1 до рассматриваемого поперечного сечения. Поэтому величины упомянутых осевых зазоров 7 могут уменьшаться с приближением их к хвостовику 1.

В первый период эксплуатации тепловыделяющей сборки вследствие высоких натягов упругих ячеек 5 дистанционирующих решеток 4 на тепловыделяющих элементах 2 между ними имеются достаточно высокие усилия взаимодействия Р и соответствующие им высокие силы трения, которые удерживают дистанционирующие решетки 4 на пучке тепловыделяющих элементов 2. Так как радиационный рост тепловыделяющих элементов 2 превышает радиационный рост направляющих каналов 3, то дистанционирующие решетки 4, покоясь на тепловыделяющих элементах 2, приближаются к упорам 8 на направляющих каналах 3, сокращая осевые зазоры 7.

Во второй период эксплуатации тепловыделяющей сборки, когда в результате релаксации упругих ячеек 5 дистанционирующих решеток 4 и уменьшения наружного диаметра тепловыделяющих элементов 2 вследствие радиационных воздействий и ползучести конструкционного материала в условиях повышенных температур, наружного давления и радиационного облучения, усилия взаимодействия дистанционирующих решеток 4 с пучком тепловыделяющих элементов 2 значительно ослабевают, осевые зазоры 7 уменьшаются до нуля. Дистанционирующие решетки 4 касаются упоров 8 и перестают перемещаться относительно направляющих каналов 3. Теперь тепловыделяющие элементы 2 получили возможность проскальзывать сквозь дистанционирующие решетки 4 с относительно небольшими усилиями, не приводящими к разрушениям дистанционирующих решеток, направляющих каналов или креплений упоров. При этом обеспечивается фиксация дистанционирующих решеток 4 на заданных уровнях, определяемых упорами 8, а крепления упоров 8 не перегружается повышенными усилиями, которые имеют место в начальный период эксплуатации тепловыделяющей сборки. Первый период эксплуатации тепловыделяющих сборок на водоводяных ядерных реакторах длится около двух лет и за это время разность радиационных удлинений тепловыделяющих элементов 2 и направляющих каналов 3 может достигать порядка 10 мм, поэтому на этот период необходимо исключить жесткую фиксацию дистанционирующих решеток 4 на направляющих каналах 3, чтобы не разрушить тепловыделяющую сборку. Исключение жесткой фиксации дистанционирующих решеток 4 на направляющих каналах 3 гарантировано обеспечивается осевыми зазорами 7.

Таким образом, обеспечиваются повышение надежности тепловыделяющей сборки и безопасность ядерного реактора.

Промышленная применимость

Наиболее целесообразно предложенные решения использовать для тепловыделяющих сборок ядерных энергетических реакторов с водой под давлением.

Изобретение применяется в атомной энергетике, в особенности в тепловыделяющих сборках для ядерных реакторов с водой под давлением. В тепловыделяющей сборке ядерного реактора направляющие каналы проходят с возможностью взаимного перемещения сквозь дистанционирующие решетки и закрепляются на пучке тепловыделяющих элементов посредством натягов между упругими ячейками и тепловыделяющими элементами, причем, по крайней мере, на одном из направляющих каналов с осевыми зазорами над дистанционирующими решетками установлены упоры. Осевые зазоры между упорами и дистанционирующими решетками выбраны из условия, чтобы при радиационном удлинении тепловыделяющих элементов и направляющих каналов дистанционирующие решетки имели возможность контакта с упорами, когда уменьшение натяга между релаксирующими упругими ячейками дистанционирующих решеток и тепловыделяющими элементами, уменьшающимися в диаметре от ползучести и радиационных воздействий, обеспечит возможность одновременного проскальзывания тепловыделяющих элементов сквозь дистанционирующие решетки. Изобретение позволяет повысить надежность тепловыделяющих сборок и безопасность ядерного реактора. 3 ил.

Тепловыделяющая сборка ядерного реактора, содержащая хвостовик 1, закрепленные на хвостовике 1 тепловыделяющие элементы 2, направляющие каналы 3, проходящие с возможностью взаимного перемещения сквозь дистанционирующие решетки 4, закрепленные на пучке тепловыделяющих элементов 2 посредством натягов между упругими ячейками 5 и тепловыделяющими элементами 2, причем, по крайней мере, на одном из направляющих каналов 3 с осевыми зазорами 7 над дистанционирующими решетками 4 установлены упоры 8, отличающаяся тем, что осевые зазоры 7 между упорами 8 и дистанционирующими решетками 4 выбраны из условия, чтобы при радиационном удлинении тепловыделяющих элементов 2 и направляющих каналов 3 дистанционирующие решетки 4 имели возможность контакта с упорами 8, когда уменьшение натяга между релаксирующими упругими ячейками 5 дистанционирующих решеток 4 и тепловыделяющими элементами 2, уменьшающимися в диаметре от ползучести и радиационных воздействий, обеспечит возможность одновременного проскальзывания тепловыделяющих элементов 2 сквозь дистанционирующие решетки 4.