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

Изобретение относится к атомной энергетике и может быть использовано на предприятиях изготовления тепловыделяющих сборок (ТВС) для ядерных реакторов типа 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 чехлом, 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 ячейках. 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 ячеек 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 ТВЭЛ в нижней решетке. Кроме того, обе тепловыделяющие сборки являются неразборными, что создает известные трудности при замене одного или нескольких ТЭВЛ в 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 к ТВЭЛу.

Известна 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 30.05.95 г., опубликован 10.05.97 г., МПК 6 G 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 по патенту 2079170 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 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 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 ячейки нижней решетки. Кроме того, разведенные части нижней заглушки ТВЭЛа создают дополнительное сопротивление потоку теплоносителя. Если же учесть, что концы нижних заглушек размещены в ячейках нижней решетки с зазором, то могут 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 ячейку нижней решетки, где за нижним торцом нижней решетки осуществлялась осадка рассеченной части нижней заглушки на дорне. 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.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому эффекту является 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, выполненные в виде, по крайней мере, одной пуклевки на стенках ячеек со стороны нижнего торца нижней решетки в сторону размещаемой в ячейке нижней части нижней заглушки, повторяющей форму ячейки и кольцевого пояска на нижней части нижней заглушки, фиксирующего пуклевку в месте их касания, а торец нижней части нижней заглушки выполнен полусферическим. На стенках каждой ячейки для нижней части нижней заглушки тепловыделяющего элемента по образующей со стороны нижнего торца нижней решетки выполнены фаски, а кольцевой поясок на нижней части нижней заглушки выполнен фиксирующим эту форму в месте касания с пуклевкой с углом раствора кольцевого пояска больше, чем угол раствора без фаски на ячейке (см. Патент RU 2174718, MПК 7 G 21 C 3/32, приоритет 28.12.1999 г., опубл. 10.10.2001 г. Тепловыделяющая сборка ядерного реактора).

Выполнение элементов крепления в нижней решетке в виде пары: кольцевой поясок на нижней части нижней заглушки и пуклевка или пуклевки на стенках ячейки нижней решетки, повторяющие в сечении кольцевой поясок с полусферическим торцом нижней части нижней заглушки позволяют:

- повысить надежность крепления тепловыделяющих элементов в нижней решетке ТВС за счет надежного сцепления пары: пуклевка - поясок и соответственно повысить надежность эксплуатации ТВС в ядерном реакторе;

- снизить трудозатраты и повысить производительность, что в целом снизит себестоимость изготовления ТВС за счет отмены использования наконечников при сборке ТВС;

- снизить себестоимость изготовления нижних заглушек за счет выполнения при изготовлении только токарных работ, отмены фрезерных и сверлильных работ и снизить себестоимость изготовления в целом ТВС;

- обеспечить безопасность персонала и не подвергать персонал облучению при изготовлении ТВС со смешанным топливом за счет предварительного закрепления хвостовика к нижней решетке, исключения операции снятия наконечников с нижних заглушек ТВЭЛ перед нижней решеткой и перевода сборки ТВС на безлюдную технологию;

- осуществить сборку ТВС в неразборном варианте и разборном варианте при выполнении фаски на стенках ячеек нижней решетки со стороны ее нижнего торца и соответственно выполнения ответного кольцевого пояска на нижней части нижней заглушки, повторяющего в сечении пуклевку с фаской.

Однако в тепловыделяющих сборках-аналогах и в тепловыделяющей сборке-прототипе крепеж заглушек каналов направляющих и крепеж нижних заглушек тепловыделяющих элементов осуществлен в нижней решетке, которая является опорным элементом для всей тепловыделяющей сборки.

Хвостовик в тепловыделяющих сборках аналогах и в тепловыделяющей сборке-прототипе снабжен опорными ребрами, на которые нижняя решетка опирается нижним торцом (см. Б.А.Дементьев. Ядерные энергетические реакторы. М.: Энергоатомиздат, 1990 г., с.44 рис.2.13; Патент RU 20799170, фиг.2; Патент RU 2174718, формула изобретения).

При восходящем потоке теплоносителя снизу вверх с температурой 270...330°С и давлении 10...20 МПа в активной зоне ядерного реактора не исключена деформация нижней решетки тепловыделяющей сборки, что может привести к изменению проходных сечений между ТВЭЛами. Различие размеров проходных сечений приводит к отклонениям расхода и скорости теплоносителя. А если учесть, что энерговыделение и тепловая нагрузка ТВЭЛа не зависят от расхода теплоносителя, то это неизбежно приводит к отклонениям как подогрева самого теплоносителя, так и температурных перепадов по сечению (см. Б.А.Дементьев. Ядерные энергетические реакторы. М.: Энергоатомиздат, 1990 г., с.150...151).

То же самое происходит при возможных гидравлических развертках в хвостовике тепловыделяющей сборки из-за опорных ребер, создающих гидравлическое сопротивление.

Технической задачей изобретения является повышение надежности эксплуатации тепловыделяющей сборки в активной зоне ядерного реактора и улучшение ее гидродинамических характеристик.

Эта техническая задача решается тем, что в тепловыделяющей сборке ядерного реактора, преимущественно типа водо-водяного энергетического реактора, 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 закрепления тепловыделяющих элементов в нижней решетке; согласно изобретению опорные ребра хвостовика тепловыделяющей сборки выполнены в сечении капле видной формы в виде двух коаксиально расположенных, закрепленных к хвостовику колец, примыкающих к нижнему торцу нижней решетки, при этом в торцах заглушек трубчатых каналов, расположенных в отверстиях нижней решетки, выполнены соосно торцам заглушек отверстия с резьбовым соединением с ответными крепежными элементами с ответной резьбой, расположенными соосно каждому трубчатому каналу в корпусах опорных ребер коаксиально расположенных колец, а крепеж центральной части нижней решетки к хвостовику осуществлен стяжкой выше указанных крепежных элементов с резьбовыми соединениями в отверстиях торцов нижних заглушек трубчатых каналов.

Такое выполнение тепловыделяющей сборки позволит закрепить трубчатые каналы непосредственно к хвостовику, снять нагрузку с нижней решетки, к которой ранее эти трубчатые каналы крепились, и перенести нагрузку с нижней решетки на более массивный хвостовик, закрепить при этом нижнюю решетку к хвостовику не только через переходники с внешней стороны тепловыделяющей сборки, но и центральную часть нижней решетки ее стяжкой к опорным кольцам каплевидной формы в сечении, что повысит надежность эксплуатации тепловыделяющей сборки в активной зоне ядерного реактора и улучшит ее гидродинамические характеристики.

На чертежах представлена тепловыделяющая сборка, где на

Фиг.1 - общий вид ТВС;

Фиг.2 - фрагмент крепления хвостовика к нижней решетке;

фиг.3а - опорные ребра хвостовика и крепеж трубчатых каналов (вид сверху);

фиг.3б – опорные ребра хвостовика и крепеж трубчатых каналов в разрезе;

Фиг.4 - фрагмент крепления трубчатых каналов, нижней решетки к опорным ребрам.

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 нижними заглушками 4 (фиг.2) в нижней решетке 5, снабженной переходниками 6, хвостовик 7 с опорными ребрами 8, присоединенный к переходникам 6 нижней решетки 5, головку 9, закрепленную на верхних концах трубчатых каналов 3, и элементы, обеспечивающие закрепление тепловыделяющих элементов 1 в нижней решетке 5 (не показаны).

Опорные ребра 8 хвостовика 7 тепловыделяющей сборки выполнены в сечении каплевидной формы в виде коаксиально расположенных закрепленных к хвостовику 7 колец 10, 11, примыкающих к нижнему торцу нижней решетки 5, при этом на торцах заглушек 12 трубчатых каналов 3, расположенных в отверстиях 13 нижней решетки 5, выполнены сосно торцам заглушек 12 отверстия 14 с резьбовым соединением с ответными крепежными элементами 15 с ответной резьбой, расположенных соосно каждому трубчатому каналу 3 в корпусах опорных ребер 8 - коаксиально расположенных колец 10, 11.

Крепеж центральной части нижней решетки 5 к хвостовику 7 осуществлен стяжкой выше указанных крепежных элементов 15 с резьбовыми соединениями в отверстиях 14 в торцах нижних заглушек 12 трубчатых каналов 3.

Тепловыделяющую сборку собирают следующим образом.

Собирают каркас из дистанционирующих решеток 2, трубчатых каналов 3, нижней решетки 5 и хвостовика 7.

Центральную часть нижней решетки 5 стяжкой в отверстиях 13 нижней решетки 5 крепежными элементами 15 с резьбовыми соединениями в отверстиях 14 в торцах заглушек 12 трубчатых каналов 3 закрепляют к опорным ребрам 8 опорных кольцами 10, 11 хвостовика 7.

Тепловыделяющие элементы 1 запрессовывают через дистанционирующие решетки 2 и нижними заглушками 4 закрепляют в нижней решетке 5.

С внешней стороны хвостовик 7 закрепляют через переходник 6 к нижней решетке 5, а в верхней части на трубчатые каналы 3 закрепляют головку 9.

Перемещению вниз трубчатого канала 3 препятствует опорный элемент 16 заглушки 12, опирающийся на верхний торец нижней решетки 5, а перемещению трубчатого канала 3 вверх препятствует крепежный элемент 15 крепления канала 3 к опорным кольцам 10, 11.

Тепловыделяющая сборка ядерного реактора относится к атомной энергетике. Техническим результатом изобретения является повышение надежности эксплуатации тепловыделяющей сборки в активной зоне ядерного реактора и улучшения ее гидродинамических характеристик. Опорные ребра хвостовика тепловыделяющей сборки выполнены в сечении каплевидной формы в виде двух коаксиально расположенных, закрепленных к хвостовику колец, примыкающих к нижнему торцу нижней решетки. 4 ил.

Тепловыделяющая сборка ядерного реактора, преимущественно водо-водяного энергетического реактора, 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 закрепления тепловыделяющих элементов в нижней решетке, отличающаяся тем, что опорные ребра хвостовика тепловыделяющей сборки выполнены в сечении каплевидной формы в виде двух коаксиально расположенных, закрепленных к хвостовику колец, примыкающих к нижнему торцу нижней решетки, при этом в торцах заглушек трубчатых каналов, расположенных в отверстиях нижней решетки, выполнены соосно торцам заглушек отверстия с резьбовым соединением с ответными крепежными элементами с ответной резьбой, расположенными соосно каждому трубчатому каналу в корпусах опорных ребер коаксиально расположенных колец, а крепеж центральной части нижней решетки к хвостовику осуществлен стяжкой вышеуказанных крепежных элементов с резьбовыми соединениями в отверстиях торцов нижних заглушек трубчатых каналов.