ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩАЯ СБОРКА ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА БОЛЬШОЙ МОЩНОСТИ КАНАЛЬНОГО Российский патент 2005 года по МПК G21C3/32 G21C3/322 G21C3/34 G21C3/348 

Изобретение относится к атомной технике и может быть использовано при изготовлении тепловыделяющих сборок (ТВС) ядерных реакторов, особенно для реакторов большой мощности канальных (РБМК).

Известны ТВС ядерных реакторов CANDU (Canada Deuterium Uranium). Расположение тепловыделяющих элементов (твэлов) относительно друг друга в ТВС реакторов CANDU и РБМК организовано по одинаковому принципу. ТВС реактора CANDU представляет собой каркас, содержащий концевые решетки по торцам сборки и дистанционирующую систему, в которую входят решетки каркаса, и дистанционирующие выступы на оболочках периферийных твэлов ТВС (см. Дементьев А.Б. Ядерные энергетические реакторы, М.: Энергоатомиздат, 1984, с.64, 65).

Однако такая конструкция возможна только для ТВС небольшой длины, в которых твэлы обладают достаточной изгибной жесткостью. В РБМК и водо-водяных энергетических реакторах типа ВВЭР, в которых используются длинные твэлы, применение такой конструкции может привести к прожогу оболочек твэлов.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому эффекту является ТВС для РБМК (см. там же с.45, 47). ТВС представляет собой каркас с восемнадцатью твэлами, размещенными в нем двумя концентрическими кольцевыми рядами. Каркас выполнен в виде центральной трубы, с закрепленными на ней дистанционирующей системой и концевыми решетками. В такой ТВС все твэлы фиксируются на одинаковых по высоте сборки уровнях в ячейках дистанционирующих решеток.

Это приводит к формированию узких щелей между ячейками, твэлами и стенками ячеек, а также из условия минимального затеснения потока теплоносителя ограничивает толщину стенок ячеек дистанционирующей системы. Узкие щели способствуют накоплению в местах дистанционирования твэлов реакторного "мусора", циркулирующего вместе с теплоносителем. "Мусор", застрявший в дистанционирующей системе ТВС, приводит к разрушению оболочек твэлов по механизму дебриза. Небольшая толщина стенок ячеек приводит к интенсивному увеличению концентрации водорода в материале дистанционирующих решеток и к большим напряжениям в стенках ячеек от воздействия вибраций и окисной пленки, что в свою очередь вызывает их ускоренное разрушение и аварийное состояние ТВС. Кроме того, дистанционирование центральных и периферийных твэлов на одном уровне по высоте ТВС не способствует поперечным перетечкам теплоносителя и, следовательно, не способствует интенсивному теплообмену между твэлами и теплоносителем, который и так затруднен в местах дистанционирования.

Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение надежности ТВС РБМК за счет уменьшения накопления "мусора" в местах дистанционирования твэлов и за счет увеличения надежности дистанционирования твэлов при эксплуатации.

Эта техническая задача решается тем, что тепловыделяющая сборка реактора большой мощности канального представляет собой каркас в виде центральной трубы, на которой закреплены концевые решетки и дистанционирующая система, выполненная в виде нескольких ярусов, с размещенными в них двумя концентричными кольцевыми рядами твэлов, причем каждый ярус дистанционирующей системы выполнен в виде нескольких изогнутых лент, каждая их которых соединена с соседней, а каждый твэл контактирует с одной из лент не менее чем в двух местах.

В частном варианте выполнения тепловыделяющей сборки ленты в местах контакта с твэлами снабжены дистанционирующими выступами.

В другом частном варианте выполнения тепловыделяющей сборки ленты, огибающие наружный ряд твэлов, состоят из нескольких фрагментов.

В другом частном варианте выполнения тепловыделяющей сборки соседние ленты каждого яруса размещены с уступом по высоте не менее ширины ленты.

В другом частном варианте выполнения тепловыделяющей сборки по меньшей мере часть ярусов дистанционирующей системы снабжена внешним ободом, с которым скреплены ленты, огибающие наружный ряд твэлов.

В другом частном варианте выполнения тепловыделяющей сборки внешний обод и соседние ленты размещены с уступом по высоте не менее ширины ленты или обода.

В другом частном варианте выполнения тепловыделяющей сборки на внешнем ободе сформированы дистанционирующие выступы для фиксации твэлов.

В другом частном варианте выполнения тепловыделяющей сборки дистанционирующие выступы сформированы в виде пуклевок, гофров или изгибов.

В другом частном варианте выполнения тепловыделяющей сборки ленты, огибающие твэлы наружного ряда, выполнены с лепестками для фиксации твэлов внутреннего ряда.

В другом частном варианте выполнения тепловыделяющей сборки ленты, огибающие твэлы внутреннего ряда, прикреплены к центральной трубе.

В другом частном варианте выполнения тепловыделяющей сборки по крайней мере часть ярусов дистанционирующей системы снабжена внутренним ободом, который закреплен на центральной трубе и соединен с лентами, огибающими твэлы внутреннего ряда.

В другом частном варианте выполнения тепловыделяющей сборки ленты выполнены с лепестками для турбулизации потока теплоносителя.

Данная конструкция в сравнении с любыми ранее известными конструкциями 18-ти стержневой сборки позволяет при меньшем затеснении потока теплоносителя вдвое увеличить толщину стенок дистанционирующей системы и, следовательно, в два раза уменьшить концентрацию водорода в ее материале, накапливающегося в процессе эксплуатации. Кроме того, значительно уменьшаются растягивающие напряжения в дистанционирующей системе ТВС, что, в свою очередь, в конструкциях, выполненных из сплавов циркония, затруднит формирование радиальных гидридов и, следовательно, значительно отодвинет по времени начало разрушения дистанционирующей системы при эксплуатации ТВС. Это снимает препятствие для применения сплавов циркония в качестве материала дистанционирующих систем тепловыделяющих сборок РБМК, что заметно увеличит и экономичность РБМК и долговечность тепловыделяющих сборок. Увеличение площади отверстий для протекания теплоносителя в местах дистанционирования твэлов и уменьшение в ряде вариантов смачиваемой поверхности дистанционирующей системы, наряду со ступенчатым расположением полос и обода, уменьшает ее засорение "мусором", способствующим дебризу. Кроме того, формирование элементов дистанционирующей системы из целого листа, заложенное в некоторых частных вариантах предлагаемой конструкции, позволяет применять сварные соединения только на ободах, что, в свою очередь, повышает надежность ТВС.

Сущность предлагаемого изобретения иллюстрируется чертежами.

На фиг.1 представлено поперечное сечение 18-ти стержневой тепловыделяющей сборки ядерного реактора с дистанционирующей системой без ободов, непосредственно прикрепленной к центральной трубе ТВС. Ленты дистанционирующей системы скреплены непосредственно друг с другом по наиболее широким граням.

На фиг.2 представлена листовая заготовка ленты, огибающей твэлы наружного ряда.

На фиг.3 представлена листовая заготовка ленты, огибающей твэлы внутреннего ряда, со сформированными на одном из ее концов технологическими выступами для крепления лент на центральной трубе.

На фиг.4 представлен фрагмент дистанционирующей системы, изображенной на фиг.1.

На фиг.5 представлено поперечное сечение 18-ти стержневой тепловыделяющей сборки ядерного реактора с дистанционирующей системой, не имеющей ободов и непосредственно прикрепленной к центральной трубе ТВС. Ленты дистанционирующей системы скреплены друг с другом по ребрам. Дистанционирующие выступы на лентах выполнены в виде изгибов лент, пуклевок и гофров.

На фиг.6 представлена листовая заготовка лент, огибающих твэлы, вырезанная из целого листа.

На фиг.7 представлена листовая заготовка лент, огибающих твэлы, состоящая из двух фрагментов.

На фиг.8 представлена листовая заготовка лент, огибающих твэлы, состоящая из трех фрагментов.

На фиг.9 представлен фрагмент дистанционирующей системы, изображенной на фиг.5.

На фиг.10 представлено поперечное сечение тепловыделяющей сборки ядерного реактора, дистанционирующая система которой имеет внешний обод, прикрепленный по наиболее широким граням к ленте, огибающей твэлы наружного ряда. На ободе сформированы дистанционирующие выступы.

На фиг.11 представлен участок дистанционирующей системы с внешним ободом, состоящим из отдельных фрагментов.

На фиг.12 представлено поперечное сечение тепловыделяющей сборки ядерного реактора, у дистанционирующей системы которой внешний обод образован лентой, соединенной по ребрам (с уступом, равным ширине лент) с лентой, огибающей твэлы наружного ряда. На ободе сформированы дистанционирующие выступы. Часть ленты, огибающей твэлы наружного ряда, сформирована в виде симметрично расположенных дистанционирующих лепестков, а на лепестках также сформированы дистанционирующие выступы.

На фиг.13 представлена листовая заготовка фрагмента этой дистанционирующей системы со сформированными пуклевками и гофрами.

На фиг.14 представлен фрагмент дистанционирующей системы тепловыделяющей сборки, изображенной на фиг.12.

На фиг.15 представлен фрагмент дистанционирующей системы тепловыделяющей сборки, подобный изображенной на фиг.14, но со смещением лент и обода относительно друг друга вдоль оси ТВС с уступом, равным удвоенной ширине ленты.

На фиг.16 представлено поперечное сечение 18-ти стержневой тепловыделяющей сборки ядерного реактора, у дистанционирующей системы которой внешний обод образован лентами, соединенными с двух сторон (с уступом) с двумя симметрично расположенными относительно обода лентами, огибающими твэлы наружного ряда. У лент, огибающих твэлы наружного ряда, сформированы дистанционирующие лепестки. Причем часть лепестков соединяют ленты наружного ряда, а на ободе, лепестках и профилированных лентах сформированы дистанционирующие выступы.

На фиг.17 представлен вид сбоку фрагмента тепловыделяющей сборки, поперечное сечение которой представлено на фиг.16.

На фиг.18 показаны сечения (на разных уровнях) фрагмента ТВС, изображенного на фиг.17. В плоскости сечений изображены только элементы дистанционирующей системы.

На уровнях "а" и "и" расположены как ленты, огибающие внутренний ряд твэлов, так и лепестки ленты, огибающей наружный ряд твэлов.

На уровнях "б" и "з" расположены места соединения лент, огибающих внутренний и наружный ряды твэлов, и дистанционирующие лепестки ленты, огибающей наружный ряд твэлов.

На уровнях "в" и "ж" расположены ленты, огибающие наружный ряд твэлов.

На уровнях "г" и "е" расположены места соединения обода с лентами, огибающими наружный ряд твэлов и дистанционирующие лепестки этих лент.

На уровне "д" расположен обод.

На фиг.19 представлена листовая заготовка с выдавленными пуклевками и гофрами дистанционирующей системы сборки, которая показана на фиг.16, 17.

На фиг.20 представлен фрагмент дистанционирующей системы сборки, изображенной на фиг.16, 17.

На фиг.21 представлено поперечное сечение тепловыделяющей сборки ядерного реактора, в которой расположение твэлов характерно для РБМК и у которой внешний обод дистанционирующей системы образован лентами, соединенными с уступом с лентой, огибающей твэлы наружного ряда. Пуклевки, гофры и участки профилированных лент направлены под углом к центральной оси решетки.

На фиг.22 представлена листовая заготовка яруса дистанционирующей системы с выдавленными пуклевками и гофрами.

На фиг.23 представлен фрагмент дистанционирующей системы сборки, изображенной на фиг.21.

На фиг.24 представлено поперечное сечение тепловыделяющей сборки ядерного реактора, в которой часть ленты дистанционирующей системы, огибающей твэлы наружного ряда, сформирована в виде дистанционирующих лепестков. На лепестках и лентах сформированы пуклевки. На ободе прикреплены дистанционирующие ленты. Ленты дистанционирующей системы прикреплены к внешнему и внутреннему ободам, а края этих лент сформированы в виде лепестков, скрученных и/или расположенных под углом к центральной оси дистанционирующей решетки.

На фиг.25 представлена листовая заготовка лент ярусов этой дистанционирующей системы с выдавленными пуклевками и гофрами.

На фиг.26 представлен фрагмент дистанционирующей системы, изображенной на фиг.24.

На фиг.27 представлен вид сбоку дистанционирующей системы фрагмента тепловыделяющей сборки, изображенной на фиг.24, и сечения:

- А-А по лентам системы, огибающим внутренний ряд твэлов, и внутреннему ободу;

- Б-Б по ленте системы, огибающей наружный ряд твэлов, и внешнему ободу.

На фиг.28 представлено поперечное сечение 18-ти стержневой тепловыделяющей сборки ядерного реактора, в которой по два твэла внутреннего ряда и по два периферийных находятся на каждой из 3-х осей, проходящих через центр сборки. На внешнем ободе приварены отрезки дистанционирующей ленты, на которых сформированы дистанционирующие выступы.

Тепловыделяющая сборка содержит концевые решетки и дистанционирующую систему, представляющую собой изогнутые замкнутые и скрепленные между собой не менее чем в нескольких местах ленты 1 (фиг.1, 4, 5, 9-21, 23, 24, 26-28), закрепленные на центральной трубе 2 (фиг.1, 5, 10, 12, 16-18, 21, 24, 27, 28) тепловыделяющей сборки. Ленты дистанционируют твэлы 3 (фиг.1, 5, 10, 12, 16-18, 21, 24, 28) посредством имеющихся на них дистанционирующих выступов 4 (фиг.1, 4, 5, 9-16, 18-28), расположенных под углом 120° друг к другу относительно оси фиксируемого ими твэла. Ленты, огибающие наружный ряд ячеек, прикреплены по наиболее широким граням к внешнему ободу 5 (фиг.10, 24, 27, 28), к фрагментам внешнего обода 6 (фиг.11) или по ребрам к лентам, образующим внешний обод 7 (фиг.12-23), и/или их концы скреплены друг с другом.

Дистанционирующие лепестки 8 (фиг.12-20, 24-27) являются частью лент 1 и могут быть сформированы на краях лент. Отдельные участки 9 (фиг.21, 23) лент могут быть наклонены по отношению к оси ТВС. В центре может находиться внутренний обод 10 (фиг.24, 27), скрепленный с лентами, огибающими внутренний ряд твэлов, а также эти ленты могут быть скреплены между собой. На краях лент могут быть сформированы турбулизирующие лепестки 11 (фиг.24-27). Внешний обод или фрагмент обода может быть снабжен дистанционирующими элементами. Дистанционирующие элементы могут быть выполнены в виде волнообразной ленты 12, прикрепленной к ободу непосредственно (фиг.24, 28), или обод может быть выполнен с дистанционирующими элементами (фиг.10-20). Твэл 3 дистанционируется элементами 12 и выступами лент.

В большинстве описываемых частных вариантов конструкции тепловыделяющей сборки тепловыделяющие элементы, расположенные в центре, могут быть дистанционированы на других уровнях, чем тепловыделяющие элементы, расположенные на периферии около обода (фиг.5-28). Ленты без лепестков и ленты с лепестками сформированы из одного листа (фиг.6, 9-28). В некоторых вариантах заготовка лент и обода формируется из одного листа просечками или прорезями с шириной прорезей до удвоенной ширины лент (фиг.12-23).

Большая, чем удвоенная ширина лент, ширина прорезей приводит к снижению жесткости дистанционирующей системы, что, в свою очередь, может привести к недопустимым ее деформациям при перегрузках сборок. Места сварки или пайки в большинстве вариантов конструкции расположены только на ободах и концах дистанционирующих лент, что увеличивает долговечность всей дистанционирующей системы по сравнению со штатной конструкцией, а также увеличивает технологичность изготовления ТВС в целом (фиг.5-28). Предлагаемая тепловыделяющая сборка может быть изготовлена с использованием любой известной технологии на известном оборудовании с применением несложной оснастки.

Предлагаемая тепловыделяющая сборка РБМК оснащена лентами 1, которые прикреплены к центральной трубе 2 непосредственно (фиг.1, 5, 10, 12, 16-18, 21, 28) или через внутренний обод 10 (фиг.24, 27), а также могут быть прикреплены и к внешнему ободу 5 (фиг.10, 24, 27, 28), к фрагментам внешнего обода 6 (фиг.11) или выполнены вместе с внешним ободом 7 (фиг.12-23).

В предлагаемой ТВС дистанционирующая система при помощи сформированных на лентах лепестков 8, которые являются частью лент (фиг.12-20, 24-27), дистанционирующих выступов 4 (фиг.1, 4, 5, 9-16, 18-28) и расположенных на ободах или фрагментах обода дистанционирующих элементов (фиг.10-20, 24, 27, 28), дистанционирует твэлы 3 на заданном расстоянии друг от друга более надежно, чем в существующих ТВС, предотвращая искривление и выталкивание их со своего места в течение всего времени эксплуатации ТВС.

Повышенная надежность предлагаемой конструкции ТВС с дистанционирующей системой из сплавов циркония обеспечивается тем, что отношение площади поверхности стенок дистанционирующей системы к объему ее материала значительно меньше, чем у ТВС с дистанционирующими решетками, изготовленными из особотонкостенных труб. При той же скорости окисления поверхности и, соответственно, том же потоке водорода, идущем в материал лент через единицу площади их поверхности, накопление водорода в единице объема материала лент значительно меньше. Кроме того, напряжения от растягивающего действия образующейся окисной пленки и вибрационных воздействий твэлов на ленты будут много меньше, так как у лент, вследствие их большей толщины, площадь поперечного сечения стенки и момент сопротивления значительно выше, чем у стенки ячейки. Уменьшение концентрации водорода отодвинет по времени, а возможно, предотвратит образование гидридов в стенках дистанционирующей системы при эксплуатации. Снижение растягивающих напряжений, с одной стороны, уменьшает вероятность формирования гидридов наиболее опасной радиальной ориентации, а с другой стороны, как известно, уменьшение растягивающих напряжений всегда снижает вероятность разрушения изделий. Следовательно, время эксплуатации ТВС до разрушения ее дистанционирующей системы значительно увеличится. Кроме того, увеличение средней площади отверстий в местах дистанционирования в загруженной твэлами ТВС и уменьшение общей длины стенок дистанционирующей системы наряду с двухступенчатым расположением лент снижает засорение ТВС "мусором", содержащимся в теплоносителе, что уменьшит дебриз твэлов. Следовательно, надежность ТВС значительно возрастает. При набегании потока теплоносителя на дистанционирующую систему "наличие расположенных под углом к центральной оси решетки и, соответственно, направлению потока теплоносителя, дистанционирующих выступов 4, участков лент 9, турбулизирующих лепестков 11 и дистанционирующих элементов (фиг.21-23) приводит к турбулизации потока теплоносителя и, соответственно, улучшению теплосъема с поверхности твэлов. Угол наклона к оси ТВС турбулизирующих выступов и элементов, пуклевок, гофров и участков профилированной ленты не должен превышать 60° из-за возможности возникновения кавитации.

Таким образом, повышается надежность тепловыделяющей сборки РБМК за счет повышения надежности ее дистанционирующей системы и снижения вероятности разрушения оболочек твэлов по механизму дебриза.

Источники информации

1. Б.А.Дементьев "Ядерные энергетические реакторы", стр.64, 65. М.: Энергоатомиздат. 1984 г.

2. Там же, стр. 45, 47.

Изобретение относится к атомной технике и может быть использовано в ядерных реакторах, особенно в реакторах большой мощности канальных (РБМК). Техническим результатом изобретения является повышение надежности тепловыделяющей сборки. Тепловыделяющая сборка ядерного реактора типа РБМК, представляющая собой каркас с размещенными в нем твэлами, содержащий центральную трубу, с закрепленными на ней концевыми решетками и многоярусной дистанционирующей системой. Дистанционирующая система выполнена в виде огибающих твэлы изогнутых замкнутых имеющих дистанционирующие выступы скрепленных между собой лент, причем твэлы наружного и внутреннего рядов контактируют с огибающими их лентами не менее чем в двух местах. В состав элементов дистанционирующей системы могут входить внешний и внутренний ободы, скрепленные с лентами, огибающими твэлы. И ленты и ободы могут быть скреплены между собой с уступом и изготовлены из одного листа. 11 з.п. ф-лы, 28 ил.

1. Тепловыделяющая сборка ядерного реактора большой мощности канального (РБМК), представляющая собой каркас в виде центральной трубы, на которой закреплены концевые решетки и дистанционирующая система, выполненная в виде нескольких ярусов, с размещенными в них двумя концентричными кольцевыми рядами твэлов, отличающаяся тем, что каждый ярус дистанционирующей системы выполнен в виде нескольких изогнутых лент, каждая из которых соединена с соседней, причем каждый твэл контактирует с одной из лент не менее чем в двух местах.2. Тепловыделяющая сборка по п.1, отличающаяся тем, что ленты в местах контакта с твэлами снабжены дистанционирующими выступами.3. Тепловыделяющая сборка по п.1, отличающаяся тем, что ленты, огибающие наружный ряд твэлов, состоят из нескольких фрагментов.4. Тепловыделяющая сборка по п.1, отличающаяся тем, что соседние ленты каждого яруса размещены с уступом по высоте не менее ширины ленты.5. Тепловыделяющая сборка по п.1, отличающаяся тем, что, по меньшей мере, часть ярусов дистанционирующей системы снабжена внешним ободом, с которым скреплены ленты, огибающие наружный ряд твэлов.6. Тепловыделяющая сборка по п.5, отличающаяся тем, что внешний обод и соседние ленты размещены с уступом по высоте не менее ширины ленты или обода.7. Тепловыделяющая сборка по п.5, отличающаяся тем, что на внешнем ободе сформированы дистанционирующие выступы для фиксации твэлов.8. Тепловыделяющая сборка по п.2, отличающаяся тем, что дистанционирующие выступы сформированы в виде пуклевок, гофров или изгибов.9. Тепловыделяющая сборка по п.1, отличающаяся тем, что ленты, огибающие твэлы наружного ряда, выполнены с лепестками для фиксации твэлов внутреннего ряда.10. Тепловыделяющая сборка по п.1, отличающаяся тем, что ленты, огибающие твэлы внутреннего ряда, прикреплены к центральной трубе.11. Тепловыделяющая сборка по п.1, отличающаяся тем, что, по крайней мере, часть ярусов дистанционирующей системы снабжена внутренним ободом, который закреплен на центральной трубе и соединен с лентами, огибающими твэлы внутреннего ряда.12. Тепловыделяющая сборка по п.1, отличающаяся тем, что ленты выполнены с лепестками для турбулизации потока теплоносителя.