ДИСТАНЦИОНИРУЮЩАЯ РЕШЕТКА ДЛЯ ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩЕЙ СБОРКИ Российский патент 2008 года по МПК G21C3/34 

Изобретение относится к области ядерной техники, а точнее к дистанционирующим устройствам тепловыделяющей сборки (ТВС), и может быть использовано в ядерных реакторах.

Известна конструкция дистанционирующей решетки для сборки с квадратной упаковкой стержней - тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ), содержащая множество пересекающихся полос, образующих при их пересечении ряды ячеек прямоугольной формы для размещения стержней (см. [1]). Полосы совмещены между собой с помощью пазов и скрепляются в местах пересечения, а также привариваются к опоясывающему их ободу. Центровка ТВЭЛ в ячейке осуществляется четырьмя упругими выступами, расположенными у верхней и нижней кромок каждой из двух противоположных стенок ячейки, и двумя эластичными элементами Х- образной формы, расположенными на двух других противоположных стенках ячейки.

Недостатками такой конструкции решетки являются: недостаточная эксплуатационная надежность ТВС и трудоемкость ее изготовления. Первый недостаток обусловлен наличием в ячейке, предназначенной для размещения ТВЭЛ, шести центрующих элементов вместо необходимых трех элементов, расположенных под углом 120° друг к другу, что увеличивает вероятность образования люфтов при эксплуатации ТВС. Второй - обусловлен сложностью изготовления полос с эластичными элементами Х-образной формы.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой решетке является дистанционирующая решетка для ТВС с треугольной и квадратной упаковкой стержней, представляющая собой набор кольцевых муфт гантельной формы, разделенных изнутри перемычкой на две одинаковые ячейки с центрующими элементами для размещения стержней, и сгруппированных внутри опоясывающих их обода (см. [2]). При этом каждая муфта изготовлена из одной цельной металлической полоски, а перемычка может представлять собой как часть этой полоски, так и отдельную металлическую пластинку. На каждой перемычке размещена специальная, двухсторонняя пружина, которая состоит из двух одинаковых по форме металлических полосок с симметричными фигурными изгибами, направленными в противоположные стороны друг к другу и находящимися соответственно по обе стороны перемычки. Центрующими элементами, которые расположены друг к другу под углом 120° по периметру ячейки, являются: фигурный изгиб указанной пружины и два упругих выступа, сформированных на каждом из двух кольцевых участков муфты.

Основным недостатком такой конструкции решетки является большая трудоемкость ее изготовления. Это обусловлено, в основном, большим количеством технологических операций, требуемых для монтажа как перемычки в каждой муфте, так и предварительно изготовленной двухсторонней пружины на перемычке. Другим ее недостатком является недостаточная эксплуатационная надежность таких муфт и используемого типа двухсторонней пружины. Это обусловлено как малой жесткостью кольцевых участков муфт и фигурных изгибов такой пружины, так и возможностью выхода из строя отдельных перемычек.

Технической задачей, стоящей перед предлагаемым изобретением, является создание конструкции дистанционирующей решетки для сборки стержней с повышением ее эксплуатационной надежности и уменьшением трудоемкости изготовления решетки.

Поставленная задача решается тем, что в дистанционирующей решетке, предназначенной для сборки стержней, например, с их квадратной упаковкой, содержащей набор муфт, разделенных изнутри перемычкой на две одинаковые ячейки с центрующими элементами для размещения стержней и сгруппированных внутри опоясывающих их обода, по крайней мере, часть муфт расположена в ряд и содержит общую, проходящую через них перемычку, а муфты имеют восьмигранную форму с двумя боковыми, одинаковыми, параллельными гранями, у которых ширина должна быть больше каждой из ее остальных боковых граней.

Для каждой ячейки два центрующих элемента формируются соответственно на двух соответствующих боковых гранях муфты в виде одиночного гофра, а третий центрующий элемент - на перемычке в виде двух гофров, направленных в противоположные стороны друг к другу и расположенных соответственно по обе стороны перемычки со смещением по ее высоте. Муфты каждого ряда и общая их перемычка совмещены между собой при помощи выполненных на них соответствующих прорезей.

Расположение предложенных муфт плотно друг к другу в ряд по боковым, одинаковым, параллельным граням, у которых ширина больше каждой из ее остальных боковых граней, с последующим размещением через эти грани общей перемычки позволяет по сравнению с прототипом упростить технологию изготовления дистанционирующей решетки за счет исключения сложных технологических операций, например операций размещения и закрепления коротких отдельных перемычек в каждой муфте при помощи специальных монтажных элементов и последующей компоновки этих муфт в решетке.

Такое решение по сравнению с прототипом позволяет также повысить эксплуатационную надежность дистанционирующей решетки, а следовательно, и сборки стержней за счет закрепления перемычки во всех муфтах ряда, а не в одной муфте, и увеличения жесткости боковой поверхности муфт из-за формирования у них граней вместо кольцевых участков муфт гантельной формы. Необходимая эластичность (пружинистость) дистанционирования стержней обеспечивается формированием центрующих элементов в виде гофр, жесткость которых зависит только от величины радиуса кривизны их криволинейной поверхности.

Для сборки с квадратной упаковкой стержней возможно расположение муфт в одинаковые и симметричные ряды для каждой из двух диагоналей, проведенных через центр решетки, при этом перемычки в несимметричных рядах будут находиться взаимоперпендикулярно друг другу. При такой компоновке рядов муфт достигается полное заполнение этими рядами всего пространства решетки (фиг.1), а следовательно, требуется наименьшее количество операций по размещению этих рядов.

Наличие на решетке интенсификаторов теплообмена, выполненных на перемычках, например, в виде отогнутых лопаток, выступающих над верхней плоскостью решетки по ходу потока теплоносителя, также повышает эксплуатационную надежность сборки стержней за счет устранения локальных перегревов теплоносителя у поверхности стержней (ТВЭЛ) вследствие увеличения степени межъячейкового перемешивания теплоносителя в канале. Возможность формирования на общей перемычке сразу нескольких интенсификаторов теплообмена, составляющих одно целое с перемычкой, также приводит к уменьшению трудоемкости изготовления интенсификаторов, их монтажа в решетке, а следовательно, и ее изготовления с интенсификаторами теплообмена.

Кроме того, отсутствие большого количества специальных монтажных элементов, используемых для крепления перемычек в отдельных муфтах - прототипа приводит не только к улучшению технологичности изготовления решетки, но и к уменьшению величины степени перекрытия проходного сечения канала. Последнее способствует понижению величины коэффициента гидравлического сопротивления решетки, а следовательно, и всего канала в целом.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где:

на фиг.1 и 2 изображены общие виды сверху на дистанционирующие решетки для ТВС с расположением ТВЭЛ по квадратной упаковке;

на фиг.3 - вид сбоку на эти решетки;

на фиг.4, 5 и 6 показана муфта восьмигранной формы соответственно при виде спереди, сбоку и сверху;

на фиг.7 и 8 показана часть общей перемычки соответственно при виде спереди и сбоку по сечению А-А;

на фиг.9 представлен конструктивный узел решетки согласно фиг.1 в виде отдельного ряда муфт с общей перемычкой;

на фиг.10 и 11 отражена технологическая возможность формирования на общей перемычке интенсификаторов теплообмена в виде отогнутых лопаток;

на фиг.12 и 13 показаны соответственно два возможных варианта расположения отогнутых лопаток в ячейковом ряду;

на фиг.14 и 15 отражен характер воздействия этих лопаток на движение потока теплоносителя в проходном сечении канала при двух вариантах их размещения в решетке согласно фиг.1.

Дистанционирующая решетка для ТВС с квадратной упаковкой стержней согласно фиг.1 - 3 представляет собой совокупность рядов муфт восьмигранной формы 1, имеющих в каждом ряду общую перемычку 2, которая разделяет муфты изнутри на две одинаковые ячейки 3 с центрующими элементами 4, 5 для размещения стержней 6 и сгруппированных внутри опоясывающих их обода 7 квадратной формы. Причем ширина у двух параллельных граней каждой муфты одинакова и больше каждой из ее остальных граней. Кроме того, в решетках (фиг.1 и 2) имеется центральная ячейка большего размера, предназначенная для установки датчика мощности, а на решетке (фиг.2) вместо 24 ячеек 3 могут быть сформированы 24 специальные ячейки 8 большего размера, предназначенные для установки направляющих труб.

Из фиг.4 - 6 видно, что центрующие элементы, находящиеся на четырех наклонных гранях, сформированы в виде одиночных гофров 4, а посередине верхней половины двух боковых, параллельных граней, имеющих большую ширину, чем остальные грани, сделаны прорези 9. Как показано на фиг.7 и 8, аналогичные центрующие элементы и прорези, находящиеся на общей перемычке, имеют некоторые отличия от указанных выше. Здесь каждый центрующий элемент формируется в виде двух гофров 5, направленных в противоположные стороны друг к другу и расположенных соответственно по обе стороны перемычки со смещением по ее высоте, а прорези 10 располагаются на нижней половине ее боковой поверхности. Расстояние как между гофрами, так и между прорезями по длине перемычки равно шагу расположения стержней в ТВС. В соответствии с фиг.10 с помощью указанных прорезей достигается полное совмещение перемычки с муфтами.

Для повышения эксплуатационной надежности дистанционирования в канале ТВС аналогичные гофры могут быть сформированы и на ободе 7.

При необходимости увеличения степени межъячейкового перемешивания теплоносителя в проходном сечении канала с ТВС на перемычках могут быть сформированы интенсификаторы теплообмена, например, согласно фиг.10 и 11 в виде фигурных лопаток 11, составляющих с перемычкой одно целое и отогнутых на заданный угол α относительно продольной оси ТВС. Здесь следует отметить, что наличие такой общей перемычки является оптимальным местом формирования интенсификаторов теплосъема с точки зрения технологии их изготовления. Как видно из фиг.12 и 13, лопатки 11 сформированы вне области муфт могут быть ориентированы как с одинаковым, так и различным направлением отгибов относительно перемычки в одном ряду муфт. Первое сделано для того, чтобы лопатки находились вне области решетки и тем самым оказывали слабое воздействие на сопутствующее этому повышение коэффициента гидравлического сопротивления канала. Два варианта направлений отгиба лопаток относительно перемычки, показанные соответственно на фиг.12 и 13, не являются единственными. В зависимости от поставленной цели направление отгиба лопаток относительно перемычки может иметь и другую последовательность.

Два варианта размещения лопаток в решетке согласно фиг.1 представлены соответственно на фиг.14 и 15. В первом варианте (фиг.14) отгибы всех лопаток относительно перемычки имеют одинаковое направление, а во втором - различное.

Конструктивный элемент решетки - муфта 1 может быть изготовлена из металлического трубчатого или листового материала. Конструктивные элементы: общая перемычка 2 и обод 7 могут быть изготовлены из металлического листового материала. Все элементы 1, 2 и 7 решетки могут быть скреплены в местах плотного примыкания при помощи сварки или пайки.

Предлагаемая дистанционирующая решетка работает следующим образом. ТВС оснащается дистанционирующими решетками согласно фиг.1 или 2 (при наличии направляющих труб), расположенными с заданным шагом по ее длине. При помощи этих решеток производится установка стержней (ТВЭЛ) на заданном расстоянии друг от друга в ТВС, предотвращается их искривление и выталкивание со своего места при эксплуатации ТВС. В активной зоне ядерного реактора ТВС омывается теплоносителем, с помощью которого производится охлаждение поверхности ТВЭЛ.

При необходимости увеличения степени межъячейкового перемешивания теплоносителя в проходном сечении канала с ТВС, она оснащается частично или полностью решетками, содержащими перемычки с фигурными лопатками, отогнутыми на заданный угол α относительно продольной оси ТВС. При движении теплоносителя в канале с ТВС, оснащенной решетками с указанными лопатками, в проходном сечении канала создаются поперечные сечения, выравнивающие подогревы теплоносителя в проходных ячейках канала, что приводит к повышению коэффициента запаса по мощности ТВС до кризиса теплообмена, а следовательно, и ее эксплуатационной надежности. Очевидные направления поперечных сечений теплоносителя, возникающих под действием таких лопаток, отображены на фиг.14 и 15 в виде стреловидных линий (линий тока) соответственно для указанных выше первого и второго вариантов. При этом для отчетливости показа линий тока внутренняя компоновка ячейковых рядов не приводится. На основе анализа этих линий тока можно сделать предварительный вывод, что потери напора на ТВС в первом варианте будут меньше, чем во втором, так как отогнутые лопатки, имеющие одинаковое направление отгиба относительно перемычек, будут вызывать закрутку потока в одном направлении по всему сечению канала. Оптимальная с теплогидравлической точки зрения конфигурация лопаток и схема их расположения в решетке определяется при проведении специальных экспериментов.

Изобретение относится к области ядерной техники, в частности к дистанционирующим устройствам тепловыделяющих сборок (ТВС) энергетических ядерных реакторов. Дистанционирующая решетка для сборки стержней, например, с их квадратной упаковкой, представляет собой набор соприкасающихся между собой муфт, разделенных изнутри перемычкой на две одинаковые ячейки с центрующими элементами для размещения стержней и опоясанных плотно прилегающим к ним ободом. При этом, по крайней мере, часть муфт, имеющих боковые, попарно противоположные, одинаковые, параллельные грани, расположена в ряд и содержит общую, проходящую через них перемычку, а ширина каждой из двух противоположных граней, через которые проходит перемычка, должна быть больше каждой из ее остальных боковых граней. Изобретение позволяет повысить эксплуатационную надежность ТВС и уменьшить трудоемкость изготовления дистанционирующей решетки за счет расположения муфт в ряд и размещения через соответствующие прилегающие боковые грани муфт общей перемычки, делящей каждую муфту на две ячейки. 4 з.п. ф-лы, 15 ил.

1. Дистанционирующая решетка для сборки стержней, например, с их квадратной упаковкой, представляющая собой набор соприкасающихся между собой муфт, разделенных изнутри перемычкой на две одинаковые ячейки с центрующими элементами для размещения стержней и опоясанных плотно прилегающим к ним ободом, отличающаяся тем, что, по крайней мере, часть муфт, имеющих боковые, попарно противоположные, одинаковые, параллельные грани, расположена в ряд и содержит общую, проходящую через них перемычку, а ширина каждой из двух противоположных граней, через которые проходит перемычка, должна быть больше каждой из ее остальных боковых граней.2. Дистанционирующая решетка по п.1, отличающаяся тем, что муфты имеют восьмигранную форму.3. Дистанционирующая решетка по п.1, отличающаяся тем, что расположенные на перемычке и соответствующих гранях муфты центрующие элементы, выполнены в виде гофров.4. Дистанционирующая решетка по п.1, отличающаяся тем, что муфты расположены в одинаковые и симметричные ряды для каждой из двух диагоналей, проведенных через центр решетки, при этом перемычки в несимметричных рядах находятся взаимоперпендикулярно друг другу.5. Дистанционирующая решетка по п.1, отличающаяся тем, что на общей перемычке сформированы интенсификаторы теплообмена, составляющие с ней одно целое и выполненные, например, в виде отогнутых лопаток, выступающих над верхней плоскостью решетки по ходу потока теплоносителя.