АКТИВНАЯ ЗОНА ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА Российский патент 2008 года по МПК G21C5/06 

Изобретение относится к активным зонам ядерного реактора с преимущественным использованием в первом контуре жидкометаллического теплоносителя свинец-висмут.

Известна активная зона реактора (Х.Ф.Крауч «Ядерные корабельные силовые установки», Госатомиздат, Москва, 1960 г., стр.107), в которой тепловыделяющая сборка (ТВС) имеет круглую форму и заключена в шестигранный чехол, выполненный из циркония. Пространство между ТВС и чехлом заполнено графитом, который является замедлителем. Вокруг активной части зоны расположены графитовые блоки шестигранной формы, облицованные цирконием, также являющиеся замедлителем. ТВС и блоки замедлителя установлены в корзину, окружающую активную зону снаружи. Естественно, что периферийный ряд блоков имеет форму неполного шестигранника. Регулирующие стержни расположены в центральной части активной зоны в узлах стыковки между собой трех соседних блоков с ТВС.

В настоящее время нашла широкое применение конструкция шестигранной безчехловой ТВС с центральной проходкой - трубой под установку стержня системы управления и защиты (СУЗ) или без нее. (см.: Д.Ф.Романов, М.А.Лебедев и др. «Судовые ядерные паропроизводящие установки», стр.83, издательство «Судостроение», Ленинград, 1967 г., А.М.Головизнин, В.А.Кузнецов и др. «Судовые ядерные энергетические установки», стр.98, Атомиздат, Москва, 1976 г.)

Стержневые тепловыделяющие элементы (твэлы) содержат внутри топливо и замедлитель - бериллий, поэтому активная зона состоит из рабочих безчехловых ТВС, в состав которых входят вышеуказанные твэлы, расположенные по треугольной сетке с углом 60°, образующие шестигранную форму ТВС. ТВС, расположенные в центральной части активной зоны, имеют трубы под установку чехлов стержней СУЗ. Все ТВС размещаются между верхней и нижней решетками активной зоны. Крепление всех ТВС осуществляется жестко к нижней решетке, а в верхней решетке фиксируются только ТВС, имеющие трубы под чехлы стержней СУЗ. Снаружи ТВС ограничиваются фигурной обечайкой корзины активной зоны, профиль которой в плане идентичен расположению твэлов периферийных ТВС. Конструктивный расчетный зазор между фигурной обечайкой и периферийными твэлами до 1,5 мм.

В поперечном сечении активной зоны имеются стандартные и нестандартные ячейки. Стандартные ячейки образованы твэлами в составе каждой ТВС и составляют межтвэльное проходное сечение постоянной величины. Нестандартные ячейки образованы периферийными твэлами и фигурной обечайкой корзины, а также твэлами и трубой, проходящей через ТВС и в которой размещен чехол стержня СУЗ.

Стандартные и нестандартные ячейки учитываются при теплогидравлическом расчете активной зоны. Температурный режим оболочек твэлов является важным условием, влияющим на безопасную работу активной зоны. Превышение температуры оболочек твэлов выше допускаемой может привести к разгерметизации оболочки и выходу газообразных радиоактивных продуктов деления топлива в первый контур. Поэтому обеспечение необходимого расхода теплоносителя по каждой ячейке является обязательным условием. С этой точки зрения, в стандартных ячейках ввиду постоянного проходного сечения обеспечивается необходимый расчетный расход теплоносителя, а также температурный режим твэлов. В нестандартных ячейках расход будет другим, т.к. по проходному сечению они отличаются от стандартных ячеек, а, следовательно, и температурный режим прилегающих к фигурной обечайке корзины твэлов будет другим. Таким образом, температура твэлов в активной зоне будет иметь радиальный перекос. Положение усугубляется тем, что периферийные ТВС, не зафиксированные в верхней решетке, под действием гидродинамических усилий потока теплоносителя, а также температурных факторов, будут верхней своей частью отклоняться к периферии до упора в профильную обечайку корзины, изменяя неопределенным образом проходное сечение нестандартных ячеек в верхней части активной зоны с изменением гидравлического и температурного режимов работы твэлов, что недопустимо.

Кроме того, описанное выше отклонение периферийных ТВС наружу в пределах имеющихся зазоров превращает стандартные ячейки на границе предпоследнего и последнего рядов ТВС в нестандартные ячейки с увеличенными проходными сечениями и расходом за счет уменьшения расхода по другим стандартным ячейкам, что также является недопустимым.

Нерегламентированное изменение во время работы активной зоны исходных проходных сечений ряда нестандартных и стандартных ячеек, связанное в итоге с нарушением расчетного температурного режима твэлов, является крупным недостатком упомянутой конструкции активной зоны, которая является наиболее близким техническим решением и поэтому принята за прототип.

Задачей, поставленной в настоящем изобретении является сохранение исходных проходных сечений стандартных и нестандартных ячеек во время работы.

Техническим результатом является обеспечение расчетного температурного режима твэлов и повышение надежности работы активной зоны.

Достижение технического результата обеспечивается тем, что все периферийные ТВС, свободные от труб под чехлы стержней СУЗ фиксируются своей верхней частью в исходном монтажном положении в верхней решетке активной зоны, что не позволяет им отклоняться в потоке теплоносителя, тем самым обеспечивается стабильность стандартных ячеек на стыке с соседними ТВС и обеспечиваются постоянные расчетные проходные сечения периферийных нестандартных ячеек на границе с профильной обечайкой корзины. Для этого верхняя решетка периферийной ТВС снабжена цилиндрической бобышкой, которая при установке ТВС входит в соответствующее отверстие в верхней решетке активной зоны, тем самым фиксирует ТВС от радиального перемещения при работе.

Сущность изобретения поясняется чертежами:

фиг.1 - продольный разрез тепловыделяющей сборки активной зоны;

фиг.2 - поперечное сечение ТВС и фигурной обечайки корзины.

На фиг.1 показана периферийная ТВС 1 с твэлами 2, верхняя решетка 3 ТВС с цилиндрической бобышкой 4, отверстие 5 верхней решетки 6 активной зоны, фигурная обечайка 7 корзины и нижняя решетка 8 активной зоны с узлом крепления 9.

На фиг.2 показана периферийная ТВС 1, твэлы 2, верхняя решетка ТВС 3, цилиндрическая бобышка 4, фигурная обечайка 7.

При сборке активной зоны ТВС, каждая из которых устанавливается таким образом, что стороны шестигранной ТВС контактируют с соответствующими сторонами соседних шестигранных ТВС, а периферийные ТВС, имеющие форму неполного шестигранника, вписываются идентично в профиль фигурной обечайки корзины, при этом цилиндрическая бобышка каждой ТВС входит в соответствующее отверстие в верхней решетке активной зоны, обеспечивая продольное температурное расширение ТВС. Окончательное неподвижное крепление всех ТВС производится к нижней решетке активной зоны с помощью узла крепления.

Устройство предназначено для использования в ядерных реакторах в первом контуре жидкометаллического теплоносителя свинец-висмут. Активная зона ядерного реактора содержит тепловыделяющие сборки с трубами под установку чехлов стержней системы управления и защиты и тепловыделяющие сборки без них. Корзины между верхней и нижней решетками размещены в фигурной обечайке и закреплены неподвижно в нижней решетке. Верхние решетки тепловыделяющих сборок, в которых отсутствуют трубы под установку стержней системы управления и защиты, снабжены цилиндрическими бобышками. Верхняя решетка активной зоны снабжена соответствующими отверстиями. В результате этого при сборке активной зоны все тепловыделяющие сборки имеют закрепление в своей верхней части, разрешающее продольное термическое расширение и запрещающее радиальное перемещение каждой тепловыделяющей сборки, что обеспечивает исходное первоначальное положение каждой тепловыделяющей сборки с сохранением проходных сечений по всем стандартным и нестандартным ячейкам активной зоны при ее эксплуатации, 2 ил.

Активная зона ядерного реактора, содержащая как тепловыделяющие сборки с трубами под установку чехлов стержней системы управления и защиты, так и тепловыделяющие сборки, в которых отсутствуют упомянутые трубы, размещенные в фигурной обечайке корзины между верхней и нижней решетками и закрепленные неподвижно в упомянутой нижней решетке, отличающаяся тем, что верхние решетки тепловыделяющих сборок, в которых отсутствуют трубы под установку чехлов стержней системы управления и защиты, снабжены цилиндрическими бобышками, а верхняя решетка активной зоны снабжена соответствующими отверстиями, в результате этого при сборке активной зоны все тепловыделяющие сборки имеют закрепление в своей верхней части, разрешающее продольное термическое расширение и запрещающее радиальное перемещение каждой тепловыделяющей сборки, что обеспечивает исходное первоначальное положение каждой тепловыделяющей сборки с сохранением проходных сечений по всем стандартным и нестандартным ячейкам активной зоны при ее эксплуатации.