ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩАЯ СБОРКА КАНАЛЬНОГО ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА Российский патент 2008 года по МПК G21C3/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к ядерной технике, в частности к конструкциям тепловыделяющих сборок (ТВС), используемых в канальных ядерных реакторах типа РБМК (реактор большой мощности канальный), и может быть применено в разрабатываемых реакторах, а также при модернизации активных зон действующих реакторов.

Уровень техники

Известна тепловыделяющая сборка канального ядерного реактора, содержащая пучок тепловыделяющих элементов, ограниченный концевыми деталями (Б.Фрост "Тепловыделяющие элементы ядерных реакторов", М., Энергоатомиздат, 1986, с.158, 159).

В числе основных недостатков указанной ТВС следует перечислить следующие:

- заходная часть концевых элементов выполнена под прямым углом, что приводит к опасности утыкания и деформации ТВС при загрузке в канал реактора;

- дистанционирование ТВС в технологическом канале осуществляется с помощью выполненных на кожухе ТВС ребер, поэтому увеличивается износ каналов в местах контакта с ребрами;

- зазор малой величины между концевыми элементами ТВС и технологическим каналом в процессе работы ТВС может забиваться продуктами коррозии, что увеличивает вероятность заклинивания ТВС при перегрузках;

- отсутствие демпфирующих механизмов на концевых элементах приводит к биению ТВС о стенки технологического канала (ТК), что, в свою очередь, приводит к повышенному износу технологического канала и дополнительным нагрузкам на элементы конструкции ТВС;

- отсутствие возможности при загрузке ТВС в технологический канал удалять со стенок ТК продукты коррозии, которые ухудшают теплообмен между технологическим каналом и теплоносителем, тем самым снижая ресурс ТК, и одновременно являются поглотителем тепловых нейтронов, который снижает выгорание топлива.

Известна также тепловыделяющая сборка канального ядерного реактора, содержащая пучок тепловыделяющих элементов, ограниченная концевыми деталями, часть наружной поверхности которых имеет цилиндрическую форму (Г.Н.Ушаков "Технологические каналы и тепловыделяющие элементы ядерных реакторов", М., Энергоиздат, 1981, с.86, 87). Концевые детали - хвостовик и наконечник - в известной ТВС представляют из себя детали сложной геометрической формы. Цилиндрическая поверхность хвостовика и наконечника переходит в коническую поверхность, которая, в свою очередь, переходит в сферу. В хвостовике и наконечнике имеется центральное отверстие для соединения их между собой посредством центрального стержня. На сферической поверхности хвостовика и наконечника выполнены отверстия для прохода теплоносителя. Недостатками данной конструкции являются:

- наличие зазора малой величины (˜1 мм) между хвостовиком (наконечником) ТВС и технологическим каналом, который в процессе работы ТВС может забиваться продуктами коррозии, что приводит к заклиниванию ТВС при перегрузках и возможности обрыва центрального стержня;

- отсутствие демпфирующих механизмов на хвостовике и наконечнике, что приводит к биению ТВС о стенки технологического канала, что, в свою очередь, приводит к повышенному износу технологического канала и дополнительным нагрузкам на элементы конструкции ТВС;

- отсутствие возможности при загрузке ТВС в технологический канал удалять со стенок ТК продукты коррозии, которые ухудшают теплообмен между технологическим каналом и теплоносителем, тем самым снижая ресурс ТК, и одновременно являются поглотителем тепловых нейтронов, который снижает глубину выгорания топлива;

- опасность повреждения дистанционирующих решеток в результате биения о стенки ТК.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату к настоящего изобретения является тепловыделяющая сборка канального ядерного реактора, содержащая хвостовик, корпус которого выполнен в виде обечайки и имеет цилиндрическую часть, и заходную коническую часть, в которой выполнены отверстия для прохода теплоносителя, одно из которых центральное (RU 2128375, G21С 3/32, 27.03.1999). В известной конструкции на цилиндрической части хвостовика выполнена кольцевая проточка, в которой установлено упругое разрезное кольцо. Кольцо прилегает к стенке технологического канала и при перегрузке очищает стенки технологического канала от продуктов коррозии.

Однако в известной конструкции через отверстия для прохода теплоносителя в пространство между тепловыделяющими элементами свободно попадают различного рода посторонние примеси, так называемые дебриз-частицы.

Влияние посторонних механических примесей - дебриз-частиц (металлическая стружка, куски проволоки, сварочный грат, отслоившийся шлам, и пр.), присутствующих в контуре теплоносителя реакторных установок, влияет на условия функционирования тепловыделяющих элементов в активной зоне, определяющих их надежность по герметичности, и может проявляться в виде двух основных процессов.

Первый процесс сводится к застреванию посторонних примесей в зазорах между тепловыделяющими элементами и дистанционирующими решетками, что может привести к ухудшению теплосъема с части поверхности тепловыделяющего элемента (локальный перегрев, разгерметизация), к увеличению гидравлического сопротивления тепловыделяющей сборки и снижению (или перераспределению по сечению сборки) расхода теплоносителя через нее. Этот процесс в ряде случаев может иметь нарастающий характер, поскольку застрявшие примеси начинают, в свою очередь, играть роль дополнительного фильтра по отношению к вновь поступающим частицам примесей.

Другой процесс связан с высокой чувствительностью оболочек тепловыделяющих элементов к повреждению острыми металлическими предметами их защитного окисного слоя. Длительный контакт постороннего острого предмета (стружки, проволоки и т.п.), зацепившегося, например, за дистанционирующую решетку и истирающего за счет перемещения под воздействием потока теплоносителя свободным концом оксидные пленки на поверхности оболочки тепловыделяющего элемента может привести к сквозной перфорации оболочек (фреттинг-износ) и потери тепловыделяющим элементом герметичности.

Раскрытие изобретения

Задачей настоящего изобретения является разработка и создание тепловыделяющей сборки канального ядерного реактора, обладающей улучшенными параметрами.

В результате решения данной задачи возможно получение технических результатов, заключающихся в том, что значительно снижается возможность попадания дебриз-частиц внутрь тепловыделяющей сборки и уменьшается вибрационное воздействие потока теплоносителя на тепловыделяющие элементы.

Данные технические результаты достигаются тем, что тепловыделяющая сборка канального ядерного реактора, содержащая хвостовик, корпус которого, выполнен в виде обечайки и имеет цилиндрическую часть и заходную коническую часть, в которой выполнены отверстия для прохода теплоносителя, одно из которых центральное, снабжена втулкой, установленной в центральном отверстии, и кольцевым антидебризным фильтром, установленным между втулкой и кольцевым проходом, выполненным в корпусе хвостовика выше отверстий для прохода теплоносителя, причем наружный диаметр упомянутого фильтра выбран меньше, чем внутренний диаметр цилиндрической части, а упомянутый фильтр выполнен с возможностью перемещения вдоль втулки и снабжен средством его фиксации относительно втулки в двух положениях, расстояние между которыми вдоль оси втулки превышает глубину установки упомянутого фильтра в кольцевом проходе.

Отличительная особенность настоящего изобретения состоит в том, что впервые тепловыделяющая сборка канального ядерного реактора снабжена антидебризным фильтром, установленным в корпусе выше отверстий для прохода теплоносителя. Однако при установке антидебризного фильтра в случае большого количества дебриз-частиц в теплоносителе фильтр забивается этими частицами. В результате резко увеличивается гидравлическое сопротивление на входе в тепловыделяющую сборку, что соответственно уменьшает расход теплоносителя через тепловыделяющую сборку. Снижение расхода теплоносителя приводит к перегреву тепловыделяющих элементов. Поэтому при снижении расхода ниже заданной величины фильтр, засоренный дебриз-частицами, имеет возможность перемещения из одного фиксированного положения относительно втулки в другое фиксированное положение. При этом антидебризный фильтр за счет потока теплоносителя, который воздействует на него как на поршень, поднимается вдоль втулки вверх из первого фиксированного положения во второе. Так как между наружной поверхностью фильтра и внутренней поверхностью цилиндрической части имеется зазор, то теплоноситель попадает в зазор между втулкой и внутренней поверхностью цилиндрической части, диаметр которой больше, чем наружный диаметр антидебризного фильтра, а расстояние между двумя фиксированными положениями вдоль оси втулки превышает глубину установки упомянутого фильтра в кольцевом проходе.

Предпочтительно средство для фиксации упомянутого фильтра в двух положениях выполнить в виде цанги, соединенной с упомянутым фильтром и имеющей на внутренней поверхности кольцевой буртик, выполненный с возможностью последовательного взаимодействия с двумя кольцевыми канавками, выполненными на наружной поверхности втулки на расстоянии друг от друга вдоль оси втулки, превышающем глубину установки упомянутого фильтра в кольцевом проходе.

Целесообразно также, чтобы цанга имела 6 лепестков.

Перечень фигур чертежей

На фиг.1 показан хвостовик тепловыделяющей сборки канального ядерного реактора в исходном положении; на фиг.2 показан хвостовик тепловыделяющей сборки канального ядерного реактора в положении, соответствующем заполнению антидебризного фильтра дебриз-частицами выше заданной величины.

Осуществление изобретения

Тепловыделяющая сборка канального ядерного реактора, содержит хвостовик 1, корпус которого выполнен в виде обечайки, и имеет цилиндрическую часть 2 и заходную коническую часть 3. В части 3 выполнены отверстия 4 для прохода теплоносителя. Отверстие 5 - центральное. Сборка снабжена втулкой 6, установленной в центральном отверстии 5, и кольцевым антидебризным фильтром 7, установленным между втулкой 6 и кольцевым проходом 8, выполненным в корпусе хвостовика выше отверстий 4 для прохода теплоносителя. Конструктивное исполнение антидебризного фильтра может быть любым известным, например образованным пакетом волнообразных пластин с отверстиями (см. WO 02/058075, G21С 3/32, 2002) или образованным стаканами различной формы, в боковой поверхности и дне которых выполнена перфорация в виде множества отверстий (ЕР 0709855, G21С 3/32, 1996), или выполненным в виде пластины, имеющей сквозную перфорацию (FR 2656456, G21С 3/33, 1991), или любой новой разработки. Наружный диаметр d упомянутого фильтра 7 выбран меньше чем внутренний диаметр D цилиндрической части 2. Упомянутый фильтр 7 выполнен с возможностью перемещения вдоль втулки 6 и снабжен средством его фиксации относительно втулки в двух положениях «А» и «Б». Расстояние между положениями «А» и «Б» вдоль оси втулки превышает глубину h установки упомянутого фильтра в кольцевом проходе. Средство для фиксации упомянутого фильтра 7 в двух положениях «А» и «Б» выполнено в виде цанги 9, соединенной с упомянутым фильтром 7 и имеющей на внутренней поверхности кольцевой буртик 10, выполненный с возможностью последовательного взаимодействия с двумя кольцевыми канавками 11 (нижней) и 12 (верхней), выполненными на наружной поверхности втулки 6 на расстоянии друг от друга вдоль оси втулки, превышающем глубину h установки упомянутого фильтра 7 в кольцевом проходе 8. Целесообразно выполнить цангу 9 с шестью лепестками.

Тепловыделяющая сборка по настоящему изобретению функционирует следующим образом. При монтаже тепловыделяющей сборки антидебризный фильтр 7 устанавливают в нижнее рабочее положение «А». При этом буртик 10 находится в нижней канавке 11. После начала эксплуатации сборки при уменьшении проходного сечения из-за попадания в фильтр 7 посторонних предметов (дебриз-частиц) на нем увеличивается перепад давления, и, как следствие усилие по направлению потока (на чертежах обозначены стрелками). После достижения определенных значений усилий фильтр 7 поднимается в верхнее положение «Б». Буртик 10 фиксируется в верхней канавке 12. При этом увеличивается проходное сечение для прохода теплоносителя за счет кольцевого зазора между корпусом фильтра 7 и внутренней поверхностью цилиндрической части 2. Максимальная величина заполнения фильтра 7 примесями определяется по известным методам, исходя из минимальной величины расхода теплоносителя, который следует направить на охлаждение тепловыделяющих элементов. Минимальное значение расхода также определяется по известным выражениям теплообмена с учетом допустимой температуры нагрева тепловыделяющих элементов. Из полученных данных определяют величину усилия, при котором фильтр 7 начинает перемещение из положения «А» в положение «Б».

Эксплуатация тепловыделяющей сборки канального ядерного реактора в составе активной зоны ядерного реактора осуществляется аналогично штатным тепловыделяющим сборкам. Антидебризный фильтр обеспечивает эффективное задержание механических частиц, характерные размеры которых в поперечном сечении равны или превышают 2,0 мм. Кроме того, известные конструкции антидебризных фильтров выравнивают распределение скорости потока теплоносителя в радиальном направлении, выполняя функцию гидродинамической решетки, и снижают тем самым вибрацию тепловыделяющих элементов.

Тепловыделяющая сборка в соответствии с настоящим изобретением может быть изготовлена с использованием известных технологий и стандартного оборудования и не требует создания и разработки специальной оснастки.

Изобретение относится к ядерной технике, в частности к конструкциям тепловыделяющих сборок (ТВС), используемых в канальных ядерных реакторах типа РБМК (реактор большой мощности канальный), и может быть применено в разрабатываемых реакторах, а также при модернизации активных зон действующих реакторов. Тепловыделяющая сборка содержит хвостовик, корпус которого выполнен в виде обечайки, и имеет цилиндрическую часть и заходную коническую часть, в которой выполнены отверстия для прохода теплоносителя, одно из которых центральное. Сборка снабжена втулкой, установленной в центральном отверстии, и кольцевым антидебризным фильтром, установленным между втулкой и кольцевым проходом, выполненным в корпусе выше отверстий для прохода теплоносителя. Наружный диаметр фильтра выбран меньше, чем внутренний диаметр цилиндрической части, а фильтр выполнен с возможностью перемещения вдоль втулки. Фильтр также снабжен средством его фиксации относительно втулки в двух положениях, расстояние между которыми вдоль оси втулки превышает глубину установки упомянутого фильтра в кольцевом проходе. В результате значительно снижается возможность попадания дебриз-частиц внутрь тепловыделяющей сборки и уменьшается вибрационное воздействие потока теплоносителя на тепловыделяющие элементы. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Тепловыделяющая сборка канального ядерного реактора, содержащая хвостовик, корпус которого выполнен в виде обечайки и имеет цилиндрическую часть и заходную коническую часть, в которой выполнены отверстия для прохода теплоносителя, одно из которых центральное, отличающаяся тем, что сборка снабжена втулкой, установленной в центральном отверстии, и кольцевым антидебризным фильтром, установленным между втулкой и кольцевым проходом, выполненным в корпусе хвостовика выше отверстий для прохода теплоносителя, причем наружный диаметр упомянутого фильтра выбран меньше, чем внутренний диаметр цилиндрической части, и упомянутый фильтр выполнен с возможностью перемещения вдоль втулки и снабжен средством его фиксации относительно втулки в двух положениях, расстояние между которыми вдоль оси втулки превышает глубину установки упомянутого фильтра в кольцевом проходе.2. Тепловыделяющая сборка по п.1, отличающаяся тем, что средство для фиксации упомянутого фильтра в двух положениях выполнено в виде цанги, соединенной с упомянутым фильтром и имеющей на внутренней поверхности кольцевой буртик, выполненный с возможностью последовательного взаимодействия с двумя кольцевыми канавками, выполненными на наружной поверхности втулки на расстоянии друг от друга вдоль оси втулки, превышающем глубину установки упомянутого фильтра в кольцевом проходе.3. Тепловыделяющая сборка по п.1, отличающаяся тем, что цанга имеет 6 лепестков.