ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩАЯ СБОРКА КАНАЛЬНОГО ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА Российский патент 2008 года по МПК G21C3/322 

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, ограниченный 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 настоящему изобретению является тепловыделяющая сборка канального ядерного реактора, содержащая хвостовик, корпус которого, выполнен в виде обечайки и имеет цилиндрическую часть, на наружной поверхности которой расположено упругое кольцо, и заходную коническую часть, в которой выполнены отверстия для прохода теплоносителя (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 такая конструкция лишь частично перекрывает зазор между хвостовиком и технологическим каналом за счет наличия разреза. По этой причине через разрез проходила часть потока и, как следствие, дебриз-частицы, которые попадали в пространство между тепловыделяющими элементами также через отверстия для прохода теплоносителя.

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, на наружной поверхности которой, расположено упругое кольцо, и заходную коническую часть, в которой выполнены отверстия для прохода теплоносителя, упругое кольцо выполнено в виде втулки, средняя часть которой имеет бочкообразную форму, причем во втулке выполнены вырезы, направленные вдоль оси втулки.

Отличительная особенность настоящего изобретения состоит в том, что упругое кольцо выполнено в виде втулки, средняя часть которой имеет бочкообразную форму, причем во втулке выполнены вырезы, направленные вдоль оси втулки. Вследствие этого устранен зазор между хвостовиком и технологическим каналом. При этом вырезы во втулке выполняют две функции. С одной стороны, обеспечивают упругость средней части втулки, имеющей бочкообразную форму, а с другой - выполняют функцию антидебризного фильтра, т.к. дебриз-частицы, пройдя через вырезы, удерживаются в полости, образованной наружной поверхностью цилиндрической части и бочкообразной поверхностью втулки.

Предпочтительно толщину стенки втулки выбрать от 0,3 мм до 0,5 мм, а количество вырезов - шестнадцать.

Целесообразно также ширину вырезов выбрать от 0,5 мм до 2 мм, что улучшит задержку дебриз-частиц.

Предпочтительно хвостовик снабдить антидебризным фильром, установленным в корпусе хвостовика выше отверстий для прохода теплоносителя.

Перечень фигур чертежей

На фиг.1 показан хвостовик тепловыделяющей сборки канального ядерного реактора, на фиг.2 изображен внешний вид втулки, средняя часть которой имеет бочкообразную форму.

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 которой выполнены отверстия 4 для прохода теплоносителя. Хвостовик 1 может быть снабжен антидебризным фильтром 5, установленным 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.

На наружной поверхности цилиндрической части 2 расположено упругое кольцо в виде втулки 6. Средняя часть стенки втулки 6 имеет бочкообразную форму, а в стенке втулки 6 выполнены вырезы 7, направленные вдоль ее оси. Втулка 6 может быть выполнена из нержавеющей стали с толщиной стенки 0,3 мм до 0,5 мм. Количество вырезов 7 во втулке 6 составляет 16, а их ширина выбрана от 0,5 мм до 2 мм.

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. Установка тепловыделяющих сборок с антидебризным фильтром практически не приводит к снижению расхода теплоносителя через активную зону. Кроме того, известные конструкции антидебризных фильтров выравнивают распределение скорости потока теплоносителя в радиальном направлении, выполняя функцию гидродинамической решетки и снижая 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.

Устройство предназначено для использования в ядерной технике, в частности в конструкциях 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. На наружной поверхности последней расположено упругое кольцо. В заходной конической части выполнены отверстия для прохода теплоносителя. Хвостовик снабжен антидебризным фильтром, установленным в корпусе хвостовика выше отверстий для прохода теплоносителя. Упругое кольцо выполнено в виде втулки. Средняя часть втулки имеет бочкообразную форму, причем во втулке выполнены вырезы, направленные вдоль оси втулки. В результате значительно снижается возможность попадания дебриз-частиц внутрь тепловыделяющей сборки и уменьшается вибрационное воздействие потока теплоносителя на тепловыделяющие элементы. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Тепловыделяющая сборка канального ядерного реактора, содержащая хвостовик, корпус которого выполнен в виде обечайки и имеет цилиндрическую часть, на наружной поверхности которой расположено упругое кольцо, и заходную коническую часть, в которой выполнены отверстия для прохода теплоносителя, отличающаяся тем, что упругое кольцо выполнено в виде втулки, средняя часть которой имеет бочкообразную форму, причем во втулке выполнены вырезы, направленные вдоль оси втулки.2. Тепловыделяющая сборка по п.1, отличающаяся тем, что толщина стенки втулки выбрана от 0,3 до 0,5 мм.3. Тепловыделяющая сборка по п.1, отличающаяся тем, что количество вырезов во втулке составляет 16.4. Тепловыделяющая сборка по п.1, отличающаяся тем, что ширина вырезов выбрана от 0,5 до 2 мм.5. Тепловыделяющая сборка по любому из пп.1-4, отличающаяся тем, что хвостовик снабжен антидебризным фильтром, установленным в корпусе хвостовика выше отверстий для прохода теплоносителя.