ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩАЯ СБОРКА ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА Российский патент 2008 года по МПК G21C3/30 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к атомной технике, в частности к конструкциям бесчехловых тепловыделяющих сборок (ТВС), из которых сформированы активные зоны водо-водяных энергетических реакторов (ВВЭР), особенно типа ВВЭР-1000.

Уровень техники

В конструкции ТВС основными узлами являются пучок тепловыделяющих элементов (твэл), головка и хвостовик.

Пучок твэл, как правило, состоит из твэлов, которые размещены в ячейках, расположенных по длине ТВС дистанционирующих решеток (ДР), и соединяется с головкой и хвостовиком ТВС посредством различных конструктивных элементов.

Хвостовик ТВС, как правило, состоит из опорного стакана и опорной плиты. Твэлы или опираются на опорную плиту, или, как правило, закреплены в опорной плите хвостовика и имеют возможность температурного и радиационного расширения вдоль ТВС, в частности, за счет их упругого подпружинивания относительно дистанционирующих решеток ТВС.

Нормальное и безопасное функционирование твэлов в составе ТВС предполагает наличие узла крепления нижней заглушки твэла в опорной плите хвостовика, который должен обеспечивать надежную фиксацию твэлов в опорной плите и удобство дистанционной сборки-разборки пучка твэлов.

В настоящее время разработано множество конструкций узлов и элементов крепления нижней заглушки твэла, удовлетворяющих требованиям их безопасной эксплуатации в составе ТВС.

Известна конструкция ТВС, содержащая пучок тепловыделяющих элементов, соединяемых с опорной плитой хвостовика узлом крепления, в качестве которого использована нижняя заглушка твэла (RU 2129738, G21С 3/30, G21С 3/32, 27.04.99). Нижняя часть заглушки твэла выполнена в виде упругого цилиндра, установленного в посадочном отверстии опорной плиты, при этом упругое поперечное сечение цилиндра выполнено в форме кольца, имеющего разрез. Цилиндр имеет в нижней части буртик, контактирующий с нижней поверхностью опорной плиты. Данное техническое решение позволяет упростить процесс автоматизированной дистанционной сборки-разборки пучка твэлов, однако неизбежное наличие осевых и радиальных зазоров в месте посадки заглушек твэл в опорной плите приводит к повышенному истиранию нижних частей заглушек твэл.

Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является конструкция ТВС ядерного реактора, содержащая пучок твэлов, размещенный в расположенных по длине ТВС дистанционирующих решетках, головку и хвостовик, соединенные направляющими каналами, в которых перемещаются регулирующие стержни, причем направляющие каналы жестко соединены с хвостовиком, а их верхние части размещены в пружинном блоке головки (RU 2137223, G21C 3/32, публикация 1999 г.). В известной тепловыделяющей сборке хвостовик представляет собой конструкцию из опорной плиты и опорного стакана. Опорная плита предназначена для фиксирования и крепления нижних концевиков твэл, устанавливаемых в отверстия опорной плиты.

Недостатком данного конструктивного решения является возможность радиального и осевого перемещения нижних концевиков твэл из-за наличия люфтов в месте крепления твэл с опорной плитой хвостовика, что приводит к истиранию и разрушению концевиков твэл в процессе эксплуатации и не позволяет использовать данную конструкцию для топлива с повышенной глубиной выгорания и длительными циклами эксплуатации.

Сущность изобретения

Технической задачей настоящего изобретения является разработка и создание тепловыделяющей сборки ядерного реактора, обладающей улучшенными прочностными характеристиками и повышенными экономическими показателями.

В результате решения данной задачи возможно получение новых технических результатов, заключающихся в повышении надежности крепления твэл в хвостовике ТВС и увеличении их ресурса, увеличении загрузки топлива, повышении глубины выгорания топлива и существенном увеличении продолжительности эксплуатации ТВС.

Данные технические результаты достигаются тем, что в тепловыделяющей сборке ядерного реактора, содержащей пучок тепловыделяющих элементов и направляющих каналов, размещенных в дистанционирующих решетках, головку и хвостовик, причем дистанционирующие решетки соединены между собой и с хвостовиком элементами, расположенными по длине тепловыделяющей сборки, а хвостовик состоит из соединенных опорной плиты и опорного стакана, над опорной плитой установлена антивибрационная решетка, состоящая из соединенных между собой ячеек, расположенных по гексагональной схеме, причем антивибрационная решетка, опорная плита и опорный стакан соединены между собой как минимум одним крепежным элементом.

Отличительная особенность настоящего изобретения состоит в следующем. Наличие антивибрационной решетки дает возможность компенсации осевых и радиальных люфтов в местах крепления концевиков твэлов с опорной плитой за счет натягов, возникающих между упругими элементами (пуклевками) антивибрационной решетки и оболочкой твэл. При этом с целью создания жесткости конструкции антивибрационная решетка, опорная плита и опорный стакан должны быть соединены между собой крепежным элементом или элементами.

Целесообразно крепежный элемент выполнить в виде пластины, приваренной к элементам конструкции хвостовика, а число крепежных элементов принять равным шести.

Целесообразно также антивибрационную решетку выполнить из сваренных или паянных между собой ячеек, расположенных по гексагональной схеме и имеющих шестигранную форму с тремя опорами для твэла, расположенными через 120 градусов друг от друга, образованными пуклевками на гранях этого шестигранника, внутрь ячейки.

Предлагаемое техническое решение поясняется графически.

На фиг.1 приведена принципиальная схема ТВС, на фиг.2 показан хвостовик ТВС с антивибрационной решеткой и нижними концевиками твэл и направляющих каналов, на фиг.3 показано поперечное сечение А-А на фиг.2, на фиг.4 показана ячейка антивибрационной решетки.

Тепловыделяющая сборка ядерного реактора (см. фиг.1) содержит пучок 1 тепловыделяющих элементов и направляющих каналов, размещенных в дистанционирующих решетках 2, соединенных между собой посредством сварки угловыми элементами 3, хвостовик 4 и головку 5. Угловые элементы 3 посредством винтов 6 соединены с хвостовиком 4.

Хвостовик 4 (см. фиг.2) состоит из опорного стакана 7, опорной плиты 8 и антивибрационной решетки 9, которые соединены между собой посредством сварки пластинами 10.

Нижние заглушки твэл 11 (см. фиг.2, 3) за счет упругих элементов устанавливаются в отверстия опорной плиты 8 хвостовика 4 и фиксируются от радиальных и осевых перемещений в ячейках 12 антивибрационной решетки 9.

Направляющие каналы 13 проходят между ячейками антивибрационной решетки 9 и крепятся к опорной плите 8, например, посредством болтового соединения.

Антивибрационная решетка 9 (см. фиг.2, 3) состоит из ячеек 12, расположенных по гексагональной схеме и соединенных между собой в местах контакта посредством сварки или пайки.

Ячейки 14 (см. фиг.4) предпочтительно выполнять шестигранной формы с тремя пуклевками 15, расположенными на гранях ячейки через 120 градусов друг от друга, выдавленными внутрь ячейки.

Предлагаемая тепловыделяющая сборка работает следующим образом.

После установки ТВС в реактор она поджимается верхней плитой реактора путем упора в торец обечайки головки 5. Затем усилие передается через пружинный блок головки, который поджимается на величину, рассчитанную таким образом, чтобы удержать ТВС от всплытия в потоке движущегося снизу теплоносителя, на направляющие каналы 13 и далее на опорную плиту 8 и через пластины 10 на опорный стакан 7 хвостовика 4, который входит в отверстие нижней плиты реактора.

Дистанционирующие решетки 2, соединенные между собой угловыми элементами 3, образуют каркас, который посредством винтов 6 соединен с хвостовиком 4.

Теплоноситель, поступая в ТВС через входное отверстие опорного стакана 7 хвостовика 4, проходит через проливные отверстия опорной плиты 8 и далее омывает твэлы пучка 1, нагреваясь за счет контакта с поверхностью твэл 11. Твэлы, а с ними и каркас, нагреваясь за счет процесса ядерного деления внутри твэл, начинают удлиняться вверх за счет теплового и радиационного роста; при этом пучок 1 растет независимо от направляющих каналов 13, т.к. последние с гарантированным зазором проходят сквозь ячейки дистанционирующих решеток 2 и антивибрационной решетки 9. Таким образом пучок 1 с твэлами не оказывает воздействия на несущие силовую нагрузку направляющие каналы 13 и не деформирует их.

Нижние концевики твэл 11, независимо от способа их крепления в опорной плите 8 хвостовика, проходя сквозь ячейки 12 антивибрационной решетки 9 за счет натягов, возникающих между упругими элементами (пуклевками 15) ячеек и оболочкой твэл, надежно фиксируются в антивибрационной решетке от осевых и радиальных люфтов. В свою очередь антивибрационная решетка 9, закрепленная посредством пластин 10, надежно фиксируется в хвостовике 4. Тем самым исключается возможность истирания и разрушения концевиков твэл в процессе эксплуатации от воздействия вибрации потока теплоносителя.

Использование предлагаемой конструкции хвостовика 4 позволяет значительно увеличить ресурс твэл, что позволяет увеличить загрузку топлива, повысить глубину выгорания топлива и существенно увеличить продолжительность эксплуатации ТВС.

Изготовление настоящей конструкции может быть осуществлено на известном оборудовании с использованием стандартных технологий.

Устройство предназначено для использования в атомной технике, в частности в конструкциях бесчехловых тепловыделяющих сборок ядерного реактора. Тепловыделяющая сборка ядерного реактора содержит пучок тепловыделяющих элементов и направляющих каналов, размещенных в дистанционирующих решетках, головку и хвостовик. Дистанционирующие решетки соединены между собой и хвостовиком элементами, расположенными по длине тепловыделяющей сборки. Хвостовик состоит из соединенных опорной плиты и опорного стакана. Над опорной плитой установлена антивибрационная решетка, состоящая из соединенных между собой ячеек. Антивибрационная решетка, опорная плита и опорный стакан соединены между собой как минимум одним крепежным элементом.

Реализация предлагаемого технического решения позволяет значительно увеличить ресурс твэл, что позволяет увеличить загрузку топлива, повысить глубину выгорания топлива и существенно увеличить продолжительность эксплуатации ТВС. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Тепловыделяющая сборка ядерного реактора, содержащая пучок тепловыделяющих элементов и направляющих каналов, размещенных в дистанционирующих решетках, головку и хвостовик, причем дистанционирующие решетки соединены между собой и с хвостовиком элементами, расположенными по длине тепловыделяющей сборки, а хвостовик состоит из соединенных опорной плиты и опорного стакана, отличающаяся тем, что над опорной плитой установлена антивибрационная решетка, состоящая из соединенных между собой ячеек, причем антивибрационная решетка, опорная плита и опорный стакан соединены между собой как минимум одним крепежным элементом.2. Сборка по п.1, отличающаяся тем, что ячейки антивибрационной решетки расположены по гексагональной схеме и имеют шестигранную форму с тремя опорами для твэла, расположенными через 120° друг от друга, образованными пуклевками на гранях этого шестигранника, внутрь ячейки.3. Сборка по п.1, отличающаяся тем, что крепежный элемент выполнен в виде пластины.4. Сборка по п.3, отличающаяся тем, что число пластин, соединяющих антивибрационную решетку, опорную плиту и опорный стакан, равно шести.