ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩАЯ СБОРКА ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА Российский патент 2008 года по МПК G21C3/32 

Изобретение относится к ядерной технике и может найти применение на АЭС и на предприятиях по изготовлению тепловыделяющих сборок для энергетических ядерных реакторов на тепловых, а также на быстрых нейтронах.

Наиболее близкой по назначению и совокупности существенных признаков к изобретению является тепловыделяющая сборка ядерного реактора, содержащая каркас с верхней и нижней концевыми решетками и дистанционирующими элементами, в котором установлены рядами стержневые тепловыделяющие элементы, представляющие собой топливные сердечники, размещенные в цилиндрических оболочках (патент РФ №2088982, МПК G21C 3/32, опубл. 1997 г.).

В известной тепловыделяющей сборке (ТВС) дистанционирующие элементы выполнены в виде промежуточных решеток, которые установлены между концевыми решетками и закреплены на центральной трубе с возможностью осевого перемещения на длину прорезей, которые выполнены в центральной трубе.

Тепловыделяющие элементы (твэлы) установлены в шестигранных ячейках дистанционирующих решеток и зафиксированы в них посредством пуклевок.

Недостатком известной тепловыделяющей сборки является изменение геометрии ячеек решеток вследствие коррозии и радиационной ползучести материала решетки. Действие радиационной ползучести особенно усиливается из-за больших поперечных размеров ячеек дистанционирующей решетки, превышающих поперечные размеры оболочек твэлов. В результате формоизменения ячеек усилия взаимодействия твэлов с пуклевками ячеек уменьшаются и появляется вибрация тепловыделяющего элемента, что приводит к локальной усталости материала (фреттинг-износ) оболочки твэла и к ее разрушению, а следовательно, к снижению надежности тепловыделяющих сборок. Кроме этого, дистанционирующие решетки локально увеличивают гидравлическое сопротивление для теплоносителя, что ухудшает теплосъем с твэлов, а сложность крепления дистанционирующих элементов на центральной трубе, а также установка твэлов в дистанционирующие решетки значительно усложняет автоматическую дистанционную сборку ТВС при ее изготовлении.

Задачей настоящего изобретения является создание тепловыделяющей сборки, использование которой гарантирует надежный теплосъем за счет обеспечения размерной стабильности проходного сечения для теплоносителя, а также необходимую глубину выгорания ядерного топлива за счет сохранения целостности оболочки твэла при эксплуатации в энергетических ядерных реакторах с теплоносителем - водой под давлением, а также с жидкометаллическим теплоносителем и, кроме этого, обеспечивает при изготовлении ТВС возможность ее дистанционного монтажа при работе с регенерированным уран-плутониевым топливом.

Технический результат настоящего изобретения заключается в сохранении контактных усилий между дистанционирующими элементами и твэлами в течение всей реакторной кампании за счет создания и сохранения гарантированного натяга.

Указанный технический результат достигается тем, что в известной тепловыделяющей сборке ядерного реактора, содержащей каркас с верхней и нижней концевыми решетками и дистанционирующими элементами, в котором установлены рядами тепловыделяющие элементы, представляющие собой топливные сердечники, размещенные в цилиндрических оболочках, дистанционирующие элементы выполнены в виде трубок, которые установлены в межрядном пространстве с контактом с тепловыделяющими элементами и закреплены в концевых решетках, при этом каркас снабжен фиксирующими элементами, установленными по его высоте каркаса с возможностью охвата пучка тепловыделяющих и дистанционирующих элементов и выполненными из материала, имеющего меньший коэффициент линейного расширения, чем упомянутый коэффициент материала оболочек тепловыделяющих элементов.

Кроме этого, дистанционирующая трубка выполнена с толщиной стенки, величина которой не превышает 0,15D, где D - диаметр трубки.

Кроме этого, фиксирующие элементы расположены по высоте топливного сердечника тепловыделяющего элемента с шагом S, равным размеру «под ключ» поперечного сечения тепловыделяющей сборки, а выше и ниже топливного сердечника - с шагом 1,5 S.

Кроме этого, фиксирующие элементы выполнены в виде разъемных соединений, которые представляют собой цанговые захваты, выполненные на концах скоб.

Кроме этого, фиксирующий элемент имеет две пары скоб, которые установлены друг под другом с взаимно перпендикулярным расположением цанговых захватов относительно друг друга.

Кроме этого, каркас снабжен вертикальными опорами и гофрированными обечайками, при этом опоры выполнены в виде стержней или труб, установлены по периметру каркаса и закреплены в концевых решетках, а обечайки установлены по высоте каркаса с шагом, соответствующим шагу размещения фиксирующих элементов, и закреплены на опорах.

Кроме этого, дистанционирующие трубки выполнены с продольным пазом и имеют вырезы, которые выполнены по длине трубки с образованием дистанционирующих поясков, расположенных с шагом, соответствующим шагу размещения фиксирующих элементов.

Кроме этого, фиксирующие элементы выполнены из молибдена или молибденовых сплавов и покрыты нержавеющей сталью.

Выполнение фиксирующих элементов из материала с коэффициентом линейного расширения меньшим, чем материал оболочек твэлов, приводит при нагреве элементов ТВС к созданию между ними натяга. Поскольку коэффициенты линейного расширения конструкционных материалов практически не подвержены воздействию радиоактивного облучения, а зависят только от температуры, то натяг между пучком твэлов и фиксирующими элементами будет гарантированно сохраняться в течение всей реакторной кампании.

Выполнение дистанционирующих элементов в виде тонкостенных трубок (толщина стенки не превышает 0,15D, где D - диаметр трубки) позволяет практически устранить влияние радиационной ползучести на контактные усилия под облучением между ними и оболочками твэлов за счет соизмеримости размеров и идентичности геометрии трубок и оболочек.

Шаг S на длине топливного столба выбран из условия исключения вибрации твэлов при продольном обтекании теплоносителя, а шаг 1,5S на остальной длине тепловыделяющих элементов выбран из условий исключения вибрации твэлов и защемлений верхних концов твэлов при обжатии пучка до выбора сборочных зазоров между твэлами и дистанционирующими элементами при сборке.

Выполнение дистанционирующих элементов в виде разъемных скоб позволяет осуществить автоматическую сборку ТВС, установка двух пар скоб с взаимно перпендикулярным расположением их застежек позволяет компенсировать возможный наружный прогиб концов скоб, что обеспечивает неизменность величины гарантированного натяга и сохранение величины контактного усилия.

Вертикальные опоры и гофрированные обечайки, расположенные по высоте каркаса с шагом, соответствующим шагу размещения фиксирующих элементов, предназначены для закрепления скоб.

Для обеспечения поперечных перетечек теплоносителя внутри пучка твэлов дистанционирующие трубки снабжены вырезами, а для исключения сборочного зазора путем обжатия пучка твэлов и дистанционирующих трубок в пределах упругой деформации дистанционирующих трубок последние выполнены с продольными пазами.

Образованные между вырезами дистанционирующие пояски, расположенные с шагом, соответствующим шагу размещения фиксирующих элементов (или шагу размещения гофрированных обечаек), обеспечивают контакт дистанционирующих трубок с твэлами.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена тепловыделяющая сборка (продольный разрез), на фиг.2 показана тепловыделяющая сборка (сечение А-А), на фиг.3 изображен каркас тепловыделяющей сборки (поперечное сечение), на фиг.4 показана гофрированная обечайка для установки скоб (поперечное сечение), на фиг.5 и 6 представлены схемы срабатывания цангового захвата скобы (продольное сечение), на фиг.7 показана дистанционирующая трубка (общий вид в изометрии).

Тепловыделяющая сборка содержит чехловую трубу 1, в которой установлен каркас, состоящий из центральной трубы 2, верхней и нижней концевых решеток 3, 4, вертикальных опор 5 с фиксирующими элементами 6 и дистанционирующих элементов 7. Концевые решетки 3, 4 закреплены на центральной трубе 2. Вертикальные опоры 5 выполнены в виде стержней или труб, размещены по периметру каркаса в его углах и закреплены в концевых решетках 3, 4. В каркасе установлены стержневые твэлы 8, которые представляют собой топливные сердечники, расположенные в цилиндрических оболочках, при этом твэлы 8 установлены в каркасе рядами с образованием межрядного пространства и закреплены своими нижними концами в нижней концевой решетке 4, которая выполнена из двух половин. Верхние концы твэлов 8 установлены в верхней концевой решетке 3 с возможностью свободного продольного перемещения. Дистанционирующие элементы 7 выполнены в виде тонкостенных трубок, толщина стенки которых не превышает величину 0,15D, где D - диаметр трубки (D=8-10 мм). Трубки 7 установлены в межрядном пространстве с контактом с твэлами 8 и закреплены в концевых решетках 3, 4. На верхней части каркаса установлена головка 9, а на нижней - хвостовик 10. Фиксирующие элементы 6 установлены по высоте каркаса с возможностью охвата пучка твэлов 8 и дистанционирующих трубок 7. Фиксирующие элементы 6 расположены по высоте топливного сердечника твэла 8 с шагом S, равным размеру "под ключ" поперечного сечения ТВС, а выше и ниже топливного сердечника - с шагом, равным 1,5 S. Фиксирующий элемент 6 имеет две пары скоб 11, которые представляют собой разъемные соединения, например, цанговые захваты 12, которые выполнены на концах скоб 11. Скобы 11 в каждой паре размещены одна под другой с взаимно перпендикулярным расположением захватов 12. Фиксирующие элементы 6 выполнены из материала, имеющего меньший коэффициент линейного расширения, чем коэффициент линейного расширения материала оболочки твэла 8. В качестве материала фиксирующих элементов 6 использован молибден, коэффициент линейного расширения которого в два раза меньше коэффициента линейного расширения нержавеющей стали ЭП-823, из которой выполнена оболочка твэла 8. Кроме молибдена могут быть использованы молибденовые сплавы. Для повышения коррозионной стойкости фиксирующие элементы 6 покрыты нержавеющей сталью. Каркас снабжен гофрированными обечайками 13, которые расположены по его высоте с таким же шагом S и 1,5 S, как фиксирующие элементы 6, а именно, по высоте топливного сердечника с шагом S, равным размеру "под ключ" поперечного сечения ТВС, а выше и ниже топливного сердечника - с шагом, равным 1,5 S, т.е. полуторному размеру "под ключ" поперечного сечения ТВС. Обечайки 13 закреплены на вертикальных опорах 5, например, посредством сварки. В обечайках 13 выполнены направляющие прорези 14 для установки скоб 11. Трубки 7 могут быть выполнены с продольным пазом 15 и с вырезами 16 в виде прямоугольных окон, которые расположены по длине трубки, чередуясь с ее участками, которые представляют собой дистанционирующие пояски 17. При этом пояски 17 расположены по высоте каркаса с тем же шагом, что и фиксирующие элементы 6, обеспечивая тем самым контакт твэлов 8 с дистанционирующими трубками 7.

Пример тепловыделяющей сборки быстрого ядерного реактора со свинцовым теплоносителем: длина 3800 мм, размер "под ключ" - 170 мм, количество фиксирующих элементов - 10 штук, шаг на длине топливного столба - 170 мм. Шаг размещения твэлов в пучке составляет 13 мм, число твэлов 160 штук.

Монтаж тепловыделяющей сборки осуществляют следующим образом.

Вне горячей камеры собирают каркас, для этого на центральной трубе 2 закрепляют верхнюю концевую решетку 3 и одну из половин нижней концевой решетки 4, в которые устанавливают дистанционирующие трубки 7. По периметру каркаса в его углах устанавливают опорные стержни 5, которые закрепляют в верхней и нижней концевых решетках 3, 4. На опорные стержни 5 с шагом S и шагом 1,5 S надевают гофрированные обечайки 13 и приваривают их к стержням 5. Затем в направляющие прорези 14 гофрированных обечаек 13 устанавливают скобы 11. В горячей камере собирают в пучок твэлы 8, которые устанавливают рядами во вторую половину нижней концевой решетки 4 и закрепляют в ней. В горячей камере в вертикальном положении устанавливают каркас, в который между дистанционирующими трубками 7 устанавливают собранный рядами пучок твэлов 8 и соединяют обе половины нижней концевой решетки 4 между собой. К местам установки скоб 11 прикладывают обжимное усилие для устранения сборочных зазоров между твэлами 8 и дистанционирующими трубками 7 и фиксируют пучок твэлов 8 и трубок 7 в поперечном сечении защелкиванием скоб 11 с помощью цанговых захватов 12. Каркас размещают в чехловой трубе 1 и закрепляют на каркасе головку 9 и хвостовик 10.

Работа тепловыделяющей сборки энергетического ядерного реактора, например, на быстрых нейтронах со свинцовым теплоносителем, осуществляется следующим образом.

Теплоноситель - жидкий свинец поступает снизу в ТВС, при этом теплоноситель проходит внутри пучка твэлов 8 и дистанционирующих трубок 7. При этом элементы ТВС нагреваются до температуры теплоносителя. Пучок твэлов 8 от нагрева равномерно расширяется, например, при температуре 500°С расширение составляет 1 мм. При этом скобы 11 расширяются с меньшим удлинением, равным 0,5 мм. Разница между линейными увеличениями составит гарантированный натяг, равный 0,5 мм, а при пересчете на контактные усилия - 1 кгс. При этом в местах захватов 12 скоб 11 происходит наружный прогиб концов скоб 11, который компенсируется их взаимно перпендикулярным расположением, что обеспечивает неизменность величины гарантированного натяга и сохранение величины контактного усилия. Создание гарантированного натяга приводит к обеспечению постоянного контакта между трубками 7 и оболочками твэлов 8, который исключает вибрацию твэлов 8 от потока теплоносителя и, следовательно, фреттинг-коррозию и выход твэлов 8 из строя.

Устройство предназначено для использования в ядерной технике в тепловыделяющих сборках для энергетических ядерных реакторов на тепловых и быстрых нейтронах. Сборка содержит каркас, в котором установлены рядами стержневые тепловыделяющие элементы, представляющие собой топливные сердечники, размещенные в цилиндрических оболочках. Каркас состоит из верхней и нижней концевых решеток, дистанционирующих элементов, выполненных в виде трубок, и фиксирующих элементов. Трубки установлены в межрядном пространстве с контактом с тепловыделяющими элементами и закреплены в решетках. Фиксирующие элементы установлены по высоте каркаса с возможностью охвата пучка тепловыделяющих элементов и трубок. Для сохранения контактных усилий между трубками и твэлами в течение всей реакторной кампании в пучке обеспечен гарантированный натяг за счет выполнения фиксирующих элементов из материала, имеющего меньший коэффициент линейного расширения, чем упомянутый коэффициент материала оболочек тепловыделяющих элементов. 16 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Тепловыделяющая сборка ядерного реактора, содержащая каркас с верхней и нижней концевыми решетками и дистанционирующими элементами, в котором установлены рядами стержневые тепловыделяющие элементы, представляющие собой топливные сердечники, размещенные в цилиндрических оболочках, отличающаяся тем, что дистанционирующие элементы выполнены в виде трубок, которые установлены в межрядном пространстве с контактом с тепловыделяющими элементами и закреплены в концевых решетках, при этом каркас снабжен фиксирующими элементами, установленными по его высоте с возможностью охвата пучка тепловыделяющих и дистанционирующих элементов и выполненными из материала, имеющего меньший коэффициент линейного расширения, чем упомянутый коэффициент материала оболочек тепловыделяющих элементов.2. Сборка по п.1, отличающаяся тем, что дистанционирующая трубка выполнена с толщиной стенки, величина которой не превышает 0,15D, где D - диаметр трубки.3. Сборка по п.1, отличающаяся тем, что фиксирующие элементы расположены по высоте топливного сердечника тепловыделяющего элемента с шагом S, равным размеру «под ключ» поперечного сечения тепловыделяющей сборки, а выше и ниже топливного сердечника - с шагом 1,5 S.4. Сборка по п.1, отличающаяся тем, что фиксирующие элементы выполнены в виде разъемных соединений скоб.5. Сборка по п.4, отличающаяся тем, что разъемные соединения скоб представляют собой цанговые захваты, выполненные на концах скоб.6. Сборка по п.4 или 5, отличающаяся тем, что фиксирующий элемент имеет две пары скоб, которые установлены друг под другом с взаимно перпендикулярным расположением цанговых захватов относительно друг друга.7. Сборка по п.1, отличающаяся тем, что каркас снабжен вертикальными опорами, которые установлены по периметру каркаса и закреплены в концевых решетках.8. Сборка по п.7, отличающаяся тем, что опоры выполнены в виде стержней.9. Сборка по п.7, отличающаяся тем, что опоры выполнены в виде труб.10. Сборка по п.1, отличающаяся тем, что каркас снабжен гофрированными обечайками.11. Сборка по п.3 или 10, отличающаяся тем, что гофрированные обечайки установлены по высоте каркаса с шагом, соответствующим шагу размещения фиксирующих элементов.12. Сборка по п.7 или 10, отличающаяся тем, что гофрированные обечайки закреплены на вертикальных опорах.13. Сборка по п.1 или 3, отличающаяся тем, что дистанционирующая трубка имеет вырезы, которые выполнены по длине трубки с образованием дистанционирующих поясков, расположенных с шагом, соответствующим шагу размещения фиксирующих элементов.14. Сборка по п.1, отличающаяся тем, что дистанционирующая трубка выполнена с продольным пазом.15. Сборка по п.1, отличающаяся тем, что фиксирующие элементы выполнены из молибдена.16. Сборка по п.1, отличающаяся тем, что фиксирующие элементы выполнены из молибденового сплава.17. Сборка по п.15 или 16, отличающаяся тем, что фиксирующие элементы покрыты нержавеющей сталью.