РАБОЧАЯ КАССЕТА ДЛЯ АТОМНОГО РЕАКТОРА АЭС Российский патент 2009 года по МПК G21C3/32 

Настоящее изобретение относится к ядерной технике и, более конкретно, к рабочей кассете с урановым топливом для атомного реактора.

Последние десятилетия в восточной Европе получили широкое распространение атомные реакторы ВВЭР-440 разных конструкций для атомных электростанций (АЭС), в которых активная зона реакторов состоит из рабочих кассет (РК), неподвижно устанавливаемых в активной зоне, и кассет аварийной защиты (АРК). При этом каждая рабочая кассета, как известно, например, из патента RU 2198439, представляет собой гексогональную тепловыделяющую сборку, которая состоит из оболочки в виде циркониевой трубы шестиугольного сечения, на верхнем конце которой установлена головка, а на нижнем - хвостовик, и 126 тепловыделяющих элементов (твэлов), закрепленных в нижней опорной решетке, соединенной с хвостовиком кассеты. Равномерные зазоры между твэлами обеспечиваются установкой дистанционирующих решеток, гарантирующих равномерное прохождение потока теплоносителя через кассету. При этом над активной зоной расположена массивная плита, поджимающая кассеты через подпружиненные упоры головок кассет.

Блок из шести пружин, расположенный в головке кассеты, должен быть оснащен пружинами с силовыми характеристиками, обеспечивающими возможность опускания плиты реактора на свое посадочное место под собственным весом. Исходя из этого требования блок из шести пружин, расположенный в головке кассеты, имеет ограничение общего усилия поджатия примерно 60 кг.При этом должны оставаться достаточными усилия подпора кассет при их эксплуатации при температуре от 300 до 330°С.

Однако положение верхнего торца головки кассеты относительно нижнего торца плиты колеблется до приблизительно 10 мм из-за допусков на длину кассеты и внутриреакторные узлы. Кроме того, в связи с разностью термических расширений циркониевой кассеты и внутриреакторных узлов, изготовленных из нержавеющей стали, в рабочих условиях верхний торец головки рабочей кассеты оказывается удален от нижнего торца плиты приблизительно на 10 мм. Таким образом, общее удаление верхнего торца головок кассет от нижнего торца плиты в рабочих условиях колеблется от приблизительно 10 до приблизительно 20 мм.

В переводе на силовые характеристики поджатие кассет при средней жесткости штатных пружин 0,5 кг/мм составит от половины допустимого поджатия 60 кг до практически полного отсутствия такого поджатия, т.е. в реальных условиях эксплуатации имеет место значительное уменьшение среднего поджатия кассет и большой разброс усилий поджатия отдельно взятых кассет.

Негативные последствия уменьшения поджатия кассет усугубляются тем, что в условиях стареющих реакторов В-440 по ряду причин может иметь место значительное различие в величинах расходов теплоносителя через конкретные кассеты, т.е. могут создаться условия, когда через слабоподжатую кассету проходит наибольший расход теплоносителя. При работе на максимально допустимых средних расходах теплоносителя через кассеты в условиях возможных значительных колебаний расхода теплоносителя через конкретную кассету и при большой неравномерности усилий поджатия кассет может иметь место потеря неподвижности кассет, особенно опасная при циклических колебаниях расхода теплоносителя и приводящая к повреждению твэлов.

Поскольку рабочие кассеты с урановым топливом являются весьма дорогостоящими, то сокращение срока их службы является крайне нежелательным и экономически весьма невыгодным.

Технической задачей настоящего изобретения является создание конструкции рабочей кассеты для ядерного реактора, которая позволила бы повысить ее надежность в самых жестких условиях эксплуатации, имеющих место в реакторах различных конструкций.

Кроме того, технической задачей настоящего изобретения является создание рабочей кассеты ядерного реактора, головная часть которой обеспечивает гарантированное поджатие кассеты при эксплуатации при температурах 300-330°С.

Еще одной технической задачей настоящего изобретения является создание рабочей кассеты ядерного реактора, головная часть которой обеспечивает повышение среднего усилия поджатия самой кассеты и в то же время уменьшает различия в поджатии отдельных кассет.

Данные технические задачи решаются путем создания рабочей кассеты ядерного реактора, содержащей головную и хвостовую части, соединенные шестигранной трубой, причем головная часть включает в себя пружинный блок из шести подпружиненных упоров, расположенных в расточках в верхнем торце головной части и выступающих из нее, и гексагональный пучок тепловыделяющих элементов, удерживаемых в расположенных по длине трубы дистанционирующих решетках и закрепленных в нижней опорной решетке, примыкающей к хвостовой части, в которой согласно изобретению пружины пружинного блока головной части являются пружинами малой жесткости и выполнены с возможностью их необходимого предварительного поджатия посредством установки ограничителей перемещения упоров, при этом местоположение расточек под подпружиненные упоры на верхнем торце головной части и их глубина выбраны исходя из условия сохранения прочности головной части и отсутствия помех в режиме перегрузки кассеты.

Предпочтительно жесткость пружин составляет 0,1-0,35 кг/мм.

Предпочтительно рабочий ход пружины составляет 30-100 мм.

Предпочтительно подпружиненные упоры выступают над верхним торцом головной части на 25-50 мм.

Предпочтительно предварительное поджатие пружин составляет 5-50 мм.

Предпочтительно ограничителем перемещения упора является штифт, проходящий через центральное осевое отверстие в упоре.

Предпочтительно расточка под подпружиненный упор выполнена состоящей из двух участков с повышенными требованиями к чистоте обработки их стенок и различием в точности диаметра, причем участок, где располагается упор, имеет большую точность диаметра, чем участок, где располагается пружина, посредством чего исключается перекос упора.

Предпочтительно расточка выполнена с возможностью уменьшения трения пружины о внутреннюю ее поверхность посредством выполнения внутренней поверхности расточки с шероховатостью, как максимум, R₂40.

Предпочтительно диаметр расточек под подпружиненный упор составляет 11-15 мм, глубина расточек не превышает 140 мм, при этом центры расточек расположены на окружности на верхнем торце головной части, диаметр которой составляет 130-137 мм.

Предпочтительно пружины выполнены из материала, имеющего прочность по меньшей мере 100 кг/мм², и подвергнуты после навивки технологической операции заневоливания с осадкой и при температуре, превышающими осадку и температуру при эксплуатации.

Далее изобретение будет пояснено более подробно со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг.1 - продольный разрез рабочей кассеты ядерного реактора согласно изобретению,

Фиг.2 - продольный разрез головки рабочей кассеты согласно изобретению,

Фиг.3 - поперечный разрез головки рабочей кассеты согласно изобретению.

Как видно из Фиг.1, рабочая кассета, в целом обозначенная позицией 1, представляет собой гексагональную тепловыделяющую сборку, которая состоит из корпуса 2 в виде циркониевой трубы шестиугольного сечения, на верхнем конце которой установлена головная часть 3, а на нижнем - хвостовая часть 4, и пучок твэлов 5, закрепленных в нижней опорной решетке 6, соединенной с хвостовой частью 4 кассеты. Равномерные зазоры между твэлами 5 обеспечиваются установкой дистанционирующих решеток 7, гарантирующих равномерное прохождение потока теплоносителя через кассету. Теплоноситель подается в рабочую кассету под большим давлением через хвостовую часть 4 и сквозь нижнюю опорную решетку 6, создавая при этом подъемную силу, действующую как на нижнюю опорную решетку 6, так и на твэлы 5. Перепады давления подачи теплоносителя вызывают скачки значений подъемной силы, стремящейся сместить кассету и твэлы наверх.

Одним из способов исключения такого смещения является обеспечение поджатия кассеты относительно верхней плиты реактора. Такое поджатие осуществляется с помощью блока из шести подпружиненных упоров 8, устанавливаемых в головной части 3 рабочей кассеты 1. Как видно из Фиг.2, в головной части 3 кассеты 1 каждый из упоров 8 опирается на пружину 9 и вместе с ней устанавливается в расточку 10 в головной части 3. Размещение пружин 9 внутри головной части 3 обеспечивает отсутствие помех с их стороны захвату кассеты 1 в режимах ее перегрузок.

Пружины выполняются имеющими малую жесткость, 0,1-0,35 кг/мм, и при этом рабочий ход каждой из шести пружин 9 составляет до 100 мм, что значительно превышает ход пружин в головных частях известных рабочих кассет, как правило составляющий менее 21 мм. Кроме того, пружины 9 выполняются с пониженной жесткостью, обеспечивающей выполнение требований по максимально допустимым силовым характеристикам кассеты в условиях сборки активной зоны реактора и уменьшающей потери усилий поджатия в рабочих условиях эксплуатации при повышенных температурах. Устойчивость к релаксации при длительной эксплуатации пружин при повышенной температуре достигается помимо геометрии пружин применением для изготовления пружин исходной проволоки с пределом прочности по меньшей мере 100 кг/мм² и проведением после навивки пружины технологической операции заневоливания с осадкой, превышающей осадку в рабочих условиях, и при температуре, превышающей температуру эксплуатации.

Для обеспечения увеличения хода пружин 9 в условиях ограниченной глубины расточек 10 под подпружиненные упоры 8 в головной части 3 и ограниченной 25-50 мм высоты выступания подпружиненных упоров 8 над верхним торцом головной части 3 применено предварительное поджатие пружин.

Предварительное поджатие пружин 9 составляет 5-50 мм и может быть осуществлено различными способами. Предпочтительный вариант осуществления предварительного поджатия пружины 9 представлен на Фиг.2. Согласно такому варианту в упоре 8 выполнено центральное осевое отверстие 11. После установки в расточку 10 пружины 9, а затем упора 8, в отверстие 11 вводится ограничитель перемещения упора 8, который, в частности, как показано на Фиг.3, является штифтом 12 и ограничивает перемещение упора 8 длиной осевого отверстия 11.

При этом согласно предпочтительному варианту выполнения головной части 3 рабочей кассеты 1 расточка 10, выполненная в головной части 3, имеет два участка: участок, на котором располагается пружина 9, и участок, на котором располагается упор 8. Требования к точности выполнения диаметра каждого из участков являются различными. Так, на участке, на котором располагается упор 8, требования к точности выполнения диаметра являются высокими. На участке, на котором располагается пружина 9, для уменьшения трения пружины о внутреннюю поверхность расточки последняя выполнена с шероховатостью не более R₂40.

При разработке конструкций ограничителей хода пружин, упоров, формы поверхности, точности изготовления расточек под пружины и чистоты отделки таких поверхностей авторы исходили из необходимости предотвращения перекоса упоров 8 в процессе эксплуатации и исключения заклинивания пружин при большом соотношении длины пружин 9 к диаметру навивки.

Важным элементом для обеспечения поджатия кассеты 1 является местоположение упоров 8, а следовательно, и расточек 10 под них, на верхнем торце головной части 3 рабочей кассеты 1 и их размеры. Важным условием, которое должно быть соблюдено при определении такого местоположения, является условие сохранения прочности головной части 3 кассеты при обеспечении максимально возможной глубины расточки для обеспечения рабочего хода каждой пружины 9 до 100 мм, как уже было отмечено выше, при одновременном максимальном удалении местоположения расточек 10 от центральной оси рабочей кассеты 1. Исходя из этого условия было определено, что максимально возможная глубина расточки 10, обеспечивающая достаточную прочность головной части 3, предпочтительно составляет около 140 мм при расположении центров расточки по окружности на верхнем торце головной части с диаметром 130-137 мм.

Рабочая кассета 1 согласно изобретению работает следующим образом.

После сборки множества кассет они устанавливаются в реакторе по всей площади его активной зоны и накрываются массивной плитой.

При этом каждая из кассет при сборке зоны упирается упорами 8, выступающими над верхним торцом головной части 3 кассеты, в плиту, занимая положение, при котором пружины 9 испытывают максимальное поджатие. При работе реактора в штатных условиях эксплуатации поджатие кассет уменьшается за счет суммирования допусков на размеры кассет и внутриреакторных устройств, а также разности термических расширений материала кассеты и внутриреакторных устройств. При работе реактора на кассету действует выталкивающая сила со стороны теплоносителя, заполняющего реактор, и одновременно на кассету начинает действовать подъемная сила, вызванная перепадом давления теплоносителя при проходе через кассету. Снижение потерь поджатия кассеты обеспечивает ее подвижность в процессе эксплуатации, особенно необходимую в возможных условиях колебания расхода теплоносителя, а следовательно, и подъемной силы.

Таким образом, с помощью предложенной конструкции головной части рабочей кассеты решаются поставленные задачи, достигается надежная работа кассет ядерного реактора, и обеспечивается гарантированное поджатие кассеты при ее эксплуатации при высоких температурах.

Специалисту в данной области ясно, что многочисленные изменения и модификации могут быть сделаны в конструкции согласно изобретению, не выходя за рамки и объем изобретения, определенного прилагаемой формулой.

Устройство предназначено для использования в ядерной технике, в рабочей кассете с урановым топливом для атомного реактора. Содержит головную и хвостовую части, соединенные шестигранной трубой. Головная часть включает в себя пружинный блок из шести подпружиненных упоров, расположенных в расточках в верхнем торце головной части и выступающих из нее, и гексагональный пучок тепловыделяющих элементов, удерживаемых в расположенных по длине трубы дистанционирующих решетках и закрепленных в нижней опорной решетке, примыкающей к хвостовой части. Пружины пружинного блока головной части являются пружинами малой жесткости и выполнены с возможностью их предварительного поджатия посредством установки ограничителей перемещения упоров. Местоположение расточек под подпружиненные упоры на верхнем торце головной части и их глубина выбраны исходя из условия сохранения прочности головной части и отсутствия помех в режиме перегрузки кассеты. Повышается надежность. 9 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Рабочая кассета ядерного реактора, содержащая головную и хвостовую части, соединенные шестигранной трубой, причем головная часть включает в себя пружинный блок из шести подпружиненных упоров, расположенных в расточках в верхнем торце головной части и выступающих из нее, и гексагональный пучок тепловыделяющих элементов, удерживаемых в расположенных по длине трубы дистанционирующих решетках и закрепленных в нижней опорной решетке, примыкающей к хвостовой части, отличающаяся тем, что пружины пружинного блока головной части являются пружинами малой жесткости и выполнены с возможностью их предварительного поджатия посредством установки ограничителей перемещения упоров, при этом местоположение расточек под подпружиненные упоры на верхнем торце головной части и их глубина выбраны, исходя из условия сохранения прочности головной части и отсутствия помех в режиме перегрузки кассеты.2. Рабочая кассета по п.1, отличающаяся тем, что жесткость пружин составляет 0,1-0,35 кг/мм.3. Рабочая кассета по п.1, отличающаяся тем, что рабочий ход пружин составляет 30-100 мм.4. Рабочая кассета по п.1, отличающаяся тем, что подпружиненные упоры выступают над верхним торцом головной части на 25-50 мм.5. Рабочая кассета по п.1, отличающаяся тем, что предварительное поджатие пружин составляет 5-50 мм.6. Рабочая кассета по п.1, отличающаяся тем, что ограничителем перемещения упора является штифт, проходящий через центральное осевое отверстие в упоре.7. Рабочая кассета по п.1, отличающаяся тем, что расточка под подпружиненный упор выполнена состоящей из двух участков с различными требованиями к точности диаметра, причем участок, где располагается упор, имеет большую точность обработки, чем участок, где располагается пружина, посредством чего исключается перекос упора.8. Рабочая кассета по п.1, отличающаяся тем, что расточка выполнена с возможностью уменьшения трения пружины о внутреннюю ее поверхность посредством выполнения внутренней поверхности расточки с шероховатостью как максимум R₂40.9. Рабочая кассета по п.1, отличающаяся тем, что диаметр расточек под подпружиненный упор составляет 11-15 мм, глубина расточек не превышает 140 мм, при этом центры расточек расположены на окружности на верхнем торце головной части, диаметр которой составляет 130-137 мм.10. Рабочая кассета по п.1, отличающаяся тем, что пружины выполнены из материала, имеющего прочность по меньшей мере 100 кг/мм², и подвергнуты после навивки технологической операции заневоливания с осадкой и при температуре, превышающими осадку и температуру при эксплуатации.