ПРУЖИННЫЙ ФИКСАТОР ТОПЛИВНОГО СТОЛБА ТВЭЛОВ ТВС Российский патент 2010 года по МПК G21C3/18 

Изобретение относится к ядерной технике, в частности к конструкциям стержневых тепловыделяющих элементов (твэлов), предполагающих наличие в своем составе устройств и средств для фиксации ядерного топлива при транспортно-технологических операциях в процессе изготовления ТВС, перевозки их на АЭС и пр., а также для поджатия во время эксплуатации топлива, например, в виде таблеток с требуемым усилием, и может быть использовано как в ядерных реакторах с водой под давлением, например ВВЭР-440, ВВЭР-1000, так и в кипящих, например РБМК-1000, РБМК-1500, а также реакторах на быстрых нейтронах типа БН.

Известны пружинные фиксаторы топливного столба в твэлах ВВЭР-440, изготовленные из сплава ЭК173-ИД с диаметром проволоки 0,9 мм. При установке фиксатора в оболочку твэла, из-за одинаковых диаметров буферной и фиксирующей части фиксатора в отдельных случаях наблюдалась деформация буферных витков, кроме того, сплав, из которого ранее изготавливался фиксатор, обладает низкой технологичностью.

В качестве наиболее близкого аналога к предлагаемому пружинному фиксатору выбран пружинный фиксатор, имеющей последовательно расположенные от топливного столба компенсирующую, буферную и фиксирующую группу витков, в которых наружный диаметр витков буферной группы больше внутреннего диаметра витков фиксирующей группы, а шаг витков буферной группы меньше шага витков компенсирующей группы, при этом полагается, что наружный диаметр буферной части равен наружному диаметру компенсирующей части. При значении длины L объема для установки пружины 70,0-92,5 мм отношение длины L_кб компенсирующей и буферной групп витков к суммарной длине L_о всех групп витков при свободном состоянии пружины выбрано 0,72-0,89, причем количество витков компенсирующей и буферной групп составляет от 14 до 16, а диаметр d их проволоки выбран 0,8-1,1 мм, а пружина выполнена из железохромоникелевого сплава (см. RU 2150151 С1, опубл. 27.05.2000). При установке фиксатора в оболочку твэла из-за одинаковых наружных диаметров буферной и компенсирующей частей наблюдалась деформация буферных витков, что приводит к снижению прочности и не обеспечивает минимальную величину усилия поджатия столба и максимальную длину установленного в оболочку твэла фиксатора.

Задачей изобретения является создание высокотехнологичной конструкции пружинного фиксатора, имеющего оптимальные упругие свойства и обеспечивающего увеличение ресурса твэла и глубины выгорания топлива.

Задача решается тем, что пружинный фиксатор топливного столба твэлов ТВС, выполненный в виде цилиндрической пружины, имеющей последовательно расположенные от топливного столба компенсирующую, буферную и фиксирующую группы витков, в которых шаг витков буферной группы меньше шага витков компенсирующей группы, при этом наружный диаметр витков буферной группы меньше наружного, но больше внутреннего диаметра витков компенсирующей группы для обеспечения прочности фиксатора при установке в твэл по существующей технологии, а также в рабочих условиях.

Указанное изменение диаметра витков буферной группы позволило достичь технического результата - исключить их деформацию при установке фиксатора в оболочку твэла при достижении оптимальных упругих свойств фиксатора, обеспечивающего увеличение ресурса твэла и глубины выгорания топлива.

В частном варианте изобретения выполнение пружины из коррозионно-стойкой стали аустенитного класса или из жаропрочного сплава на никелевой основе обеспечило дополнительное увеличение технологичности предлагаемого фиксатора.

В основу разработки предлагаемого фиксатора вошли проблемы, возникающие при установке известных фиксаторов в оболочку твэла, в процессе которой наблюдалась деформация буферных витков. Для устранения трудностей при установке фиксатора было предложено для повышения прочности буферных витков уменьшить их наружный диаметр на 0,5-1,0 мм.

При расчете по программе ПЭВМ «FIX» предлагаемого пружинного фиксатора для реактора ВВЭР-440 учитывались следующие требования: длина фиксатора после его установки не должна превышать 69-73 мм для обеспечения зазора между торцом пружины и заглушкой твэла, фиксатор должен обеспечивать усилие поджатия топлива не менее 1,2 веса столба после всех технологических операций, рабочий ход фиксатора должен компенсировать перемещение топливного столба относительно оболочки твэла при выходе реактора на мощность и в процессе всего срока эксплуатации не менее 27 мм, диаметр пружинной проволоки 0,91 мм, масса топливного столба 1,141 кгс для твэлов ВВЭР-440 второго поколения.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг.1 изображена цилиндрическая пружина предлагаемого фиксатор, на фиг.2 изображена схема установки предлагаемого фиксатора с поджатием компенсирующей части, на фиг.3 изображен шток для установки пружины.

Пружина состоит из фиксирующей группы 1, буферной группы 2 и компенсирующей группы 3. Шаг витков буферной группы t_б меньше шага витков компенсирующей группы t_к, наружный диаметр витков буферной группы D_б выполнен больше внутреннего диаметра витков фиксирующей группы d_ф и больше внутреннего диаметра витков компенсирующей группы d_к, но меньше наружного диаметра витков компенсирующей группы D_к.

На схеме установки показан захват разрывной машины 4 и 5, имитатор штока 6, имитатор оболочки твэла 7, пружина фиксатора 8, имитатор топливного столба 9 и заглушка 10 (см. фиг.2).

Установка предлагаемого фиксатора осуществляется следующим образом (на примере ВВЭР-440).

Изготавливают трехступенчатую цилиндрическую пружину, например, из проволоки диаметром 0,91 мм с наружным диаметром D_ф фиксирующей группы 8,2 мм, с внутренним диаметром d_ф фиксирующей группы 6,38 мм, наружным диаметром D_б буферной группы 6,5 мм, наружным диаметром D_к компенсирующей группы 7,25 мм и внутренним диаметром d_к компенсирующей группы 5,43 мм.

С помощью штока 6, упирающегося в буферную группу 2 витков, производится втягивание фиксирующей группы 1 витков в оболочку твэла. Шток 4 представляет собой ступенчатый стержень с определенной длиной и диаметром упора 7 штока. Кроме упора 7 шток 6 включает промежуточную часть 8 и рукоятку 9 (фиг.3).

Установка фиксатора производится таким образом, чтобы при вставке фиксатора с поджатием компенсирующей группы максимальное усилие поджатия топливного столба не превышало 150 Н из условия прочности топливных таблеток, а остаточное усилие поджатия топливного столба после извлечения штока было не менее 1,2 от веса топливного столба, что обеспечивает сохранность топливных таблеток при транспортно-технологических операциях.

Предлагаемая конструкция пружинного фиксатора высокотехнологична, имеет оптимальные упругие свойства и обеспечивает увеличение ресурса твэла и глубины выгорания топлива.

Изобретение относится к ядерной технике, в частности к конструкциям стержневых тепловыделяющих элементов (твэлов), предполагающих наличие в своем составе средств для фиксации ядерного топлива при его транспортировке, а также для поджатия во время эксплуатации топлива, например, в виде таблеток с требуемым усилием. Изобретение может быть использовано, преимущественно, в ядерных реакторах водо-водяного типа, например ВВЭР-440, ВВЭР-1000, РБМК-1000, РБМК-1500, а также в реакторах на быстрых нейтронах типа БН. Пружинный фиксатор выполнен в виде цилиндрической пружины, имеющей последовательно расположенные от топливного столба компенсирующую, буферную и фиксирующую группу витков, в которых шаг витков буферной группы меньше шага витков компенсирующей группы. Наружный диаметр витков буферной группы больше внутреннего диаметра витков фиксирующей группы, а наружный диаметр витков буферной группы меньше наружного, но больше внутреннего диаметра витков компенсирующей группы. Изобретение направлено на увеличение ресурса твэла и глубины выгорания топлива. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Пружинный фиксатор топливного столба твэлов тепловыделяющей сборки, выполненный в виде цилиндрической пружины, имеющей последовательно расположенные компенсирующую, буферную и фиксирующую группы витков, в которых шаг витков буферной группы меньше шага витков компенсирующей группы, а наружный диаметр витков буферной группы больше внутреннего диаметра витков фиксирующей группы, отличающийся тем, что наружный диаметр витков буферной группы меньше наружного, но больше внутреннего диаметра витков компенсирующей группы.

2. Пружинный фиксатор по п.1, отличающийся тем, что пружина выполнена из коррозионно-стойкой стали аустенитного класса.

3. Пружинный фиксатор по п.1, отличающийся тем, что пружина выполнена из жаропрочного сплава на никелевой основе.