ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩАЯ СБОРКА ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА Российский патент 2014 года по МПК G21C3/30 G21C3/34 

Область техники

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, 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.

Нормальное и безопасное функционирование твэлов в составе ТВС предполагает наличие узла крепления нижнего концевика твэла в ТВС, который должен обеспечивать надежную фиксацию твэлов и удобство дистанционной сборки - разборки пучка твэлов.

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

Известна конструкция ТВС, содержащая головку, хвостовик, пучок тепловыделяющих элементов, размещенных в расположенных по длине ТВС дистанционирующих решетках и соединяемых с опорной плитой хвостовика узлом крепления, в качестве которого использован нижний концевик твэла (RU 2129738, G21С 3/30, G21С 3/32, 27.04.1999). В известной тепловыделяющей сборке хвостовик представляет собой конструкцию из опорной плиты и опорного стакана. Опорная плита предназначена для фиксирования и крепления нижних концевиков твэл. Нижняя часть концевика 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.

Известна конструкция ТВС, 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 (RU 2339093, G21C 3/30, 20.11.2008).

В известной тепловыделяющей сборке хвостовик представляет собой конструкцию из соединенных между собой антивибрационной решетки, опорной плиты и опорного стакана. В данной конструкции нижний концевик твэл закреплен в опорной плите хвостовика, а цилиндрическая поверхность твэла фиксирована в антивибрационной решетке с целью компенсации осевых и радиальных зазоров в месте посадки концевиков твэл в опорной плите.

Данные технические решения не позволяют полностью автоматизировать процесс дистанционной сборки-разборки пучка твэлов, т.к. контактирующие с нижней поверхностью опорной плиты элементы нижних концевиков твэл имеют необтекаемую форму и для проходки твэл через систему дистанционирующих решеток на нижние концевики твэл необходимо надевать технологические наконечники обтекаемой формы.

Наиболее близкой к предложенному изобретению является конструкция ТВС, содержащая пучок тепловыделяющих элементов и направляющих каналов, размещенных в дистанционирующих решетках, головку и хвостовик, причем хвостовик состоит из соединенных между собой стакана, опорной плиты и антивибрационной решетки, антивибрационная решетка состоит из соединенных между собой ячеек и соединена с опорным стаканом пластинами посредством сварки, а нижние концевики твэлов и направляющих каналов закреплены в хвостовике (RU 2391724, G21C 3/30, 10.06.2010). В известной тепловыделяющей сборке нижний концевик твэл выполнен в виде цилиндра, переходящего в наконечник конусообразной формы, имеет кольцевую проточку, выполненную на цилиндрической части, с двумя наклонными буртами, посредством которых закрепляется в упругих элементах ячейки антивибрационной решетки, а между нижними торцевыми буртами концевиков направляющих каналов и опорной плитой установлены ступенчатые втулки, посредством которых закреплено поле ячеек антивибрационной решетки. В данной конструкции нижние концевики твэл упираются в опорную плиту, а цилиндрическая поверхность нижнего концевика твэла фиксирована в ячейке антивибрационной решетки с целью исключения осевых и радиальных перемещений твэл.

Реализация данного технического решения позволяет полностью автоматизировать процесс сборки пучков твэл, однако установка антивибрационной решетки в составе хвостовика в непосредственной близости от опорной плиты создает повышенное гидравлическое сопротивление хвостовика, снижает скорость потока теплоносителя, проходящего через пучок твэл, и не позволяет перейти на более эффективную энергонапряженную эксплуатацию тепловыделяющей сборки.

Сущность изобретения

Задачей настоящего изобретения является разработка и создание тепловыделяющей сборки ядерного реактора, обладающей повышенными ресурсными и экономическими показателями.

Техническим результатом изобретения является снижение гидравлического сопротивления хвостовика и повышение скорости теплоносителя, походящего через пучок твэл, что обеспечивает их эффективное охлаждение.

Данные технические результаты достигаются тем, что в тепловыделяющей сборке ядерного реактора, содержащей пучок тепловыделяющих элементов (твэлов) и направляющих каналов (НК), размещенных в дистанционирующих решетках (ДР), головку, опорный стакан и опорную плиту и расположенную над ними антивибрационную решетку (АВР) с упругими элементами, в которых расположены твэлы, при этом антивибрационная решетка закреплена, по меньшей мере, на трех направляющих каналах, согласно изобретению антивибрационная решетка закреплена на направляющих каналах посредством упорных втулок, установленных попарно над и под антивибрационной решеткой в местах проходки направляющих каналов и соединенных с направляющими каналами посредством сварки или пайки.

Целесообразно с целью исключения повреждения периферийных ячеек АВР в процессе перегрузки ТВС заключить поле ячеек в обод, закрепленный на периферийных ячейках посредством сварки или пайки; при этом обод целесообразно выполнять из отдельных секторов-пластин.

Предпочтительно, чтобы антивибрационная решетка состояла из соединенных между собой ячеек, заключенных в обод, состоящий из секторов, выполненных в виде пластин, соединенных с наружными ячейками посредством сварки или пайки.

При этом ячейки антивибрационной решетки расположены по гексагональной схеме и имеют шестигранную форму с тремя упругими элементам для фиксации твэла, расположенными через 120 градусов друг от друга и образованными выпуклостями на гранях ячейки внутрь ее.

Как вариант на гранях ячеек под опорами для твэла могут выполняться отбортовки, направленные внутрь ячеек АВР.

Отличительная особенность настоящего изобретения состоит в следующем. Закрепление нижнего конца твэл осуществляется в ячейке АВР, установленной над хвостовиком, посредством сопряжения между упругими элементами ячейки АВР и цилиндрической поверхностью оболочки твэл. При этом поле ячеек АВР закреплено на НК установкой в местах проходки направляющих каналов над и под полем ячеек АВР попарно втулок, соединенных с НК посредством сварки или пайки.

Перечень чертежей, поясняющих изобретение.

На фиг.1 приведена принципиальная схема ТВС; на фиг.2 показан хвостовик ТВС с расположенной над ним антивибрационной решеткой (АВР), нижними концами тепловыделяющих элементов (твэл), закрепленными в АВР, направляющими каналами (НК), закрепленными в опорной плите хвостовика; на фиг.3 показано поперечное сечение А-А на фиг.2; на фиг.4 показан выносной элемент Б на фиг.2 с креплением твэл в ячейке АВР; на фиг.5 показано поперечное сечение В-В на фиг.3 с креплением АВР на НК; на фиг.6 показана АВР с ободом; на фиг.7 показан сектор обода; на фиг.8 показана ячейка АВР; на фиг.9 показано поперечное сечение Г-Г ячейки АВР с отбортовками на фиг.8.

Пример осуществления изобретения

Тепловыделяющая сборка ядерного реактора (см. фиг.1) содержит пучок 1 твэл и НК, размещенных в дистанционирующих решетках 2, соединенных между собой посредством сварки угловыми элементами 3, АВР 4, хвостовик 5 и головку 6. Угловые элементы 3 посредством винтов 7 соединены с хвостовиком 5.

Хвостовик 5 (см. фиг.2) состоит из опорного стакана 8, опорной плиты 9, которые соединены между собой посредством сварки пластинами 10. Над хвостовиком 5 расположена АВР 4, в которой закреплены нижние концевики твэл 11, которые упираются в опорную плиту 9.

Нижние концевики НК 12 проходят сквозь АВР 4 и крепятся к опорной плите 9, например, посредством болтового соединения.

АВР 4 (см. фиг.2, 3, 8) состоит из ячеек 13, расположенных по гексагональной схеме и соединенных между собой в местах контакта посредством сварки или пайки.

Нижние концы твэл 11 (см. фиг.2, 3, 4, 8) фиксируются от радиальных перемещений в упругих элементах 14 ячеек 13 АВР, а конусообразный наконечник 15 нижнего концевика твэл упирается в опорную плиту 9.

Поле ячеек АВР 4 (см. фиг.2, 3, 5) закреплено, по меньшей мере, на трех НК 12 посредством упорных втулок 16, которые установлены попарно над и под полем ячеек АВР 4 в местах проходки НК 12 и соединены с НК 12 посредством сварки. Втулки 16 (см. фиг.5) имеют бурт 17, торец которого упирается в торец ячеек 13 АВР.

Целесообразно поле ячеек АВР 4 (см. фиг.6) заключить в обод 18, при этом обод 18 предпочтительно выполнять из отдельных секторов-пластин 19 (см. фиг.7).

Ячейки 13 АВР (см. фиг.8) предпочтительно выполнять шестигранной формы с тремя упругими элементами (пуклевками) 14, расположенными на гранях ячейки 13 через 120 градусов друг от друга, выдавленными внутрь ячейки 13.

Как вариант на гранях ячеек 13 (см. фиг.8, 9) могут дополнительно к пуклевкам 14 под ними выполняться отбортовки 20, направленные внутрь ячейки 13 АВР.

Предлагаемая тепловыделяющая сборка работает следующим образом.

После установки ТВС в реактор, она поджимается верхней плитой реактора путем упора в торец обечайки головки 6. Затем усилие передается через пружинный блок головки 6, который поджимается на величину, рассчитанную таким образом, чтобы удержать ТВС от всплытия в потоке движущегося снизу теплоносителя, на направляющие каналы 12 и далее на опорную плиту 9 и через пластины 10 на опорный стакан 8 хвостовика 5, который входит в отверстие нижней плиты реактора.

Дистанционирующие решетки 2, соединенные между собой угловыми элементами 3, образуют каркас, который посредством винтов 7 соединен с хвостовиком 5.

Теплоноситель, поступая в ТВС через входное отверстие опорного стакана 8 хвостовика 5, проходит через проливные отверстия опорной плиты 9, далее через пространство между опорной плитой 9 и АВР 4 и далее омывает твэлы пучка 1, нагреваясь за счет контакта с поверхностью твэлов 11. Твэлы 11, 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 12, т.к. последние с гарантированным зазором проходят сквозь ячейки дистанционирующих решеток 2 и антивибрационной решетки 4. Таким образом, пучок 1 с твэлами не оказывает воздействия на несущие силовую нагрузку направляющие каналы 12 и не деформирует их.

Нижние концы твэлов 11, проходя сквозь ячейки 13 антивибрационной решетки 4, за счет натягов, возникающих между упругими элементами (пуклевками 14) ячеек и оболочкой твэл, надежно фиксируются в антивибрационной решетке 4 от осевых и радиальных люфтов и упираются наконечниками 15 в опорную плиту 9. В свою очередь антивибрационная решетка 4, закрепляется посредством упорных втулок 16 на направляющих каналах 12. Тем самым исключается возможность истирания и разрушения концевиков твэл 11 в процессе эксплуатации от воздействия вибрации потока теплоносителя.

Использование предлагаемой конструкции твэл 11 с наконечником 15 обтекаемой формы с креплением твэл в антивибрационной решетке 4 и креплением антивибрационной решетки 4 на направляющих каналах 12 позволяет полностью автоматизировать процесс сборки пучков твэл с увеличением ресурсных характеристик ТВС. Размещение АВР 4 над хвостовиком 5 на расстоянии от опорной плиты 9 позволяет снизить гидравлическое сопротивление хвостовика, при этом повышается скорость потока теплоносителя, омывающего пучок 1 твэлов.

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

Изобретение относится к атомной технике, в частности к конструкциям бесчехловых тепловыделяющих сборок ядерного реактора. Тепловыделяющая сборка ядерного реактора содержит пучок тепловыделяющих элементов (твэлов) и направляющих каналов, размещенных в дистанционирующих решетках, головку, антивибрационную решетку и хвостовик. Хвостовик состоит из соединенных между собой стакана и опорной плиты. Антивибрационная решетка состоит из поля соединенных между собой ячеек, в упругих элементах которых закреплены твэлы. Согласно изобретению антивибрационная решетка установлена над хвостовиком и закреплена как минимум на трех направляющих каналах посредством упорных втулок, установленных попарно над и под полем ячеек антивибрационной решетки в местах проходки направляющих каналов и соединенных с направляющими каналами посредством сварки или пайки. Техническое решение - снижение гидравлическое сопротивление хвостовика, повышение скорости теплоносителя, омывающего пучок твэл, эффективности охлаждения твэл и ресурсных характеристик ТВС. 3 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Тепловыделяющая сборка ядерного реактора, содержащая пучок тепловыделяющих элементов (твэлов) и направляющих каналов, размещенных в дистанционирующих решетках, головку, опорный стакан и опорную плиту и расположенную над ними антивибрационную решетку с упругими элементами, в которых расположены твэлы, при этом антивибрационная решетка закреплена, по меньшей мере, на трех направляющих каналах, отличающаяся тем, что антивибрационная решетка закреплена на направляющих каналах посредством упорных втулок, установленных попарно над и под антивибрационной решеткой в местах проходки направляющих каналов и соединенных с направляющими каналами посредством сварки или пайки.

2. Сборка по п.1, отличающаяся тем, что антивибрационная решетка состоит из соединенных между собой ячеек, заключенных в обод, состоящий из секторов, выполненных в виде пластин, соединенных с наружными ячейками посредством сварки или пайки.

3. Сборка по п.1, отличающаяся тем, что ячейки антивибрационной решетки расположены по гексагональной схеме и имеют шестигранную форму с тремя упругими элементами для фиксации твэла, расположенными через 120° друг от друга и образованными выпуклостями на гранях ячейки внутрь ее.

4. Сборка по п.4, отличающаяся тем, что ниже выпуклостей на гранях ячеек выполнены отбортовки внутрь ячеек.