УСТРОЙСТВО ДИСТАНЦИОНИРОВАНИЯ ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ Российский патент 2014 года по МПК G21C3/32 

Область техники

Изобретение относится к атомной энергетике, а более конкретно - к дистанционирующим решеткам тепловыделяющих сборкок (ТВС) для ядерных реакторов.

Предшествующий уровень техники

Дистанционирующие решетки (ДР) современных бесчехловых ТВС имеют ряд особенностей, среди которых можно отметить высокую радиальную жесткость и высокую скорость ползучести материала ячеек ДР в реакторных условиях.

В реакторных условиях за счет радиационной ползучести материала ячеек ДР, выполняющихся, как правило, из циркониевых сплавов, и контактного взаимодействия ячеек с твэльными оболочками, происходит увеличение внутреннего вписанного диаметра ячеек. С учетом уменьшения диаметра твэльных оболочек, характерного для начального и среднего периода эксплуатации ТВС, между ячейками ДР и твэльными оболочками обычно появляется зазор, и условия контактного взаимодействия оболочек твэлов с ДР качественно изменяются, так как в этом случае твэлы могут контактировать с ячейками ДР не по трем пуклевкам, как обычно бывает в самом начале эксплуатации, а по двум или по одной пуклевке. Таким образом, надежность фиксации твэльных оболочек ухудшается, и в контактных парах «твэл-ячейка ДР» при воздействии пульсирующих нагрузок со стороны потока теплоносителя могут возникнуть взаимные перемещения, что, в принципе, может привести к проблемам, связанным с фреттинг-износом твэльных оболочек.

Высокая радиальная жесткость ячеек ДР может приводить к значительным контактным силам между оболочками твэлов и ДР, что, в свою очередь, может являться причиной возникновения больших напряжений в элементах ТВС при избыточном удлинении твэльных оболочек относительно направляющих каналов в процессе эксплуатации. Большая радиальная жесткость ячеек ДР может также являться причиной появления больших усилий, возникающих при сборке пучка твэлов, что приводит к усложнению технологии сборки, например, за счет использования лака.

Известна дистанционирующая решетка (Активные зоны ВВЭР для атомных электростанций. В.Д.Шмелев, Ю.Г.Драгунов и др., Москва, 2004 г., стр.107, 108, рис.6.11) имеющая обод, ячейки с выполненными на них пуклевками. Недостатками данной дистанционирующей решетки являются повышенные усилия при прохождении твэлов через ячейки дистанционирующих решеток при сборке пучка твэлов, а также возникновение зазоров между пуклевками ячеек и оболочками твэлов в процессе эксплуатации.

Данная дистанционирующая решетка является наиболее близкой по технической сущности и достигаемому эффекту, которая принимается за прототип.

Раскрытие изобретения

Задачей изобретения является оптимизация взаимодействия оболочек твэлов с ячейками дистанционирующих решеток в процессе эксплуатации за счет оптимизации геометрии ячеек ДР, при которой снижается радиальная жесткость ячеек, а в реакторных условиях возникают усилия со стороны потока теплоносителя, постепенно уменьшающие внутренний вписанный диаметр ячеек за счет ползучести материала ячеек.

Техническим результатом изобретения является уменьшение вероятности возникновения зазоров между твэльными оболочками и ячейками ДР и снижение максимальных напряжений в элементах ТВС в процессе эксплуатации, а также снижение усилий снаряжения твэлов при сборке пучка.

Поставленная цель достигается тем, что предложен способ дистанционирования твэлов в тепловыделяющей сборке, имеющей дистанционирующие решетки (1), содержащих фигурные ячейки (2) с пуклевками (3), в котором новым является то, что поток теплоносителя воздействует на ячейки (2) таким образом, что вблизи пуклевок возникают гидравлические усилия, постепенно уменьшающие внутренний вписанный диаметр ячеек (2) по пуклевкам (3) за счет ползучести материала ячеек в реакторных условиях, как максимум на величину возможного зазора (Д) между пуклевкой (3) и оболочкой твэла (7).

Технический результат достигается тем, что в дистанционирующей решетке (1), содержащей фигурные ячейки (2) с пуклевками (3), новым является то, что пуклевки (3) выполнены таким образом, что большая часть внешней поверхности (4) ячеек (2) в районе пуклевок обращена к потоку теплоносителя.

Такое решение поставленной задачи позволяет набегающему на ячейки ДР потоку теплоносителя создать разность давлений по разные стороны от пуклевок - с наружной стороны давление теплоносителя превосходит давление теплоносителя с внутренней стороны пуклевок. Таким образом, создается дополнительное усилие поджатия пуклевок к твэльным оболочкам при эксплуатации ТВС. С учетом радиационной ползучести циркониевых сплавов такая конструкция ячеек ДР будет способствовать уменьшению вероятности образования зазоров в контактных парах «твэл-ячейка ДР» за счет постепенного уменьшения внутреннего вписанного диаметра ячеек при воздействии на них потока теплоносителя в реакторных условиях, при которых проявляется ползучесть материала ячеек ДР.

По варианту пуклевки (3) располагаются в нижней части ячеек (2).

Данное решение, когда пуклевки находятся близко к торцевому краю ячеек и имеют незначительное расстояние от точек контакта с твэльными оболочками до торца ячеек, обеспечивает пониженную радиальную жесткость по сравнению со стандартными ячейками ДР, у которых пуклевки находятся в центральной по высоте области ячеек. Таким образом, предлагаемая конструкция ДР должна обеспечивать снижение усилий, возникающих при сборке пучка твэлов и напряжений в элементах ТВС в процессе эксплуатации.

По варианту пуклевки (3) имеют заходную поверхность (внутренняя поверхность ячейки ДР вблизи ее торца), выполненную в виде загиба (5) торца (6) ячейки (2).

Данное решение позволит исключить закусывание твэла при его движении относительно ячеек в продольном направлении.

Краткое описание чертежей

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых представлены:

фиг.1 - изменение вписанного диаметра ячейки по пуклевкам при воздействии потока теплоносителя;

фиг.2 - дистанционирующая решетка для компоновки пучка по треугольной сетке;

фиг.3 - дистанционирующая решетка для компоновки пучка по квадратной сетке;

фиг.4 - общий вид предлагаемой ячейки с фрагментом твэльной оболочки с пуклевкми в нижней части;

фиг.5 - сечение ячейки с пуклевкой, имеющей загиб торцевой части ячейки.

Варианты осуществления изобретения

Дистанционирующая решетка (1) содержит фигурные ячейки (2) с пуклевками (3). Пуклевки (3) ячеек (2) выполнены таким образом, что большая часть внешней поверхности (4) ячеек (2) в районе пуклевок обращена к потоку теплоносителя.

Пуклевки (3) могут располагаться в нижней части ячеек (2).

Пуклевки (3) могут иметь заходную поверхность, выполненную в виде загиба (5) торца (6) ячейки (2).

Работа дистанционирующей решетки осуществляется следующим образом.

Поток теплоносителя поступает в пучок твэлов тепловыделяющей сборки, который закреплен в ячейках дистанционирующих решеток. Так как ячейки имеют наклонные по отношению к направлению потока поверхности, то создается гидродинамическое усилие, стремящееся сжать ячейки по пуклевкам. Тем самым обеспечивается плотный контакт ячееек с оболочками твэлов (7), обеспечивающий отсутствие фреттинг-износа как оболочек, так и самих ячеек.

При сборке пучка твэлов в силу того, что вписанный диаметр по пуклевкам меньше наружного диаметра оболочки твэла, установка твэла производится с определенным усилием. Размещение пуклевок ближе к нижней торцевой части ячейки позволяет снизить радиальную жесткость ячейки ДР и, как следствие, снизить контактное усилие взаимодействия оболочки твэла и ячейки. Это в конечном итоге приводит к снижению усилий, возникающих при сборке пучка твэлов, и повышает технологичность всей тепловыделяющей сборки. При этом наличие загиба торца ячейки в районе пуклевки в сторону от оболочки твэла обеспечивает исключение закусывания оболочки в ячейке при продольном перемещении твэлов относительно ДР.

Промышленная применимость

Изобретение имеет промышленную применимость для активных зон реакторных установок отечественного производства типа ВВЭР и активных зон зарубежных PWR. Изобретение также может быть реализовано в любом промышленном теплообменном оборудовании, содержащем нагревательные элементы, сформированные в пучок по треугольной или квадратной сетке, и дистанционирующие решетки.

Изобретение распространяется на любые виды дистанционирующих решеток сотового типа, используемые в активных зонах реакторных установок.

Предлагаемое изобретение позволит улучшить условия изготовления тепловыделяющей сборки, снизить вероятность фреттинг-износа тепловыделяющих элементов и уменьшить максимальные напряжения в элементах ТВС в процессе эксплуатации.

Изобретение относится к тепловыделяющим сборкам ядерных реакторов.

В изобретении используются гидравлические усилия, действующие на ячейки дистанционирующих решеток со стороны потока теплоносителя, для дополнительного поджатия пуклевок ячеек к твэльным оболочкам.

Дистанционирующая решетка тепловыделяющей сборки содержит фигурные ячейки, на которых пуклевки выполнены таким образом, что внешняя поверхность ячеек в районе пуклевок направлена навстречу потоку теплоносителя. Пуклевки располагают в нижней части ячеек, перемещая область контакта ячеек с твэльными оболочками ближе к торцам ячеек и снижая тем самым радиальную жесткость ячеек. Заходную поверхность пуклевок выполняют в виде загиба торца ячейки. Технический результат - поджатие пуклевок к твэльным оболочкам набегающим потоком теплоносителя в процессе эксплуатации. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Устройство дистанционирования тепловыделяющих элементов, состоящее из дистанционирующей решетки (1), содержащей фигурные ячейки (2) с пуклевками (3), отличающаяся тем, что пуклевки (3) ячеек (2) выполнены таким образом, что большая часть внешней поверхности (4) ячеек (2) в районе пуклевок обращена к потоку теплоносителя.

2. Устройство дистанционирования тепловыделяющих элементов по п.1, отличающееся тем, что пуклевки (3) располагаются в нижней части ячеек (2).

3. Устройство дистанционирования тепловыделяющих элементов по 1, отличающееся тем, что пуклевки (3) имеют заходную поверхность, выполненную в виде загиба (5) торца (6) ячейки (2).