ПРИЖИМНАЯ ПРУЖИНА ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩЕЙ СБОРКИ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА Российский патент 2016 года по МПК G21C15/00 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится по существу к тепловыделяющей сборке ядерного реактора и, более конкретно, к улучшенной прижимной пружине на головке тепловыделяющей сборки.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Первичная сторона систем генерации электроэнергии ядерного реактора, которые охлаждаются водой под давлением, содержит замкнутый контур, который изолирован и находится в теплообменном взаимодействии со вторичной стороной для выработки полезной энергии. Первичная сторона содержит корпус реактора, заключающий в себе внутреннюю структуру активной зоны, которая поддерживает множество тепловыделяющих сборок, содержащих расщепляющийся материал, первичный контур с теплообменными парогенераторами, внутренний объем компенсатора давления, насосы и трубы для циркулирующей воды под давлением; трубы независимо соединяют каждый из парогенераторов и насосов с корпусом реактора. Каждая из частей первичной стороны, содержащая парогенератор, насос и систему труб, которые соединены с корпусом, образует петлю первичной стороны.

Для цели иллюстрации на фиг. 1 изображена упрощенная первичная система ядерного реактора, включающая в себя по существу цилиндрический корпус 10 высокого давления реактора, имеющий крышку 12 корпуса (также изображена на фиг. 2), охватывающую активную зону 14 ядерного реактора. Жидкостный хладагент реактора, такой как вода, накачивается в корпус 10 посредством насоса 16 через активную зону 14, где тепловая энергия поглощается и отводится к теплообменнику 18, обычно относящемуся к парогенератору, в котором тепло передается к контуру потребления (не изображен), такому как паровой турбогенератор. Хладагент реактора затем возвращается к насосу 16, завершая петлю первичного контура. Обычно множество вышеописанных петель соединены с единственным корпусом 10 реактора посредством трубопровода 20 хладагента реактора.

Приводимая в качестве примера конструкция реактора более подробно изображена на фиг. 2. В дополнение к активной зоне 14, содержащей множество параллельных, вертикальных, совместно проходящих тепловыделяющих сборок 22, для целей настоящего описания остальная внутренняя структура корпуса может быть разделена на нижние внутрикорпусные структуры 24 и верхние внутрикорпусные структуры 26. В обычных конструкциях функция нижних внутрикорпусных структур заключается в поддержке, выравнивании и направлении компонентов активной зоны и контрольно-измерительных приборов, а также в направлении потока внутри корпуса. Верхние внутрикорпусные структуры ограничивают или обеспечивают вторичное ограничение для тепловыделяющих сборок 22 (только две из которых изображены для простоты на этой фигуре) и поддерживают и направляют контрольно-измерительные приборы и компоненты, такие как управляющие стержни 28. В приводимом для примера реакторе, изображенном на фиг.2, хладагент поступает в корпус 10 реактора через одно или более входных сопел 30, течет вниз через кольцевой канал между корпусом и корзиной 32 активной зоны, поворачивается на 180° в нижней камере 34, проходит вверх через нижнюю опорную плиту 37 и нижнюю плиту 36 активной зоны, на которой установлены тепловыделяющие сборки 22, и проходит через сборки и вокруг сборок. В некоторых конструкциях нижнюю опорную плиту 37 и нижнюю плиту 36 активной зоны заменяют единой структурой - нижней опорной плитой активной зоны на такой же высоте, что и высота плиты 37. Поток хладагента через активную зону и окружающую область 38 обычно бывает большим, порядка 400000 галлонов в минуту при скорости приблизительно 20 футов в секунду. Возникающее падение давления и силы трения вынуждают тепловыделяющие сборки подниматься, при этом такое перемещение ограничивается верхними внутрикорпусными структурами, включающими в себя круговую верхнюю плиту 40 активной зоны. Хладагент, выходящий из активной зоны 14, течет вдоль нижней стороны верхней плиты 40 активной зоны и вверх через множество отверстий 42. Затем хладагент течет вверх в радиальном направлении к одному или более выходным соплам 44.

Верхние внутрикорпусные структуры 26 могут поддерживаться из корпуса или крышки корпуса и включать в себя верхнюю опорную сборку 46. Нагрузки передаются между верхней опорной сборкой 46 и верхней плитой 40 активной зоны в основном посредством множества опорных колонн 48. Опорная колонна выровнена над выбранной тепловыделяющей сборкой 22 и отверстиями 42 в верхней плите 40 активной зоны.

Прямолинейно перемещающиеся управляющие стержни 28 обычно включают в себя приводной вал 50 и крестовину 52 в сборе поглощающих нейтроны стержней 28, которые направляются через верхние внутрикорпусные структуры 26 и в выровненные тепловыделяющие сборки 22 посредством направляющих трубок 54 управляющих стержней. Направляющие трубки жестко соединены с верхней опорной сборкой 46 и соединены с верхней частью верхней плиты 40 активной зоны.

Фиг. 3 представляет собой вертикальный вид в частично укороченной форме типовой тепловыделяющей сборки, обозначенной по существу номером позиции 22. Тепловыделяющая сборка 22 является сборкой такого типа, который используется в реакторах с водой под давлением и имеет конструкционный каркас, который на своем нижнем конце включает в себя хвостовик 58. Хвостовик 58 поддерживает тепловыделяющую сборку 22 на нижней опорной плите 60 активной зоны в области активной зоны ядерного реактора (нижняя опорная плита 60 активной зоны обозначена номером позиции 36 на фиг. 2). В дополнение к хвостовику 58, конструкционный каркас тепловыделяющей сборки 22 также включает в себя головку 62 (иногда обозначается как верхняя концевая деталь) на своем верхнем конце и некоторое количество направляющих труб или втулок 54 (также называемых направляющими трубами), которые проходят в продольном направлении между хвостовиком 58 и головкой 62 и жестко прикреплены к ним на противоположных концах.

Тепловыделяющая сборка 22 далее включает в себя множество поперечных решеток 64, разнесенных вдоль оси и прикрепленных к направляющим втулкам 54, и организованную матрицу удлиненных топливных стержней 66, расположенных на расстоянии друг от друга в поперечном направлении, и опирающихся на решетки 64. Хотя это не видно на фиг. 3, решетки 64 обычно образованы из прямоугольных полосок, которые чередуются по шаблону в виде контейнера для яиц со смежными границами четырех полосок, определяющими приблизительно квадратные опорные ячейки, на которые опираются поперчено разнесенные друг от друга топливные стержни 66. Во многих традиционных конструкциях выгибы и углубления штампуются в противоположных стенках полосок, которые образуют опорные ячейки. Выгибы и углубления проходят в радиальном направлении в опорных ячейках и захватывают между собой топливные стержни, оказывая давление на оболочку топливных стержней для удерживания стержней в требуемом положении. Сборка 22 также имеет трубу 68 контрольно-измерительных приборов, расположенную в ее центре, которая проходит между хвостовиком 58 и головкой 62, и прикреплена к хвостовику 58 и к головке 62. При такой компоновке деталей тепловыделяющая сборка 22 образует единый блок, с которым удобно обращаться без повреждения сборки деталей.

Как было упомянуто выше, топливные стержни 66 в своей матрице в сборке 22 удерживаются на расстоянии друг от друга посредством решеток 64, разнесенных вдоль длины тепловыделяющей сборки. Каждый топливный стержень 66 включает в себя множество ядерных топливных таблеток 70 и закрыт на своих противоположных концах верхней и нижней концевыми заглушками 72 и 74. Таблетки 70 удерживаются в виде стопки посредством пружины 76 камеры, расположенной между верхней концевой заглушкой 72 и вершиной стопки таблеток. Топливные таблетки 70, состоящие из расщепляющегося материала, отвечают за создание реактивной мощности реактора. Оболочка, которая окружает таблетки, действует как барьер для предотвращения поступления побочных продуктов расщепления в хладагент и дальнейшего загрязнения системы реактора.

Для регулирования процесса расщепления ряд управляющих стержней 78 перемещается возвратно-поступательно в направляющих втулках 54, расположенных в предварительно определенных положениях в тепловыделяющей сборке 22. В частности, механизм 80 управления кластером стержней, расположенный над головкой 62, поддерживает управляющие стержни 78. Механизм управления имеет цилиндрический центральный элемент 82 с внутренней резьбой, с множеством радиально проходящих лап или плеч 52. Каждое плечо 52 взаимосвязано с управляющими стержнями 78 так, чтобы механизм 80 управления стержнями действовал для вертикального перемещения управляющих стержней в направляющих втулках 54 для управления тем самым процессом расщепления в тепловыделяющей сборке 22 под действием движущей силы приводных валов 50 управляющих стержней, которые соединены с механизмом (втулками) 80 управления стержнями хорошо известным способом.

Как упоминалось ранее, тепловыделяющие сборки подвергаются воздействию гидравлических сил, которые превышают вес топливных стержней и, тем самым, действуют с существенными силами на топливные стержни и тепловыделяющие сборки. Эти силы определяются комбинацией веса тепловыделяющих сборок 22 и множества прижимных пружинных сборок 56 на головках 62, которые давят на верхнюю плиту 40 активной зоны (фиг. 2) реактора. Прижимные пружинные сборки 56 тем самым препятствуют силе восходящего потока хладагента поднимать тепловыделяющие сборки до опасного контакта с верхней плитой активной зоны, позволяя одновременно изменение в длине тепловыделяющих сборок из-за теплового расширения, вызываемого активной зоной, и увеличения радиации. Опыт работы показал, что эти прижимные пружины могут подвергаться растрескиванию из-за механической коррозии, что может снизить их эффективность.

Таким образом, требуется новая прижимная сборка, которая будет сохранять свою упругость в течение увеличенных топливных циклов. Более того, требуется новая прижимная сборка, которая будет более устойчиво к растрескиванию из-за механической коррозии.

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩЕСТВА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Решение этих и других задач изобретения достигается посредством улучшенной тепловыделяющей сборки, имеющей верхнюю концевую деталь и нижнюю концевую деталь, соединенные вместе посредством конструкционной сборки, имеющей осевой размер, который проходит от нижней концевой детали до верхней концевой детали, причем верхняя концевая деталь имеет прижимную пружинную сборку, выступающую над верхней поверхностью верхней концевой детали. Прижимная пружина содержит основной пружинный элемент, проходящий над верхней концевой деталью, которая включает в себя первый прямой участок ножки, имеющий один конец, прикрепленный к раме верхней концевой детали под острым углом к плоскости, ортогональной осевому размеру тепловыделяющей сборки, с острым углом больше нуля градусов. Аркообразный переходный участок проходит на другом конце первой прямой ножки с прямым вторым участком ножки, проходящим от переходного участка к раме под острым внутренним углом к первой ножке. Основной пружинный элемент ориентирован на верхней концевой детали так, что переходный участок находится на наибольшей высоте по вертикали, в результате чего перемещение концевой детали и верхней плиты реактора, для работы в котором тепловыделяющая сборка сконструирована, относительно друг друга в основном нагружает переходной участок и отклоняет первый участок ножки около соединения с рамой концевой детали. Прижимная пружинная сборка также включает в себя, по меньшей мере, одну вспомогательную пружину, которая имеет первый и второй конец. Первый конец прикреплен к верхней концевой детали соседней с первым концом первой ножки основной пружины. Второй конец заканчивается рядом с переходным участком и включает в себя средство для взаимодействия с переходным участком для противодействия перемещению вниз переходного участка, так как основной пружинный элемент отклоняется консольным образом.

Предпочтительно, если конец основной пружины, который прикреплен к раме верхней концевой детали, поддерживается в пазу в раме, которая проходит по существу под острым углом. Желательно, если пружина зажата на первом участке поверхности на раме, которая проходит по существу под острым углом, где периферия первого участка поверхности рамы под основной пружиной закруглена по радиусу для перехода ко второму участку поверхности рамы под основной пружиной, которая проходит по существу параллельно плоскости, ортогональной осевому размеру.

В другом варианте осуществления, по меньшей мере, одна вспомогательная пружина имеет по существу плоскую ножку, которая проходит от первого конца до промежуточного участка рядом со вторым концом, где плоская ножка закругляется по радиусу по направлению к раме. Предпочтительно, если закругленный по радиусу промежуточный участок имеет закругление между 10° и 70°.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Дополнительное понимание изобретения может быть получено из последующего описания предпочтительных вариантов осуществления изобретения со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых:

Фиг. 1 представляет собой упрощенную схему системы ядерного реактора, к которой может быть применено настоящее изобретение;

Фиг. 2 представляет собой вид в вертикальном частичном разрезе корпуса ядерного реактора и внутренних компонентов, для которых может быть применено настоящее изобретение;

Фиг. 3 представляет собой вид в частичном вертикальном разрезе тепловыделяющей сборки, изображенный в вертикально укороченной форме с частями, частично удаленными для ясности;

Фиг. 4 представляет собой вид в перспективе головки тепловыделяющей сборки предшествующего уровня техники, изображающий четыре консольных пластинчатых пружинных сборки, имеющие опоры в диаметрально противоположных углах;

Фиг. 5 представляет собой схематическое изображение головки тепловыделяющей сборки, частично разрезанной для того, чтобы изобразить опору консольной пластинчатой пружинной сборки настоящего изобретения;

Фиг. 6 представляет собой изображение в перспективе пружинной сборки настоящего изобретения, изображенной на фиг. 5, взятой в разрезе головки;

Фиг. 7 представляет собой графическое изображение распределения деформации пластинчатой пружины предшествующего уровня техники; и

Фиг. 8 представляет собой графическое изображение распределения деформации пластинчатой пружины настоящего изобретения.

ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНОГО ВАРИАНТА ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Как отмечалось ранее, прижимные пружинные сборки 56, изображенные на фиг. 3, являются важными структурными элементами для тепловыделяющей сборки ядерного реактора. Несколько пластин собирают вместе для образования комплекта пружин для обеспечения требующейся прижимной силы, действующей на тепловыделяющую сборку для противодействия силам поднятия вверх, действующим из-за гидравлического потока, и для того, чтобы позволить рост тепловыделяющей сборки вследствие дифференциального теплового расширения и дозы радиоактивного облучения во время нормальной работы электростанции.

Обычные прижимные пружины 56 устанавливают на головки 62 и удерживаются посредством штифта 60, расположенного в диаметрально противоположных углах верхней плиты 20, как изображено на фиг. 3. Обычно головка 62 поддерживает четыре комплекта пружин 56, как изображено на фиг. 4. Каждый комплект пружин имеет основную пружину 84 и, по меньшей мере, одну вспомогательную пружину 86, причем две вспомогательные пружины изображены на фиг. 3 и три изображены на фиг. 4. В соответствии с предшествующим уровнем техники пружины 84 и 86 имеют плоский горизонтальный конец 88, который прикреплен к верхней плите 20 головки 62 посредством штифта 60. Пружины затем изгибаются вверх от верхней плиты 20, причем основной пружинный элемент 84 имеет первую плоскую ножку 90, которая проходит под острым углом, величина которого больше 0°, по отношению к верхней плите 20 до аркообразного переходного участка 92 на другом конце первой ножки 90. Прямой участок второй ножки 94 проходит от переходного участка 92 к раме головки 62 под острым внутренним углом к первой ножке 90. Вспомогательные пружины 86 этого варианта осуществления предшествующего уровня техники имеют короткую плоскую секцию, которая соответствует плоскому основанию 88 основной пружины, и которые затем изгибаются вверх под основной пружиной, проходя вдоль прямого участка под основной пружиной и заканчиваясь рядом с переходным участком 92 у второго конца, причем вторые концы вспомогательных пластин 86 взаимодействуют с переходным участком 92 основной пружины 84 для ограничения перемещения вниз переходного участка 92, так как основная пружина 84 отклоняется вниз консольным образом. Вторая пластина 94 основной пружины проходит через отверстие во вспомогательных пружинных пластинах 86 к раме 62 головки, где она взаимодействует со стопорным элементом, который не изображен.

Тепловыделяющие сборки 22 установлены вертикально в активной зоне 14 реактора и стоят прямо на нижней плите 60 (36) активной зоны. Как можно понять из фиг. 2, после установки тепловыделяющих сборок на место устанавливается верхняя опорная структура 26. Верхняя плита 40 активной зоны затем перемещается вниз на прижимные пружины 56 на головке 62 каждой тепловыделяющей сборки 22 для удерживания тепловыделяющей сборки на месте. Пружины обычно выполнены из сплава 718 никель-хром-железо. Крепежный штифт 60, который удерживает комплект пружин на месте, может быть либо ввинчен в головку, либо приварен для предотвращения разъединения во время работы.

Усовершенствование настоящего изобретения изображено на фиг. 5. Одинаковые ссылочные позиции используются для соответствующих компонентов пружины 56 и головки 62, хотя следует понимать, что конструкция отдельных элементов будет отличаться от конструкции соответствующих элементов предшествующего уровня техники, изображенного на фиг. 3 и 4, как описано далее. В соответствии с настоящим изобретением конец 88 каждой пластины, то есть основной пружинный элемент и вспомогательные пружинные элементы, образованы из короткой секции прямого плоского бруса, за которым следует длинный плоский брус 90, чья толщина сужается, проходя в направлении вдоль пластин от основания 88. Бруски 88 и 90 образуют, таким образом, одну непрерывную плоскую ножку. В отличие от верхней основной пружины 84, существует легкий изгиб 96 на концевом участке прямых вспомогательных брусков 86. Поскольку комплект пружин 56 представляет собой консольную структурную систему, максимальный изгибающий момент и продольная деформация возникают на опорном конце 98. При изгибной нагрузке прямого бруса абсолютное значение деформации или напряжения на внутренних и наружных слоях одинаковы. Однако, что касается искривленного основания пружины обычной конструкции, абсолютная величина деформации или напряжения на внутренних или наружных слоях неодинакова из-за эффекта кривизны, что можно увидеть на графике распределения напряжений для конструкции пластинчатой пружины предшествующего уровня техники, изображенной на фиг. 7 и распределения напряжений конструкции пластинчатой пружины настоящего изобретения, изображенной на фиг. 8. Этот анализ предполагает упруго-пластическую деформацию в соответствии с условиями эксплуатации. На основе такого же анализа нагрузок максимальная абсолютная деформация пружины с прямым (плоским) концом равномерно распределяется на внутренних и наружных слоях. Максимальные деформации равны 0,014247 и 0,010104 соответственно для изогнутого основания из предшествующего уровня техники и для конструкции с прямым основанием настоящего изобретения. Это означает, что максимальная деформация уменьшается приблизительно на 29% для конструкции с прямым основанием.

На фиг. 6 изображен другой вид конструкции пружины, изображенной на фиг. 5, взятый под другим углом. Секции 88 и 90, изображенные на фиг. 5 и 6, представляют собой комплект пружин с прямыми пластинами, которые проходят из наклонного паза 100 в головке. Прямые бруски проходят до переходного участка 92 в основной пружинной пластине и до слегка изогнутых секций 96 во втором конце вспомогательных пружинных пластин. Наклонный паз 100 проходит под острым углом больше 0° до плоскости, ортогональной продольной оси тепловыделяющей сборки. Изгибы 96 закруглены по радиусу между 10° и 70°. Таким же образом нижний край 102 паза 100 закруглен по радиусу между 10° и 70°. В других отношениях головка 62 подобна той, которая изображена на фиг. 4.

Хотя были подробно описаны конкретные варианты осуществления, специалисты в данной области техники должны понимать, что могут быть разработаны различные модификации и изменения в свете общих идей раскрытия. Соответственно, конкретные раскрытые варианты осуществления являются только иллюстративными и не ограничивают объем изобретения, который в полном объеме представлен формулой изобретения и любыми и всеми его эквивалентами.

Изобретение относится к тепловыделяющим сборкам ядерного реактора (ТВС). ТВС имеет множество комплектов многопластинчатых прижимных пружин, проходящих от головки. Каждый комплект пружин состоит из множества пружинных пластин для того, чтобы обеспечивать большой рабочий диапазон отклонения пружины. Каждая пружинная пластина имеет секцию прямого плоского основания, за которой следует прямой, сужающийся брус со вторичным пружинным комплектом, имеющим кривизну на своем периферическом конце. Технический результат - сохранение упругости прижимной сборки в течение увеличенных топливных циклов и повышение устойчивости к растрескиванию из-за механической коррозии. 4 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Тепловыделяющая сборка (22) ядерного реактора, имеющая верхнюю концевую деталь (62) и нижнюю концевую деталь (58), соединенные вместе посредством конструкционной сборки, имеющей осевой размер, который проходит от нижней концевой детали до верхней концевой детали, причем верхняя концевая деталь имеет пружинную сборку (56), выступающую над верхней поверхностью верхней концевой детали, причем пружинная сборка содержит:
основной пружинный элемент (84), проходящий над верхней концевой деталью (62), включающий в себя первый прямой участок (90) ножки, имеющий один конец (88), прикрепленный к раме верхней концевой детали под острым углом к плоскости, ортогональной осевому размеру, причем величина острого угла больше нуля градусов, аркообразный переходный участок (92) на другом конце первой ножки и второй прямой участок (94) ножки, проходящий от переходного участка к раме под острым внутренним углом по отношению к первой ножке, причем основной пружинный элемент ориентирован по верхней концевой детали так, что переходный участок находится на наибольшей высоте по вертикали, в результате чего перемещение концевой детали и верхней плиты (40) реактора (10), для работы в котором сконструирована эта тепловыделяющая сборка (22), относительно друг друга в основном нагружает переходный участок и отклоняет первый участок ножки около соединения с рамой верхней концевой детали;
по меньшей мере, одну вспомогательную пружину (86), имеющую первый и второй концы, причем первый конец прикреплен к верхней концевой детали (62) рядом с первым концом (88) ножки (90) основной пружины, и второй конец, заканчивающийся рядом с переходным участком (92), и средство у второго конца вспомогательной пружины для взаимодействия с переходным участком для сопротивления перемещению вниз переходного участка, так как элемент (84) основной пружины отклоняется консольным образом;
при этом один конец (88) основной пружины (84), который прикреплен к раме верхней концевой детали (62), зажат на первом участке (102) поверхности на раме (20), которая проходит по существу под острым углом, причем периферия первого участка поверхности рамы под основной пружиной закруглена по радиусу для перехода ко второму участку поверхности рамы под основной пружиной, которая проходит по существу параллельно плоскости, ортогональной осевому размеру; и
по меньшей мере, одна вспомогательная пружина (86) имеет по существу плоскую ножку, которая проходит от первого конца (88) до промежуточного участка рядом со вторым концом (96), где в неотклоненном положении плоская пластина закруглена по радиусу по направлению к раме (20) от основной пружины, так что дополнительная пружина по существу контактирует с нижней стороной основной пружины на участке более чем половина длины дополнительной пружины, при этом между основной и дополнительной пружиной образован зазор у переходного участка основной пружины.

2. Тепловыделяющая сборка (22) ядерного реактора по п. 1, в которой один конец (88) основной пружины (84), который прикреплен к раме верхней концевой детали (62), поддерживается в пазу (102) в раме, которая проходит по существу под острым углом.

3. Тепловыделяющая сборка (22) ядерного реактора по п. 1, в которой закругленный по радиусу промежуточный участок имеет закругление между 10° и 70°.

4. Тепловыделяющая сборка (22) ядерного реактора по п. 1, в которой один конец (88) первого участка (90) прямой ножки основного пружинного элемента (84) прикреплен к раме (20) верхней концевой детали (62) посредством крепежного штифта или винта.

5. Тепловыделяющая сборка (22) ядерного реактора по п. 1, в которой периферия первого участка (102) поверхности на раме (20) под основной пружиной, которая закруглена, имеет закругление между 10° и 70°.