Тепловыделяющая сборка ядерного реактора Российский патент 2017 года по МПК G21C3/30 

Изобретение относится к атомной энергетике, а именно к тепловыделяющим сборкам (ТВС) ядерных реакторов типа ВВЭР (ВВЭР-440, ВВЭР-1000 и т.п.)

Из уровня техники известна конструкция ТВС ядерных реакторов ВВЭР-440, ВВЭР-1000 (см. Кириллов П.Л. и др. Справочник по теплогидравлическим расчетам (ядерные реакторы, теплообменники, парогенераторы). М.: Энергоатомиздат, 1990, рис. П.8.1, П.8.3 и П.8.5, с. 317-319), ТВС которой состоит из пучка твэлов 1, закрепленных в несущей нижней решетке (HP) 7 и соединенных между собой дистанционирующими решетками (ДР) 2, закрепленными на центральной трубе 9. В ТВСА ВВЭР-1000 ДР крепятся также к уголкам 3, прикрепленным винтами 6 к хвостовику 4. В ТВС-2М ДР крепятся к направляющим каналам (НК). Во всех конструкциях ТВС имеется головка 5, для обеспечения загрузки-выгрузки ТВС.

Из уровня техники известна рабочая кассета (РК) ядерного реактора ВВЭР-440, HP которой шестиугольной формы, имеет 126 круглых отверстий для установки твэлов, центральное отверстие для установки центральной трубы, 102 отверстия в форме «гантели» для протока теплоносителя, 12 отверстий диаметром 5,9 мм и полуотверстия по контуру опорной решетки для протока теплоносителя. Отверстия типа «гантель» образованы двумя отверстиями радиусом 2,95 мм, соединенными отверстием, шириной 5 мм. Отверстия для установки твэлов и центральной трубы имеют диаметр 5^+0.1, причем по контуру каждой грани шестигранной HP расположены по семь отверстий для нижних заглушек твэлов (см. Дементьев Б.Д. Ядерные энергетические реакторы. М.: Энергоатомиздат, 1990, с. 31-35). HP РК-3 ВВЭР-440 имеет дополнительно круглые отверстия для установки несущих труб (НТ).

Аналогичную конструкцию имеет несущая решетка ТВС ВВЭР-1000, которая дополнительно имеет круглые отверстия для установки НК.

Функционально HP является несущим силовым элементом, удерживающим пучок твэлов в стационарном режиме и при транспортно-технологических операциях (ТТО), а в ТВС ВВЭР-1000 она также обеспечивает загрузку-выгрузку ТВС с помощью НК.

Существенным недостатком известных HP является возможность пропускать с потоком теплоносителя посторонние debris-предметы больших размеров. Например, большая ширина и длина проливных отверстий штатной HP позволяет пропускать в пучок твэлов цилиндрические debris-предметы, диаметром до 6,3 мм, и плоские, шириной до 13,4 мм при толщине до 5,2 мм. HP с круглыми проливными отверстиями и HP типа «ромашка» для ТВС-2М также не обладают требуемыми анти-debris свойствами и пропускают длинные цилиндрические debris-предметы до размера в поперечном направлении 7,18 мм и 6,63 мм соответственно.

Проведенными экспериментальными исследованиями показано, что существующие конструкции HP имеют эффективность задержания debris-предметов произвольной формы 50…60%, что, как показала практика, недостаточно, т.к. разгерметизация оболочек твэлов по этой причине составляет ~ 56% от общего количества отказов.

В связи с этим возникла необходимость в оснащении ТВС анти debris-фильтрами (АДФ), устанавливаемыми в хвостовики на входе в ТВС. В настоящее время все РК ВВЭР-440, ТВС ВВЭР-1000 имеют АДФ.

В проекте ТВС-2М для ВВЭР-1000 был разработан АДФ, состоящий из перфорированных пластин треугольной формы. Известная конструкция АДФ ТВС-2М собирается из 12 таких пластин, установленных под определенным углом друг к другу, с помощью дополнительных ребер в сложную пространственную конструкцию, при этом большая протяженность сварных швов снижает надежность сварных соединений.

Были предложения также оснастить штатные HP дополнительными прутками из проволоки 1,5...2 мм, приваренными на нижнюю поверхность HP в районе проливных отверстий, что в условиях массового производства реализовать практически невозможно.

Данные конструкции АДФ были исследованы в ОАО «ЭНИЦ» и результаты исследований были представлены на 7-ой МНТК «Безопасность, эффективность и экономика атомной энергетики», Москва, 26-27 мая 2010 г. в докладе «Экспериментальное исследование эффективности антидебрисных фильтров кассет ВВЭР-1000».

Сравнительные исследования различных конструкций АДФ, проведенные ОАО «ЭНИЦ», показали, что эффективность задержания debris-предметов для АДФ ТВС-2М составляет 77,9%, а для АДФ ТВСА - 79,1%, т.е. увеличивается почти до 80%.

При этом, однако, увеличивается и перепад давления теплоносителя на входном участке ТВС в 1,45…1,65 раза по сравнению с перепадом давления на HP.

Недостатком известных конструкций является то, что они не могут быть изготовлены посредством механической обработки, поскольку имеют узкие щели, шириной 2 мм, и довольно тонкие перемычки между ними.

Наиболее близким аналогом предлагаемой ТВС является известная ТВС ядерного реактора (ТВСА ВВЭР-1000), содержащая пучок твэлов и НК 8, закрепленных в HP 7 и соединенных между собой ДР 2, закрепленными на центральной трубе 9 и уголках 3, имеющая АДФ, установленный в хвостовике 4, представляющий собой густо перфорированную плоскую пластину с отверстиями формы «шеврон», шириной 2 мм (RU 2264666, опубл. 20.11.2005).

Недостатками данного АДФ являются: малая, 0,3…0,6 мм, толщина перемычек между отверстиями при толщине пластины - 6…8 мм и существенное гидравлическое сопротивление.

Основным недостатком всех существующих конструкций АДФ является высокая трудоемкость изготовления.

Изготовление известных АДФ как электро-эрозионным способом, так и с помощью гидроабразивной резки приводит к большим трудозатратам.

При этом известные конструкции АДФ при их довольно высокой эффективности по отношению к криволинейным debris-предметам практически не эффективны против debris-предметов в форме прямолинейных стержней и плоских предметов большой ширины любой длины, имеющих толщину менее 2 мм.

Техническим результатом изобретения является повышение надежности и работоспособности ТВС типа ВВЭР при снижении трудоемкости ее изготовления.

Данный технический результат достигается тем, что в тепловыделяющей сборке ядерного реактора, содержащей пучок твэлов, закрепленных в несущей решетке и соединенных между собой дистанционирующими решетками, закрепленными на центральной трубе или направляющих каналах, и фильтр для задержания посторонних предметов, установленый в хвостовике ТВС, отличающейся тем, что фильтр состоит из двух фильтрующих элементов пластинчатого типа, расположенных в хвостовике друг над другом, содержащих две группы 10-11 пересекающихся прямолинейных пластин, соединенных между собой прорезями "паз в паз" и образующих вдоль оси тепловыделяющей сборки ряд криволинейных каналов для прохода теплоносителя, прямоугольного поперечного сечения, при этом каналы 14 нижнего фильтрующего элемента 13 расположены под углом к продольной оси ТВС, а каналы 15 верхнего фильтрующего элемента 12, расположенного между нижним фильтрующим элементом и HP, параллельны оси ТВС.

АДФ устанавливается внутри хвостовика в кольцевую проточку и фиксируется в осевом направлении с помощью кольца, соединенного сваркой с хвостовиком в нескольких местах.

Поперечное сечение каналов для прохода теплоносителя в форме прямоугольника имеет высоту не более 2 мм и ширину 7…10 мм.

Профиль каналов при расположении рядами в аксиальном направлении имеет форму ломаной прямой. При этом угол наклона прямых нижнего фильтрующего элемента равен 15°…25° по отношению к оси ТВС для обеспечения минимального гидравлического сопротивления предлагаемой НРФ при толщине фильтрующего элемента 8…10 мм.

Верхний фильтрующий элемент имеет каналы, параллельные оси ТВС, что обеспечивает фильтрацию прямолинейных debris-предметов, вошедших с поворотом в каналы нижнего фильтрующего элемента.

Причем такое расположение каналов в верхнем фильтрующем элементе приводит к направлению потока теплоносителя на выходе из АДФ параллельно оси ТВС, что способствует снижению КГС, вибрации и гидравлических нагрузок в нижней части ТВС, пучка твэлов и твэгов.

Толщина пластин элементов АДФ составляет 0,5…1,0 мм.

Предлагаемый АДФ выполнен из нержавеющей стали типа Х18Н10Т с использованием современной цифровой высокопроизводительной технологии газолазерной резки, освоенной в серийном производстве.

Проливное сечение предлагаемого АДФ предпочтительно должно быть не менее, чем у штатной HP.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг. 1 изображена предлагаемая ТВС.

На фиг. 2 изображен верхний фильтрующий элемент предлагаемой ТВС.

На фиг. 3 изображен нижний фильтрующий элемент предлагаемой ТВС.

На фиг. 4 изображен увеличенный фрагмент фильтра предлагаемой ТВС.

На фиг. 5 изображены пластины с верхними прорезями, из которых состоит фильтр предлагаемой ТВС.

На фиг. 6 изображены пластины с нижними прорезями, из которых состоит фильтр предлагаемой ТВС.

Фильтрующие элементы состоят из двух видов пластин: пластины 10 с нижними прорезями 16, параллельные оси ТВС, и наклоненные на определенный угол пластины 11 с верхними прорезями 17, образующие каналы 14-15 для протока теплоносителя.

Изобретение относится к атомной энергетике, а именно к тепловыделяющим сборкам (ТВС) ядерных реакторов типа ВВЭР (ВВЭР-440, ВВЭР-1000 и т.п.). ТВС оснащена анти debris-фильтром (АДФ), устанавливаемым в хвостовики ТВС. АДФ ТВС состоит из двух фильтрующих элементов пластинчатого типа, расположенных в хвостовике друг над другом, содержащих две группы пересекающихся прямолинейных пластин, образующих вдоль оси тепловыделяющей сборки ряд криволинейных каналов прямоугольного поперечного сечения для прохода теплоносителя. При этом каналы нижнего фильтрующего элемента расположены под углом к продольной оси ТВС, а каналы верхнего фильтрующего элемента, расположенного между нижним фильтрующим элементом и несущей решеткой, параллельны оси ТВС. Технический результат - повышенная эффективность улавливания debris-предметов в форме прямолинейных стержней и плоских предметов любой длины и малой толщины. 3 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Тепловыделяющая сборка ядерного реактора, содержащая пучок твэлов, закрепленных в несущей решетке и соединенных между собой дистанционирующими решетками, закрепленными на центральной трубе или направляющих каналах, и фильтр для задержания посторонних предметов, установленный в хвостовике ТВС, отличающаяся тем, что фильтр состоит из двух фильтрующих элементов пластинчатого типа, расположенных в хвостовике друг над другом, содержащих две группы пересекающихся прямолинейных пластин, образующих вдоль оси тепловыделяющей сборки ряд криволинейных каналов прямоугольного поперечного сечения для прохода теплоносителя, при этом каналы нижнего фильтрующего элемента расположены под углом к продольной оси ТВС, а каналы верхнего фильтрующего элемента, расположенного между нижним фильтрующим элементом и несущей решеткой, параллельны оси ТВС.

2. Тепловыделяющая сборка ядерного реактора по п. 1, отличающаяся тем, что прямоугольные каналы для прохода теплоносителя имеют высоту не более 2 мм при ширине 7…10 мм.

3. Тепловыделяющая сборка ядерного реактора по п. 1, отличающаяся тем, что в нижнем фильтрующем элементе, толщиной более 8 мм, каналы расположены под углом 15°…25° по отношению к продольной оси тепловыделяющей сборки.

4. Тепловыделяющая сборка ядерного реактора по п. 1, отличающаяся тем, что фильтрующие элементы выполнены из нержавеющей стали типа Х18Н10Т с использованием газолазерной резки.