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), рабочая кассета (РК) которой состоит из пучка твэлов 1, закрепленных несущей нижней решетке 7 и соединенных между собой дистанционирующими решетками (ДР) 2, закрепленными на центральной трубе. В ТВСА ВВЭР-1000 ДР крепятся также к уголкам 3, прикрепленным винтами 6 к хвостовику 4. Во всех конструкциях ТВС имеется головка 5 для обеспечения загрузки-выгрузки ТВС.

Из уровня техники известна ТВС ядерного реактора ВВЭР-440, несущая решетка (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 min и полуотверстия по контуру опорной решетки для протока теплоносителя. Отверстия типа «гантель» образованы двумя отверстиями радиусом 2,95 min, соединенными отверстием шириной 5 min. 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). Несущая решетка 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 направляющих каналов (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 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» также не обладают требуемыми анти-debris свойствами и пропускают длинные 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 ТВС. В настоящее время РК и ТВС ВВЭР-440, ТВС ВВЭР-1000 имеют АДФ.

Известна тепловыделяющая сборка ядерного реактора (ТВСА ВВЭР-1000), содержащая пучок твэлов и НК 8, закрепленных в концевой несущей решетке 7 и соединенных между собой ДР 2, закрепленными на центральной трубе 9 и уголках 3, а также АДФ, установленный в хвостовике 4 и представляющий собой густо перфорированную плоскую пластину с вытянутыми отверстиями формы «шеврон», шириной 2 мм (RU 2264666, опуб. 20.11.2005).

Недостатками данных АДФ являются: малая, 0,3…0,6 мм, толщина перемычек между отверстиями при толщине пластины - 6…8 мм, высокое гидравлическое сопротивление, неспособность удерживать пучок твэлов и НК в условиях эксплуатации и при транспортно-технологических операциях (ТТО).

В проекте ТВС-2М для ВВЭР-1000 был разработан АДФ, состоящий из наклонных перфорированных пластин. Предлагаемая 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». М., 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-частиц АДФ ТВС-2М составляет 77,9%, а АДФ для 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.

Основным недостатком существующих конструкций АДФ является довольно высокая трудоемкость изготовления. Все известные конструкции не могут быть изготовлены посредством механической обработки, поскольку имеют узкие щели, шириной 2 мм, и довольно тонкие перемычки между ними.

Изготовление их как электроэрозионным способом, так и с помощью гидроабразивной резки приводит к большим трудозатратам.

Важным свойством современных конструкций ТВС как ВВЭР-440, так и ВВЭР-1000 является ремонтопригодность - возможность замены отказавшего твэла на новый или имитатор-вытеснитель. В связи с большим количеством твэлов в ТВС: 126 в ТВС ВВЭР-440 и 312 в ТВС ВВЭР-1000 - это дает существенный экономический эффект.

Предполагалось, что такая операция может быть выполнена путем вытаскивания отказавшего твэла за верхнюю заглушку. Однако, исследования, проведенные в НИИАР, показали, что вероятность извлечения отказавшего твэла таким способом составляет ~50%, т.к. дефекты оболочки отказавшего твэла могут привести к его разрушению при попытке извлечения, что из-за радиационной опасности недопустимо на АЭС.

Чтобы повысить вероятность извлечения отказавшего твэла, было предложено перед вытаскиванием страгивать твэл путем механического воздействия на нижнюю заглушку твэла, однако наличие АДФ ограничивает доступ снизу к заглушкам твэлов и тем самым исключает возможность ремонта ТВС.

Наиболее близким аналогом предлагаемой являются ТВСА, оснащенные нижней решеткой (RU 2473989, 27.03.2013) с фильтрующими свойствами (НРФ).

За счет аналогичной известным АДФ конфигурации проливных пазов они имеют эффективность задержания debris-частиц ~80%. При этом коэффициент гидравлического сопротивления (КГС) данных конструкций соизмерим с КГС HP, что является положительным фактором.

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

Задачей настоящего изобретения является снижение количества отказов ТВС при эксплуатации, повышение надежности и работоспособности ТВС.

Техническим результатом изобретения является создание конструкции НРФ лабиринтного типа, обладающей повышенной эффективностью по отношению к улавливанию debris-предметов прямолинейной формы, имеющей при этом КГС, не более суммарного КГС HP и АДФ.

Данный технический результат достигается тем, что в тепловыделяющей сборке ядерного реактора, содержащей пучок твэлов, расположенных по треугольной сетке, закрепленных в концевой несущей решетке и соединенных между собой дистанционирующими решетками, закрепленными на центральной трубе, несущая решетка-фильтр выполнена в виде перфорированной пластины с цилиндрическими отверстиями, предназначенными для установки твэлов 10, направляющих каналов или несущих труб 11 и центральной трубы 12, установлена в хвостовике ТВС и имеет изогнутые вдоль оси ТВС каналы 13 для прохода теплоносителя.

Каналы для прохода теплоносителя в предлагаемой НРФ образованы первыми перемычками 14, радиальными по отношению к отверстиям, вторыми перемычками 15, расположенными вокруг отверстий, и третьими перемычками 16, перпендикулярными линиям, проходящим через центры отверстий, при этом вход теплоносителя в канал 17 и выход из него 18 сдвинуты на некоторый угол вокруг оси отверстий до достижения непрозрачности НРФ, чем повышает ее эффективность за счет придания ей способности к улавливанию debris-предметов прямолинейной формы, причем верхняя часть 19 канала параллельна оси ТВС.

Направление движения теплоносителя показано на фиг. 1, 4 стрелкой.

При этом каналы для прохода теплоносителя имеют ширину не более 2 мм, что определяется техническими требованиями.

В случае, если профиль каналов имеет форму ломаной прямой угол наклона канала в нижней половине, на входе теплоносителя в НРФ, при котором обеспечивается непрозрачность НРФ в направлении оси ТВС составляет α=arctg(2δ/h), а наибольшая эффективность НРФ имеет место при α=arctg(45/h), где δ - наибольшая ширина канала, h - высота НРФ, при котором НРФ непрозрачна в любом направлении.

Наиболее предпочтительным является угол 15…25° по отношению к оси ТВС для обеспечения минимального гидравлического сопротивления предлагаемой НРФ.

В верхней половине, на выходе теплоносителя из НРФ, канал параллелен оси ТВС для обеспечения минимальных гидродинамических нагрузок в нижней части ТВС и пучка твэлов.

Предлагаемая НРФ может быть выполнена из нержавеющей стали типа Х18Н10Т с использованием аддитивной технологии.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг. 1 изображена предлагаемая ТВС.

На фиг. 2 изображена НРФ предлагаемой ТВС для ВВЭР-1000.

На фиг. 3 изображена нижняя часть НРФ предлагаемой ТВС.

На фиг. 4 изображены каналы для прохода теплоносителя предлагаемой НРФ.

Изобретение относится к тепловыделяющим сборкам (ТВС) ядерных реакторов типа ВВЭР (ВВЭР-440, ВВЭР-1000 и т.п.). В заявленном изобретении предусмотрено оснащение ТВС анти- debris-фильтрами (АДФ), устанавливаемыми в хвостовики ТВС, при этом несущая решетка тепловыделяющей сборки с фильтрующими свойствами (НРФ) тепловыделяющей сборки ядерного реактора имеет криволинейные каналы для прохода теплоносителя, причем вход теплоносителя в канал и выход из него сдвинуты на некоторый угол вокруг оси отверстий под твэлы и направляющие каналы до достижения непрозрачности НРФ, причем верхняя часть канала параллельна оси ТВС. Техническим результатом является создание конструкции НРФ лабиринтного типа с повышенной эффективностью по отношению к улавливанию debris-предметов прямолинейной формы, имеющей при этом КГС не более суммарного коэффициента гидравлического сопротивления несущей решетки и АДФ. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Тепловыделяющая сборка ядерного реактора, содержащая пучок твэлов, расположенных по треугольной сетке, закрепленных в концевой несущей решетке и соединенных между собой дистанционирующими решетками, закрепленными на центральной трубе, несущая решетка которой выполнена в виде перфорированной пластины с цилиндрическими отверстиями, предназначенными для установки твэлов, направляющих каналов или несущих труб и центральной трубы, а также каналы для прохода теплоносителя, отличающаяся тем, что каналы для прохода теплоносителя образованы первыми перемычками, радиальными по отношению к отверстиям, вторыми перемычками, расположенными вокруг отверстий, и третьими перемычками, перпендикулярными линиям, проходящим через центры отверстий, при этом вход теплоносителя в канал и выход из него сдвинуты на некоторый угол вокруг оси отверстий до достижения непрозрачности несущей решетки, причем часть канала на выходе теплоносителя из него параллельна оси ТВС.

2. Тепловыделяющая сборка ядерного реактора по п. 1, отличающаяся тем, что каналы для прохода теплоносителя имеют ширину не более 2 мм.

3. Тепловыделяющая сборка ядерного реактора по п. 1, отличающаяся тем, что вход теплоносителя в канал и выход из него сдвинуты на угол 15…25° вокруг оси отверстий.

4. Тепловыделяющая сборка ядерного реактора по п. 1, отличающаяся тем, что несущая решетка-фильтр выполнена из нержавеющей стали типа Х18Н10Т с использованием аддитивной технологии.