ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩАЯ СБОРКА И СПОСОБ ЕЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 2018 года по МПК G21C3/32 

Изобретение относится к конструкциям тепловыделяющих сборок ядерных реакторов и может быть использовано в активных зонах реакторов на быстрых и тепловых нейтронах.

Тепловыделяющая сборка (далее - ТВС) ядерных реакторов с тепловыделяющими элементами (далее - твэл) стержневого типа представляет собой головку и хвостовик, которые соединены между собой с помощью несущего каркаса, обеспечивающего необходимую прочность и жесткость ТВС. Между головкой и хвостовиком ТВС с помощью средств для фиксации и дистанционирования размещен пучок твэлов с возможностью его свободного температурного и радиационного расширения вдоль оси ТВС в активной зоне реактора. Головка и хвостовик ТВС снабжены средствами для ее размещения и фиксации в активной зоне реактора, а также средствами для выгрузки ТВС из реактора. Разработаны различные варианты конструктивного выполнения ТВС со стержневыми твэлами для реакторов на тепловых и быстрых нейтронах, которые отличаются между собой конкретным исполнением перечисленных выше конструктивных элементов, а также материалами, из которых они изготовлены.

Известна ТВС ядерного реактора типа ВВЭР, содержащая головку, хвостовик и центральную трубу, которые соединены между собой с помощью чехла шестигранной формы, внутри которого с помощью средств для фиксации и дистанционирования размещен пучок твэлов в виде топливных сердечников в герметичных цилиндрических оболочках (RU 2088982). Средства для фиксации твэлов в ТВС и поперечного дистанционирования их в пучке выполнены в виде нижней и верхней концевых решеток и установленных между концевыми решетками нескольких решеток дистанционирования. В концевых решетках зафиксированы торцы твэлов, причем верхняя решетка выполнена с возможностью осевого перемещения по пазам, выполненным в углах чехла. Решетки дистанционирования размещены на центральной трубе с возможностью осевого перемещения на длину прорезей, выполненных в центральной трубе.

Использование в известном решении нескольких решеток для фиксации и дистанционирования твэлов приводит к повышению гидравлического сопротивления для протока теплоносителя и ухудшению условий теплопередачи. Кроме того, коррозия и радиационная ползучести материала решетки в активной зоне приводит к изменению геометрии ячеек и упругих свойств материала решеток, что повышает вероятность возникновения вибраций и фреттинг-износа оболочек отдельных твэлов.

Известна ТВС ядерного реактора на быстрых нейтронах для реакторов типа БИ с твэлами стержневого типа, которая включает головку, хвостовик и чехол в виде трубы шестигранного профиля (Разработка, производство и эксплуатация тепловыделяющих элементов энергетических реакторов. – М.: Энергоиздат, 1995 г. Книга 2. Стр. 158). Внутри ТВС с помощью средств для фиксации и дистанционирования размещен пучок твэлов с наружным диаметром оболочки в диапазоне около 6 мм и толщиной оболочки около 0,3 мм. Для изготовления элементов ТВС и оболочки твэл используется нержавеющая сталь. Средства для фиксации и дистанционирования пучка твэлов в ТВС выполнены в виде опорной решетки и проволок, диаметром около 1 мм, навитых по спирали с шагом около 100 мм на поверхности оболочек твэлов. Для выравнивания выделения энергии и расхода теплоносителя по сечению активной зоны дистанционирование периферийного ряда твэлов (твэлов, расположенных непосредственно у стенки чехла) в ТВС осуществляют с помощью проволоки с поперечным сечением овальной формы размером 1,3×0,6 мм.

Недостатком такой конструкции твэла является жесткость элемента дистанционирования в поперечной плоскости. Поэтому распухание топлива и увеличение диаметра оболочек твэлов в процессе облучения топлива в активной зоне приводит к росту локальных напряжений в тонкостенной оболочке твэлов, к ее деформации и ускорению процессов точечной коррозии в зоне контакта оболочки с элементом дистанционирования.

Недостатком известного решения является сложность изготовления твэлов и ТВС, в которых используются твэлы с увеличенными диаметрами оболочки (около 10 мм) и проволоки (около 3 мм), при расстоянии между оболочками соседних твэлов более 3 мм. В этом случае использование известной конструкции связано с навивкой на тонкостенную оболочку твэла массивной и жесткой проволоки из нержавеющей стали, что приводит к деформации оболочки и искажениям геометрической формы твэла, например к его искривлению.

Известна конструкция ТВС для энергетических ядерных реакторов на тепловых или быстрых нейтронах, которая содержит головку, хвостовик дистанционирования, каркас, верхнюю и нижнюю концевые решетки, элементы и пучок стержневых твэлов, установленных в ТВС с помощью концевых решеток и элементов дистанционирования (RU 2340019). Каркас соединяет головку и хвостовик и выполнен в виде чехла, центральной трубы с установленными на ней концевыми решетками и опорных стержней, установленных в концевых решетках по периметру ТВС. Элементы дистанционирования выполнены в виде продольных трубок, установленных параллельно между твэлам и закрепленных в концевых решетках, а также перфорированных обечаек, размещенных внутри ТВС по периметру чехла. Трубки элементов могут быть выполнены с продольным пазом и вырезами с формированием соединенных между собой поясков цилиндрической формы, размещенных по высоте ТВС с определенным шагом. Каркас снабжен несколькими фиксирующими элементами, которые охватывают пучок твэлов и установлены по высоте каркаса. Фиксирующие элементы выполнены из материала (например, на основе молибдена), имеющего меньший коэффициент линейного расширения, чем коэффициент оболочек тепловыделяющих элементов. Изобретение направлено на обеспечение надежного дистанционирования твэлов в активной зоне реактора.

Недостатком известной конструкции ТВС является ее повышенная металлоемкость, обусловленная наличием каркаса в виде чехла, опорных элементов, центральной трубы и перфорированных обечаек. ТВС имеет сложную конструкцию, которая предусматривает размещение в нижней и верхней концевых решетках пучка твэлов, пучка трубчатых элементов дистанционирования и системы опорных стержней каркаса. Это приводит к уменьшению проходного сечения для протока теплоносителя в зоне решеток и повышенному гидравлическому сопротивлению ТВС.

Известна конструкция ТВС энергетического ядерного реактора на тепловых нейтронах (RU 2391724). Каркас ТВС гексагональной формы выполнен в виде шести закрепленных на хвостовике уголковых элементов, которые сварены с пластинчатыми ободьями решеток дистанционирования и нескольких труб для формирования направляющих каналов. Решетки дистанционирования состоят из сваренных между собой трубчатых ячеек с упругими пуклевками для размещения твэлов и пластинчатых ободов, размещенных но контуру ТВС и приваренных к уголковым элементам каркаса. Трубы направляющих каналов закреплены на хвостовике и через пружинный блок соединены с головкой для обеспечения температурного и радиационного расширения ТВС и предотвращения ее смещения в потоке теплоносителя при работе реактора. Средство для фиксации пучка твэлов в ТВС выполнено в виде закрепленной в хвостовике ТВС антивибрационной решетки с упругими элементами, которые контактируют с цилиндрическими поверхностями нижних заглушек твэлов и компенсируют осевые и радиальные зазоры в местах размещения твэлов в зоне хвостовика. При работе реактора твэлы, уголковые элементы и трубы направляющих каналов удлиняются за счет теплового и радиационного расширения. Причем каждый из этих элементов увеличивается в длину независимо друг от друга, т.к. трубы направляющих каналов установлены с гарантированным зазором с антивибрационной и решетками дистанционирования. Твэлы размещены в ячейках решеток с возможностью температурного и радиационного расширения вдоль оси ТВС. Такая конструкция ТВС позволяет существенно снизить механические воздействия на твэлы со стороны каркаса при работе реактора.

Недостатком известной ТВС является сложность ее конструкции и повышенное гидравлическое сопротивление, которое обусловлено наличием нескольких решеток. Изготовление известной ТВС включает операцию проталкивания с определенным усилием каждого твэла через упругие ячейки нескольких решеток, что усложняет автоматизацию процессов изготовления ТВС и повышает вероятность повреждения оболочки. Это ограничивает возможности использования ТВС и способа ее изготовления, например, для реакторов на быстрых нейтронах со свинцовым теплоносителем, в которых используется регенерированное уран-плутониевое топливо, а изготовление ТВС осуществляется в дистанционном, автоматизированном исполнении.

Задачей изобретения является создание универсальной конструкции ТВС со сниженными характеристиками металлоемкости и гидравлического сопротивления, которая при использовании соответствующих конструкционных материалов может быть использована как для реакторов на тепловых нейтронах, так и для реакторов на быстрых нейтронах

Техническим результатом изобретения является повышение надежности дистанционирования пучка твэлов в ТВС и снижение локальных напряжений в оболочках твэлов в зоне их контактов с элементами дистанционирования.

Технический результат достигается тем, что в ТВС (включающей головку и хвостовик, соединенные между собой с помощью несущего каркаса; включающего уголковые элементы, соединенные с пластинчатыми ободьями; твэлы стержневого типа, размещенные в пучке с помощью средств для фиксации и элементов дистанционирования) элементы дистанционирования выполнены в виде тонкостенных трубок со сквозными продольными щелями, которые навиты по спирали на наружную поверхность оболочки твэла и закреплены на концах твэла, причем ободья или, по крайней мере, их большая часть, размещены по высоте ТВС в контакте с элементами дистанционирования периферийных твэлов пучка.

Возможные частные варианты выполнения ТВС характеризуются следующими параметрами:

- ободья размещены по высоте ТВС с интервалом, равным шагу навивки элементов дистанционирования (далее элементов);

- ободья размещены по высоте ТВС с интервалом, равным удвоенному шагу навивки элементов;

- ободья размещены по высоте ТВС с интервалом: в средней части равным шагу навивки элементов, а по концам - равным удвоенному шагу навивки элементов;

- ширина щели в элементе задана в пределах от 0,1 до 0,35 его диаметра;

- толщина стенки элемента задана в пределах от 0,25 до 1 от толщины оболочки твэла;

- элементы на твэлах периферийного ряда выполнены с пониженным сопротивлением к деформации в поперечной плоскости по сравнению с элементами других твэлов пучка,

- элементы периферийных твэлов в зонах контакта с каркасом имеют в поперечном сечении преимущественно овальную форму;

- ширина щелей в элементах периферийных твэлов задана от 0,20 до 0,35, а в элементах других твэлов - от 0,1 до 0,30 диаметра элемента;

- толщины стенок элементов периферийных твэлов заданы от 0,25 до 0,6, а элементов других твэлов - от 0,4 до 1 от толщины оболочек твэлов.

- элемент выполнен из того же материала, что и оболочка твэла;

- каркас ТВС включает по крайней мере одну трубу направляющего канала, которая закреплена на хвостовике и соединена с головкой;

- средства фиксации твэлов в ТВС выполнены в виде решетки в нижней части ТВС;

- средства фиксации твэлов в ТВС выполнены в виде нижней и верхней решеток;

- для изготовления ТВС использован конструкционный материал на основе циркония;

- для изготовления ТВС использован конструкционный материал - нержавеющая сталь;

- форма поперечного сечения ТВС квадратная;

- форма поперечного сечения ТВС шестиугольная.

Технический результат достигается также использованием способа изготовления ТВС, в соответствии с которым для формирования пучка используют твэлы с элементами дистанционирования в виде тонкостенных круглых трубок со сквозными продольными щелями, проводят сборку пучка с помощью средств фиксации твэлов, а размещение пучка в чехле осуществляют при обжатии пучка в поперечной плоскости и при деформации элементов дистанционировании.

Возможные частные варианты выполнения способа изготовления ТВС характеризуются следующими параметрами:

- обжатие осуществляют непосредственно чехлом по мере введения пучка твэлов внутрь чехла;

- перед размещением пучка твэлов в чехле осуществляют предварительное обжатие пучка в поперечной плоскости с помощью нескольких стягивающих ободов, которые последовательно снимают с поверхности пучка по мере введения его внутрь чехла;

- обжатие пучка твэлов осуществляют в пределах упругой деформации элементов;

- элементы дистанционирования периферийных твэлов в местах их контакта с чехлом формируют в поперечном сечении преимущественно овальной формы.

Сущность изобретения состоит в выполнении пучка из твэлов со средствами дистанционирования в виде спиральных тонкостенных трубок со сквозными продольными щелями, обладающими более низким сопротивлением к деформации в поперечной плоскости по сравнению с оболочками твэлов. Такой пучок в совокупности с особенностями его расположения относительно элементов каркаса обеспечивает достижение технического результата - повышение надежности дистанционирования как внутренних, так и периферийных твэлов и снижение локальных напряжений в оболочках твэлов в зоне их контактов с относительно легко деформируемыми в поперечной плоскости элементами дистанционирования.

Новые существенные признаки изобретения в совокупности с другими признаками ТВС позволяют с помощью простых и надежных средств обеспечить требуемые характеристики размещения пучка твэлов в широком диапазоне значений. К таким характеристикам, в частности, относятся величины продольных и поперечных шагов дистанционирования и размещения твэлов, обеспечение заданного уровня напряжений в зонах контакта оболочки твэлов с элементами дистанционирования при изменениях размеров твэлов и каркаса ТВС под воздействием температуры и облучения. Решение дает возможность также уменьшить металлоемкость ТВС и упростить процесс ее сборки. Это позволяет использовать ТВС новой конструкции для реакторов на тепловых и быстрых нейтронах и расширить функциональные возможности технического решения.

Возможности обеспечения требуемых характеристики ТВС в широком диапазоне их значений с использованием предложенного решения более подробно раскрыты ниже при описании конкретных вариантов реализации изобретения.

В изобретении использованы элементы дистанционирования распорного типа, поэтому оптимальные условия дистанционирования реализуются при размещении ободов каркаса по высоте ТВС так, что они непосредственно контактируют с элементами периферийных твэлов пучка. При этом ободья в зависимости от типа и размера ТВС могут быть размещены по высоте ТВС с интервалом, равным шагу навивки элементов (наиболее жесткий вариант фиксации и дистанционирования) или с интервалом, равным удвоенному шагу навивки элементов. С учетом того, что в средней части ТВС реализуются условия наибольшего радиационного и температурного распухания топлива, ободья могут быть размещены в средней части ТВС с интервалом равным шагу навивки элементов, а в нижней и верней частях ТВС с интервалом, равным удвоенному шагу навивки элементов. Возможные отклонения величины шагов навивки элементов периферийных твэлов, которые возникают при изготовлении ТВС или формируются при ее эксплуатации в активной зоне, для надежной компенсации распорных усилий в пучке каркасом ТВС не должны выходить за пределы ширины обода.

Повышение надежности дистанционирования твэлов достигается также за счет того, что предложенное решение обеспечивает на каждом шаге навивки элемента 12 точек контакта для пространственного дистанционирования каждого твэла внутри пучка и 9 точек контакта для каждого периферийного твэла. При этом 5 контактов для периферийного твэла формируются за счет взаимодействия его элемента с четырьмя оболочками соседних твэлов и чехлом и 4 формируются оболочкой этого твэла с элементами соседних твэлов. По сравнению с известной и описанной в прототипе ТВС, изобретение существенно увеличивает количество контактов дистанционирования твэлов (в 3-4 раза), а также увеличивает жесткость ТВС за счет механических свойств самого пучка твэлов со спиральными распорными элементами дистанционирования. Изобретение позволяет существенно повысить равномерность и снизить уровень значений локальных механических напряжений в оболочках как периферийных, так и оболочках других твэлов пучка, возникающих от воздействия элементов при температурном и радиационном распухании топлива за счет возможности деформирования элементов в поперечной плоскости.

Конструкция ТВС обеспечивает компенсацию температурного и радиационного распухания оболочек твэлов в активной зоне реактора за счет сжимаемости и деформации элементов дистанционирования пучка твэлов, которые выполнены со щелью шириной от 0,1 до 0,35 наружного диаметра элемента. При этом деформация элемента в поперечном направлении в пределах ширины щели не приводит к существенному росту контактных напряжений в оболочке твэла, что повышает ее надежность при высоких выгораниях топлива. Кроме того, такая конструкция элемента обеспечивает в активной зоне реактора возможность протока теплоносителя через щель как в продольном, так и в поперечном направлении. Это позволяет снизить вероятность формирования локальных участков для отложения примесей из теплоносителя, а также участков перегрева и коррозии оболочки твэла. С учетом неравномерного выгорания и распухания оболочки по высоте твэла ширина щели может быть выполнена неодинаковой и в средней части элемента может иметь несколько большее значение, чем на ее периферии. Такое выполнение позволяет оптимизировать устойчивость геометрической формы и жесткость конструкции ТВС.

Для обеспечения оптимального сочетания продольной прочности элемента дистанционирования и для снижения нагрузок при его деформировании в поперечном направлении толщина стенки трубки элемента дистанционирования задана в пределах от 0,25 до 1 от толщины оболочки твэла. Указанное значение толщины стенки элемента и выполнение его из того же материала, что и оболочка твэла, например из сплава на основе циркония (для реакторов на тепловых нейтронах типа ВВЭР) или из нержавеющей стали (для реакторов на быстрых нейтронах), позволяют обеспечить прочность и надежность сварных соединений между концевыми участками элемента, которые выполнены в виде разверток цилиндрической формы, и оболочками или заглушками твэлов. Элемент дистанционирования может быть изготовлен из тонкостенной трубки, в которой выполняют сквозной разрез с формированием продольной щели заданной ширины. Ширина щели может быть сформирована не только путем фрезерования трубки, но и путем ее разрезания и отгиба вовнутрь трубки кромок разреза. Элемент с отгибами кромок разреза повышает устойчивость его формы в процессе навивки на оболочку твэла и при работе ТВС в активной зоне. Элемент дистанционирования может быть изготовлен также путем свертывания тонкостенной ленты.

Изобретение позволяет сформировать требуемый профиль поперечного сечения элементов периферийных твэлов: круглый в зоне контактов с четырьмя соседними твэлами пучка и овальный в зоне контакта с чехлом. При этом овальная форма сечения элемента в зоне его контакта с чехлом в соответствии с предлагаемым способом сформирована из круглой непосредственно при поперечном обжатии и размещении пучка твэлов в чехле в процессе сборки ТВС. Преимущественная локальная деформация элементов периферийных твэлов в поперечной плоскости (по сравнению с деформацией элементов других твэлов) достигается за счет действия двух факторов: а) концентрации распирающих давлений пучка твэлов в зонах контакта элементов с чехлом, б) выполнения этих элементов с пониженным сопротивлением к деформации в поперечном направлении по сравнению с элементами других твэлов ТВС. Пониженное сопротивление к деформации достигается относительным увеличением ширины щели и уменьшением толщины стенок элементов периферийных твэлов. При этом на первой стадии обжатия пучка выбираются технологические зазоры и формируется овальное сечение элементов в зонах их контакта с чехлом, а затем формируется необходимый натяг дистанционирования всего пучка твэлов в чехле за счет дополнительной деформации всех элементов пучка. За счет такого выполнения ТВС обеспечивается достижение технического результата: повышение надежности дистанционирования твэлов в пучке при снижении локальных напряжений в оболочках твэлов за счет использования элементов с заданной способностью к деформации в поперечной плоскости.

Каркас ТВС может включать одну или несколько труб для направляющих каналов, которые закреплены на хвостовике и соединены с головкой, например, с возможностью компенсации температурных и радиационных расширений. Средства фиксации твэлов в зоне хвостовика и головки ТВС могут быть выполнены с использованием известных решений, например в виде нижней решетки с упругими элементами и верхней решетки с возможностью компенсации температурных и радиационных расширений твэла.

Предлагаемая конструкция может быть использована для ТВС как с квадратной, так и с шестиугольной формой поперечного сечения.

Фиг. 1 - 3 поясняют выполнение ТВС и способа его изготовления в соответствии с изобретением. На фиг. 1 приведен фрагмент продольного сечения ТВС, на котором приведено взаимное расположение ободов ТВС и периферийного твэла с элементом дистанционирования. На фиг. 2 приведен фрагмент поперечного сечения ТВС с треугольной решеткой упаковки твэлов в пучке. На фиг. 3 приведены фрагменты поперечного сечения ТВС в зоне контакта элемента дистанционирования периферийного твэла с ободом чехла в различных состояниях деформации поперечного сечения элемента.

ТВС в соответствии с изобретением включает головку и хвостовик (не показаны), которые соединены между собой с помощью чехла (1), состоящего из продольных уголковых элементов (2) и поперечных ободов (3). Периферийные твэлы (4) с помощью элемента дистанционирования (5) контактируют с ободьями (3), расположенными по высоте ТВС в соответствии с шагом навивки (6) элемента дистанционирования (5). В зонах контакта с ободьями (3) элементы (5) имеют в поперечном сечении преимущественно овальную форму (7). Внутри пучка (10) размещены твэлы (8) с элементами (9), а на его периферии - твэлы (4) с элементами (5), контактирующими с ободьями (3) чехла (1). Элементы дистанционирования (5) и (9) выполнены со сквозными продольными щелями (11). Элементы (5) в зонах контакта (12) с ободом (3) имеют в поперечном сечении преимущественно овальную форму (7).

Ширина щели (9) в элементах (5) и (9) задана в пределах от 0,1 до 0,35 диаметра элементов. Толщина стенки элементов (5) и (9) задана в пределах от 0,25 до 1 от толщины оболочки твэлов. Элементы (5) периферийных твэлов могут быть выполнены с пониженным сопротивлением к деформации в поперечном направлении по сравнению с элементами (9) внутренних твэлов. Для этого ширина щелей (11) в элементах (5) выбирается от 0,20 до 0,35, а в элементах (9) - от 0,1 до 0,30 диаметра элемента, а толщины стенок в элементах (5) выбирается от 0,25 до 0,6, а в элементах (9) - от 0,4 до 1 от толщины оболочек твэлов. Щель (11) может быть сформирована или путем фрезерования или путем разрезания трубки и отгиба вовнутрь трубки кромок разреза с формированием кромок (13). Элемент с кромками (13) повышает устойчивость его формы в процессе навивки на оболочку твэла и при работе ТВС в активной зоне. В твэлах (4) и (8) размещено ядерное топливо (15).

Изготовление ТВС осуществляют следующим образом. По известной технологии проводят формирование пучка (10) твэлов с элементами путем фиксации их нижних концевых деталей в решетке (не показаны). Проводят поперечное обжатие пучка (10), состоящего из твэлов (4) и (8), с помощью нескольких, состоящих, например, из двух половин шестигранных стяжек (14), которые в стянутом состоянии имеют поперечное сечение идентичное поперечному сечению чехла (1) ТВС. Несколько стяжек (14) в раскрытом положении надевают на пучок (10), а затем их подвижные части стягивают между собой и проводят обжим пучка в поперечной плоскости до выбора сборочных зазоров, а затем до деформации элементов (5) в зонах (12) их контакта со стяжками (14) с формированием поперечного сечения в форме овала (7) и частичной деформации элементов (9). Затем свободный торец стянутого пучка (10) вводят в чехол (1) и надевают чехол на пучок путем последовательного снятия один за другим стяжек (14) по мере замещения их на поверхности пучка чехлом (1). В результате в чехле (1) формируют пучок (10) с поперечным сечением заданной формы (например, шестигранной) и овальным поперечным сечением (7) элементов твэлов (5) в зоне (12) их контакта с чехлом (1). На фиг. 3,а показано исходное состояние поперечного сечения элемента (5) до обжима пучка, а на фиг.3,б овальная форма поперечного сечения элемента (5) после обжима пучка (2) стяжками (14), которая сохраняется и после введения пучка (10) в чехол (1) с ободьями (3), Обжатие пучка (10) стяжками (14), а затем и в чехле (1) с ободьями (3) осуществляют в пределах упругой деформации элементов (5) и (9), что обеспечивает контролируемый натяг дистанционирования между твэлами в пучке, а также между периферийными твэлами (4) и ободьями (3) чехла (1). Таким образом, в соответствии с предлагаемым способом изготовления ТВС, заготовка пучка твэлов может быть предварительно собрана с помощью решеток концевых, а при обжиме пучка стяжками и/или введении его внутрь чехла формируется поперечное сечение пучка заданной формы. Способ изготовления ТВС исключает повреждение поверхностей оболочек, т.к. при введении пучка в чехол с его поверхностью контактируют не оболочки твэлов, а элементы дистанционирования периферийного ряда.

В процессе облучения топлива в активной зоне реактора происходит радиационное распухание ядерного топлива (15) и увеличение диаметра оболочек твэлов (4) и (8). В ТВС в соответствии с изобретением эти изменения размеров компенсируются в поперечной плоскости за счет преимущественной деформации элементов (5) и (9) твэлов. На фиг. 3,в показана форма поперечного сечения элемента (9) при его дополнительном деформировании в процессе выгорании топлива (15) и распухании оболочки твэла. Поскольку дистанционирование внутренних (8) и периферийных (4) твэлов осуществляется, соответственно, по 12 и 9 точкам контакта, распухание топлива не приводит к существенному повышению локальных напряжений в тонкостенной оболочке твэлов в зонах контакта оболочек с элементами.

Указанные свойства ТВС позволяют использовать ее для существующих реакторов на тепловых и быстрых нейтронах, а также для проектируемых реакторов на быстрых нейтронах со свинцовым теплоносителем и нитридным уран-плутониевым топливом, в которых наружный диаметр оболочки может составлять более 10 мм, а минимальное расстояние между оболочками соседних твэлов (шаг дистанционирования) - более 3 мм.

Новая совокупность признаков конструкции ТВС и способа ее изготовления позволяет с помощью простых средств обеспечить надежные фиксацию и дистанционирование твэлов как внутри пучка, так и на его периферии. Изобретение позволяет снизить уровень локальных напряжений в оболочках твэлов в зонах ее контакта с элементами дистанционирования при радиационных и термических изменениях размеров твэлов и каркаса ТВС, что снижает интенсивность процессов точечной коррозии оболочки и повышает эксплуатационную надежности твэлов и ТВС.

Техническое решение существенно снижает жесткость элемента дистанционирования и в продольном направлении, что позволяет навивать заготовку элемента с заданным натягом на поверхность тонкостенной оболочки без заметных искажений геометрической формы твэла. Предложенная конструкция позволяет обеспечить высокую надежность сварных соединений элемента дистанционирования и оболочки. Это обеспечивается за счет однородного состава, структуры и геометрической формы свариваемых фрагментов, т.к. концевые участки элементов выполнены в виде развертки - фрагмента цилиндрической оболочки. Изготовление ТВС не содержит операции принудительного заталкивания каждого твэла через решетки дистанционирования при формировании пучка, которая связана с вероятностью повреждения оболочки.

Предлагаемая конструкция может быть использована для реакторов на тепловых и быстрых нейтронах с различной формой поперечного сечения ТВС, например, квадратной или шестиугольной, т.е. существенно расширить функциональные возможности технического решения.

Группа изобретений относится к конструкциям тепловыделяющих сборок ядерных реакторов и может быть использована в активных зонах реакторов на быстрых и тепловых нейтронах. В тепловыделяющейя сборке (ТВС) ядерного реактора, включающей головку и хвостовик, соединенные между собой с помощью каркаса; включающего продольные уголковые элементы, соединенные между собой несколькими поперечными пластинчатыми ободьями; твэлы стержневого типа, размещенные в пучке с помощью средств для фиксации и элементов для дистанционирования, согласно изобретению элементы дистанционирования выполнены в виде тонкостенных трубок со сквозными продольными щелями, которые навиты по спирали на наружную поверхность оболочек твэлов и закреплены на концах твэла, причем ободья или, по крайней мере, их большая часть размещены по высоте ТВС так, что контактируют с элементами дистанционирования периферийных твэлов пучка. Имеется также способ изготовления сборки. Группа изобретений позволяет повысить надежность дистанционирования пучка твэлов в ТВС и снижение локальных напряжений в оболочках твэлов. 2 н. и 21 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Тепловыделяющая сборка ядерного реактора, включающая головку и хвостовик, соединенные между собой с помощью каркаса; включающего продольные уголковые элементы, соединенные между собой несколькими поперечными пластинчатыми ободьями; твэлы стержневого типа, размещенные в пучке с помощью средств для фиксации и элементов для дистанционирования, отличающаяся тем, что элементы дистанционирования выполнены в виде тонкостенных трубок со сквозными продольными щелями, которые навиты по спирали на наружную поверхность оболочек твэлов и закреплены на концах твэла, причем ободья или, по крайней мере, их большая часть размещены по высоте ТВС так, что контактируют с элементами дистанционирования периферийных твэлов пучка.

2. Сборка по п. 1, отличающаяся тем, что ободья размещены с интервалом, равным шагу навивки элементов дистанционирования.

3. Сборка по п. 1, отличающаяся тем, что ободья размещены с интервалом, равным удвоенному шагу навивки элементов дистанционирования.

4. Сборка по п. 1, отличающаяся тем, что ободья размещены с интервалом: в средней части равным шагу навивки элементов, а по концам - равным удвоенному шагу навивки элементов.

5. Сборка по п. 1, отличающаяся тем, что ширина щели в элементе задана в пределах от 0,1 до 0,35 его диаметра.

6. Сборка по п. 1, отличающаяся тем, что толщина стенки элемента задана в пределах от 0,25 до 1 от толщины оболочки твэла.

7. Сборка по п. 1, отличающаяся тем, что элементы периферийных твэлов в зонах их контакта с каркасом имеют в поперечном сечении преимущественно овальную форму.

8. Сборка по п. 1, отличающаяся тем, что элементы твэлов периферийного ряда выполнены с пониженным сопротивлением к деформации в поперечной плоскости по сравнению с элементами других твэлов пучка.

9. Сборка по и. 8, отличающаяся тем, что ширина щелей в элементах периферийных твэлов задана от 0,20 до 0,35, а в элементах других твэлов - от 0,1 до 0,30 диаметра элемента.

10. Сборка по п. 8, отличающаяся тем, что толщины стенок элементов периферийных твэлов задана от 0,25 до 0,6, а элементов других твэлов - от 0,4 до 1 от толщины оболочек твэлов.

11. Сборка по п. 1, отличающаяся тем, что элемент дистанционирования выполнен из того же материала, что и оболочка твэла.

12. Сборка по п. 1, отличающаяся тем, что каркас ТВС включает по крайней мере одну трубу направляющего канала, которая закреплена на хвостовике и соединена с головкой.

13. Сборка по п. 1, отличающаяся тем, что средства фиксации твэлов в ТВС выполнены в виде решетки, размещенной в нижней части ТВС.

14. Сборка по п. 1, отличающаяся тем, что средства фиксации твэлов в ТВС выполнены в виде нижней и верхней решеток.

15. Сборка по п. 1, отличающаяся тем, что для изготовления ТВС использован конструкционный материал на основе циркония.

16. Сборка по п. 1, отличающаяся тем, что для изготовления ТВС использован конструкционный материал - нержавеющая сталь.

17. Сборка по п. 1, отличающаяся тем, что форма поперечного сечения ТВС квадратная.

18. Сборка по п. 1, отличающаяся тем, что форма поперечного сечения ТВС шестиугольная.

19. Способ изготовления сборки по п. 1, отличающийся тем, что для формирования пучка используют твэлы с элементами дистанционирования в виде тонкостенных круглых трубок со сквозными продольными щелями, проводят сборку пучка с помощью средств фиксации твэлов, а размещение пучка в чехле осуществляют при обжатии пучка в поперечной плоскости и деформации элементов дистанционирования.

20. Способ изготовления сборки по п. 19, отличающийся тем, что обжатие осуществляют непосредственно чехлом по мере введения пучка внутрь чехла.

21. Способ изготовления сборки по п. 19, отличающийся тем, что после сборки пучка осуществляют предварительное обжатие пучка в поперечной плоскости с помощью нескольких стяжек, которые последовательно снимают с поверхности пучка по мере введения его внутрь чехла.

22. Способ изготовления сборки по п. 19, отличающийся тем, что обжатие пучка твэлов осуществляют в пределах упругой деформации элементов.

23. Способ изготовления сборки по п. 19, отличающийся тем, что элементы дистанционирования периферийных твэлов в местах их контакта с чехлом формируют в поперечном сечении преимущественно овальной формы.