Тепловыделяющая сборка ядерного реактора (варианты) Российский патент 2020 года по МПК G21C3/30 

Изобретение относится к атомной энергетике, а именно, к тепловыделяющим сборкам ядерных реакторов типа ВВЭР.

Из уровня техники известна конструкция тепловыделяющей сборки ядерных реакторов ВВЭР-440 (см. Кириллов П.Л. и др. Справочник по теплогидравлическим расчетам (ядерные реакторы, теплообменники, парогенераторы). М.: Энергоатомиздат, 1990, с. 317), которая состоит из пучка 126 тепловыделяющих элементов 1, расположенных по треугольной сетке, закрепленных в нижней несущей решетке 2 и соединенных между собой дистанционирующими решетками 3, закрепленными подвижным в осевом направлении соединением на центральной трубе 4.

Подвижное соединение дистанционирующих решеток с центральной трубой обеспечивает их свободное осевое перемещение для компенсации неравномерности температурных и радиационных удлинений твэлов и центральной трубы в процессе эксплуатации.

Тепловыделяющая сборка имеет головку 5 и хвостовик 6, соединенные шестигранным чехлом.

Наличие довольно толстого чехла, толщиной 1,5…2 мм, существенно ухудшает физические характеристики известной тепловыделяющей сборки и условия теплообмена в аварийных ситуациях.

При этом также существенно увеличивается трудоемкость изготовления тепловыделяющей сборки вследствие необходимости выполнения при изготовлении чехла штамповки, сварочных работ и последующего отжига его на оправке.

Существенным недостатком несущей решетки известной тепловыделяющей сборки является возможность пропускать с потоком теплоносителя посторонние предметы больших размеров. Например, большая ширина и длина проливных отверстий штатной несущей нижней решетки позволяет пропускать в пучок твэлов посторонние цилиндрические предметы диаметром до 6,3 мм. и плоские шириной до 13,4 мм при толщине до 5,2 мм.

Проведенными экспериментальными исследованиями подтверждено, что существующие конструкции несущей решетки имеют эффективность задержания посторонних предметов произвольной формы 50…60%, что как показала практика недостаточно, так как разгерметизация оболочек твэлов по этой причине составляет ~56% от общего количества отказов.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату является тепловыделяющая сборка третьего поколения РК-3 для реактора ВВЭР-440 (RU 2410771 от 05.05.2009, G21C 3/30).

Известная тепловыделяющая сборка содержит головку и хвостовик, соединенные опорными угловыми элементами, соединенными в свою очередь контактной сваркой с дистанционирующими решетками, набранными из сваренных ячеек, установленных по треугольной сетке, а вместо нескольких тепловыделяющих элементов установлены полые каркасные трубы, жестко соединенные с соответствующими ячейками.

Дистанционирующие решетки соединены с центральной трубой подвижным в осевом направлении соединением.

Общее количество тепловыделяющих элементов в известной тепловыделяющей сборки колеблется от 120 до 123.

Основным недостатком известной тепловыделяющей сборки является снижение загрузки топлива за счет снижения количества тепловыделяющих элементов с 126 до 120…123.

Угловые элементы охватывают по 3 угловых твэла, а введение каркасных труб для увеличения жесткости тепловыделяющей сборки как показала практика не компенсирует отсутствия шестигранного чехла.

Известная тепловыделяющая сборка может быть оснащена антидебрисным фильтром конической формы, состоящим из набора колец, установленных с некоторым зазором вдоль оси хвостовика.

Известен также антидебрисный фильтр для тепловыделяющей сборки ядерного реактора ВВЭР-1000, установленный в хвостовике, представляющий собой перфорированную пластину с отверстиями в виде пазов, имеющих форму символа V (RU 2264666 от 16.01.2004, G21C 3/30).

Однако, данные известные конструкции антидебрисного фильтра, имея довольно высокую эффективность по отношению к криволинейным посторонним предметам, практически не эффективны против посторонних предметов в форме прямолинейных стержней и плоских предметов большой ширины любой длины, имеющих толщину менее 2 мм.

Известен антидебрисный фильтр второго поколения, выполненный из двух групп наклонных пластин, установленных под углами так, чтобы он был непрозрачным в осевом направлении (RU 2610716, оп. 15.02.2017, G21C 3/30). Такой антидебрисный фильтр согласно проведенным исследованиям имеет наибольшую эффективность при минимальном гидравлическом сопротивлении.

Антидебрисный фильтр 9 может быть установлен в поперечном сечении хвостовика на входе или на выходе теплоносителя из хвостовика.

Указанный антидебрисный фильтр может выполнен из нержавеющей стали типа Х18Н10Т с использованием современной цифровой высокопроизводительной технологии газолазерной резки, освоенной в серийном производстве. Также данный антидебрисный фильтр может быть выполнен из нержавеющей стали с помощью перспективных аддитивных технологий.

Задачей данного изобретения является увеличение энерговыработки тепловыделяющей сборки ядерного реактора ВВЭР-440 при одновременном снижении трудоемкости ее изготовления.

Техническим результатом изобретения является повышение механических характеристик, надежности и работоспособности тепловыделяющей сборки ядерного реактора ВВЭР-440 за счет улучшения ее конструкции.

Данный технический результат достигается тем, что тепловыделяющая сборка ядерного реактора, содержащая пучок из 126 тепловыделяющих элементов 1, расположенных по правильной треугольной сетке в дистанционирующие решетках 3, соединенных с центральной трубой 4, шестигранный чехол 7, соединенный с головкой 5 и хвостовиком 6, отличающаяся тем, что чехол имеет по середине каждой грани сквозную продольную прорезь 10 на всю длину чехла, шириной 22, равной (0,6…1,0)⋅t на уровне пучка, где t - шаг сетки расположения тепловыделяющих элементов 23, и в промежутках между дистанционирующими решетками загибы 11 по краям прорезей 10 внутрь пучка твэлов на глубину 20, равную (0,3…0,5)⋅d, где d - наружный диаметр твэла 24, а угловые части чехла 12 соединены точечной сваркой с обечайкой 14, соединенной с головкой разборным соединением, дистанционирующими решетками и центральной трубой 4 для образования силового каркаса, причем центральная труба жестко соединена с центральными втулками 16 дистанционирующих решеток точечной сваркой.

В данном первом варианте конструкции тепловыделяющей сборки все 6 угловых частей чехла 12 одинаковы и охватывают по 5 тепловыделяющих элементов каждая, при этом они имеют наибольший возможный размер, что положительно сказывается на жесткости тепловыделяющей сборки.

Общее количество охватываемых чехлом в этом варианте тепловыделяющих элементов составляет 30.

Во втором варианте чехол может иметь на каждой грани сквозную продольную прорезь на всю длину чехла, шириной (l,6…2,0)⋅t на уровне пучка, где t - шаг сетки расположения тепловыделяющих элементов, середина которой 25 смещена в поперечном направлении относительно середины грани 27 на половину шага сетки расположения тепловыделяющих элементов 26, что облегчает сварку каркаса тепловыделяющей сборки из за более широких прорезей и уменьшает трудоемкость изготовления тепловыделяющей сборки.

При смещении в этом варианте прорезей в смежных гранях чехла в направлении общего ребра, угловые части чехла, расположенные через 120° относительно центральной оси тепловыделяющей сборки, аналогичны первому варианту 12 и охватывают по 5 тепловыделяющих элементов каждая, а остальные 3 части имеют меньший размер 19 и охватывают по 3 тепловыделяющих элемента.

При смещении в этом варианте осей прорезей в смежных гранях чехла в отношении общего ребра в противоположных направлениях во всех 3-х парах граней все части чехла одинаковы, имеют несимметричную форму 21 и охватывают по 4 тепловыделяющих элемента.

Общее количество, охватываемых чехлом в этом варианте тепловыделяющих элементов, в обоих случаях составляет 24, также, как и в предыдущем случае.

Однако, и в этом варианте жесткость предлагаемой тепловыделяющей сборки выше, чем у известной, т.к. в известной сборке количество охватываемых чехлом тепловыделяющих элементов составляет всего 18.

Дистанционирующие решетки 3 выполнены из циркониевого сплава Э110 и ячеек 8, соединенных между собой, центральной втулкой 16 и с ободом точечной сваркой.

Номинальная величина шаг сетки расположения тепловыделяющих элементов составляет 12,6 мм, а наружного диаметра твэла 9,1 мм.

Головка, хвостовик и несущая решетка выполнены из нержавеющей стали типа Х18Н10Т.

Угловые части чехла могут быть выполнены в обоих вариантах предпочтительно из циркониевого сплава Э635, толщиной 0,65 мм, и соединены сверху контактной точечной сваркой с обечайкой из листа циркониевого сплава Э125 толщиной 2 мм. В нижней части они имеют отверстия 13 для соединения с хвостовиком 6.

Также угловые части чехла соединены контактной точечной сваркой с расширениями 15 ободов дистанционирующих решеток по всей их ширине, что придает наибольшую жесткость тепловыделяющей сборке на скручивание и изгиб. Обод дистанционирующей решетки состоит из шести фигурных пластин 18.

Количество сварочных точек может варьироваться в зависимости от варианта исполнения тепловыделяющей сборки.

Ремонтопригодность, т.е. возможность извлечения и замены разгерметизировавшегося при эксплуатации тепловыделяющего элемента, является необходимым требованием к современным конструкциям тепловыделяющих сборок.

В связи с этим тепловыделяющие элементы соединены с несущей решеткой, приваренной к хвостовику, разборным цанговым соединением.

Обечайка предлагаемой тепловыделяющей сборки соединена разборным резьбовым соединением с головкой, а нижние части чехла соединены с хвостовиком неразъемным соединением, что обеспечивает указанное требование предлагаемой тепловыделяющей сборки.

Для извлечения тепловыделяющего элемента необходимо дистанционное снятие головки, в связи, с чем в предлагаемой тепловыделяющей сборке соединение головки с обечайкой выполнено разборным состоящим из 6-ти винтов.

В известных конструкциях тепловыделяющих сборок обычно головка снимается в сборе с чехлом и разборным является соединение чехла с хвостовиком, что более трудоемко, чем снятие головки в предлагаемой тепловыделяющей сборке.

Проведенными исследованиями показано, что в известных тепловыделяющих сборках вероятность извлечения разгерметизировавшегося тепловыделяющего элемента составляет -50% из-за повреждения оболочки при эксплуатации и высокого усилия его извлечения.

Дистанционирующие решетки соединены с центральной трубой точечной сваркой с выступающей частью центральной втулки 16 решетки, на которой выполнены продольные пазы 17.

Данное конструктивное улучшение позволяет снизить депланацию дистанционирующих решеток, существенно снизить усилие извлечения тепловыделяющих элементов и усилие проскальзывания пучка тепловыделяющих элементов в процессе эксплуатации и, как показали проведенные эксперименты, исключить явление "закусывания" пучка тепловыделяющих элементов и разрушение дистанционирующих решеток.

Применение предлагаемой конструкции тепловыделяющей сборки дает следующий технический эффект:

увеличение загрузки ядерного топлива;

улучшение механических характеристик и уменьшение искривления тепловыделяющей сборки за счет увеличения размеров угловых элементов чехла;

снижение уровня напряженно-деформированного состояния конструктивных элементов тепловыделяющей сборки за счет уменьшения депланации дистанционирующих решеток и усилий проскальзывания твэлов вследствие приварки дистанционирующих решеток к центральной трубе;

снижение debris-повреждений оболочек твэлов за счет установки антидебрисного фильтра второго поколения;

снижение усилия и повышение вероятности извлечения твэла при ремонте отказавшей тепловыделяющей сборки за счет уменьшения депланации дистанционирующих решеток;

снижение трудоемкости изготовления за счет уменьшения объема сварки (исключение сварки каркасных труб и дистанционирующих решеток).

Предлагаемые улучшения конструкции тепловыделяющей сборки приводят к повышению ее надежности и работоспособности и, в конечном счете, к увеличению энерговыработки ядерного реактора типа ВВЭР.

Сущность изобретения поясняется также графическим материалом.

На фиг. 1 изображена предлагаемая тепловыделяющая сборка.

На фиг. 2 изображен каркас предлагаемой тепловыделяющей сборки (символом + показаны сварочные точки).

На фиг. 3 изображено поперечное сечение пучка тепловыделяющей сборки по первому варианту. Показаны только периферийные тепловыделяющие элементы.

На фиг. 4 изображено поперечное сечение пучка тепловыделяющей сборки по второму варианту (смещение прорезей в смежных гранях чехла в направлении общего ребра). Показаны только периферийные тепловыделяющие элементы.

На фиг. 5 изображено поперечное сечение пучка тепловыделяющей сборки по второму варианту (смещение прорезей в смежных гранях чехла в отношении общего ребра в противоположных направлениях). Показаны только периферийные тепловыделяющие элементы.

На фиг. 6 изображена ячеистая дистанционирующая решетка (вид сверху).

На фиг. 7 изображена ячеистая дистанционирующая решетка (вид сбоку).

На фиг. 8 изображена центральная втулка дистанционирующей решетки.

На фиг. 9 изображена пластина обода дистанционирующей решетки.

Группа изобретений относится к атомной энергетике. Тепловыделяющая сборка ядерного реактора содержит пучок из 126 тепловыделяющих элементов. Чехол имеет посередине каждой грани сквозную продольную прорезь на всю длину чехла, шириной (0,6…1,0)⋅t на уровне пучка, где t - шаг сетки расположения тепловыделяющих элементов, и в промежутках между дистанционирующими решетками загибы по краям прорезей внутрь пучка твэлов на глубину (0,3…0,5)⋅d, где d - наружный диаметр оболочки тепловыделяющего элемента. Угловые части чехла соединены точечной сваркой с обечайкой, дистанционирующими решетками и центральной трубой для образования силового каркаса. Центральная труба жестко соединена с центральными втулками дистанционирующих решеток точечной сваркой. Имеется также вариант выполнения тепловыделяющей сборки. Группа изобретений позволяет повысить механические характеристики, надежность и работоспособность тепловыделяющей сборки ядерного реактора. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Тепловыделяющая сборка ядерного реактора, содержащая пучок из 126 тепловыделяющих элементов, расположенных по правильной треугольной сетке в дистанционирующие решетках, соединенных с центральной трубой, шестигранный чехол, соединенный с головкой и хвостовиком, отличающаяся тем, что чехол имеет посередине каждой грани сквозную продольную прорезь на всю длину чехла, шириной (0,6…1,0)⋅t на уровне пучка, где t - шаг сетки расположения тепловыделяющих элементов, и в промежутках между дистанционирующими решетками загибы по краям прорезей внутрь пучка твэлов на глубину (0,3…0,5)⋅d, где d - наружный диаметр оболочки тепловыделяющего элемента, а угловые части чехла соединены точечной сваркой с обечайкой, соединенной с головкой разборным соединением, дистанционирующими решетками и центральной трубой для образования силового каркаса, причем центральная труба жестко соединена с центральными втулками дистанционирующих решеток точечной сваркой.

2. Тепловыделяющая сборка ядерного реактора по п. 1, отличающаяся тем, что дистанционирующие решетки выполнены из циркониевого сплава Э110 и ячеек, соединенных между собой, центральной втулкой и с ободом точечной сваркой.

3. Тепловыделяющая сборка ядерного реактора по п. 1, отличающаяся там, что центральная втулка дистанционирующей решетки в выступающей за поле решетки части имеет продольные пазы для обеспечения плотного сварного соединения с центральной трубой.

4. Тепловыделяющая сборка ядерного реактора по п. 1, отличающаяся тем, что тепловыделяющие элементы соединены с несущей решеткой, приваренной к хвостовику цанговым соединением.

5. Тепловыделяющая сборка ядерного реактора по п. 1, отличающаяся тем, что угловые части чехла выполнены из циркониевого сплава Э635, а обечайка из циркониевого сплава Э125.

6. Тепловыделяющая сборка ядерного реактора по п. 1, отличающаяся тем, что головка, хвостовик и несущая решетка выполнены из нержавеющей стали типа X18Н10Т.

7. Тепловыделяющая сборка ядерного реактора по п. 1, отличающаяся тем, что угловые части чехла соединены с хвостовиком неразборным резьбовым соединением.

8. Тепловыделяющая сборка ядерного реактора, содержащая пучок из 126 тепловыделяющих элементов, расположенных по правильной треугольной сетке в дистанционирующие решетках, соединенных с центральной трубой, шестигранный чехол, соединенный с головкой и хвостовиком, отличающаяся тем, что чехол имеет на каждой грани сквозную продольную прорезь на всю длину чехла, шириной (1,6…2,0)⋅t на уровне пучка, где t - шаг сетки расположения тепловыделяющих элементов, которая смещена в поперечном направлении относительно середины грани на t/2, и в промежутках между дистанционирующими решетками загибы по краям прорезей внутрь пучка твэлов на глубину (0,3…0,5)⋅d, где d - наружный диаметр оболочки тепловыделяющего элемента, а угловые части чехла соединены точечной сваркой с обечайкой, соединенной с головкой разборным соединением, дистанционирующими решетками и центральной трубой для образования силового каркаса, причем центральная труба жестко соединена с центральными втулками дистанционирующих решеток точечной сваркой.

9. Тепловыделяющая сборка ядерного реактора по п. 8, отличающаяся тем, что дистанционирующие решетки выполнены из циркониевого сплава Э110 и ячеек, соединенных между собой, центральной втулкой и с ободом точечной сваркой.

10. Тепловыделяющая сборка ядерного реактора по п. 8, отличающаяся там, что центральная втулка дистанционирующей решетки в выступающей за поле решетки части имеет продольные пазы для обеспечения плотного сварного соединения с центральной трубой.

11. Тепловыделяющая сборка ядерного реактора по п. 8, отличающаяся тем, что тепловыделяющие элементы соединены с несущей решеткой, приваренной к хвостовику, цанговым соединением.

12. Тепловыделяющая сборка ядерного реактора по п. 8, отличающаяся тем, что угловые части чехла выполнены из циркониевого сплава Э635 а обечайка из циркониевого сплава Э125.

13. Тепловыделяющая сборка ядерного реактора по п. 8, отличающаяся тем, что головка, хвостовик и несущая решетка выполнены из нержавеющей стали типаХ18Н10Т.

14. Тепловыделяющая сборка ядерного реактора по п. 8, отличающаяся тем, что угловые части чехла соединены с хвостовиком неразборным резьбовым соединением.