Тепловыделяющая сборка ядерного реактора Российский патент 2022 года по МПК G21C3/04 

Изобретение относится к атомной технике, в частности к конструкциям бесчехловых тепловыделяющих сборок, из которых сформированы активные зоны водо-водяных энергетических реакторов (ВВЭР), особенно типа ВВЭР-1000.

В конструкции тепловыделяющей сборки основными узлами являются тепловыделяющие элементы, головка и хвостовик.

Пучок тепловыделяющих элементов, как правило, устанавливается в каркасе, образованном направляющими каналами и дистанционирующими решетками, и соединяется с головкой и хвостовиком тепловыделяющей сборки.

Хвостовик тепловыделяющей сборки, как правило, состоит из опорного стакана и опорной плиты. Направляющие каналы, как правило, соединены с головкой тепловыделяющей сборки посредством цангового узла, закреплены в опорной плите хвостовика и имеют возможность температурного и радиационного расширения вдоль тепловыделяющей сборки, в частности, за счет их упругого подпружинивания в головке тепловыделяющей сборки.

Нормальное и безопасное функционирование направляющих каналов в составе тепловыделяющих сборок предполагает наличие узла крепления нижнего наконечника направляющего канала в опорной плите хвостовика, который должен обеспечивать надежную фиксацию направляющего канала и прилегание к опорной плите.

В настоящее время разработан ряд конструкций узлов направляющих каналов и элементов крепления наконечников направляющих каналов.

Известна конструкция направляющего канала, состоящая из трубы, захватной втулки для соединения с головкой тепловыделяющей сборки, наконечника для соединения с хвостовиком тепловыделяющей сборки, при этом втулка и наконечник закреплены на трубе посредством обжатия (США 4687619, G21C 19/20,1987 г.). Соединение направляющего канала с головкой осуществляется путем фиксации цангового захвата головки на втулке направляющего канала; соединение направляющего канала с хвостовиком осуществляется путем сварки наконечника направляющего канала с плитой хвостовика. Недостатком данной конструкции является низкая надежность соединений: втулка-труба и наконечник-труба, выполненных обжатием, так как в процессе эксплуатации из-за температурных расширений и вибрации в потоке теплоносителя данные соединения разупрочняются, что приводит к недопустимому искривлению и перекосам направляющих каналов и пучка тепловыделяющих элементов, сквозь который проходят направляющие каналы.

Известна конструкция направляющего канала, состоящая из трубы, захватной втулки для соединения с головкой тепловыделяющей сборки, наконечника для соединения с хвостовиком тепловыделяющей сборки, при этом втулка и наконечник закреплены на трубе посредством сварки (RU 2152084, G21C 3/04, 27.06.2000). Наконечник направляющего канала выполнен из стержня, на теле которого установлена втулка, закрепленная завальцовкой торца стержня. Втулка выполнена из материала трубы и посредством сварки обеспечивает соединение наконечника с трубой направляющего канала. Закрепление направляющего канала в составе тепловыделяющей сборки осуществляется путем установки наконечника направляющего канала в отверстие плиты хвостовика и сварки торца стержня направляющего канала с плитой. Недостатком данной конструкции является посадка втулки на тело стержня наконечника направляющего канала с гарантированным зазором, что в процессе эксплуатации из-за температурных расширений и вибрации в потоке теплоносителя также приводит к разупрочнению данного соединения.

Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является конструкция тепловыделяющей сборки ядерного реактора, содержащая пучок тепловыделяющих элементов, дистанционирующие решетки, расположенные по длине тепловыделяющей сборки, головку и хвостовик, соединенные направляющими каналами, в которых перемещаются регулирующие стержни, причем направляющие каналы жестко соединены с хвостовиком, а их верхние части размещены в пружинном блоке головки (RU 2137223, G21C 3/32, 10.09.1999). В известной тепловыделяющей сборке хвостовик представляет собой конструкцию из опорной плиты и опорного стакана. Опорная плита предназначена для фиксирования и крепления нижних концевиков тепловыделяющих элементов и направляющих каналов, устанавливаемых в отверстия опорной плиты, причем нижние наконечники направляющих каналов крепятся в опорной плите хвостовика посредством резьбового соединения с помощью гаек.

В данной конструкции направляющего канала применяются известные наконечники направляющего канала, обладающие вышеуказанными недостатками.

Задачей настоящего изобретения является разработка и создание тепловыделяющей сборки ядерного реактора, обладающей улучшенными прочностными характеристиками.

Технический результат изобретения заключается в повышении надежности крепления наконечников направляющих каналов, повышении ремонтопригодности и увеличении ресурса эксплуатации тепловыделяющих сборок.

Технический результат достигается тем, что тепловыделяющая сборка ядерного реактора содержит головку, тепловыделяющие элементы и направляющие каналы, дистанционирующие решетки, хвостовик, нижние наконечники тепловыделяющих элементов и нижние наконечники направляющих каналов закреплены в опорной плите хвостовика. Наконечник направляющего канала выполнен в виде конструкции, состоящей из втулки, во внутренней полости которой размещены болт и фиксирующий его винт с центральным отверстием, болт проходит сквозь отверстие опорной плиты и посредством резьбового соединения с гайкой закрепляет наконечник в опорной плите, во втулке и винте выполнены четыре радиальных отверстия, выходящие в полость центрального отверстия винта.

Отличительная особенность настоящего изобретения состоит в следующем. Применение наконечника направляющего канала предложенной конструкции позволяет при изготовлении направляющего канала использовать трубу направляющего канала и втулку наконечника, выполненные из однородных циркониевых сплавов, при этом создается надежное цельнометаллическое соединение труба-втулка путем применения контактно-стыковой сварки. При этом внутри втулки устанавливается болт из нержавеющей стали, который позволяет надежно посредством резьбового соединения с гайкой, выполненной из нержавеющей стали, закрепить направляющий канал в опорной плите хвостовика. При этом винт, установленный во внутренней полости втулки наконечника, надежно фиксирует болт в наконечнике и одновременно выполняет функцию опорного элемента при проведении контактно-стыковой сварки. При этом в винте выполнено центральное проливное отверстие, которое соединяется с четырьмя проливными радиальными отверстиями, выполненными во втулке. Данная система проливных отверстий предназначена для поступления теплоносителя во внутреннюю полость направляющего канала с целью охлаждения при эксплуатации стержней органов регулирования и защиты реакторной установки, перемещаемых в направляющих каналах.

Целесообразно над опорной плитой хвостовика установить антивибрационную решетку, состоящую из соединенных между собой ячеек. Причем ячейки решетки расположить по гексагональной схеме и выполнить их шестигранной формы с тремя опорами для тепловыделяющих элементов, расположенными через 120 градусов друг от друга, образованными пуклевками на гранях этого шестигранника с выступами, направленными внутрь ячейки. Антивибрационная решетка, опорная плита хвостовика и опорный стакан хвостовика соединены между собой крепежными элементами, выполненными в виде шести пластин.

Целесообразно расположить элементы, соединяющие дистанционирующие решетки между собой и с хвостовиком, по длине тепловыделяющей сборки и выполнить их в виде шести уголковых профилей с ребрами жесткости в форме отбортовок между дистанционирующими решетками.

Целесообразно выполнить дистанционирующие решетки, состоящими из соединенных между собой ячеек. Причем ячейки решеток расположить по гексагональной схеме и выполнить их шестигранной формы с тремя опорами для тепловыделяющих элементов, расположенными через 120 градусов друг от друга, образованными пуклевками на гранях этого шестигранника с выступами, направленными внутрь ячейки.

Целесообразно нижний наконечник тепловыделяющего элемента выполнить в виде цилиндрической заглушки, нижняя часть которой представляет собой упругий кольцевой элемент, имеющий один продольный разрез и цилиндрический буртик, который при установке в отверстие опорной плиты хвостовика образует цанговое соединение.

Целесообразно верхнюю часть направляющего канала, предназначенную для закрепления в головке тепловыделяющей сборки, выполнить в виде гильзы, соединенной с трубой направляющего канала через спираль посредством ротационной ковки.

Целесообразно в нижней части хвостовика установить антидебрисный фильтр в виде плиты с V-образными проливными отверстиями.

Целесообразно конструкцию головки выполнить с 19-ю независимыми демпфирующими пружинными элементами для индивидуального крепления направляющего канала.

Целесообразно в верхней части тепловыделяющих элементов между дистанционирующими решетками установить перемешивающие решетки, содержащие обод и набор взаимно пересекающихся пластин в форме полос, соединенных между собой и с ободом в местах пересечения, образующих поле ячеек для прохождения тепловыделяющих элементов и направляющих каналов тепловыделяющих сборок, выполненных шестигранными, и смежных с шестигранными ячейками трехгранных ячеек для прохода теплоносителя, на торцах которых выполнить отогнутые в сторону трехгранных ячеек перемешивающие пластинчатые дефлекторы.

Изобретение поясняется графически.

На фиг. 1 приведена принципиальная схема тепловыделяющей сборки (ТВС), на фиг. 2 показан хвостовик с антивибрационной решеткой и схема крепления направляющего канала и тепловыделяющих элементов в опорной плите хвостовика тепловыделяющей сборки, на поперечном сечении А-А фиг. 2 показана схема расположения направляющего канала и тепловыделяющих элементов в пучке, на фиг. 3 показан выносной элемент Б фиг. 2 с продольным сечением наконечника направляющего канала (НК), на фиг. 4 показан уголковый профиль и поперечное сечение Г-Г уголкового профиля с отбортовками, на фиг. 5 показана ячейка дистанционирующей и антивибрационной решетки, на фиг. 6 показан выносной элемент В фиг. 2 с наконечником тепловыделяющего элемента, на фиг. 7 показано продольное сечение направляющего канала (НК), на фиг. 8 показано поперечное сечение антидебрисного фильтра, на фиг. 9 показана головка с 19-ю независимыми пружинными элементами для крепления направляющего канала, на фиг. 10 показана перемешивающая решетка.

Тепловыделяющая сборка ядерного реактора (см. фиг. 1) содержит пучок тепловыделяющих элементов 1 и направляющие каналы 2, дистанционирующие решетки 3, соединенные между собой посредством сварки угловыми элементами 4, хвостовик 5 и головку 6. Угловые элементы 4 посредством винтов 7 соединены с хвостовиком 5. Между дистанционирующими решетками в верхней части пучка тепловыделяющих элементов установлены перемешивающие решетки 8, соединенные посредством сварки с угловыми элементами.

Хвостовик (см. фиг. 2) состоит из опорного стакана 9 и опорной плиты 10, соединенных между собой и с антивибрационной решеткой 11 посредством сварки шестью пластинами 12. Во внутренней полости опорного стакана 9 установлен антидебрисный фильтр 13, соединенный с опорным стаканом посредством сварки.

Направляющие каналы 2 (см. фиг. 1, 2) проходят между ячейками дистанционирующих решеток 3 и антивибрационной решетки 11 и крепятся к опорной плите 10 посредством болтового соединения.

Нижний наконечник направляющего канала (см. фиг. 3) выполнен в виде конструкции, состоящей из втулки 14, во внутренней полости которой размещены болт 15 и фиксирующий его винт 16 с центральным отверстием 17, причем болт проходит сквозь отверстие опорной плиты 10 и посредством резьбового соединения с гайкой 18 закрепляет наконечник в опорной плите 10, причем во втулке и винте выполнены четыре радиальных отверстия 19, выходящие в полость центрального отверстия 17 винта.

Элементы, соединяющие дистанционирующие решетки между собой и с хвостовиком (см. фиг. 1, 4), выполнены в виде шести уголковых профилей 4 с ребрами жесткости в форме отбортовок 20 между дистанционирующими решетками 3.

Дистанционирующие решетки 3 (см. фиг. 1) и антивибрационная решетка 11 (см. фиг. 2) выполнены из соединенных между собой ячеек 21 (см. сечение А-А на фиг. 2, фиг. 5), причем ячейки решеток расположены по гексагональной схеме и выполнены шестигранной формы с тремя опорами для тепловыделяющих элементов, расположенными через 120 градусов друг от друга, образованными пуклевками 22 на гранях шестигранника с выступами, направленными внутрь ячейки.

Нижние наконечники тепловыделяющих элементов 1 (см. фиг. 2) за счет упругих элементов устанавливаются в отверстия опорной плиты 10 хвостовика и фиксируются от радиальных и осевых перемещений в ячейках 21 антивибрационной решетки 11. Наконечник тепловыделяющего элемента (см. фиг. 6) выполнен в виде цилиндрической заглушки 23, нижняя часть которой представляет собой упругий кольцевой элемент 24, имеющий один продольный разрез 25 и цилиндрический буртик 26, который при установке в отверстие опорной плиты 10 хвостовика образует цанговое соединение.

Верхняя часть направляющего канала (см. фиг. 7), предназначенная для закрепления в головке тепловыделяющей сборки, выполнена в виде гильзы 27, соединенной с трубой 28 направляющего канала через спираль 29 посредством ротационной ковки. Нижняя часть трубы 28 соединена посредством контактно-стыковой сварки с наконечником 30 направляющего канала.

В нижней части хвостовика установлен антидебрисный фильтр 13 (см. фиг. 2, 8), выполненный в виде плиты 31 с V-образными проливными отверстиями 32.

Конструкция головки 6 (см. фиг. 1, 9), выполнена с 19-ю независимыми демпфирующими пружинными элементами 33 для индивидуального крепления направляющих каналов 2.

В верхней части пучка твэлов между дистанционирующими решетками 3 установлены перемешивающие решетки 8 (см. фиг. 1, 10), содержащие обод 34 и набор взаимно пересекающихся пластин в форме полос, соединенных между собой и с ободом в местах пересечения сваркой, образующих поле ячеек 35 для прохождения тепловыделяющих элементов и направляющих каналов тепловыделяющей сборки, выполненных шестигранными, и смежных с шестигранными ячейками трехгранных ячеек 36 для прохода теплоносителя, на торцах которых выполнены отогнутые в сторону трехгранных ячеек перемешивающие пластинчатые дефлекторы 37.

Предлагаемая тепловыделяющая сборка работает следующим образом:

После установки тепловыделяющей сборки в реактор она поджимается верхней плитой реактора путем упора в торец обечайки головки 6. Затем усилие передается через пружинный блок головки, который поджимается на величину, рассчитанную таким образом, чтобы удержать тепловыделяющую сборку от всплытия в потоке движущегося снизу теплоносителя, на направляющий канал 2 и далее на опорную плиту 10 и через пластины 12 на опорный стакан 9 хвостовика 5, который входит в отверстие нижней плиты реактора.

Дистанционирующие решетки 3 и перемешивающие решетки 8, соединенные между собой угловыми элементами 4, образуют каркас, который посредством винтов 7 соединен с хвостовиком 5.

Теплоноситель, поступая в тепловыделяющую сборку через входное отверстие опорного стакана 9 хвостовика 5, проходит через антидебрисный фильтр 13, проливные отверстия опорной плиты 10 и далее омывает тепловыделяющие элементы 1 пучка, нагреваясь за счет контакта с поверхностью тепловыделяющего элемента. Тепловыделяющие элементы 1, а с ними и каркас, нагреваясь за счет процесса ядерного деления внутри тепловыделяющих элементов, начинают удлиняться вверх за счет теплового и радиационного роста; при этом пучок растет независимо от направляющего канала 2, так как последние с гарантированным зазором проходят сквозь дистанционирующие решетки 3. Таким образом, пучок с тепловыделяющими элементами 1 не оказывает воздействия на несущие силовую нагрузку направляющие каналы 2 и не деформирует их.

Одним из основных элементов конструкции тепловыделяющей сборки являются направляющие каналы 2, которые соединяют между собой головку 6 и хвостовик 5.

Нижние наконечники 30 направляющих каналов 2 посредством болтового соединения надежно закреплены в опорной плите 10 хвостовика 5 и с гарантированным натягом проходят между ячеек антивибрационной решетки 11. Гильзы 27 верхних частей направляющего канала 2 проходят сквозь втулки головки 6; при этом головка фиксируется на гильзах направляющих каналов посредством, например, цангового замка.

Нижние наконечники тепловыделяющих элементов 1 посредством цангового соединения закреплены в опорной плите 10 хвостовика 5 и, проходя сквозь ячейки 21 антивибрационной решетки 11 за счет натягов, возникающих между упругими элементами (пуклевками 22) ячеек и оболочкой тепловыделяющих элементов, надежно фиксируются в антивибрационной решетке от осевых и радиальных люфтов. В свою очередь, антивибрационная решетка 11 надежно соединена посредством пластин 12 с хвостовиком 5. Тем самым исключается возможность истирания и разрушения наконечников тепловыделяющих элементов в процессе эксплуатации от воздействия вибрации потока теплоносителя.

Использование предлагаемой конструкции наконечника 30 направляющего канала 2 позволяет повысить надежность соединения труба-наконечник направляющего канала и увеличить срок эксплуатации тепловыделяющей сборки.

Изготовление настоящей конструкции может быть осуществлено на известном оборудовании с использованием стандартных технологий.

Изобретение относится к атомной технике, в частности к конструкции бесчехловых тепловыделяющих сборок. Тепловыделяющая сборка ядерного реактора содержит головку, хвостовик, тепловыделяющие элементы, направляющие каналы, дистанционирующие решетки, нижние наконечники тепловыделяющих элементов и нижние наконечники направляющих каналов закреплены в опорной плите хвостовика. Наконечник направляющего канала выполнен в виде конструкции, состоящей из втулки, во внутренней полости которой размещены болт и фиксирующий винт с центральным отверстием. Болт проходит сквозь отверстие опорной плиты хвостовика и посредством резьбового соединения с гайкой закрепляет наконечник направляющего канала в опорной плите хвостовика. Во втулке и винте выполнены четыре радиальных отверстия, выходящие в полость центрального отверстия винта. Техническим результатом является повышение надежности соединения труба-наконечник направляющего канала и увеличение срока эксплуатации тепловыделяющей сборки ядерного реактора. 8 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Тепловыделяющая сборка ядерного реактора, содержащая головку, хвостовик, тепловыделяющие элементы, направляющие каналы, дистанционирующие решетки, нижние наконечники тепловыделяющих элементов и нижние наконечники направляющих каналов закреплены в опорной плите хвостовика, отличающаяся тем, что наконечник направляющего канала выполнен в виде конструкции, состоящей из втулки, во внутренней полости которой размещены болт и фиксирующий его винт с центральным отверстием, болт проходит сквозь отверстие опорной плиты хвостовика и посредством резьбового соединения с гайкой закрепляет наконечник направляющего канала в опорной плите хвостовика, во втулке и винте выполнены четыре радиальных отверстия, выходящие в полость центрального отверстия винта.

2. Тепловыделяющая сборка ядерного реактора по п. 1, отличающаяся тем, что над опорной плитой хвостовика установлена антивибрационная решетка, состоящая из соединенных между собой ячеек, причем ячейки решетки расположены по гексагональной схеме и имеют шестигранную форму с тремя опорами для тепловыделяющих элементов, расположенными через 120 градусов друг от друга, образованными пуклевками на гранях этого шестигранника с выступами, направленными внутрь ячейки, антивибрационная решетка, опорная плита хвостовика и опорный стакан хвостовика соединены между собой крепежными элементами, выполненными в виде шести пластин.

3. Тепловыделяющая сборка ядерного реактора по п. 1, отличающаяся тем, что элементы, соединяющие дистанционирующие решетки между собой и с хвостовиком, расположены по длине тепловыделяющей сборки и выполнены в виде шести уголковых профилей с ребрами жесткости в форме отбортовок между дистанционирующими решетками.

4. Тепловыделяющая сборка ядерного реактора по п. 1, отличающаяся тем, что дистанционирующие решетки состоят из соединенных между собой ячеек, причем ячейки решеток расположены по гексагональной схеме и имеют шестигранную форму с тремя опорами для тепловыделяющих элементов, расположенными через 120 градусов друг от друга, образованными пуклевками на гранях этого шестигранника с выступами, направленными внутрь ячейки.

5. Тепловыделяющая сборка ядерного реактора по п. 1, отличающаяся тем, что нижний наконечник тепловыделяющего элемента выполнен в виде цилиндрической заглушки, нижняя часть которой представляет собой упругий кольцевой элемент, имеющий один продольный разрез и цилиндрический буртик, который при установке в отверстие опорной плиты хвостовика образует цанговое соединение.

6. Тепловыделяющая сборка ядерного реактора по п. 1, отличающаяся тем, что верхняя часть направляющего канала, предназначенная для закрепления в головке, выполнена в виде гильзы, соединенной с трубой направляющего канала через спираль посредством ротационной ковки.

7. Тепловыделяющая сборка ядерного реактора по п. 1, отличающаяся тем, что в нижней части хвостовика установлен антидебрисный фильтр в виде плиты с V-образными проливными отверстиями.

8. Тепловыделяющая сборка ядерного реактора по п. 1, отличающаяся тем, что конструкция головки выполнена с 19-ю независимыми демпфирующими пружинными элементами для индивидуального крепления направляющих каналов.

9. Тепловыделяющая сборка ядерного реактора по п. 1, отличающаяся тем, что в верхней части тепловыделяющих элементов между дистанционирующими решетками установлены перемешивающие решетки, содержащие обод и набор взаимно пересекающихся пластин в форме полос, соединенных между собой и с ободом в местах пересечения, образующих поле ячеек для прохождения тепловыделяющих элементов и направляющих каналов, выполненных шестигранными, и смежных с шестигранными ячейками трехгранных ячеек для прохода теплоносителя, на торцах которых выполнены отогнутые в сторону трехгранных ячеек перемешивающие пластинчатые дефлекторы.