Дистанционирующая решетка тепловыделяющей сборки ядерного реактора (варианты) Российский патент 2022 года по МПК G21C3/34 G21C3/32 

Изобретение относится к области ядерной энергетики, а именно - к конструкции тепловыделяющих сборок (ТВС) ядерных реакторов, в частности, к дистанционирующим решеткам ТВС ядерных реакторов.

Современные отраслевые задачи по повышению энерговыработки на АЭС с ТВС типа ВВЭР и повышению эффективности использования топлива на АЭС требуют внедрения усовершенствованных топливных циклов.

Для замыкания топливного цикла планируется использование ТВС с РЕМИКС- и МОХ-топливом. Сборка ТВС с топливом указанного типа ввиду имеющегося повышенного радиационного фона должна осуществляться дистанционно с минимальным числом операций, выполняемых персоналом на собранной ТВС, и с минимизацией отходов при изготовлении ТВС.

Существующая технология изготовления ТВС и конструкция дистанционирующих решеток (ДР) в полной мере не обеспечивает данные требования. ДР современных ТВС имеют высокую радиальную жесткость ячеек, которая может приводить к значительным контактным силам между оболочками тепловыделяющих элементов (твэлов) и ячейками ДР. Установка твэлов в современные ДР без использования различных смазок и покрытий приводит к большим усилиям установки твэлов, вплоть до потери устойчивости твэлов и появлению механических повреждений на их оболочках, а использование покрытий и смазок приводит к появлению загрязненных отходов, которые необходимо утилизировать.

Для обеспечения дистанционной сборки и применения в ТВС РЕМИКС- и МОХ-топлива необходимо снизить радиальную жесткость в ячейках ДР. Это может быть достигнуто уменьшением натяга в паре твэл-ячейка или уменьшением жесткости самой ячейки за счет изменения ее формы. При этом необходимо обеспечить надежную фиксацию твэлов в ДР при транспортно-технологических операциях, связанных с перемещением и эксплуатацией ТВС; во время эксплуатации ТВС исключить фреттинг-износ оболочек твэлов в ячейках ДР, обеспечить проскальзывание твэлов в ячейках ДР во время разогрева и охлаждения реактора, а также компенсировать зазор, образующийся в паре твэл-ячейка.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату к заявляемой является конструкция дистанционирующей решетки тепловыделяющей сборки ядерного реактора (см. Б.А. Дементьев. Ядерные энергетические реакторы, 11-е издание. М.: Энергоатомиздат, 1990, с. 44 - прототип), преимущественно шестигранной формы, содержащая обод и ячейки, каждая из которых снабжена внутренними выступами, между которыми устанавливаются твэлы. Недостатком данной ДР является наличие повышенных усилий при прохождении твэлов через ячейки ДР при сборке пучка твэлов, а также возникновение зазоров между внутренними выступами ячеек и оболочками твэлов в процессе эксплуатации ТВС.

Технической задачей, на решение которой направлено заявленное устройство, является оптимизация технологического процесса изготовления и обеспечение дистанционной сборки ТВС с одновременной оптимизацией взаимодействия оболочек твэлов с ячейками ДР в процессе сборки и эксплуатации ТВС за счет усовершенствования геометрии ячеек ДР, при которой снижается радиальная жесткость ячеек, а в процессе эксплуатации возникают усилия со стороны потока теплоносителя, обеспечивающие дополнительное поджатие контактирующих с оболочками твэлов поверхностей ячеек к оболочкам твэлов.

Техническим результатом изобретения является уменьшение радиальной жесткости ячейки, как следствие - снижение усилий снаряжения твэлов при сборке ТВС, уменьшение механических повреждений оболочки твэлов при сборке ТВС, а также компенсация зазоров между оболочками твэлов и ячейками ДР в процессе эксплуатации ТВС. Оптимизируется процесс изготовления ячеек ДР и сборки ТВС.

Поставленная задача по первому варианту изобретения решается тем, что в дистанционирующей решетке тепловыделяющей сборки ядерного реактора, имеющей преимущественно шестигранную форму и состоящей из обода, окружающего решетку по периметру, и ячеек, каждая из которых выполнена в форме многогранной трубки и снабжена внутренними выступами, согласно изобретению, внутренние выступы ячеек, между которыми устанавливаются твэлы, выполнены с плоской поверхностью, условно поделенной на три участка по длине ячейки, два крайних участка из которых параллельны оси ячейки и выполнены с постоянной шириной, а третий участок поверхности внутреннего выступа является переходным от первого крайнего участка ко второму крайнему участку, выполнен переменной ширины и расположен под наклоном к оси ячейки, причем угол наклона к оси ячейки зависит от разности диаметров окружностей вписанных в два крайних участка, при этом диаметр окружности, вписанной в ячейку, первого крайнего участка, расположенного у торца ячейки, направленного навстречу потоку теплоносителя, и находящегося в контакте с тепловыделяющим элементом, меньше диаметра окружности, вписанной в ячейку, второго крайнего участка и меньше наружного диаметра тепловыделяющего элемента.

Поставленная задача по второму варианту решается тем, что в дистанционирующей решетке тепловыделяющей сборки ядерного реактора, имеющей преимущественно шестигранную форму и состоящей из обода, окружающего решетку по периметру, и ячеек, каждая из которых выполнена в форме многогранной трубки и снабжена внутренними выступами, согласно изобретению, внутренние выступы ячеек, между которыми устанавливаются твэлы, выполнены с плоской поверхностью, условно поделенной на три участка по длине ячейки, два крайних участка поверхности внутреннего выступа параллельны оси ячейки, причем первый крайний участок выполнен с переменной шириной по направлению к переходному третьему участку, а второй крайний участок - с постоянной шириной, при этом минимальная ширина первого крайнего участка, расположенного у торца ячейки, направленного навстречу потоку теплоносителя, и находящегося в контакте с тепловыделяющим элементом, больше ширины второго крайнего участка, третий участок поверхности внутреннего выступа является переходным от первого участка ко второму участку, выполнен переменной ширины и расположен под наклоном к оси ячейки, причем угол наклона к оси ячейки зависит от разности диаметров окружностей вписанных в два крайних участка, при этом диаметр окружности, вписанной в ячейку, первого крайнего участка меньше диаметра окружности, вписанной в ячейку, второго крайнего участка и меньше наружного диаметра тепловыделяющего элемента.

Поставленная задача по третьему варианту решается тем, что в дистанционирующей решетке тепловыделяющей сборки ядерного реактора, имеющей преимущественно шестигранную форму и состоящей из обода, окружающего решетку по периметру, и ячеек, каждая из которых выполнена в форме многогранной трубки и снабжена внутренними выступами, согласно изобретению, внутренние выступы ячеек, между которыми устанавливаются твэлы, выполнены с плоской поверхностью, условно поделенной на три участка по длине ячейки, первый крайний участок поверхности внутреннего выступа выполнен наклонным к оси ячейки, а второй крайний участок поверхности внутреннего выступа - параллельным к оси ячейки, при этом оба крайних участка выполнены с постоянной шириной, а третий участок поверхности внутреннего выступа является переходным от первого участка ко второму участку, выполнен переменной ширины и расположен под наклоном к оси ячейки, причем угол наклона к оси ячейки зависит от разности диаметров окружностей вписанных в два крайних участка, а диаметр окружности, вписанной в ячейку, первого крайнего участка, расположенного у торца ячейки, направленного навстречу потоку теплоносителя, и находящегося в контакте с тепловыделяющим элементом, меньше диаметра окружности, вписанной в ячейку, второго крайнего участка и меньше наружного диаметра тепловыделяющего элемента.

Поставленная задача по четвертому варианту решается тем, что в дистанционирующей решетке тепловыделяющей сборки ядерного реактора, имеющей преимущественно шестигранную форму и состоящей из обода, окружающего решетку по периметру, и ячеек, каждая из которых выполнена в форме многогранной трубки и снабжена внутренними выступами, согласно изобретению, внутренние выступы ячеек, между которыми устанавливаются твэлы, выполнены с плоской поверхностью, условно поделенной на три участка по длине ячейки, первый крайний участок поверхности внутреннего выступа выполнен наклонным к оси ячейки и с шириной, переменной по направлению к переходному третьему участку, а второй крайний участок поверхности внутреннего выступа выполнен параллельным к оси ячейки и с постоянной шириной, при этом минимальная ширина первого крайнего участка больше ширины второго крайнего участка, а третий участок поверхности внутреннего выступа является переходным от первого участка ко второму участку, выполнен переменной ширины и расположен под наклоном к оси ячейки, причем угол наклона к оси ячейки зависит от разности диаметров окружностей вписанных в два крайних участка, при этом диаметр окружности, вписанной в ячейку, первого крайнего участка, расположенного у торца ячейки, направленного навстречу потоку теплоносителя, и находящегося в контакте с тепловыделяющим элементом, меньше диаметра окружности, вписанной в ячейку, второго крайнего участка и меньше наружного диаметра тепловыделяющего элемента.

Для всех четырех вариантов настоящего изобретения успешнее решить поставленную задачу позволяет выполнение притупления (фаски или скругления радиусом) на торцах поверхности, по крайней мере, со стороны, контактирующей с оболочкой твэла.

Предлагаемая геометрия поверхности внутренних выступов ячеек в соответствии с первым и последующими вариантами изобретения позволяет увеличить площадь контакта ячейки с оболочкой твэла, снизить радиальную жесткость ячейки, что ведет к уменьшению вероятности механических повреждений оболочки твэлов, снижению усилия установки твэлов в ТВС; в ходе взаимодействия с потоком теплоносителя создается разность давлений по разные стороны поверхности выступа, что, в свою очередь, ведет к созданию гидродинамического усилия, которое обеспечивает дополнительное поджатие поверхности выступа к оболочке твэла и уменьшению вероятности образования зазоров в паре твэл - ячейка. Оптимизируется технологический процесс изготовления деталей - ячеек ДР и сборки ТВС.

Выполнение внутреннего выступа ячейки в соответствии со вторым вариантом изобретения, кроме прочего, позволяет упростить съем изготавливаемой детали со штампа на операции штамповки.

Выполнение внутреннего выступа ячейки в соответствии с третьим вариантом изобретения дополнительно обеспечивает гарантированное отсутствие при сборке отгиба кромки ячейки со стороны поверхности первого участка: при установке твэл взаимодействует сначала с «мягкой» кромкой ячейки, а затем с более жесткой ее частью в месте перехода от первого крайнего участка поверхности к третьему среднему участку. Гарантированно обеспечивается натяг между ячейкой и твэлом, гидравлическое поджатие ячейки к твэлу.

Выполнение внутреннего выступа ячейки в соответствии с четвертым вариантом изобретения, кроме повышения гарантии отсутствия отгиба кромки ячейки при сборке, обеспечивает одновременно улучшение технологичности процесса изготовления детали благодаря упрощению операции ее съема со штампа.

По всем четырем вариантам изобретения выполнение притупления на торце поверхности выступа ячейки, по крайней мере, с одной стороны, преимущественно, со стороны, контактирующей с оболочкой твэла, позволяет исключить «закусывание» твэла при его движении в продольном направлении по ходу потока теплоносителя.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг. 1 представлена ТВС, общий вид.

На фиг. 2 представлена ячейка дистанционирующей решетки ТВС:

а) - общий вид;

б) - вид сбоку;

в) - вид спереди, варианты 1, 3;

г) - вид спереди, варианты 2, 4.

На фиг. 3 представлен чертеж геометрии внутреннего выступа ячейки, варианты 3, 4.

На фиг. 4 представлена ячейка с тепловыделяющим элементом.

Пучок 1 твэлов тепловыделяющей сборки ядерного реактора закреплен в дистанционирующих решетках 2, содержащих обод (не указан) и ячейки 3, снабженные внутренними выступами 4, образующими плоскую поверхность, которая по длине ячейки 3 условно поделена на участки L₁, L₂, L₃. Два крайние участка L₁, L₂ поверхности параллельны оси 5 ячейки 3 и выполнены каждый постоянной шириной X₁, Х₂ соответственно. Первый крайний участок L₁ может быть выполнен с переменной шириной по направлению к переходному третьему участку, при этом минимальная ширина X¹₁ первого крайнего участка больше ширины Х₂ второго крайнего участка (по второму варианту).

Первый крайний участок L₁ может быть выполнен постоянной шириной X₁ и располагаться под наклоном к оси ячейки за счет разности диаметров D₁, D¹₁ окружности, вписанной в ячейку (по третьему варианту).

Первый крайний участок L₁ может быть выполнен с переменной шириной по направлению к переходному третьему участку, при этом минимальная ширина Х¹₁ первого крайнего участка больше ширины Х₂ второго крайнего участка (по второму варианту), и располагаться под наклоном к оси ячейки за счет разности диаметров D₁, D¹₁ окружности, вписанной в ячейку (по четвертому варианту).

Средний участок L₃ является переходным от первого участка L₁ ко второму участку L₂ и расположен под наклоном к оси 5 ячейки 3, угол которого обеспечен изменением диаметров окружности, вписанной в ячейку, и ширины данного участка от большей X₁ или X¹ к меньшей Х₂.

Первый крайний участок L₁ находится в контакте с твэлом 6, расположен у торца 7 ячейки 3, имеющего притупление (фаска 8 или радиус 9), и направлен навстречу потоку 10 теплоносителя.

Размер диаметра окружности, вписанной в ячейку, изменяется от меньшего D₁ у поверхности первого крайнего участка L₁, который, в свою очередь, меньше размера наружного диаметра оболочки твэла 6, до большего D₂ у поверхности второго крайнего участка L₂.

Изобретение реализуется следующим образом.

Ячейку формируют преимущественно штамповкой на матричном штампе. Выбранная геометрия поверхности внутреннего выступа обеспечивает оптимизацию процесса и легкий съем штамповки. Поскольку наиболее благоприятной для облегчения съема отштампованной ячейки с матрицы штампа является форма ячейки, обеспечивающая с матрицей соединение типа «конус в конусе», поверхность первого участка может иметь наклон к оси ячейки, образованный различием диаметров, вписанных в ячейку, в начале и конце данной поверхности, за счет изменения ширины данной поверхности, за счет геометрии поверхности третьего участка, соединяющего поверхности первого и второго участков.

Твэлы 6 проходят сквозь решетку внутри изготовленных ячеек 3, поверхность внутренних выступов которых имеет геометрию по одному из предлагаемых вариантов. В силу того, что вписанный диаметр D₁ и D¹₁ меньше наружного диаметра оболочки твэла 6, установка твэла 6 производится с определенным натягом и усилием. Ввиду того, что переход поверхности внутреннего выступа ячейки от крайних участков к наклонному переходному среднему участку является плавным и не имеет ступенчатости, а также ввиду того, что первый крайний участок может иметь некоторый наклон к оси ячейки, а его ширина имеет достаточный размер, радиальная жесткость ячейки ДР снижается и, как следствие, снижается контактное усилие взаимодействия оболочки твэла 6 и ячейки 3. Это в конечном итоге приводит к снижению усилий, возникающих при сборке пучка твэлов 6, уменьшению механических повреждений оболочки твэлов 6 и повышению технологичности ТВС. При этом наличие притуплений 8 или 9 на торцах ячейки 3, по крайней мере, на торце 7 обеспечивает исключение «закусывания» оболочки твэла 6 в ячейке 3 при продольном перемещении твэлов 6 относительно ДР 2.

При эксплуатации ТВС поток теплоносителя 10 поступает в пучок 1 твэлов 6 ТВС, закрепленный в ячейках ДР 2. За счет геометрии поверхности ячеек 3, обусловленной геометрией внутренних выступов 4, создается гидродинамическое усилие 11, стремящееся сжать ячейки 3 по поверхности внутреннего выступа 4. В результате обеспечивается плотный контакт ячеек 3 с оболочками твэлов 6, создается условие для обеспечения отсутствия фреттинг-износа как оболочек твэлов 6, так и ячеек 3 ДР.

Настоящее изобретение промышленно применимо и наиболее успешно может быть использовано для активных зон реакторных установок отечественного производства типа ВВЭР и активных зон зарубежных PWR.

Изобретение распространяется на любые виды дистанционирующих решеток сотового типа, используемые в активных зонах реакторных установок.

Изобретение относится к дистанционирующим решеткам тепловыделяющих сборок (ТВС) ядерных реакторов. Дистанционирующая решетка состоит из обода, окружающего решетку по периметру, и ячеек, каждая из которых выполнена в форме многогранной трубки и снабжена внутренними выступами. Выступы выполнены в виде плоской поверхности, условно поделенной на три участка по длине ячейки, два крайних участка из которых параллельны оси ячейки и выполнены с постоянной шириной, а третий участок поверхности внутреннего выступа является переходным от первого крайнего участка ко второму крайнему участку, выполнен переменной ширины и расположен под наклоном к оси ячейки. Причем угол наклона к оси ячейки зависит от разности диаметров окружностей, вписанных в два крайних участка. Варианты изобретения включают различное выполнение участков поверхности выступов. По любому из четырех вариантов по крайней мере на одном из торцов ячейки выполнено притупление. Техническим результатом является уменьшение радиальной жесткости ячейки, как следствие, снижение усилий снаряжения твэлов при сборке ТВС, уменьшение механических повреждений оболочки твэлов при сборке ТВС, а также компенсация зазоров между оболочками твэлов и ячейками ДР в процессе эксплуатации ТВС, а также возможность оптимизации процесса изготовления ячеек ДР и сборки ТВС. 4 н. и 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Дистанционирующая решетка тепловыделяющей сборки ядерного реактора, состоящая из обода, окружающего решетку по периметру, и ячеек, каждая из которых выполнена в форме многогранной трубки и снабжена внутренними выступами, отличающаяся тем, что внутренние выступы ячеек выполнены с плоской поверхностью, условно поделенной на три участка по длине ячейки, два крайних участка из которых параллельны оси ячейки и выполнены с постоянной шириной, а третий участок поверхности внутреннего выступа является переходным от первого крайнего участка ко второму крайнему участку, выполнен переменной ширины и расположен под наклоном к оси ячейки, причем угол наклона к оси ячейки зависит от разности диаметров окружностей, вписанных в два крайних участка, при этом диаметр окружности, вписанной в ячейку, первого крайнего участка, расположенного у торца ячейки, направленного навстречу потоку теплоносителя, и находящегося в контакте с тепловыделяющим элементом, меньше диаметра окружности, вписанной в ячейку, второго крайнего участка и меньше наружного диаметра тепловыделяющего элемента.

2. Дистанционирующая решетка тепловыделяющей сборки ядерного реактора, состоящая из обода, окружающего решетку по периметру, и ячеек, каждая из которых выполнена в форме многогранной трубки и снабжена внутренними выступами, отличающаяся тем, что внутренние выступы ячеек выполнены с плоской поверхностью, условно поделенной на три участка по длине ячейки, два крайних участка поверхности внутреннего выступа параллельны оси ячейки, причем первый крайний участок выполнен с переменной шириной по направлению к переходному третьему участку, а второй крайний участок - с постоянной шириной, при этом минимальная ширина первого крайнего участка, расположенного у торца ячейки, направленного навстречу потоку теплоносителя, и находящегося в контакте с тепловыделяющим элементом, больше ширины второго крайнего участка, третий участок поверхности внутреннего выступа является переходным от первого участка ко второму участку, выполнен переменной ширины и расположен под наклоном к оси ячейки, причем угол наклона к оси ячейки зависит от разности диаметров окружностей, вписанных в два крайних участка, при этом диаметр окружности, вписанной в ячейку, первого крайнего участка меньше диаметра окружности, вписанной в ячейку, второго крайнего участка и меньше наружного диаметра тепловыделяющего элемента.

3. Дистанционирующая решетка тепловыделяющей сборки ядерного реактора, состоящая из обода, окружающего решетку по периметру, и ячеек, каждая из которых выполнена в форме многогранной трубки и снабжена внутренними выступами, отличающаяся тем, что внутренние выступы ячеек выполнены с плоской поверхностью, условно поделенной на три участка по длине ячейки, первый крайний участок поверхности внутреннего выступа выполнен наклонным к оси ячейки, а второй крайний участок поверхности внутреннего выступа - параллельным к оси ячейки, при этом оба крайних участка выполнены с постоянной шириной, а третий участок поверхности внутреннего выступа является переходным от первого участка ко второму участку, выполнен переменной ширины и расположен под наклоном к оси ячейки, причем угол наклона к оси ячейки зависит от разности диаметров окружностей, вписанных в два крайних участка, а диаметр окружности, вписанной в ячейку, первого крайнего участка, расположенного у торца ячейки, направленного навстречу потоку теплоносителя, и находящегося в контакте с тепловыделяющим элементом, меньше диаметра окружности, вписанной в ячейку, второго крайнего участка и меньше наружного диаметра тепловыделяющего элемента.

4. Дистанционирующая решетка тепловыделяющей сборки ядерного реактора, состоящая из обода, окружающего решетку по периметру, и ячеек, каждая из которых выполнена в форме многогранной трубки и снабжена внутренними выступами, отличающаяся тем, что внутренние выступы ячеек выполнены с плоской поверхностью, условно поделенной на три участка по длине ячейки, первый крайний участок поверхности внутреннего выступа выполнен наклонным к оси ячейки и с шириной, переменной по направлению к переходному третьему участку, а второй крайний участок поверхности внутреннего выступа выполнен параллельным к оси ячейки и с постоянной шириной, при этом минимальная ширина первого крайнего участка больше ширины второго крайнего участка, а третий участок поверхности внутреннего выступа является переходным от первого участка ко второму участку, выполнен переменной ширины и расположен под наклоном к оси ячейки, причем угол наклона к оси ячейки зависит от разности диаметров окружностей, вписанных в два крайних участка, при этом диаметр окружности, вписанной в ячейку, первого крайнего участка, расположенного у торца ячейки, направленного навстречу потоку теплоносителя, и находящегося в контакте с тепловыделяющим элементом, меньше диаметра окружности, вписанной в ячейку, второго крайнего участка и меньше наружного диаметра тепловыделяющего элемента.

5. Дистанционирующая решетка тепловыделяющей сборки ядерного реактора по любому из пп. 1-4, отличающаяся тем, что, по крайней мере, на одном из торцов ячейки выполнено притупление.