Тепловыделяющая сборка ядерного реактора Советский патент 1991 года по МПК G21C3/32 

Изобретение относится к ядерной технике и может быть использовано в реакторах на быстрых нейтронах

Известны тепловыделяющие сборки состоящие из стержневых твэлов со спиральной дистанционирующей навивкой Данное техническое решение подразумевает сборку твэлов цилиндрического сечения, дистанционируемых проволочной (либо ленточной и т п) навивкой с постоянным шагом, выбранным из условия не превышения заданного перепада давления по длине пучка твэлов

Недостатками данного технического решения являются возможность деформирования твэлов в центральной части активной зоны вследствие распухания и ползучести, приводящие к значительному перегреву оболочек и к разрушению, или к потере герметичности твэлами

Данная проблема может быть решена за счет изменения шага дистанционирова- ния навивки на твэлах относительно перво- нэчально определенного варианта дистанционирования проволочной навивкой

Одним из вариантов изменения первоначального шага навивки является техническое решение, в котором стержневые твэлы устанавливаются в кассеты так чтобы шаг навивки увеличивался по направлению к стенке канала с целью выравнивания температуры по сечению сборки Недостатком этого технического решения является то, что разный шаг навивки у соседних твэлов приводит к тому, что под воздействием больших нейтронных потоков в центре активной зо- ныони начинают изгибаться неодинаково, а с разными шагами по высоте, в результате чего может произойти касание этих соседних твэлов, приводящее к недопустимым температурным перегревам.

Кроме того, недостатком данного технического решения является техническая сложность как изготовления нескольких типоразмеров твэлов с различными шагами навивки, так и сборки кассеты, поскольку необходим постоянный контроль правильности установки нужного твэла в определенные координаты.

Цель изобретения - устранение указанных недостатков, а именно повышение ресурса и надежности тепловыделяющей сборки за счет улучшения дистанциониро- вания твэлов, уменьшения перегревов и азимутальной неравномерности температуры оболочек топливных элементов твэлов, уменьшения суммарного гидравлического сопротивления кассеты.

Для достижения указанной цели предлагается кассету ядерного реактора выполнить из твэлов со спиральной дистанци- онирующей навивкой, навитой с переменным шагом по высоте, уменьшающимся к центру активной зоны и увеличивающимся на концах твэлов, причем шаг навивки находится в пределах:

в области активной зоны реактора

Ином 3 Па.з Ином(1)

в области экранов реактора

Г.ЭМИН Пне

33

1 МИР

Ж

(2)

fir г i ., О

( ha з./Пном )

где/3 1а.з./1пучка - отношение длины активной зоны к длине пучка твэлов;

Ьном - шаг дистанционирующей проволочной навивки, выбранный из условия не превышения определенного значения падения давления на длине пучка твэлов;

ha.3 - шаг дистанционирующей проволочной навивки на длине участка активной зоны;

ha.3H - минимальное значение ha.s ;

Нэин - минимальное значение шага дистанционирующей проволочной навивки на участках экранов.

На фиг.1 и фиг.2 изображены два твэла с равномерной (а) и неравномерной (б) дистанционирующей навивкой.

ТВС работает следующим образом.

На вход в ТВС подается теплоноситель, который, проходя через активную зону, подогревается до температуры выхода.

Максимальные и минимальные пределы изменения шага дистанционирующей проволочной навивки на участках активной зоны и экранов выбирают из следующих соображений.

Результаты экспериментальных и расчетных исследований указывают, что при уменьшении шага дистанционирующей проволочной навивки происходит увеличе- 5 ние интенсивности межканального обмена (фиг.З.а)

т US/d.Re).,.

h/(j ,(3)

где S/d - относительный шаг решетки твэ10 лов;

Re - значение числа Рейнольдса; h/d - относительный шаг проволочной навивки;

d - диаметр твэлов.

15 Соответственно снижается перегрев теплоносителя и неравномерность температуры в ТВС.

Наибольший уровень температуры может иметь место на формоизменением уча20 стке в центре активной зоны или на выходе из активной зоны. Больший локальный эффект выравнивания температурного поля определяется большей локальной интенсивностью межканального обмена, общий эф25 фект на участке активной зоны - числом шагов проволочной навивки, укладывающихся на дпине активной зоны. Наилучший эффект выравнивания температурного поля достигается при необходимом и достаточ30 ном условии: шаг дистанционирующей навивки на участке активной зоны меньший, чем номинальный

ha з. ГЫом(4)

Номинальный шаг дистанционирующей на- 35 вивки, рассчитанный из условия не превышения определенного значения падения давления на длине пучка твэлов

А Рпучка - А Рпредельноеv)

рассчитывается по формуле 40

ЬиомЫ

f(S/d,Re)

{ йр„редтноес)гкр гепач)(а0Г6

где значение функции fi(S/d,Re) находится в результате экспериментальных исследований по формуле

fi(S/d,Re) (-)(h/d)2 (7)

i 2 АРпучкз dr

i 2 А Рпучка

Лр

(8)

О Лг пучка

где Д Р - падение давления на длине (I пучка) пучка твэлов;

р- плотность теплоносителя;

w - скорость теплоносителя;

dr - гидравлический диаметр канала:

Л - коэффициент гидравлического сопротивления гладкого пучка.

Падение давления на длине пучка при различных значениях шага навивки на длине активной зоны и экранов находится из соотношения

величина Д(/|Ном)0, т.е. имеет место уменьшение гидравлического сопротивления пучка твэлов по сравнению с номинальным значением.

Это справедливо только при условии

Изобретение относится к ядерной технике и может быть использовано в реакторах на быстрых нейтронах Цель изобретения - повышение ресурса и надежности тепловыделяющей сборки за счет выравнивания азимутальной и осевой неравномер ности Для реализации цели в тепловыделяющей сборке ядерного реактора содержащей пучок стержневых тепловыделяющих элементов со спиральной дистан- ционирующей проволокой, шаг спиральной навивки последней выполнен переменным по высоте уменьшающимся к центру активной зоны и увеличивающимся на концах твэ лов в определенных пределах бил

,Р.р,Г 0.р,

.J

pW

F9-ЈfLN 1 }

или по отношению к пучку с номинальным шагом навивки

С, $ном -

А

+

LzA

(Ю)

( ha.3./hHOM )2 (Пэ/Пном)2

а при переменном шаге дистанционирую- щей проволочной навивки увеличение гидравлического сопротивления на участке активной зоны за счет уменьшения шага навивки не превышает

Д+(№ом)/ 1-1

Ц Па.з. /Пном )-I

НП

и уменьшение гидравлического сопротивления за счет увеличения шага навивки на участке экранов (вход и выход из пучка твэлов) не менее, чем

Д(|/Јном)(1 -/3)1

то общее на длине ТВС уменлического сопротивления не личины

((Г/Гном).м) ih 4h-H pL Vh vl

L i номI J I( a.i ) -I

Ц1-Р);

Г -Р

иГ/Ьном) (Ьа,/ИцомГ .

05)

ри выполнении условия

Ж

пэмин

жом

Т

1 JL

(14)

, .мин ,ч2

( Па.з./Пном )

Имин аз

( )

(15)

е

10

)

ым

)

15

20

ю- дкега 5

30

енаэ

J 2)

35

ве- 40

)

,45

50

55

когда знаменатель правой части соотношения (14) больше нуля, следовательно, подкоренное выражение имеет смысл.

Изменение шага навивки дистанциони- рующей проволоки в предлагаемых пределах позволяет за счет интенсификации межканального обмена на участке активной зоны уменьшить перегрев и азимутальную неравномерность температуры твэлов без увеличения гидравлического сопротивления пучка твэлов, т.е. получить новое качество ТВС. Это дает основание утверждать о соответствии технического решения критерию Существенные отличия.

Рассчитывали варианты ТВС реактора БН-600 из 127 твэлов с наружным диаметром оболочки 6,9 мм, с относительным шагом решетки 1,17, длиной участка энерговыделения 750 мм, длиной пучка твэлов 2900 мм с равномерным шагом навивки 100 мм и неравномерным шагом (на участке активной зоны 55 мм, на участке экранов 500 мм). При этом выполняются условия (1) и (2)

г1ЭМ11Н/г,ном 2,3; haT/riHoM Vft26 0.51.

Выигрышв

ском сопротивлении +

гидравличе- пучка твэлов

Д (Ј/Јном ) - А+ (Ј/Јном ) составляет более 11%. Максимальная температура оболочки твэлов снижается на 10°С. максимальная азимутальная неравномерность температуры - на 10°С (фиг.4).

При деформации пучка за счет меньшего возможного изгиба твэлов и меньшей зоны контакта оболочками твэлов в области центра активной зоны с максимальным тепловым потоком перегрев теплоносителя в зоне контакта снижается до 20-30°С, макси- мальная температура оболочки твэлов уменьшается на 30-50°С и максимальная азимутальная неравномерность температуры твэлов падает на 20-50°С (фиг.5). На фиг.6 изображены изгибы твэлов в центре активной зоны для стандартной и предлагаемой сборок.

Таким образом, как показывают расчеты, изобретение позволяет снизить максимальную температуру оболочек твэлов как для недеформированной, так и особенно существенно для деформированной ТВС. Кроме того, за счет увеличения шага навивки на входных и выходных участках кассеты вне активной зоны (которые, как правило, составляют существенную часть сборки, даже превышающую размер активной зоны) общее гидравлическое сопротивление кассеты уменьшается. Следовательно, данное изобретение позволяет повысить работоспособность, надежность и экономичность тепловыделяющей сборки ядерного реактора по сравнению с существующими образцами.

Формула изобретения Тепловыделяющая сборка ядерного реактора, содержащая пучок стержневых тепловыделяющих элементов со спиральной дистанционирующей проволокой, отличающаяся тем, что, с целью повышения ресурса и надежности тепловыделяющей сборки за счет выравнивания азимутальной и осевой неравномерности, шаг спиральной навивки дистанционирующей проволоки выполнен переменным по высоте, уменьша

°Х°

0о°о§о°о9оЗ о оЈ°ЙоГ

сЕ

ШтвэлодрМнн

9иг.4

ющимся к центру активной зоны и увеличивающимся на концах твэлов и находится в пределах:

в области активной зоны реактора

Ином Па.з. h

в области экранов реактора

ном

h

ном

лэ:

1

(ьГГ/Ьном у2

где ft 1а.з,/1п - отношение длины активной зоны к длине пучка твэлов;

Ьном - шаг дистанционирующей проволочной навивки, выбранный из условия не превышения определенного значения падения давления на длине пучка твэлов;

Па.з. шаг дистанционирующей проволочной навивки на длине активной зоны:

Ьэии - минимальное значение шага дистанционирующей проволочной навивки на участках экранов:

Па.з - минимальное значение Ьа.з.

Центр А. д. А-А

сЕ

Риг.1

30

20

10

о

Лр/Л 2,5

2,0 1,5 ,0

tmt 1 2 5 5 6 7 8 9 10 U .г 15 Л«ТВЭЛД

а)

1 2 3 «« 5 6 8 9 10 И U 15 №76Элл

Фиг. 4

15

а)

20

j

25

h d

I

I

20 25

Va

юоооот ооооооо

pOOOOOOOL ЛХЭООООООСХ- /OOOQOOOOOO /OOOЈ©OOOOOOL (OOOOOOOOOOOO vOOOOOOOQOOOO/

oooooooo ooo/ %m°o0o0o0o°o

4-ma 656°C

636

max655 C

-ОБОЛ

Центр A 3.

Фиг. 5-cL

100 C

sos c

474

Вариант А Фиг. 5-6

too с

505 «С

503

Всриант Б

Фиг. 5-е

Фиг. б