дистанционирующая решетка тепловыделяющей сборки ядерного реактора

Формула изобретения

1. Дистанционирующая решетка тепловыделяющей сборки ядерного реактора, имеющая шестигранный обод, внутри которого размещены соединенные к ободу и между собой многогранные ячейки, включающие и шестигранные ячейки, выполненные из ленты, снабженные внутренними выступами и просечками, отличающаяся тем, что две шестигранные ячейки закреплены в диаметрально противоположных углах обода, к ним и смежным граням обода с левой и правой сторон закреплены ячейки пятигранной формы, к несмежным граням верхней и нижней частей обода закреплены ячейки четырехгранной формы, отверстия для трубы центральной и каждой направляющей канальной трубы образованы совокупностью двух ячеек пятигранной формы, размещенных в верхней, и двух - в нижней частях месторасположения трубы центральной и каждой направляющей канальной трубы с размещением по бокам месторасположения упомянутых труб ячеек четырехгранной формы, остальное пространство обода заполнено ячейками четырехгранной формы, стыки каждой ячейки замкнуты двумя сварными точками к сплошной грани соседней ячейки, причем внутренние выступы на ячейках выполнены параллельно друг другу и оси ячейки и расположены диаметрально противоположно по центру на каждой противолежащей грани ячейки, а просечки - параллельно им с общих сторон каждого внутреннего выступа.

2. Решетка по п.1, отличающаяся тем, что закрепление каждой грани ячейки к граням соседних ячеек или к ободу осуществлено по крайней мере двумя сварными точками.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к атомной энергетике и может найти применение в тепловыделяющих сборках ядерных реакторов, преимущественно типа ВВЭР-1000, для дистанционирования тепловыделяющих элементов.

При загрузке энергетического реактора необходимое количество тепловыделяющих элементов достигает нескольких десятков тысяч. Например, в активной зоне реактора ВВЭР-1000 размещается около 50000 тепловыделяющих элементов. Поэтому для упрощения операций, связанных с загрузкой и выгрузкой ядерного топлива тепловыделяющие элементы объединяют в тепловыделяющие сборки. Не менее важно и то, что объединение группы тепловыделяющих элементов в тепловыделяющие сборки позволяет организовать надежное устойчивое охлаждение активной зоны, в частности, осуществить дистанционирование тепловыделяющих элементов между собой с помощью дистанционирующих решеток, выполненных из соединенных между собой ячеек. Соответственно дистанционирующие решетки должны удовлетворять ряду требований, среди которых наиболее важными являются следующие:

- низкая себестоимость изготовления;

- технологичность изготовления;

- упругость ячеек, позволяющих осуществить ввод в них тепловыделяющих элементов без зазоров при сборке и без повреждений поверхности последних;

- жесткость конструкции, исключающая изменение места первоначального размещения тепловыделяющих элементов под воздействием транспортно-технологических и эксплуатационных нагрузок;

- высокие эксплуатационные характеристики, а именно:

- обеспечение условий для надежного охлаждения всех тепловыделяющих элементов в сборке;

- обеспечение возможности независимого осевого термического и радиационного удлинения и возможного изменения формы тепловыделяющих элементов без их существенных изгибов, нарушения дистанционирования и без существенного воздействия на тепловыделяющие элементы со стороны дистанционирующих элементов и чехловой трубы.

Известна дистанционирующая решетка тепловыделяющей сборки ядерного реактора, имеющая шестигранный обод, внутри которого размещены соединенные с ободом и между собой многогранные ячейки, снабженные внутренними выступами (см. Б.А. Дементьев. Ядерные энергетические реакторы, 11-е издание, М.: Энергоатомиздат 1990 г., стр. 44). В дистанционирующей решетке применены ячейки пятигранной и шестигранной формы. Каждая ячейка снабжена тремя внутренними выступами, между которыми устанавливаются тепловыделяющие элементы. Выступы размещены в углах ячеек параллельно их продольной оси и образованы вдавливанием этих углов по всей их высоте вовнутрь ячеек.

Дистанционирующая решетка собрана в основном из шестигранных ячеек. Пятигранные ячейки установлены только в местах, расположенных вдоль трех ее несмежных граней. Все ячейки установлены так, что прилегают своими гранями к граням соседних ячеек или к ободу, а вдавленные их углы при этом обращены навстречу друг другу, образуя отверстия для протока теплоносителя. Каждая пара прилегающих граней ячеек соединена между собой двумя сварными точками, расположенными противоположно. Аналогичным образом соединены обод и грани ячеек, прилегающих к нему. Обод изготовлен из циркониевой ленты, концы которой соединены сваркой. В качестве заготовок для ячеек использованы отрезки циркониевых труб.

В тепловыделяющей сборке дистанционирующая решетка закреплена на трубе центральной и направляющих канальных трубах, в которых размещают стержни управления и защиты ядерного реактора.

В дистанционирующей решетке предусмотрены отверстия для размещения трубы центральной и направляющих канальных труб, образованные путем пропуска одной шестигранной ячейки в местах прохода указанных труб.

Недостатками данной дистанционирующей решетки являются:

- высокая себестоимость производства циркониевых тонкостенных труб для изготовления из них ячеек в связи со сложностью, многооперационностью прессования циркониевых труб в оболочке из-за склонности циркония к налипанию и окислению (см. Металлургия циркония, пер. с англ., М.: "Иностранная литература", 1959 г., стр. 162, 163);

- многооперационность (см. выше);

- невысокая упругость выступов ячейки, не способных при установке тепловыделяющих элементов в достаточной мере упруго деформироваться, что требует перед запрессовкой тепловыделяющих элементов в дистанционирующие решетки использовать наконечники большего диаметра, чем диаметр тепловыделяющего элемента, которые после запрессовки требуется удалять с тепловыделяющего элемента, что создает определенные трудности для персонала при сборке тепловыделяющих элементов с регенерированным топливом или уранплутониевым топливом, так как исключает возможность дистанционного управления сборкой тепловыделяющих элементов в тепловыделяющие сборки. Тепловыделяющие элементы входят в свои ячейки и зажимаются в них с большими усилиями, что не только осложняет процесс сборки, но не исключает риска повреждения тепловыделяющих элементов, что может стать причиной их разгерметизации во время эксплуатации сборок. Известно, что цирконий отличается склонностью к разъедающей коррозии, появляющейся в результате истирания между соприкасающимися поверхностями, даже при отсутствии коррозионной среды (см. там же, стр. 298). Для предупреждения повреждений об края ячеек на запрессовываемые в них тепловыделяющие элементы предварительно наносят лаковые покрытия и смазки, что повышает себестоимость изготовления сборок в целом;

- зажим тепловыделяющих элементов в ячейках с большим усилием не исключает вероятности возникновения изгибающего момента из-за возможного неравномерного температурного и радиационного роста тепловыделяющих элементов, обусловленного существующим в сборке неравномерным энерговыделением. Это увеличивает риск застревания стержней управления и защиты в трубных каналах тепловыделяющих сборок, что может привести к нарушению безопасности ядерного реактора;

- кроме того, вследствие невысокой упругости упомянутых выступов ячеек и применения при запрессовке тепловыделяющих элементов в дистанционирующие решетки наконечников большего диаметра, чем диаметр тепловыделяющего элемента, не исключена возможность образования между элементом и стенкой ячейки зазоров, что при работе в ядерном реакторе при колебаниях очень малой амплитуды может привести к разрушению циркониевой оболочки тепловыделяющего элемента (см. там же, стр. 298).

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату является дистанционирующая решетка тепловыделяющей сборки ядерного реактора, имеющая шестигранный обод, внутри которого размещены соединенные к ободу и между собой многогранные ячейки, включающие и шестигранные ячейки, выполненные из ленты, снабженные внутренними выступами и просечками (см. патент Германии N DE 2839211, C2, G 21 С 3/34, 1979 г.) - прототип. Выступы размещены на трех несмежных гранях каждой ячейки, причем одни из этих выступов - рабочие - в центре граней, а другие - страховочные - по их краям. Рабочие выступы имеют несколько большую протяженность и высоту, чем страховочные, и образуют вместе с ними линейную группу, проходящую по грани ячейки параллельно ее горизонтальной оси. Выполнены выступы путем вдавливания участков граней вовнутрь ячеек. Просечки размещены на трех других несмежных гранях каждой ячейки на уровне рабочих выступов. Ячейки расположены относительно друг друга так, что грань с выступом каждой из них прилегает к грани с просечкой другой. Благодаря этому в каждой ячейке обеспечивается упругая деформация ее средней зоны, где размещены рабочие выступы. В то же время верхняя и нижняя зоны ячеек, где размещены страховочные выступы, остаются относительно неподвижными. Это позволяет страховочным выступам при установке тепловыделяющих элементов препятствовать чрезмерной деформации рабочих выступов.

У изготовленных из ленты ячеек концы между собой не соединены. В тепловыделяющих сборках дистанционирующая решетка закрепляется на специальных штырях, пропущенных через ячейку в каждом из шести ее углов. Из-за незамкнутости по периметру контура ячейки дистанционирующая решетка имеет невысокую поперечную жесткость, вследствие чего дистанционирующая решетка неспособна в достаточной мере сопротивляться боковым нагрузкам. Подобные нагрузки возникают при транспортировании тепловыделяющих сборок в горизонтальном положении. В этом случае ячейки данной дистанционирующей решетки могут деформироваться под действием веса тепловыделяющих элементов и вибраций со стороны транспортных средств. Для исключения этого требуется изменение конструкции дистанционирующей решетки.

Другим недостатком дистанционирующей решетки по прототипу является невозможность ее применения в тепловыделяющих сборках ядерного реактора ВВЭР-1000, где имеются трубчатые каналы для размещения стержней управления и защиты ядерного реактора, так как отверстия для размещения упомянутых каналов конструкцией дистанционирующей решетки не предусмотрены. Организация же таких отверстий, в силу конструктивных особенностей ее ячеек для тепловыделяющих элементов и их взаимного расположения, без изменения конструкции дистанционирующей решетки затруднительна.

Предусмотренные в конструкции страховочные выступы по краям и рабочий в центре граней ячейки требуют увеличения ее высоты, по крайней мере, на 10 мм. Если же учесть, что каждая тепловыделяющая сборка содержит 15 дистанционирующих решеток, а в реактор загружается 163 тепловыделяющих сборки, то дополнительный ввод в активную зону реактора паразитного материала составит значительное количество, что нежелательно. Кроме того, потребуется повышенная точность изготовления ячеек дистанционирующей решетки и самих тепловыделяющих элементов, так как в противном случае, в силу несоответствия между диаметрами элементов и проходного сечения ячейки, образованного ее страховочными выступами, тепловыделяющие элементы при сборке могут быть повреждены об эти выступы, поскольку они неспособны компенсировать упомянутые несоответствия, так как деформации участков граней, на которых размещены страховочные выступы, препятствуют грани соседних ячеек.

Технической задачей изобретения является повышение надежности, упругих свойств ячеек дистанционирующей решетки и снижение себестоимости изготовления.

Решением данной технической задачи является то, что в дистанционирующей решетке тепловыделяющей сборки ядерного реактора, имеющей шестигранный обод, внутри которого размещены соединенные к ободу и между собой многогранные ячейки, включающие и шестигранные ячейки, выполненные из ленты, снабженные внутренними выступами и просечками, согласно изобретению, две шестигранные ячейки закреплены в диаметрально противоположных углах обода, к ним и смежным граням обода с левой и правой сторон закреплены ячейки пятигранной формы, к несмежным граням верхней и нижней частей обода закреплены ячейки четырехгранной формы, отверстия для трубы центральной и каждой направляющей канальной трубы образованы совокупностью двух ячеек пятигранной формы, размещенных в верхней и двух - в нижней частях месторасположения трубы центральной и каждой направляющей канальной трубы с размещением по бокам месторасположения упомянутых труб ячеек четырехгранной формы, остальное пространство обода заполнено ячейками четырехгранной формы, стыки каждой ячейки замкнуты двумя сварными точками к сплошной грани соседней ячейки, причем внутренние выступы на ячейках выполнены и расположены параллельно друг другу и оси ячейки расположены диаметрально противоположно по центру на каждой противолежащей грани ячейки, а просечки - параллельно им с обеих сторон каждого внутреннего выступа.

Поставленная задача решается также и тем, что закрепление каждой грани ячейки с гранями соседних ячеек или к ободу осуществляется, по крайней мере, двумя сварными точками.

Выполнение ячеек дистанционирующей решетки из ленты четырех-, пяти- и шестигранной формы с одновременным выполнением на заготовках просечек и внутренних выступов позволит снизить себестоимость изготовления дистанционирующих решеток по сравнению с себестоимостью изготовления ячеек из трубных обрезков известных дистанционирующих решеток для тепловыделяющих сборок реактора ВВЭР-1000. Оптимальное размещение данных многогранных ячеек в ободе, крепеж каждой грани ячейки к соседним граням или к ободу двумя сварными точками, замкнутость стыков каждой ячейки создает надежную конструкцию дистанционирующей решетки, которая позволяет осуществлять транспортировку тепловыделяющих сборок в горизонтальном расположении без изменений размеров между тепловыделяющими элементами и без деформации как элементов, так и ячеек дистанционирующих решеток.

Выполнение на ячейках внутренних выступов по центру каждой противолежащей грани и параллельно им с каждой стороны просечек позволит обеспечивать контакт тепловыделяющего элемента с ячейкой в четырех точках, повысить при этом упругие свойства ячейки, что очень важно при установке в них тепловыделяющих элементов с отклонением по диаметру, а также отпадает необходимость очень точно изготавливать ячейки дистанционирующей решетки, поскольку их форма и расположение не препятствуют упругой деформации участков граней и этим способствуют компенсации несоответствий в геометрических размерах ячеек и тепловыделяющих элементов. Все это потребует меньших трудозатрат на изготовление дистанционирующей решетки, что соответственно снизит себестоимость изготовления.

И, самое главное, при проталкивании тепловыделяющих элементов в ячейки дистанционирующих решеток при сборке тепловыделяющих сборок отпадает необходимость в использовании наконечников, которые надевались на торец тепловыделяющего элемента, который проталкивался этим торцoм вперед через ячейки дистанционирующих решеток, а затем вручную удалялись. Отсутствие этой операции дает возможность использовать для тепловыделяющих элементов регенерированное топливо, уран-плутониевое топливо, управлять сборкой дистанционно без дополнительного облучения персонала, что также снизит себестоимость изготовления дистанционирующих решеток.

Отпадает необходимость в установке лакопокраски тепловыделяющих элементов, то есть для исключения повреждения тепловыделяющих элементов ранее на них перед сборкой наносился лак, а после сборки удалялся. Благодаря упругим свойствам новых ячеек с четырехточечным упругим контактом с тепловыделяющим элементом исключается установка нанесения лака на элементы, что также снижает себестоимость.

Кроме того, дистанционирующую решетку такой конструкции можно применять в сборках, где имеются трубчатые каналы для размещения стержней управления и защиты ядерного реактора, так как отверстия для их размещения можно организовать совокупностью ячеек пятигранной и четырехгранной формы.

Сущность изобретения поясняется чертежами:

фиг. 1 - общий вид дистанционирующей решетки (четвертая часть);

фиг. 2 - вид сбоку, размещение тепловыделяющего элемента в ячейке;

фиг. 3 - четырехгранная ячейка;

фиг. 4 - пятигранная ячейка;

фиг. 5 - шестигранная ячейка;

фиг. 6 - вид сверху, размещение трубы центральной или направляющей канальной трубы в дистанционирующей решетке со сваркой;

фиг. 7 - размещение пятигранных ячеек со сваркой;

фиг. 8 - размещение шестигранных ячеек со сваркой;

фиг. 9 - размещение четырех-, пяти- и шестигранных ячеек в дистанционирующей решетке.

Дистанционирующая решетка тепловыделяющей сборки ядерного реактора имеет обод 1 правильной шестигранной формы, внутри которого размещены соединенные к ободу 1 и между собой ячейки четырехгранной формы 2, пятигранной формы 3 и шестигранной формы 4, выполненные из циркониевой ленты, снабженные выступами 5 и просечками 6. Две шестигранные ячейки 4 закреплены в диаметрально противоположных углах 7, 8, к ним и к смежным граням обода 1 с левой и правой сторон закреплены ячейки пятигранной формы 3, а к несмежным граням верхней и нижней частей обода 1 закреплены ячейки четырехгранной формы 2.

Отверстия для ввода трубы центральной 9 и каждой направляющей трубы канальной 10 при сборке тепловыделяющей сборки образованы совокупностью двух ячеек пятигранной формы 3, размещенных в верхней и двух - в нижней частях месторасположения трубы центральной и каждой направляющей канальной трубы с размещением по бокам месторасположения упомянутых труб ячеек четырехгранной формы 2. Остальное пространство обода 1 заполнено ячейками четырехгранной формы 2. Стыки каждой ячейки замкнуты двумя сварными точками к сплошной грани соседней ячейки. Внутренние выступы 5 на ячейках выполнены параллельно друг другу и оси ячейки и расположены диаметрально противоположно по центру каждой противолежащей грани ячейки в четырех местах, а им параллельно выполнены просечки 6 с обеих сторон каждого внутреннего выступа.

Каждая грань ячейки закреплена по крайней мере двумя сварными точками к граням соседних ячеек или к ободу 1.

Тепловыделяющий элемент 11 после запрессовки в дистанционирующую решетку упруго контактирует в четырех точках с упругими внутренними выступами 5.

Дистанционирующая решетка работает следующим образом.

При сборке тепловыделяющей сборки через отверстие 9 пропускают центральный трубчатый канал, через отверстия 10 - направляющие канальные трубы, закрепляют дистанционирующую решетку на упомянутых каналах и пропускают через ячейки 2, 3, 4 тепловыделяющие элементы. Последние при этом, проходя между внутренними выступами 5, упруго деформируют их, поскольку диаметр тепловыделяющего элемента несколько больше диаметра вписанной окружности между четырьмя выступами ячейки, то после того как тепловыделяющий элемент займет свое положение, внутренние выступы надежно удерживают его в заданном положении.

Выступы 5 благодаря просечкам 6 способны упруго отклоняться при прохождении тепловыделяющего элемента и возвращаться в исходное положение, то есть элемент в сборке размещается без зазоров между ним и внутренними выступами. Таким образом, благодаря низкому трению между тепловыделяющим элементом и внутренними выступами ячеек исключается его повреждение при сборке тепловыделяющих сборок, а следовательно отпадает необходимость использования наконечников и применения лакопокраски. Обеспечивается дистанционное управление процессом сборки тепловыделяющих сборок и использование для них регенерированного или уран-плутониевого топлива.