раздвигающаяся верхняя насадка с устройством для ее крепления к узлу, содержащему ядерное топливо

Формула изобретения

1. Раздвигающаяся верхняя насадка (1) для ядерного топливного узла (29), расположенного под верхней плитой активной зоны (81) и имеющего отступающие от него трубчатые муфты (27), в которой управляющие стержни, поддерживаемые группой управления стержнями (53), установлены с возможностью скольжения, которая содержит цилиндрический корпус (3), имеющий первый конец (5), на который опирается плита активной зоны (81), и имеет кольцевой внутренний выступ (9), обращенный ко второму концу (7), отличающаяся тем, что содержит узел (11), содержащий втулку (13), скользящую во втором конце (7) корпуса (3), плиту для извлечения стержней (19) и опорные трубы (15), жестко прикрепляющие плиту для извлечения стержней (19) ко втулке (13) в зафиксированном, выровненном по оси, раздельно друг от друга, положении, плита для извлечения стержней (19) имеет сквозные отверстия (21), совмещенные с опорными трубами (15); съемное соединение (97) для закрепления трубчатых муфт (27) в отверстиях (21) в плите для извлечения стержней (19) с совмещением с опорными трубами (15); обойму пружин (35), скользящих в корпусе между выступом (9) и втулкой (13); первое подпружинивающее средство (45), установленное между обоймой пружин (35) и втулкой (13), обеспечивающее подпружинивание обоймы пружин (35) и втулки (13) в противоположных направлениях от сжатого в расширенное состояние насадки; направляющий узел для группы управления стержнями/инструментов (55), проходящий в центре через плиту для извлечения стержней (19), втулку (13) и обойму пружин (35); второе подпружинивающее средство, установленное между направляющим узлом для группы управления стержнями/инструментов (55) и втулкой (13), обеспечивающее подпружинивание направляющего узла для группы управления стержнями/инструментов (55) и втулки (13) друг от друга от сжатого в разжатое положение насадки; средство, объединенное с направляющим узлом для группы управления стержнями/инструментов (55) для установки фиксированного положения группы управления стержнями (53) внутри корпуса (3) между направляющим узлом для группы управления стержнями/инструментов (55) и плитой активной зоны (81) в сжатом положении насадки; в которой изменение длины трубчатых муфт в сжатом положении насадки (1) компенсируется движением втулки (13) относительно корпуса (3) без движения направляющего узла для группы управления стержнями/инструментов (55) относительно корпуса (3).

2. Насадка (1) по п.1, отличающаяся тем, что втулка (13) имеет куполообразную конфигурацию (33) части, обращенной к плите для извлечения стержней (19), и в которой плита для извлечения стержней (19) имеет отверстия (31) для прохождения жидкости.

3. Насадка (1) по п.1, отличающаяся тем, что направляющий узел для группы управления стержнями/инструментов (55) содержит направляющую трубу для инструментов (57), проходящую через плиту для извлечения стержней (19), втулку (13) и центральное отверстие (61) в обойме пружин (35), плунжер (63), закрепленный на направляющей трубе для инструментов (57) и скользящий в центральном отверстии (61) в обойме пружин (35), второе подпружинивающее средство (73), нагружающее плунжер (63), и выступы (65, 67), связанные с плунжером (63) для установки фиксированного положения для группы управления стержнями (53).

4. Насадка (1) по п.3, отличающаяся тем, что связанный с плунжером (63) выступ (65) обращен к первому концу (5) корпуса (3) и противостоящий ему выступ (67) на обойме пружин (35) обращен ко второму концу (5) корпуса (3).

5. Насадка (1) по п.4, отличающаяся тем, что выступ (67) на обойме пружин (35) представляет собой кольцевой выступ внутри центрального отверстия (61).

6. Насадка (1) по п.4, отличающаяся тем, что выступ (67) является торцевым выступом (67") обоймы пружин (35), окружающим центральное отверстие (61).

7. Насадка (1) по п.3, отличающаяся тем, что средство (93), объединенное с плунжером (63), представляет собой стойки (93), установленные на плунжере (63""), которые упираются в верхнюю плиту активной зоны (81) для установки фиксированного положения для группы управления стержнями (53).

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к верхним насадкам для узлов, содержащих ядерное топливо, которые приспособлены к различиям в тепловом расширении и нарастанию облучения топливных узлов и других составных частей реактора, в частности к модифицированной раздвигающейся верхней насадке для использования в реакторах, ранее имевших компоненты, составленные из таких же материалов. Изобретение также относится к устройству для крепления раздвигающейся верхней насадки топливного узла.

В ядерных реакторах типа, разработанного в бывшем Советском Союзе, активная зона реактора содержит множество удлиненных топливных узлов, каждый из которых имеет множество топливных стержней, удерживаемых в правильном шестиугольном порядке множеством решеток, продольно разнесенных вдоль топливных стержней и прикрепленных к направляющим муфтам управляющих стержней, выполненным из нержавеющей стали. Направляющие муфты управляющих стержней, выполненные из нержавеющей стали, выступают выше и ниже концов топливных стержней и прикреплены к верхней и нижней насадкам соответственно. Топливные узлы размещены в корпусе реактора так, что донные насадки опираются на нижнюю плиту активной зоны.

Верхняя плита активной зоны опирается на верхние насадки. Верхние насадки в советской конструкции неподвижно прикреплены к направляющим муфтам управляющих стержней, выполненным из нержавеющей стали, топливного узла. Эти сложные насадки выполняют несколько главных функций. Во-первых, они располагают группу дистанционного управления относительно направляющих труб внутри активной зоны так, что положение группы дистанционного управления фиксируется относительно верхней плиты активной зоны. Группа дистанционного управления устанавливает управляющие стержни, которые вставляются в топливный узел как группа или пучок.

Советские насадки также демпфируют скорость управляющих стержней с применением пружины для поглощения энергии при падении стержней в активную зону реактора в случае его аварийного выключения. Насадка также передает нагрузки пружине для поддержки внутренних элементов. Когда верхняя плита активной зоны опускается на насадки, она сжимает пружину насадки. Кроме того, советская насадка предназначена для защиты управляющих стержней, когда топливный узел извлекается из корпуса реактора. В этих условиях группа дистанционного управления находится на уровне верхней кромки насадки или ниже ее. Наконец, советская конструкция верхней насадки допускает обращение с топливным узлом, когда он поднят из активной зоны благодаря передаче нагрузок через насадку.

Таким образом, советская насадка предназначена для работы в двух положениях: свободном и сжатом. Поскольку для изготовления муфт советского топливного узла применяется нержавеющая сталь, относительное разнесение между внутренним пространством корпуса реактора и топливными узлами остается постоянным, когда узел установлен в реактор. Нагрузки на пружины таковы, что насадки могут поддерживать внутренние элементы и нагрузки на пружину, так же как и положение группы дистанционного управления, зафиксированы так, что они находятся в статичном состоянии. В результате, насадка имеет присущие ей стандарты, к которым приближена конструкция внутренних элементов.

Муфты из нержавеющей стали, применяемые в советской конструкции, приводят к повышенной стоимости топливных узлов, и их труднее устанавливать в решетки топливных узлов. В топливных узлах несоветского производства для изготовления муфт применяются сплавы циркония, которые приводят к понижению затрат. Однако сплавы циркония имеют значения постоянного и теплового расширения, отличающиеся от соответствующих значений корпуса реактора из нержавеющей стали, которые нарастают при облучении. Расширяющиеся верхние насадки, которые приспособлены к этим изменениям размеров различных компонентов, находящихся в реакторе, описаны, например, в патентах США NN 4534933; 4687619; 4702882 и 4986959. Такие насадки, однако, применяются в реакторах, в которых верхняя плита активной зоны опирается на основание активной зоны в форме круглого выступа внутри корпуса реактора. В реакторах советского типа плита активной зоны опирается на верхние насадки и поддерживается ими.

Как было отмечено, верхняя насадка советской конструкции постоянно скреплена с трубчатыми муфтами топливного узла. Вышеупомянутые патенты описывают съемные верхние насадки. Патент N 4641409 описывает способ установки заменяемой насадки, в котором рукав муфты по кольцу вогнут в кольцевую канавку в адаптерной плите заменяемой насадки. В другой конструкции вставляемые рукава прикрепляются к концам направляющих муфт. Каждая вставка имеет кольцевую выступающую наружу выпуклость или фланец, примыкающий к ее свободному концу, и прорези на свободном конце, образующие гибкие пальцы. Эти гибкие пальцы отклоняются, когда вставка вставляется в прорези адаптерной плиты и затем расширяются наружу, захватывая кольцевой фланец или выпуклость в кольцевой канавке в отверстии адаптерной плиты.

Для извлечения насадок, например, для замены поврежденных топливных стержней, запорная труба извлекается, и адаптерная плита и топливный узел отводятся друг от друга. Извлечение верхней насадки с прорезанной вставкой затруднительно, поскольку для разъединения насадки и топливного узла иногда было необходимо применение избыточного усилия. Поскольку такая замена топливных стержней обычно производится в течение критического этапа, когда происходит утечка радиации, любая трудность, возникающая при замене насадки, приводит к повышению опасности для оператора. Кроме того, когда верхняя насадка снята, выступающие вставки остаются открытыми для возможного воздействия инструментов для замены, которыми они могут быть повреждены, хотя реально повреждения инструментами для замены стержней редки. Также, каждая запорная труба должна извлекаться отдельно, и каждая труба требует отдельной проверки перед заменой.

Существует необходимость в усовершенствованной верхней насадке и механизме крепления насадки к узлу с ядерным топливным.

Более конкретно, существует необходимость в усовершенствовании верхней насадки советской разработки, которая была бы съемной.

Существует также необходимость в такой усовершенствованной верхней насадке, которая может использоваться с топливным узлом, имеющим направляющие муфты из сплава циркония.

Существует, кроме того, необходимость в усовершенствованной верхней насадке, которая другим способом выполняет все функции, которые выполняет верхняя насадка советского типа.

Существует также необходимость в такой верхней насадке, которая имеет уменьшенное гидравлическое сопротивление.

Дополнительно, существует необходимость в усовершенствованном средстве для съемного крепления верхней насадки к направляющим муфтам топливного узла.

Более конкретно, существует необходимость в таком усовершенствованном запорном средстве, которое требует приложения малых сил для его установки и извлечения, в то же время прочно прикрепляя насадку к топливному узлу.

Эти и другие необходимости удовлетворяются изобретением, которое касается раздвигающейся верхней насадки для узла, содержащего ядерное топливо, которая включает цилиндрический корпус, имеющий первый конец, на который опирается верхняя плита активной зоны и который имеет внутренний кольцевой выступ, обращенный ко второму концу. Раздвигающаяся насадка также включает узел, содержащий втулку, установленную с возможностью скольжения во втором конце корпуса, плиту для извлечения стержней и опорные трубы, жестко прикрепляющие плиту для извлечения стержней к корпусу в зафиксированном, выровненном по оси положении. Плита для извлечения стержней имеет сквозные отверстия, выровненные относительно опорных труб. Обойма пружины может скользить в корпусе между внутренним выступом и втулкой. Первое подпружинивающее средство, предпочтительно в форме спиральных нажимных пружин, расположенное между обоймой пружин и втулкой, нагружает обойму пружины и втулку, стремясь оттолкнуть их друг от друга от сжатого в разжатое положение. Кроме того, направляющий узел для группы дистанционного управления/инструментов проходит в центре через плиту для извлечения стержней, втулку и обойму пружин и устанавливает фиксированное положение для группы дистанционного управления относительно плиты активной зоны. При том, что плита для извлечения стержней прикреплена к втулке опорными трубами, нагрузки для подъема топливного узла при помощи верхней насадки и силы сжатия, образуемые верхней плитой активной зоны, направлены строго через плиту для извлечения стержней между опорными трубами и направляющими муфтами и, таким образом, плита для извлечения стержней может иметь меньшую толщину, оставляя больше пространства для растяжения и сжатия.

Направляющий узел для группы дистанционного управления/инструментов более конкретно включает направляющую трубу для инструментов, проходящую через плиту для извлечения стержней, втулку и центральное отверстие в обойме пружин. Плунжер на направляющей трубе для инструментов скользит в центральном отверстии обоймы пружин. Второе подпружинивающее средство, также предпочтительно в форме спиральной нажимной пружины и расположенное между втулкой и обоймой пружин, нагружает плунжер. Взаимодействующие средства на плунжере и обойме пружин устанавливают зафиксированное положение группы дистанционного управления. Эти взаимодействующие средства в одном варианте воплощения изобретения имеют форму выступа на плунжере, который входит в контакт с сопоставимой поверхностью на обойме пружины, которая может быть как кольцевым выступом внутри центрального отверстия, так и поверхностью обоймы пружин, окружающей центральное отверстие. В еще одном варианте воплощения изобретения посадочные места прикреплены к концу опоры плунжера против верхней плиты активной зоны для установки положения группы дистанционного управления. Регулируемое средство может применяться на направляющей трубе для инструментов, такое как гайка, которая упирается во внутреннюю часть втулки для установки нагрузки на направляющий узел группы дистанционного управления/инструментов.

В качестве другого аспекта изобретения применяется усовершенствованное средство для крепления с возможностью отсоединения верхней насадки к трубчатым муфтам топливного узла. Трубчатая вставка, прикрепленная к концу трубчатой муфты, имеет по меньшей мере две прорези, простирающиеся в осевом направлении от свободного конца, образуя пальцы. Кольцевая выступающая наружу выпуклость выполнена на пальцах, которые изгибаются внутрь так, что вставка легко проходит в отверстие в плите для извлечения стержней насадки. После этого запорная труба вставляется в опорную трубу насадки, расширяясь в обычно изогнутой вставке так, что кольцевая выпуклость запирается в кольцевой канавке в вырезе плиты для извлечения стержней. Предпочтительно, пальцы на свободном конце расширяются наружу, служа вводом для запорной трубы.

Полного понимания изобретения можно достичь прочтя нижеследующее описание предпочтительных вариантов воплощения изобретения в сочетании с чертежами, на которых:

фиг. 1 изображает вид продольного разреза съемной верхней насадки, соответствующей первому варианту воплощения изобретения;

фиг. 2 - вид продольного разреза съемной верхней насадки, показанной на фиг. 1, в сжатом положении и находящейся между топливным узлом и плитой активной зоны ядерного реактора;

фиг. 3 - вид сверху в плане съемной верхней насадки, показанной на фиг. 1 и 2;

фиг. 4 - вид продольного разреза, подобного показанному на фиг. 1, демонстрирующий второй вариант выполнения съемной верхней насадки в соответствии с изобретением;

фиг. 5 - вид продольного разреза, подобного показанному на фиг. 1, изображающий другой вариант воплощения изобретения;

фиг. 6 - вид сверху в плане съемной верхней насадки, показанной на фиг. 5;

фиг. 7 - вид сбоку с частичным сечением запорной вставки, согласно изобретению используемой для крепления верхней насадки к топливному узлу;

фиг. 8 - вид с торца вставки, показанной на фиг. 7;

фиг. 9 - частичный вид в увеличенном масштабе части запорной вставки, показанной на фиг. 7;

фиг. 10 - вид в разрезе, демонстрирующий помещение запорной вставки в положение для запирания верхней насадки, соответствующей изобретению, и трубы муфты топливного узла;

фиг. 11 - вид, подобный показанному на фиг. 10, демонстрирующий запорную вставку в запертом положении.

Описание предпочтительных вариантов воплощения изобретения

Как показано на фиг. 1-3, раздвигающаяся съемная верхняя насадка 1, согласно изобретению, содержит цилиндрический корпус 3, имеющий первый верхний конец 5 и второй нижний конец 7. Корпус 3 имеет внутренний кольцевой обращенный вниз выступ 9.

Узел 11 включает втулку 13, скользящую во втором конце 7 корпуса 3. Узел 11, кроме того, включает двенадцать опорных труб 15, проходящих через разнесенные под углом отверстия 17, расположенные по периферии втулки 13. Опорные трубы 15 простираются ниже втулки 13. Шестиугольная плита для извлечения стержней 19 имеет отверстия 21, выровненные с опорными трубами 15. Опорные трубы крепятся к втулке 13 сваркой в точке, показанной позицией 23, и к плите для извлечения стержней 19 сваркой в точке, показанной позицией 25. Таким образом, опорные трубы 15 крепят плиту для извлечения стержней 19 к втулке 13 неподвижно и раздельно друг от друга. Опорные трубы 15 изготовлены из материала, обладающего высокой стойкостью к коррозии, такого как нержавеющая сталь. Как можно видеть на фиг. 2, верхняя насадка 1 крепится к трубчатым муфтам 27 на топливном узле, показанном схематически и обозначенном позицией 29. Поскольку опорные трубы прикреплены к втулке 13 и плите для извлечения стержней 19 и выровнены относительно трубчатых муфт 27, они принимают нагрузку сжатия, когда топливный узел и верхняя насадка находятся на своем месте в реакторе, и принимают нагрузку растяжения, когда топливный узел поднят при помощи верхней насадки. Таким образом, плита для извлечения стержней 19, которая, как можно видеть на фиг. 3, имеет множество отверстий 31 для охлаждающей жидкости, может быть тоньше, чем в советской верхней насадке, где нагрузки передавались через плиту для извлечения стержней. Более тонкая плита для извлечения стержней 19 обеспечивает большее пространство для разностного расширения и сжатия частей, вызванного использованием материалов, таких как сплав циркония, для изготовления трубчатых муфт 27 и опорных труб 15, вместо применения нержавеющей стали. Стойки 33 отливаются вместе с втулкой 13 и плитой для извлечения стержней 19 и служат дефлекторами для примыкающих топливных узлов, а также придают добавочную прочность узлу 11. Нижний конец втулки 13 выполнен в виде купола, как показано позицией 33, для уменьшения гидравлического сопротивления охлаждающей жидкости.

Обойма пружин 35 скользит в узле 11 и имеет кольцевой выступ 37, ложащийся на выступ 9 корпуса. Опорные трубы 15 скользят в отверстиях 39 в обойме пружин 35. Эти отверстия 39 и отверстие 17 во втулке 13 рассверлены в точках, обозначенных позициями 41 и 43 соответственно, для образования опорных поверхностей для спиральных нажимных пружин 45, которые нагружают обойму пружин 35 и узел 11 в противоположных направлениях. Штифт 47, ввинченный в боковую поверхность втулки 13, удерживается в продольной прорези 49 в корпусе 3 для удержания узла 11 внутри корпуса.

При упоре обоймы пружин 35 в выступ 9 в корпусе 3 образуется выемка 51 в верхней части насадки 1 для помещения группы дистанционного управления, показанной схематически позицией 53 (см. фиг. 2). Направляющий узел 55 для группы дистанционного управления/инструментов включает направляющую трубу 57 для инструментов, которая проходит через центральное отверстие 59 во втулке 13 в центральное отверстие 61 в обойме пружин 35. Плунжер 63, прикрепленный к верхнему концу направляющей трубы 57 для инструментов, скользит в канале 61 и имеет кольцевой периферийный выступ 65, который располагается против кольцевого выступа 67, образованного фланцем 69 в отверстии 61, и упирается в него, как показано на фиг. 2, в сжатом положении насадки. Отверстие 59 во втулке 13 рассверлено в точке, показанной позицией 71 для приема спиральной нажимной пружины 73, которая упирается в плунжер 63. Направляющая труба для инструментов 57 скользит в отверстии 59 и имеет резьбу в точке, показанной позицией 75 ниже купола 33. Регулировочная гайка 77, навинченная на эту резьбу 75, устанавливает нагрузку на плунжер 63. Направляющая труба для инструментов 57 обеспечивает проход дли инструментов (не показаны), который простирается через верхнюю насадку вниз, в топливный узел.

Как показано на фиг. 2, верхняя насадка крепится съемным способом к топливному узлу 29. Топливный узел поднимается при помощи верхней насадки с использованием двух приливов 79, расположенных в диаметрально противоположных друг от друга точках на корпусе 3. При установке в корпус реактора, верхняя плита активной зоны 81 опускается на верхние насадки 1 и опирается на них. Вес плиты активной зоны 81 сжимает верхнюю насадку 1 после ее разжатого положения, показанного на фиг. 1. В сжатом положении, показанном на фиг. 2, обойма пружин 35 сохраняет зафиксированное расстояние ниже верхнего края корпуса 3, которое определяется противостоящими выступами 9 и 37. Плунжер 63 выступает вверх над обоймой пружин 35 на расстояние, определяемое положением выступов 65 и 67. Таким образом, плунжер 63 устанавливает фиксированное положение группы дистанционного управления 53 относительно верхней плиты активной зоны 81. Узел 11, нагружаемый вниз пружинами 45, скользит относительно корпуса 3 для соответствия разностному первоначальному сжатию при нагреве противостоящих трубчатых муфт 27 топливного узла и возможном возрастании их облучения. Три разнесенных под углом трубы 83 простираются сквозь обойму пружин 35 и втулку 13 для обеспечения прохождения потока охлаждающей жидкости через верхнюю насадку. Шесть внутренних опорных направляющих труб 85 для управляющих стержней разнесены друг от друга под углом вокруг направляющей трубы для инструментов 57 и внутри опорных труб 15 (см. фиг. 3).

На фиг. 4 показан другой вариант выполнения раздвигающейся съемной верхней насадки в соответствии с изобретением. Модифицированные части устройства обозначены позициями со штрихом. В насадке 1", показанной на фиг. 4 и 5, выступ 65" на плунжере 63" образован кольцевым фланцем 87 на нижней части плунжера, который захватывает выступ 67", образованный нижней поверхностью 89 обоймы пружин 35.

На фиг. 5 и 6 показан третий вариант выполнения раздвигающейся съемной верхней насадки 1"" согласно изобретению. Вновь, идентичные части устройства обозначены одинаковыми позициями, которые использованы для обозначения частей первых двух вариантов, в то время как модифицированные компоненты обозначены позициями с двойным штрихом. Плунжер 63"" имеет центральную часть 91, которая поддерживает группу дистанционного управления. Три стойки 93, разнесенные на 120^o, выступают вверх и в рабочем положении упираются в донную поверхность верхней плиты активной зоны 81, фиксируя положение группы дистанционного управления относительно этой верхней плиты активной зоны 81.

Изобретение также включает в себя соединение для съемного крепления насадки 1 к трубчатым муфтам 27 топливного узла 29. Как показано на фиг. 7-9, съемное соединение 97 включает сжимающуюся вставку 99. Эта сжимающаяся вставка 99 является частью трубы из нержавеющей стали, имеющей определенное количество разнесенных под углом прорезей 101, проходящих продольно от свободного конца 103, образуя определенное количество пальцев 105. Типовая вставка 99 имеет пять пальцев 105. На пальцах 105 на некотором расстоянии от конца 103 образовано кольцевое утолщение 107, выступающее наружу. Пальцы 105 загнуты внутрь, как показано на фиг. 8, так, что внешний диаметр кольцевого утолщения 107 не превышает внешнего диаметра трубчатой части вставки на ее втором конце 109. Как показано на фиг. 9, свободный конец 103 расширяется наружу в точке, обозначенной позицией 111.

Для съемного крепления верхней насадки 1 к топливному узлу 29 второй конец 109 сжимающейся вставки 99 крепится к трубчатой муфте 27, выступающей вверх от топливного узла, как показано на фиг. 10. После этого сжимающаяся вставка 99 вставляется в отверстие 21 в плите для извлечения стержней 19, которое имеет кольцевую канавку 113. Запорная труба 115, имеющая наружный диаметр, который немного меньше внутреннего диаметра опорной трубы 15, вставляется в опорную трубу 15 и, воздействуя на расширение 111 сжимающейся вставки, раздвигает пальцы радиально наружу до их зацепления с канавкой 113. Когда насадка 1 должна сниматься с топливного узла 29, инструмент (не показан) вставляется в опорную трубу 15 и захватывает нижний конец запорной трубы 115. После этого запорная труба 115 вытягивается из вставки 99, которая сжимается так, что насадка может извлекаться с минимальным усилием. Это съемное соединение 97 прочно прикрепляет насадку к топливному узлу, в то же время допуская ее снятие с применением минимального усилия. Таким образом, таких съемных соединений требуется меньше чем раньше, что сокращает время, необходимое на замену топливного узла.

Несмотря на то, что были описаны конкретные варианты воплощения изобретения, специалистам в данной области техники будет понятно, что могут быть разработаны различные модификации и изменения описанных деталей в рамках описания. Соответственно предусматривается, что описанные конкретные устройства являются лишь иллюстративными и не ограничивают рамок изобретения, которые во всей полноте даются в прилагаемой формуле изобретения, предусматривающей любые эквиваленты этих устройств.