тепловыделяющая сборка водо-водяного энергетического ядерного реактора

Формула изобретения

1. Тепловыделяющая сборка водо-водяного энергетического ядерного реактора, содержащая размещенные по длине сборки дистанционирующие решетки для гексагонального пучка тепловыделяющих элементов, опорные элементы в виде угловых пластин, жестко соединенных с дистанционирующими решетками и хвостовой частью, и направляющие каналы, проходящие через часть ячеек в дистанционирующих решетках, отличающаяся тем, что на направляющих каналах с гарантированным зазором не более 1,5 мм относительно торцов дистанционирующих решеток установлены втулки, имеющие в плане сечение, размер которого превышает вписанный диаметр ячеек, причем у первой по ходу теплоносителя дистанционирующей решетки втулки расположены со стороны нижнего торца, а у остальных дистанционирующих решетках втулки размещены со стороны верхнего торца.

2. Тепловыделяющая сборка водо-водяного энергетического реактора по п.1, отличающаяся тем, что втулки выполнены разрезными и с буртиком, диаметр которого более вписанного диаметра ячейки дистанционирующей решетки.

3. Тепловыделяющая сборка водо-водяного энергетического реактора по п.1 или 2, отличающаяся тем, что, по крайней мере, на части направляющих каналов у торцов дистанционирующих решеток, противоположных торцам, у которых размещены основные втулки, установлены дополнительные втулки, причем сумма величин зазоров между торцами решетки и основной и дополнительной втулками составляет не более 1,5 мм.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области ядерной техники и технологии и может быть использовано при конструировании и изготовлении тепловыделяющих сборок (ТВС) для ядерных энергетических реакторов водо-водяного типа, особенно для реакторов типа ВВЭР-1000.

Одной из основных функций ТВС является закрепление и дистанционирование тепловыделяющих элементов (твэлов). При конструировании и изготовлении ТВС необходимо обеспечить надежное крепление твэлов, сохранение требуемых зазоров между ними и возможность расширения при нагреве в любых заданных режимах работы реактора. Дистанционирование должно быть таким, чтобы оболочки твэлов не разрушались вследствие их истирания при вибрации от движения теплоносителя. Кроме этого, с помощью ТВС организуется поток теплоносителя в активной зоне реактора. Стержневые твэлы крепятся с одной стороны к концевым деталям, представляющим собой обычно решетки с отверстиями для наконечников твэлов, расположение которых соответствует расположению твэлов в поперечном сечении ТВС, и для прохода теплоносителя.

Заданный шаг расположения твэлов обеспечивается дистанционирующими решетками, расположенными по длине ТВС. Указанные решетки бывают разнотипными, но все состоят из отдельных ячеек, соединенных в единую конструкцию, в которых твэлы фиксируются или пружинящими элементами, или за счет натяга дистанционирующих выступов ячейки на твэлах.

В зависимости от типа реактора пучки твэлов могут быть заключены в кожух, образующий тракт теплоносителя, или устанавливаться в реактор без кожуха. В канальных реакторах, где тракт теплоносителя образуется каналом, ТВС выполнены без корпуса. В корпусных водо-водяных реакторах ТВС также не всегда имеют кожух.

Известна конструкция ТВС ядерного энергетического реактора, содержащая гексагональный в поперечном сечении пучок твэлов, размещенный в расположенных по длине сборки дистанционирующих решетках, головную и хвостовую части, соединенные наружным чехлом, имеющим гексагональное поперечное сечение (Крамеров А. Я. Вопросы конструирования ядерных реакторов. М.: Атомиздат, 1971 г., с. 198).

Наличие чехла обеспечивает необходимую прочность и жесткость ТВС, однако чехол вносит дополнительную массу металла в активную зону и увеличивает тепловую нагрузку твэлов за счет вынужденного увеличения шага между ТВС, так как остается меньше твэлов в единице объема активной зоны реактора. Кроме того, чехол увеличивает неравномерность энерговыделения по сечению ТВС.

Известна конструкция ТВС, у которой в чехле предусмотрены отверстия, расположенные по всей длине и ширине грани чехла, или окна по длине грани чехла (FR 2606200, G 21 C 3/30, 1988). Наличие отверстий или окон в гранях чехла заметно уменьшает количество дополнительной массы металла, вносимого в активную зону, однако не снижает линейную тепловую нагрузку твэлов, а неравномерность энерговыделения по длине ТВС даже возрастает, что приводит к увеличению термических деформаций в конструкции тепловыделяющей сборки.

Известна конструкция ТВС, в которой не предусмотрено наличие чехла, а головная и хвостовая части соединены направляющими каналами, проходящими через ячейки дистанционирующих решеток (см. Крамеров А.Я. Вопросы конструирования ядерных реакторов. М.: Атомиздат, 1971 г., с. 204).

Отсутствие дополнительной массы металла дает возможность уменьшить шаг размещения ТВС, что уменьшает неравномерность тепловыделения в ТВС и линейные нагрузки на твэл. Однако отсутствие чехла приводит к заметному снижению прочности и нарушению геометрии ТВС в процессе эксплуатации. Под воздействием восходящего потока теплоносителя происходит искривление направляющих каналов и перемещение дистанционирующих решеток, приводящее к искривлению твэлов и изменению шага их расположения в ТВС. Все это свидетельствует о недостаточной жесткости и устойчивости такой конструкции ТВС, что существенно снижает безопасность работы ядерного реактора.

Наиболее близкой по технической сущности к описываемой является тепловыделяющая сборка водо-водяного энергетического ядерного реактора, содержащая размещенные по длине сборки дистанционирующие решетки для гексагонального пучка тепловыделяющих элементов, опорные элементы в виде угловых пластин, жестко соединенных с дистанционирующими решетками и хвостовой частью, и направляющие каналы, проходящие через часть ячеек в дистанционирующих решетках (RU 2093906, G 21 C 3/30, 1997).

Опорные элементы, выполненные в виде угловых пластин, существенно повышают прочность и жесткость ТВС за счет создания коробчатой конструкции, не внося при этом заметного количества дополнительного металла в активную зону.

Однако, увеличивая прочность и жесткость тепловыделяющей сборки в целом, угловые пластины не обеспечивают достаточную жесткость в центральной области ТВС, особенно в дистанционирующих решетках. Центральные области дистанционирующих решеток испытывают заметное деформирующее воздействие восходящего потока теплоносителя. При этом центральные области дистанционирующих решеток, не закрепленные жестко, подвергаются значительным изгибающим деформациям под действием потока теплоносителя.

При эксплуатации ТВС такой конструкции центральные ячейки дистанционирующей решетки, имеющие возможность перемещения вдоль пучка твэлов, вызывают ее прогиб вдоль оси тепловыделяющей сборки.

Экспериментальные исследования показали, что изменение профиля поперечного сечения дистанционирующей решетки вызывает увеличение усилия перемещения твэлов в ячейках, приводящее к преждевременному их разрушению и выходу из строя всей ТВС.

Повышение усилия закрепления твэлов в ячейках, с одной стороны, несколько уменьшит деформацию дистанционирующих решеток, но, с другой стороны, даже незначительная деформация решетки значительно повысит деформацию собственно твэла и приведет к невозможности его перемещения относительно стенок ячейки. В результате имеет место так называемое "закусывание" твэла.

Снижение деформации твэла возможно путем уменьшения степени фиксации твэла в ячейке. Но в этом случае увеличивается деформация дистанционирующей решетки, поскольку центральные ячейки свободно перемещаются вдоль поверхности твэлов. В свою очередь данное явление увеличивает деформацию твэла.

Кроме того, при выгрузке отработанных тепловыделяющих сборок после окончания ресурса функционирования твэлов вся масса твэлов воздействует на нижнюю дистанционирующую решетку, оказывая существенные деформирующие усилия, приводящие к выпучиванию центральных ячеек, что также может привести к деформации твэлов и их разрушению. Тем более, что в конце эксплуатации прочностные характеристики снижены вследствие радиационного распухания топлива, газовыделения, температурного воздействия, "старения" материала оболочки под действием ионизирующего облучения.

Таким образом, в известной тепловыделяющей сборке твэлы испытывают постоянные деформирующие нагрузки, уровень которых невозможно существенно снизить.

Задачей описываемого изобретения является создание и разработка тепловыделяющей сборки водо-водяного энергетического ядерного реактора, обладающей повышенной надежностью, прочностью и жесткостью.

В результате решения данной задачи могут быть получены новые технические результаты, заключающиеся в том, что снижается деформация дистанционирующих решеток и твэлов при их взаимодействии, повышается степень равномерности распределения механических нагрузок между узлами и элементами конструкции, уменьшается формоизменение всей тепловыделяющей сборки в целом и ее отдельных элементов.

Данные технические результаты достигаются тем, что в тепловыделяющей сборке водо-водяного энергетического ядерного реактора, содержащей размещенные по длине сборки дистанционирующие решетки для гексагонального пучка тепловыделяющих элементов, опорные элементы в виде угловых пластин, жестко соединенных с дистанционирующими решетками и хвостовой частью, и направляющие каналы, проходящие через часть ячеек в дистанционирующих решетках, на, по крайней мере, части направляющих каналах с гарантированным зазором не более 1,5 мм относительно торцов дистанционирующих решеток установлены втулки, имеющие в плане сечение, размер которого превышает вписанный диаметр ячеек, причем у первой по ходу теплоносителя дистанционирующей решетки втулки расположены со стороны нижнего торца, а на остальных дистанционирующих решетках втулки размещены со стороны верхнего торца.

Отличительная особенность настоящего изобретения состоит в следующем. Наличие на, по крайней мере, части направляющих каналов втулок, которые выполняют функцию опор для дистанционирующих решеток, значительно уменьшает формоизменение дистанционирующих решеток. Для этого втулки должны быть жестко соединены с направляющими каналами с тем, чтобы направляющие каналы воспринимали механические нагрузки, возникающие в дистанционирующих решетках. Втулки будут выполнять функцию опор для дистанционирующих решеток при условии того, что размер сечения втулок в плане превышает вписанный диаметр ячейки. Иначе втулка может контактировать с полостью ячейки, которая надвинется на втулку.

Втулки необходимо устанавливать с гарантированным зазором относительно торцевых поверхностей дистанционирующих решеток, поскольку при жестком их соединении с торцами образуется статически неопределимая система, в которой возможны значительные концентрации напряжений.

Гарантированный (имеющий минимальное значение, равное нулю) зазор между втулками и торцами предполагает своеобразное шарнирное взаимодействие между втулками и торцами, что позволяет в большей степени равномерно перераспределить напряжения, возникающие в элементах сборки, и образовать более прочный каркас. Экспериментально установлено, что зазор не должен превышать 1,5 мм, поскольку в противном случае имеет место недопустимая деформация дистанционирующих решеток.

Существенным является также установка втулок под нижним торцом первой по ходу теплоносителя решетки, т.к. наибольшую деформацию данная решетка испытывает при выгрузке сборки, воспринимая всю массу твэлов. Наличие втулок под нижним торцом первой по ходу теплоносителя решетки не позволяет ей деформироваться при перегрузке тепловыделяющей сборки. При этом напряжения, возникающие в элементах конструкции, будут более равномерно перераспределены между узлами сборки.

Кроме того, втулки могут быть выполнены разрезными и с буртиком, диаметр которого более вписанного диаметра ячейки дистанционирующей решетки.

Целесообразно также, по крайней мере, на части направляющих каналов у торцов, противоположных торцам, у которых размещены основные втулки, установить дополнительные втулки, причем сумма величин зазоров между торцами решетки и основной и дополнительной втулками должна быть не более 1,5 мм.

На фиг. 1 изображен общий вид тепловыделяющей сборки, на фиг. 2 показан фрагмент продольного сечения, на фиг. 3 приведена часть поперечного сечения, на фиг. 4 показан общий вид втулки.

Тепловыделяющая сборка содержит размещенные по длине сборки дистанционирующие решетки 1 для гексагонального пучка тепловыделяющих элементов 2. Решетки 1 могут быть выполнены из циркониевого сплава. Головная 3 и хвостовая 4 части сборки, изготовленные из нержавеющей стали, соединены направляющими каналами 5, изготовленными из циркониевого сплава, причем головная часть 3 подпружинена относительно направляющих каналов 5. В углах сборки по ее длине от хвостовой части 4 до верхней дистанционирующей решетки 6 установлены опорные элементы в виде угловых пластин 7. Пластины 7 могут быть выполнены из циркониевого сплава, обладающего радиационной стойкостью. Пластины 7 жестко соединены, например сваркой, с дистанционирующими решетками 1, а также жестко соединены, например винтами, с хвостовой частью 4. Направляющие каналы 5 проходят через часть ячеек (не показаны) в дистанционирующих решетках. Форма ячеек и их конструкция могут быть самыми разнообразными. На направляющих каналах 5 установлены с гарантированным зазором относительно торцевых поверхностей дистанционирующих решеток втулки 8. Втулки 8 имеют в плане сечение, размер которого превышает вписанный диаметр ячеек с тем, чтобы втулки не могли проходить внутрь полости ячейки. Втулки 8 могут быть выполнены с буртиком 9, диаметр которого более вписанного диаметра ячейки, и иметь разрез 10, обеспечивающий при монтаже свободное перемещение втулок вдоль направляющих каналов. После установки втулки на направляющем канале сваркой осуществляется ее фиксация относительно направляющего канала. Гарантированный зазор ₀ между втулкой и торцевой поверхностью дистанционирующей решетки не должен превышать 1,5 мм. В противном случае имеют место существенные деформации и искривления дистанционирующих решеток.

У первой по ходу теплоносителя дистанционирующей решетки 11 опорные втулки расположены со стороны нижнего торца, а на остальных дистанционирующих решетках втулки размещены со стороны верхнего торца. Указанное расположение втулок обусловлено следующим. При эксплуатации сборки поток теплоносителя оказывает существенное воздействие на дистанционирующие решетки, приводящее к их деформации. Поскольку поток теплоносителя направлен снизу вверх, то и искривление решеток направлено вверх. Поэтому для создания дополнительных опор, препятствующих деформации решеток, втулки расположены над верхними торцами у всех решеток, кроме первой по ходу теплоносителя. Первая по ходу теплоносителя решетка 11 испытывает существенные напряжения при перегрузке сборки, т. к. при движении сборки вверх решетка 11 воспринимает всю массу тепловыделяющих элементов.

Помимо основных втулок 8 дистанционирующие решетки могут иметь дополнительные опорные поверхности на торцах, противоположных торцам, со стороны которых размещены основные втулки 8. Для этого могут быть установлены с гарантированным зазором относительно торца решетки дополнительные втулки 12. Причем дополнительны втулки 12 могут быть установлены на направляющих каналах так, что образуется пара: основная втулка 8 и дополнительная втулка 12, размещаемые на каком-либо канале со стороны противоположных торцов одной решетки. Но дополнительные втулки могут быть установлены на каком-либо канале без наличия основной втулки. Дополнительные втулки 12 способствуют снижению деформации решеток, поскольку при наличии основных втулок 8 во время эксплуатации сборки возможно перераспределение напряжений по сечению решетки и деформация части ее ячеек в нижнем направлении.

Втулки 12 позволяют избежать данного негативного момента. Но в этом случае вышеуказанный эффект будет достигнут при условии, что сумма величины зазора ₁ между основной втулкой 8 и торцом решетки и величины зазора ₂ между дополнительной втулкой 12, устанавливаемых в паре, не должна превышать значения зазора ₀ - 1,5 мм.

Описываемая тепловыделяющая сборка функционирует следующим образом. При эксплуатации реактора тепловыделяющая сборка механически нагружается сверху в осевом направлении для предотвращения ее всплытия. При разогреве всей конструкции до рабочих температур проявляется термомеханическое нагружение сборки. Угловые пластины 7 вместе с хвостовой частью 4 и дистанционирующими решетками 1 образуют достаточно жесткий каркас, препятствующий деформации сборки и искривлению направляющих каналов, в которых могут перемещаться регулирующие органы (не показаны). Деформации, возникающие при этом в дистанционирующих решетках в плоскости, параллельной ее торцам, компенсируются основными втулками 8 и дополнительными втулками 12. При этом за счет более равномерного распределения нагрузок на элементы сборки образуется монолитная конструкция.