тепловыделяющая сборка и активная зона водо-водяного ядерного реактора

Формула изобретения

1. Тепловыделяющая сборка энергетического водо-водяного ядерного реактора, содержащая гексагональный в поперечном сечении пучок тепловыделяющих элементов в каркасе, включающем дистанционирующие решетки сотовой конструкции и имеющие в своем составе ячейки и обода, несущую решетку, хвостовик, съемную головку, центральную трубу и направляющие каналы в виде труб, внутрь которых входят стержни управления и защиты, и имеющих на нижнем торце наконечники, которыми они прикреплены к несущей решетке, закрепленной на хвостовике, отличающаяся тем, что на гранях ободов дистанционирующих решеток тепловыделяющей сборки между головкой и хвостовиком выполнены выступы в виде профильных с симметричными закруглениями ребер - интенсификаторов теплосъема с уклоном в одну сторону под углом к оси ТВС, обеспечивающим завихрение потока теплоносителя, причем проекции выступов на горизонтальную плоскость не перекрываются.

2. Тепловыделяющая сборка по п. 1, отличающаяся тем, что угол наклона выступа - профильного с симметричными закруглениями ребра к оси тепловыделяющей сборки выполнен менее 90^o, но более 0^o.

3. Тепловыделяющая сборка по п. 1, отличающаяся тем, что размещение от головки до хвостовика выступов на каждой грани ободов дистанционирующих решеток осуществлено по углам условного равнобедренного треугольника с вершиной в сторону хвостовика и в точках пересечения сторон треугольника с поперечными осями дистанционирующих решеток.

4. Активная зона водо-водяного энергетического ядерного реактора, включающая нижнюю опорную решетку с опорными элементами, на которую вертикально установлены тепловыделяющие сборки, дистанционируемые сверху верхним блоком защитных труб с перфорированной обечайкой, содержащие головку, хвостовик, пучок тепловыделяющих элементов в дистанционирующих решетках с гексагональным ободом, у которого размер "под ключ" меньше шага размещения опорных элементов на величину монтажного зазора, отличающаяся тем, что тепловыделяющие сборки в активной зоне относительно друг друга зафиксированы по их высоте точечно с натягом путем совмещения при сборке активной зоны выступов - профильных с симметричными закруглениями опорных ребер, выполненных на гранях ободов одной тепловыделяющей сборки с выступами - профильными с симметричными закруглениями опорных ребер смежных тепловыделяющих сборок друг напротив друга с суммарной высотой совмещенных выступов, равной величине монтажного зазора, при этом проекция совмещенных выступов - профильных с симметричными закруглениями опорных ребер на вертикальную плоскость представлена в виде "X", а расстояние между верхними парными выступами на гранях обода тепловыделяющей сборки выбрано достаточным для свободного прохождения нижних парных и одиночных выступов на гранях ободов соседней, примыкающей тепловыделяющей сборки при ее вертикальном перемещении вверх или вниз.

5. Активная зона водо-водяного энергетического реактора по п. 4, отличающаяся тем, что проекция всех совмещенных выступов по высоте примыкающих друг к другу тепловыделяющих сборок представлена как условный равнобедренный треугольник с вершиной в сторону хвостовика с выступами по его углам и в точках пересечения боковых сторон треугольника с поперечными осями дистанционирующих решеток.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области ядерной техники и технологии, в частности к конструкции тепловыделяющей сборки (ТВС) ядерного реактора и его активной зоны, преимущественно водо-водяного энергетического ядерного реактора (ВВЭР-1000).

Известна ТВС, содержащая гексагональный в поперечном сечении пучок тепловыделяющих элементов (ТВЭЛов), установленный таким образом, что их продольные оси находятся на одинаковом расстоянии друг от друга в каркасе, включающем дистанционирующие решетки сотовой конструкции и имеющие в своем составе ячейки и обод, несущую решетку, хвостовик, съемную головку, а также центральную трубу и направляющие каналы в виде труб, внутрь которых входят стержни управления и защиты и имеющие на нижнем торце наконечники, которыми они прикреплены к несущей решетке, закрепленной на хвостовике (см. патент RU 2124238 по заявке 97108408/25, опубликованный 27.12.98 г. МПК 6 G 21 C 3/30, 3/34. Тепловыделяющая сборка ядерного реактора).

В процессе эксплуатации известных ТВС в ядерном реакторе возможны отклонения от номинальных значений, например изменение проходных сечений вследствие деформации различных элементов и ТВЭЛов в связи с температурными градиентами и другими обстоятельствами, характерными для ядерного реактора (см. Б. А. Дементьев. Ядерные энергетические реакторы. М.: Энергоатомиздат, 1990 г., стр.151).

Значительные отклонения от нормальных режимов работы приводят к дополнительным, иногда весьма большим динамическим нагрузкам, вследствие чего могут разрушиться отдельные элементы внутрикорпусных устройств и деформироваться пучки ТВЭЛов (см. там же, стр.281).

Деформирование пучков ТВЭЛов может распространиться и на каналы направляющие, что может вызвать заклинивание в них стержней управления и защиты (СУЗ) (см. патент 2124238, раздел 3) и привести к аварийной ситуации. Известна активная зона водо-водяного ядерного реактора, содержащая опорно-дистанционирующее устройство с опорными элементами, на которые вертикально установлены ТВС, каждая из которых содержит головку, хвостовик, пучок ТВЭЛов в дистанционирующих решетках с гексагональным ободом, размер "под ключ" которого по граням меньше шага размещения опорных элементов на величину монтажного зазора (см. Реактор, чертеж общего вида 302.01.00.00.000 ВО, ОКБ "Гидропресс", 1977 г. ). При сборке активной зоны возникает необходимость иметь значительные по величине монтажные зазоры между ТВС для обеспечения нормальной загрузки ТВС в активную зону и выгрузки их из нее. При работе ядерного реактора при возможных изгибах ТВС монтажные зазоры между ТВС могут суммироваться и перераспределяться и создают пространство для возможного появления повышенных прогибов ТВС, что может привести к изгибам каналов направляющих, заклиниванию в них стержней управления и защиты и возникновению аварийной ситуации. Известно, что на границах между ТВС периферийные ТВЭЛы находятся в более тяжелых условиях по сравнению с центральными, так как на их долю приходится больший объем воды по сравнению со средним. Более того, имеется неравномерность среди крайних ТВЭЛов. Наиболее напряженно работают угловые ТВЭЛы (см. Дементьев Б.А., стр.149-150). Образование повышенных зазоров между ТВС приводит к локальному повышению количества замедлителя (воды), в результате чего в ближайших ТВЭЛах энерговыделение будет превышено сверх значений, допустимых по условиям надежного охлаждения.

Возможно также возникновение вибрации внутри корпусных устройств из-за гидродинамической нестабильности потока теплоносителя (см. Дементьев Б.А., стр. 280). Амплитуда колебаний при вибрации наиболее высока в центре между двух опор (см. В.И. Анурьев. Справочник конструктора машиностроителя. Том 1. М. : Машиностроение, 1982 г., стр.85, схема 15). Если в качестве опор в ТВС рассматривать головку и хвостовик, то наибольший пик колебаний приходится на центр ТВС. При этом пик колебаний зависит от расстояния между головкой и хвостовиком ТВС. Чем выше это расстояние, тем больше пик колебаний по центру ТВС. Особенно это опасно из-за соударений соседних ТВС в активной зоне ядерного реактора, так как при закреплении головок и хвостовиков в активной зоне наиболее подвержены вибрации незакрепленные между собой средние части ТВС, изготовленные из циркониевого сплава с 1% ниобия, поскольку цирконий отличается склонностью к разъедающей коррозии, появляющейся в результате истирания металла между соприкасающимися поверхностями под влиянием колебаний при очень малых амплитудах (см. Металлургия циркония. Перевод с английского под редакцией Г. А. Меерсона и Ю.В. Гагаринского. М.: Издательство иностранной литературы, 1959 г., стр.298).

Исключить же монтажный зазор между ТВС в активной зоне нельзя, так как при этом становится невозможной установка ТВС и сборка активной зоны ядерного реактора и возможны повреждения ТВС друг о друга.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому эффекту является тепловыделяющая сборка и активная зона водо-водяного ядерного реактора (см. Б. А. Дементьев. Ядерные энергетические реакторы. М.: Энергоатомиздат, 1990 г., стр.42-44, рис.2.13, 2.11).

ТВС-прототип содержит гексагональный в поперечном сечении пучок ТВЭЛ в каркасе, включающем дистанционирующие решетки сотовой конструкции и имеющие в своем составе ячейки и обод, несущую решетку, хвостовик, съемную головку, центральную трубу и направляющие каналы в виде труб, внутрь которых входят стержни управления и защиты и имеющие на нижнем торце наконечники, которыми они прикреплены к несущей решетке, закрепленной на хвостовике.

Активная зона-прототип включает нижнюю опорную решетку с опорными элементами, на которую вертикально установлены ТВС, дистанционируемые сверху верхним блоком защитных труб с перфорированной обечайкой, причем каждая из ТВС содержит головку, хвостовик, пучок ТВЭЛов, установленных в дистанционирующих решетках с гексагональным ободом, размер "под ключ" которого по граням меньше шага размещения опорных элементов на величину монтажного зазора. Наличие монтажного зазора является обязательным, иначе не возможна сборка активной зоны ТВС без их повреждения и соответственно не возможна разборка активной зоны без повреждений ТВС. ТВС-прототип и Активная зона-прототип имеют те же недостатки, что и недостатки аналогов, приведенные выше.

Технической задачей изобретения является повышение надежности и безопасности работы водо-водяного энергетического ядерного реактора, интенсификация теплообмена, уменьшение при этом неравномерности энерговыделения в активной зоне и предупреждение деформации ТВС за счет плотной упаковки ТВС между собой.

Эта техническая задача решается тем, что у ТВС энергетического водо-водяного ядерного реактора, содержащей гексагональный в поперечном сечении пучок ТВЭЛов в каркасе, включающем дистанционирующие решетки сотовой конструкции и имеющие в своем составе ячейки и обода, несущую решетку, хвостовик, съемную головку, центральную трубу и направляющие каналы в виде труб, внутрь которых входят стержни управления и защиты и имеющие на нижнем торце наконечники, которыми они прикреплены к несущей решетке, закрепленной на хвостовике; согласно изобретению на гранях ободов дистанционирующих решеток ТВС между головкой и хвостовиком выполнены выступы в виде профильных с симметричными закруглениями ребер-интенсификаторов теплосъема с уклоном в одну сторону под углом к оси ТВС, обеспечивающим завихрение потока теплоносителя, причем проекции выступов на горизонтальную плоскость не перекрываются. Другим отличием является то, что угол наклона выступа - профильного с симметричными закруглениями ребра к оси ТВС выполнен менее 90^o, но более 0^o; размещение от головки до хвостовика выступов на каждой грани ободов дистанционирующих решеток по углам условного равнобедренного треугольника с вершиной в сторону хвостовика и в точках пересечения сторон дистанционирующих решеток с поперечными осями дистанционирующих решеток.

Эта техническая задача решается тем, что в активной зоне водо-водяного энергетического ядерного реактора, включающей нижнюю опорную решетку с опорными элементами, на которую вертикально установлены ТВС, дистанционируемые сверху верхним блоком защитных труб с перфорированной обечайкой, содержащие головку, хвостовик, пучок ТВЭЛов в дистанционирующих решетках с гексагональным ободом, у которого размер "под ключ" меньше шага размещения опорных элементов на величину монтажного зазора; согласно изобретению ТВС в активной зоне относительно друг друга зафиксированы по их высоте точечно с натягом путем совмещения при сборке активной зоны выступов - профильных с симметричными закруглениями опорных ребер, выполненных на гранях ободов одной ТВС с выступами - профильными с симметричными закруглениями опорных ребер смежных ТВС друг напротив друга с суммарной высотой совмещенных выступов, равной величине монтажного зазора, при этом проекция совмещенных выступов - профильных с симметричными закруглениями опорных ребер на вертикальную плоскость представлена в виде "X", а расстояние между верхними парными выступами на гранях обода ТВС выбрано достаточным для свободного прохождения нижних парных и одиночных выступов на гранях ободов соседней, примыкающей ТВС при ее вертикальном перемещении вверх или вниз. Другим отличием является то, что проекция всех совмещенных выступов по высоте примыкающих друг к другу ТВС представлена как условный равнобедренный треугольник с вершиной в сторону хвостовика ТВС с выступами по его углам и в точках пересечения боковых сторон треугольника с поперечными осями дистанционирующих решеток.

Выполнение на гранях ободов дистанционирующих решеток ТВС при их изготовлении выступов - профильных с симметричными закруглениями опорных ребер-интенсификаторов теплосъема с уклоном в одну сторону под углом к оси ТВС позволит обеспечить завихрение потока теплоносителя и интенсифицировать теплосъем в ядерном реакторе.

Размещение выступов на гранях дистанционирующих решеток ТВС так, что их проекции на горизонтальную плоскость не перекрываются, позволяет осуществить свободную установку ТВС в активную зону с монтажным зазором относительно ранее установленных ТВС в активной зоне до момента одновременного касания всех выступов по высоте ТВС и хвостовиком опорного элемента нижней опорной решетки активной зоны ядерного реактора. Фиксация ТВС в активной зоне относительно друг друга по их высоте точечно с натягом путем совмещения выступов - профильных с симметричными закруглениями опорных ребер с проекцией совмещенных выступов на вертикальную плоскость в виде "X" позволит повысить надежность и безопасность работы ядерного реактора, интенсифицировать теплосъем, уменьшить неравномерность энерговыделения и предупредить деформацию ТВС за счет плотной упаковки ТВС между собой в активной зоне ядерного реактора.

На чертежах представлена ТВС и активная зона водо-водяного ядерного реактора, где

на фиг.1 - ТВС водо-водяного реактора;

на фиг.2 - водо-водяной ядерный реактор;

на фиг.3 - дистанционирующая решетка в ТВС, первая от хвостовика вверх;

на фиг.4 - дистанционирующая решетка в ТВС, первая от головки вниз;

на фиг.5 - активная зона ядерного реактора (разрез, вид сверху);

на фиг.6 - фрагмент стыковки ТВС с соседними ТВС в активной зоне совмещением выступов 11-11, 12-12, 13-13 (вид сверху);

на фиг.7 - фрагмент стыковки выступов соседних ТВС в активной зоне;

на фиг.8 - схема загрузки ТВС (изометрия);

на фиг.9 - схема стыковки ТВС с соседними ТВС (изометрия).

ТВС водо-водяного ядерного реактора содержит гексагональный в поперечном сечении пучок ТВЭЛов 1 с длиной "L" (фиг.1) в каркасе, включающем дистанционирующие решетки сотовой конструкции, имеющие в своем составе ячейки 2 и обода 3 (фиг.3), несущую решетку 4, хвостовик 5, съемную головку 6, центральную трубу 7 и направляющие каналы 8 в виде труб, внутрь которых входят стержни 9 (фиг. 2) управления и защиты (СУЗ) и имеющие на нижнем торце наконечники на направляющих каналах и ТВЭЛах, которыми они прикреплены к несущей решетке 4, закрепленной на хвостовике 5. На гранях 10 (фиг.1) ободов 3 дистанционирующих решеток, находящихся на ТВС между головкой 6 и хвостовиком 5, на расстоянии "L1" от головки 6 вниз выполнены по два профильных с симметричными закруглениями выступа 11 в виде опорных ребер, а на гранях 10 обода 3 на расстоянии "L2" от хвостовика 5 вверх выполнены по центру по одному выступу - профильному с симметричными закруглениями опорному ребру 12, т. е. выступы размещены по углам условного равнобедренного треугольника с вершиной в сторону хвостовика 5 и в точках пересечения сторон треугольника с поперечными осями дистанционирующих решеток.

Выступы - профильные с симметричными закруглениями опорные ребра 11 и выступы - профильные с симметричными закруглениями ребра 12, а также выступы 13 в точках пересечения сторон условного треугольника с поперечными осями дистанционирующих решеток являются интенсификаторами теплосьема и выполнены с уклоном в одну сторону под углом "" к оси ТВС, обеспечивающем завихрение потока теплоносителя. Угол "" выполнен равным менее 90^o и более 0^o относительно оси ТВС. Активная зона 14 водо-водяного энергетического реактора включает нижнюю опорную решетку 15 с опорными элементами, на которую вертикально установлены ТВС, дистанционируемые сверху верхним блоком 16 защитных труб с перфорированной обечайкой, содержащие головку 6, хвостовик 5, пучок ТВЭЛов 1 в дистанционирующих решетках с гексагональным ободом 3, у которого размер "под ключ" меньше шага размещения опорных элементов на величину монтажного зазора 17. ТВС в активной зоне 14 относительно друг друга зафиксированы точечно с натягом на расстоянии "L1" от головки 6 вниз, "L2" - от хвостовика 5 вверх и в точках пересечения сторон условного равнобедренного треугольника с поперечными осями дистанционирующих решеток путем совмещения в верхней части двух выступов - профильных с симметричными закруглениями опорных ребер 11, выполненных на каждой грани 10 обода 3 одной ТВС с двумя выступами - профильными с симметричными закруглениями опорными ребрами 11 на каждой грани 10 обода 3 других ТВС, совмещения в средней части симметричных выступов с аналогичными выступами 13 других ТВС и в нижней части тепловыделяющей сборки одного выступа - профильного с симметричными закруглениями опорного ребра 12, выполненных на каждой грани 10 обода 3 одной ТВС с одним выступом - профильным с симметричными закруглением опорным ребром 12 на каждой грани 10 обода 3 соседних тепловыделяющих сборок при сборке активной зоны 14 ТВС. Проекция совмещенных выступов - профильных с симметричным закруглением опорных ребер 11-11, 12-12, 13-13 примыкающих друг к другу граней 10-10 ободов 3-3 соседних ТВС на вертикальную плоскость представлена в виде "X". Расстояние между парными выступами - профильными с симметричными закруглениями опорными ребрами 11 на каждой грани 10 обода 3 в верхней части ТВС выполнено достаточным для свободного прохождения нижних парных выступов и одного выступа - профильного с симметричными закруглениями опорного ребра 12 на ободе 3 соседней от примыкающей ТВС при ее вертикальном перемещении вверх или вниз.

Ввод теплоносителя в активную зону 14 ядерного реактора осуществлен через патрубок 18, а вывод теплоносителя из активной зоны 14 ядерного реактора осуществлен через патрубок 19. Стержни 9 управления и защиты (СУЗ) снабжены приводом 20. Активная зона 14 размещена в опорно-дистанционирующем устройстве 21, размещенном в корпусе 22 ядерного реактора.

Активную зону ядерного реактора комплектуют следующим образом. В активную зону 14 устанавливаются ТВС, содержащие гексагональные в поперечном сечении пучки ТВЭЛов 1 с длиной "L" в каркасах, включающих дистанционирующие решетки сотовой конструкции и имеющие в своем составе ячейки 2 и обод 3, несущую решетку 4, хвостовик 5, съемную головку 6, центральную трубу 7, направляющие каналы 8, внутрь которых входят стержни 9 управления и защиты (СУЗ) и имеющие на нижнем торце наконечники, которыми они прикреплены к несущей решетке 4, закрепленной на хвостовике 5. Предварительно на всех ободах 3 дистанционирующих решеток, находящихся в ТВС между головкой 6 и хвостовиком 5, на расстоянии "L1" от головки 6 вниз и на расстоянии "L2" от хвостовика 5 вверх выполняют выступы на каждой грани 10 обода 3 в виде профильных с симметричными закруглениями опорных ребер-интенсификаторов теплосьема с уклоном в одну сторону под углом "" к оси ТВС, обеспечивающем завихрение потока теплоносителя. Причем на верхнем ободе 3, установленном ниже головки 6 ТВС, на каждой его грани 10 выполняют по два симметричных выступа - профильных с симметричными закруглениями опорных ребра 11, а на нижнем ободе 3, установленном выше хвостовика 5, на каждой грани 10 по центру выполняют по одному выступу - профильному с симметричными закруглениями опорному ребру 12. На остальных ободах 3 в средней части выступы 13 выполняют в точках пересечения сторон условного равнобедренного треугольника с поперечными осями дистанционирующих решеток. При выполнении выступов их наклон выбирают, равным менее 90^o, но более 0^o к оси ТВС. ТВС в активной зоне 14 устанавливают на опорную решетку 15 с опорными элементами. Сверху ТВС дистанционируют верхним блоком 16 защитных труб с перфорированной обечайкой. Между ТВС при установке их в активную зону 14 предусмотрен монтажный зазор 17, образуемый разницей между шагом размещения опорных элементов опорной решетки 15 и размером "под ключ" обода 3 ТВС. ТВС в активной зоне 14 относительно друг друга фиксируют точечно с натягом на расстоянии "L1" от головки 6 вниз, "L2" - от хвостовика 5 вверх и в средней части ТВС путем совмещения в верхней части ТВС двух выступов - профильных с симметричными закруглениями опорных ребер 11, выполненных на каждой грани 10 обода 3 одной ТВС, с двумя выступами - профильными с симметричными закруглениями опорными ребрами 11 на каждой грани 10 обода 3 других ТВС, совмещения выступов 13 в средней и выступов 12 в нижней частях ТВС с аналогичными выступами 13, 12 соседних ТВС. При этом проекция совмещенных выступов - профильных с симметричными закруглениями опорных ребер 11-11 и 12-12, 13-13, примыкающих друг к другу граней 10-10 ободов 3-3 соседних ТВС на вертикальную плоскость представлена в виде "X", а расстояние "L3" между парными выступами - профильными с симметричными закруглениями опорными ребрами 11 на каждой грани 10 обода 3 в верхней части выдерживают достаточным для свободного прохождения парных выступов 13 и одного выступа - профильного с симметричными закруглениями опорного ребра 12 на ободе 3 соседней примыкающей ТВС при ее вертикальном перемещении вверх или вниз. Благодаря тому, что выступы - профильные ребра имеют наклон, симметричные закругления и высоту, равную половине монтажного зазора, то при совмещении смежных выступов при установке ТВС в активную зону натяг осуществляется под собственным весом устанавливаемой ТВС относительно ранее установленной ТВС скольжением выступов относительно друг друга в момент их касания. При выгрузке ТВС в первоначальный момент идет размыкание между выступами, а в дальнейшем подъем ТВС идет уже с монтажным зазором между ТВС. Проекция всех совмещенных выступов по высоте примыкающих друг к другу ТВС представлена как условный равнобедренный треугольник с вершиной в сторону хвостовика ТВС с выступами 11, 12 по углам и выступами 13 в точках пересечения сторон треугольника с поперечными осями дистанционирующих решеток.

При работе ядерного реактора теплоноситель в активную зону 14, размещенную в опорно-дистанционирующем устройстве 21 корпуса 22 ядерного реактора, подают через патрубок 18, а выводят через патрубок 19. При этом благодаря наклонным выступам 11-12-13-профильным ребрам теплоноситель приобретает завихрение, являющееся наиболее эффективным при теплосъеме с ТВС, и достигается плотная упаковка ТВС в активной зоне.