тепловыделяющая сборка ядерного реактора тепловой мощностью от 1150 мвт до 1700 мвт

Формула изобретения

1. Тепловыделяющая сборка ядерного реактора тепловой мощностью от 1150 МВт до 1700 МВт, содержащая гексагональный пучок тепловыделяющих элементов, размещенный в расположенных по длине сборки дистанционирующих решетках, головную и хвостовые части, отличающаяся тем, что головная часть, хвостовая часть и дистанционирующие решетки жестко соединены с опорными элементами, выполненными в виде угловых пластин из циркониевого сплава, причем ширина d луча пластины выбрана от 0,117Н до 0,177Н, где Н - размер тепловыделяющей сборки “под ключ”.

2. Тепловыделяющая сборка ядерного реактора по п.1, отличающаяся тем, что гексагональный пучок тепловыделяющих элементов выполнен с шагом 12,75 мм.

3. Тепловыделяющая сборка ядерного реактора по п.1 или 2, отличающаяся тем, что угловые пластины соединены с головной частью и хвостовой частью посредством разборного соединения.

4. Тепловыделяющая сборка ядерного реактора по п.3, отличающаяся тем, что в качестве разборного соединения использовано резьбовое соединение в виде винтов, резьбовая часть которых взаимодействует с ответной резьбой, выполненной в головной и хвостовой частях сборки.

5. Тепловыделяющая сборка ядерного реактора по п.1, или 2, или 3, или 4, отличающаяся тем, что угловые пластины соединены с дистанционирующими решетками посредством неразборного соединения.

6. Тепловыделяющая сборка ядерного реактора по п.5, отличающаяся тем, что в качестве неразборного соединения использована сварка.

Описание изобретения к патенту

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к атомной энергетики, в частности к конструкциям тепловыделяющих сборок (ТВС) активных зон ядерных энергетических реакторов тепловой мощностью от 1150 до 1700 МВт, особенно для усовершенствования и модернизации действующих активных зон реакторов типа ВВЭР-440.

Уровень техники

Известна тепловыделяющая сборка, которая может быть использована для формирования активной зоны реактора ВВЭР-440 (RU 2126999, G 21 С 1/04, 27.02.99). Тепловыделяющая сборка содержит от 216 до 270 стержневых тепловыделяющих элементов (твэлов), имеющих наружный диаметр оболочки от 5,85 до 6,17 мм и/или от 6,66 до 6,99 мм. Шаг установки твэлов по гексагональной решетке в тепловыделяющий сборки и их диаметр выбраны исходя из условия обеспечения величины водоуранового отношения от 1,6 до 2,0. Известная тепловыделяющая сборка обладает повышенной работоспособностью как в нормальных условиях эксплуатации, так и в аварийных режимах. Активная зона, сформированная из таких тепловыделяющих сборок, позволяет расширить диапазон маневрирования мощностью реактора, повысить выгорание ядерного топлива. В данной тепловыделяющей сборке снижена также вероятность разгерметизации тепловыделяющих элементов, что обусловило использование тепловыделяющих элементов с диаметром меньшим, чем диаметр штатных твэлов. Известная тепловыделяющая сборка является перспективной разработкой и может быть использована при формировании принципиально новой активной зоны реактора ВВЭР-440.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к описываемой тепловыделяющей сборке является тепловыделяющая сборка ядерного реактора тепловой мощностью от 1150 до 1700 МВт, содержащая гексагональный пучок тепловыделяющих элементов, размещенный в расположенных по длине сборки дистанционирующих решетках, головную и хвостовые части (Нигматулин И.Н., Нигматулин Б.И. Ядерные энергетические установки. М.: Энергоатомиздат, 1986 г., с.116). Активная зона реактора ВВЭР-440 с помощью внутрикорпусных устройств закреплена внутри корпуса реактора и сформирована из 349 тепловыделяющих сборок. Тепловыделяющие сборки подразделяются на неподвижно установленные в активной зоне (рабочие ТВС в количестве 312 единиц) и управляющие тепловыделяющие сборки (двухэтажные аварийно-регулирующие ТВС в количестве 37 единиц), способные перемещаться в вертикальном направлении.

Известная тепловыделяющая сборка используемая для формирования активных зон реакторов типа ВВЭР-440 состоит из 126 стержневых тепловыделяющих элементов диаметром 9,1 мм, которые размещены в полости шестигранного чехла, с концами которого соединены головная часть и хвостовая части. Тепловыделяющие элементы закреплены на нижней опорной решетке и дистанционируются в пучок с шагом 12,2 мм посредством одиннадцати сотовых дистанционирующих решеток, предварительно сформированных в каркас на центральной трубе. Конструкция тепловыделяющей сборки обеспечивает аксиальные смещения дистанционирующих решеток по центральной трубе и тепловыделяющих элементов в ячейках дистанционирующих решеток, что необходимо для компенсации неравномерности температурных и радиационных удлинений твэлов, возникающих в процессе эксплуатации.

Таким образом, пучок тепловыделяющих элементов в известной тепловыделяющей сборке зафиксирован только посредством верхней и нижней опорных решеток и расположенных между ними дистанционирующих решеток, образующих каркас пучка. В результате имеет место износ оболочек тепловыделяющих элементов под пуклевками дистанционирующих решеток с образованием зазоров в соединениях, износ поверхности тепловыделяющих элементов в результате воздействия посторонних предметов, которые в случаях истирания оболочки насквозь вызывают разгерметизацию твэлов и потертости ободов дистанционирующих решеток. Ослабление жесткости посадок, появление и развитие зазоров твэлов в ячейках дистанционирующих решеток определяется уменьшением диаметров твэлов и износом в местах контакта твэлов с пуклевками ячеек дистанционирующих решеток, протекающих в условиях вибрации твэлов в пучке и пучка твэлов в чехле от гидродинамического воздействия напорного движения теплоносителя. Соударения пучка твэлов с чехлом и соударения в образующихся в процессе эксплуатации зазорных соединениях твэлов с ячейками дистанционирующих решеток являются одной из основных причин разгерметизации твэлов, которая проявляется в условиях вибрации.

Кроме того, наличие чехла вносит “паразитный” металл в активную зону, увеличивает линейную тепловую нагрузку тепловыделяющих элементов за счет вынужденного увеличения шага между тепловыделяющими сборками, увеличивает неравномерность энерговыделения по объему тепловыделяющей сборки, ухудшает условия теплообмена в аварийных ситуациях, связанных с потерей теплоносителя и пр.

Сущность изобретения

Задачей настоящего изобретения является создание и разработка тепловыделяющей сборки ядерного реактора тепловой мощностью от 1150 до 1700 МВт, обеспечивающей повышение безопасности эксплуатации в составе активной зоны ядерного реактора при одновременном увеличении экономичности.

В результате решения данной задачи могут быть получены новые технические результаты, заключающиеся в том, что повышается жесткость пучка тепловыделяющих элементов и всей сборки в целом, исключается возможность соударения пучка твэлов с чехлом, снижается неравномерность энерговыделения по объему тепловыделяющей сборки.

Указанные технические результаты достигаются тем, что в тепловыделяющей сборке ядерного реактора тепловой мощностью от 1150 до 1700 МВт, содержащей гексагональный пучок тепловыделяющих элементов, размещенный в расположенных по длине сборки дистанционирующих решетках, головную и хвостовые части, головная часть, хвостовая часть и дистанционирующие решетки жестко соединены с опорными элементами, выполненными в виде угловых пластин из циркониевого сплава, причем ширина D луча пластины выбрана от 0,117Н до 0,177Н, где Н - размер тепловыделяющей сборки “под ключ”.

Отличительная особенность описываемого изобретения состоит в следующем. Головная часть, хвостовая часть и дистанционирующие решетки жестко соединены с опорными элементами, выполненными в виде угловых пластин из циркониевого сплава, образуя единый каркас для пучка тепловыделяющих элементов и всей сборки в целом, который существенно снижает вибрацию пучка твэлов. Для этого ширина D луча пластины выбрана от 0,117Н до 0,177Н, где Н - размер тепловыделяющей сборки “под ключ”. При величине ширины d луча пластины менее 0,117Н жесткости угловых пластин недостаточно для надежной фиксации пучка тепловыделяющих элементов, которые будут вибрировать в процессе эксплуатации как в аксиальном, так и в радиальном направлениях. Если значение ширины d луча пластины более 0,177Н, то, несмотря на дальнейшее повышение жесткости сборки, увеличиваются напряжения в дистанционирующих решетках за счет увеличения поверхности их контакта с угловыми пластинами. Кроме того, в этом случае имеет место неравномерность охлаждения твэлов по сечению сборки, т.к. профиль расхода теплоносителя в угловых зонах и в остальных областях сборки различен.

Целесообразно гексагональный пучок тепловыделяющих элементов выполнить с шагом 12,75 мм.

Кроме того, угловые пластины могут быть соединены с головной частью и хвостовой частью посредством разборного соединения, в качестве которого использовано резьбовое соединение в виде винтов, резьбовая часть которых взаимодействует с ответной резьбой, выполненной в головной и хвостовой частях сборки.

Угловые пластины целесообразно соединять с дистанционирующими решетками посредством неразборного соединения, например сваркой.

Анализ решений, известных из предшествующего уровня техники, не выявил устройства, совпадающего с описываемым изобретением по всей совокупности существенных, включенных в независимый пункт формулы изобретения, что свидетельствует о том, что настоящее изобретение соответствует условию патентоспособности “новизна”.

Из уровня техники известна тепловыделяющая сборка ядерного реактора, содержащая часть признаков с признаками описываемого изобретения - RU 2093906, C1, G 21 С 3/30, 1997 г. Известная тепловыделяющая сборка предназначена для использования в ядерном реакторе с тепловой мощностью 1000 МВт. Общими признаками известного и настоящего изобретений являются признаки, касающиеся наличия опорных элементов в виде угловых пластин, выполненных из циркониевого сплава и жестко соединенных с хвостовой частью и дистанционирующими решетками. С головной частью угловые пластины в известном устройстве не соединены, что не позволяет использовать их в качестве единого каркаса для пучка тепловыделяющих элементов и сборки в целом. В известном устройстве жесткость сборки в целом образуют несущие каналы. Таким образом, вся совокупность отличительных признаков настоящего изобретения из уровня техники не известна, а известные признаки не позволяют получить результат, заключающийся в одновременном повышении жесткости пучка твэлов и всей тепловыделяющей сборки в целом. Поэтому настоящее изобретение соответствует условию патентоспособности “изобретательский уровень”.

На фиг.1 изображен общий вид тепловыделяющей сборки ядерного реактора; на фиг.2 показано сечение А-А на фиг.1.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

Тепловыделяющая сборка ядерного реактора содержит гексагональный пучок 1 тепловыделяющих элементов 2, размещенный в расположенных по длине сборки дистанционирующих решетках 3. Головная часть 4, хвостовая часть 5 и дистанционирующие решетки 3 жестко соединены с опорными элементами, выполненными в виде угловых пластин 6 из циркониевого сплава. Ширина D луча 7 пластины выбрана от 0,117Н до 0,177Н, где Н - размер тепловыделяющей сборки “под ключ”.

Описываемая конструкция тепловыделяющей сборки относится к конструкциям с жестким каркасом, который состоит из головной части 4, хвостовой части 5, дистанционирующих решеток 3 и угловых пластин 6. Угловые пластины 6 целесообразно приваривать к ободам дистанционирующих решеток 3, а с головной частью 4 и хвостовой частью 5 соединять посредством винтов. Данная тепловыделяющая сборка позволяет исключить зазор между дистанционирующими решетками и чехлом, что позволяет увеличить шаг расположения твэлов до (12,65-12,75) мм. Отсутствие чехла уменьшает количество “паразитного” металла в активной зоне - около 10 кг циркониевого сплава на каждую сборку.

Таким образом, в описываемой тепловыделяющей сборке повышается эффективность использования топлива, снижается неравномерность энерговыделения по объему сборки и обеспечивается выравнивание расхода теплоносителя в нормальных условиях эксплуатации, при нарушении нормальных условий эксплуатации и в аварийных режимах. Использование данной тепловыделяющей сборки позволит существенно повысить устойчивость и собственные частоты пучка твэлов.