Результат интеллектуальной деятельности: Тепловыделяющая сборка ядерного реактора

Изобретение относится к атомной энергетике, а именно, к тепловыделяющим сборкам (ТВС) ядерных реакторов типа ВВЭР (ВВЭР-440, ВВЭР-1000 и т.п.).

Из уровня техники известна конструкция ТВС ядерных реакторов ВВЭР-440, ВВЭР-1000 (Кириллов П.Л. и др. Справочник по теплогидравлическим расчетам (ядерные реакторы, теплообменники, парогенераторы). - М.: Энергоатомиздат, 1990, рис. П.8.1, П.8.3 и П.8.5, с. 317-319), ТВС которой состоит из пучка твэлов 1, закрепленных в несущей нижней решетке (HP) 7 и соединенных между собой дистанционирующими решетками (ДР) 2, закрепленными на центральной трубе 9. В ТВСА ВВЭР-1000 ДР крепятся также к уголкам 3, прикрепленным винтами 6 к хвостовику 4. В ТВС-2М ДР крепятся к направляющим каналам (НК). Во всех конструкциях ТВС имеется головка 5 для обеспечения загрузки-выгрузки ТВС.

Из уровня техники известна рабочая кассета (РК) ядерного реактора ВВЭР-440, HP которой шестиугольной формы, имеет 126 круглых отверстий для установки твэлов, центральное отверстие для установки центральной трубы, 102 отверстия в форме «гантели» для протока теплоносителя, 12 отверстий диаметром 5,9 min и полуотверстия по контуру опорной решетки для протока теплоносителя. Отверстия типа «гантель» образованы двумя отверстиями радиусом 2,95 min, соединенным отверстием шириной 5 min. Отверстия для установки твэлов и центральной трубы имеют диаметр 5^+0,1, причем по контуру каждой грани шестигранной HP расположены по семь отверстий для нижних заглушек твэлов (Дементьев Б.Д. Ядерные энергетические реакторы. - М.: Энергоатомиздат, 1990, с. 31-35). HP РК-3 ВВЭР-440 имеет дополнительно круглые отверстия для установки несущих труб (НТ).

Аналогичную конструкцию имеет несущая решетка ТВС ВВЭР-1000, которая дополнительно имеет круглые отверстия для установки НК.

Функционально HP является несущим силовым элементом, удерживающим пучок твэлов в стационарном режиме и при транспортно-технологических операциях (ТТО), а в ТВС ВВЭР-1000 она также обеспечивает загрузку-выгрузку ТВС с помощью НК.

Существенным недостатком известных HP является возможность пропускать с потоком теплоносителя посторонние debris-предметы больших размеров. Например, большая ширина и длина проливных отверстий штатной HP позволяет пропускать в пучок твэлов цилиндрические debris-предметы диаметром до 6,3 мм и плоские шириной до 13,4 мм при толщине до 5,2 мм. HP с круглыми проливными отверстиями и HP типа «ромашка» для ТВС-2М также не обладают требуемыми анти-debris свойствами и пропускают длинные цилиндрические debris-предметы до размера в поперечном направлении 7,18 мм и 6,63 мм соответственно.

Проведенными экспериментальными исследованиями показано, что существующие конструкции HP имеют эффективность задержания debris-предметов произвольной формы 50…60%, что как показала практика недостаточно, т.к. разгерметизация оболочек твэлов по этой причине составляет ~56% от общего количества отказов.

В связи с этим возникла необходимость в оснащении ТВС анти debris-фильтрами (АДФ), устанавливаемыми в хвостовики на входе в ТВС. В настоящее время все РК ВВЭР-440, ТВС ВВЭР-1000 имеют АДФ.

В проекте ТВС-2М для ВВЭР-1000 был разработан АДФ, состоящий из перфорированных пластин треугольной формы. Известная конструкция АДФ ТВС-2М собирается из 12 таких пластин, установленных под определенным углом друг к другу, с помощью дополнительных ребер в сложную пространственную конструкцию, при этом большая протяженность сварных швов снижает надежность сварных соединений.

Были предложения также оснастить штатные HP дополнительными прутками из проволоки 1,5…2 мм, приваренными на нижнюю поверхность HP в районе проливных отверстий, что в условиях массового производства реализовать практически невозможно.

Данные конструкции АДФ были исследованы в ОАО «ЭНИЦ» и результаты исследований были представлены на 7-й МНТК «Безопасность, эффективность и экономика атомной энергетики», Москва, 26-27 мая 2010 г. в докладе «Экспериментальное исследование эффективности антидебрисных фильтров кассет ВВЭР-1000».

Сравнительные исследования различных конструкций АДФ, проведенные ОАО «ЭНИЦ», показали, что эффективность задержания debris-предметов для АДФ ТВС-2М составляет 77,9%, а для АДФ ТВСА - 79,1%, т.е. увеличивается почти до 80%.

При этом, однако, увеличивается и перепад давления теплоносителя на входном участке ТВС в 1,45…1,65 раза по сравнению с перепадом давления на HP.

Недостатком известных конструкций является то, что они не могут быть изготовлены посредством механической обработки, поскольку имеют узкие щели шириной 2 мм и довольно тонкие перемычки между ними.

Наиболее близким аналогом предлагаемой ТВС является известная ТВС ядерного реактора (ТВСА ВВЭР-1000), содержащая пучок твэлов и НК 8, закрепленных в HP 7 и соединенных между собой ДР 2, закрепленными на центральной трубе 9 и уголках 3, имеющая АДФ 10, установленный в хвостовике 4, представляющий собой густо перфорированную плоскую пластину с отверстиями формы «шеврон» шириной 2 мм (RU 2264666, опубл. 20.11.2005).

Основным недостатком всех существующих конструкций АДФ является высокая трудоемкость изготовления.

Изготовление известных АДФ как электро-эрозионным способом, так и с помощью гидроабразивной резки приводит к большим трудозатратам.

При этом известные конструкции АДФ при их довольно высокой эффективности по отношению к криволинейным debris-предметам практически не эффективны против debris-предметов в форме прямолинейных стержней и плоских предметов большой ширины любой длины, имеющих толщину менее 2 мм.

При этом плоский АДФ имеет существенное гидравлическое сопротивление, а также в нем может происходить накопление значительного количества debris-предметов и дополнительное увеличение за счет этого КГС АДФ и ТВС.

Техническим результатом изобретения является повышение надежности и работоспособности ТВС типа ВВЭР за счет фильтрации debris-предметов, содержащихся в теплоносителе, и уменьшения за счет этого повреждения оболочек твэлов.

Данный технический результат достигается тем, что в тепловыделяющей сборке ядерного реактора, содержащей пучок твэлов, закрепленных в несущей решетке и соединенных между собой дистанционирующими решетками, закрепленными на центральной трубе или направляющих каналах, фильтр для задержания посторонних предметов в теплоносителе, установленный в хвостовике, фильтр выполнен в форме толстостенной цилиндрической оболочки, имеющей несколько концентричных относительно ее оси рядов равномерно расположенных каналов для прохода теплоносителя 11, изогнутых в окружном направлении до обеспечения непрозрачности фильтра, причем соседние ряды каналов смещены относительно друг друга в осевом направлении.

Каналы предпочтительно имеют прямоугольное поперечное сечение 14 и состоят из двух прямолинейных частей, одна из которых на выходе теплоносителя из фильтра 13 параллельна оси тепловыделяющей сборки, а другая 12 на входе теплоносителя расположена под углом к ней.

Кольцевое расположение рядов каналов позволяет обеспечить наибольшее проходное сечение, а также требуемую эффективность АДФ.

Смещение соседних рядов каналов в осевом направлении обеспечивает снижение КГС за счет образования при этом конфузора вместо резкого сужения сечения для прохода теплоносителя на входе в АДФ.

АДФ устанавливается внутри хвостовика 4 в кольцевую проточку и фиксируется в осевом направлении с помощью кольца, соединенного сваркой с хвостовиком в нескольких местах.

Поперечное сечение каналов для прохода теплоносителя в форме прямоугольника имеет высоту не более 2 мм и ширину 7…10 мм.

Профиль каналов имеет форму ломаной прямой. При этом угол наклона прямой не входе теплоносителя равен 15…25° по отношению к оси ТВС для обеспечения минимального гидравлического сопротивления предлагаемого АДФ.

Участок канала на выходе теплоносителя ориентирован параллельные оси ТВС, что обеспечивает фильтрацию прямолинейных debris-предметов, вошедших с поворотом в первый участок канала.

Причем такая ориентация участка выхода теплоносителя из канала приводит к направлению потока теплоносителя на выходе из АДФ параллельно оси ТВС, что способствует снижению вибрации и гидравлических нагрузок в нижней части ТВС, пучка твэлов.

Наилучшие технические характеристики имеет АДФ конической формы, устанавливаемый вершиной 15 навстречу теплоносителю, что выражается в низком КГС за счет плавного снижения поперечного сечения, а не внезапного сужения, более высокой прочности и жесткости.

На фиг. 1, 4 стрелкой показано направление движения теплоносителя.

Угол при вершине конуса способствует созданию поперечной составляющей гидродинамического воздействия потока теплоносителя на debris - частицы, сносящего их в застойную периферийную зону и стабилизирующего за счет этого КГС АДФ при накоплении большого их количества.

Наименьшую трудоемкость изготовления имеет плоский АДФ, который можно представить вырожденным коническим АДФ с углом при вершине 180°.

Предлагаемый АДФ может быть выполнен из нержавеющей стали типа Х18Н10Т с использованием современной цифровой высокоточной аддитивной технологии. На фиг. 6 приведена фотография опытного образца предлагаемого конического АДФ, выполненного по этой технологии.

Проливное сечение предлагаемого АДФ предпочтительно не менее чем у штатной HP. При наружном диаметре предлагаемого АДФ 224 мм, толщине 16 мм, высоте поперечного сечения канала 2 мм и ширине 7,5 мм, угле наклона каналов 20° проливное сечение его составляет 21330 мм² при проливном сечении штатной HP 20290 мм².

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг. 1 изображена предлагаемая ТВС.

На фиг. 2 изображен конический АДФ предлагаемой ТВС.

На фиг. 3 изображена центральная часть конического АДФ предлагаемой ТВС.

На фиг. 4 изображен ряд каналов АДФ предлагаемой ТВС.

На фиг. 5 изображен плоский АДФ предлагаемой ТВС.