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 (см. 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), рабочая кассета (РК) которой состоит из пучка твэлов 1, закрепленных несущей нижней решетке 7 и соединенных между собой дистанционирующими решетками (ДР) 2, закрепленными на центральной трубе. В ТВСА ВВЭР-1000 ДР крепятся также к уголкам 3, прикрепленным винтами 6 к хвостовику 4. Во всех конструкциях ТВС имеется головка 5 для обеспечения загрузки-выгрузки ТВС.

Из уровня техники известна ТВС ядерного реактора ВВЭР-440, несущая решетка (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, соединенными 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 (см. Дементьев Б.Д. Ядерные энергетические реакторы. М.: Энергоатомиздат, 1990, с. 31-35). Несущая решетка 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 направляющих каналов (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 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» также не обладают требуемыми анти-debris свойствами и пропускают длинные 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 ТВС. В настоящее время РК и ТВС ВВЭР-440, ТВС ВВЭР-1000 имеют АДФ.

Известна тепловыделяющая сборка ядерного реактора (ТВСА ВВЭР-1000), содержащая пучок твэлов и НК 8, закрепленных в концевой несущей решетке 7 и соединенных между собой ДР 2, закрепленными на центральной трубе 9 и уголках 3, а также АДФ, установленный в хвостовике 4 и представляющий собой густо перфорированную плоскую пластину с вытянутыми отверстиями формы «шеврон», шириной 2 мм (RU 2264666, опуб. 20.11.2005).

Недостатками данных АДФ являются: малая, 0,3…0,6 мм, толщина перемычек между отверстиями при толщине пластины - 6…8 мм, высокое гидравлическое сопротивление, неспособность удерживать пучок твэлов и НК в условиях эксплуатации и при транспортно-технологических операциях (ТТО).

В проекте ТВС-2М для ВВЭР-1000 был разработан АДФ, состоящий из наклонных перфорированных пластин. Предлагаемая 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-ой МНТК «Безопасность, эффективность и экономика атомной энергетики». М., 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-частиц АДФ ТВС-2М составляет 77,9%, а АДФ для 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.

Основным недостатком существующих конструкций АДФ является довольно высокая трудоемкость изготовления. Все известные конструкции не могут быть изготовлены посредством механической обработки, поскольку имеют узкие щели, шириной 2 мм, и довольно тонкие перемычки между ними.

Изготовление их как электроэрозионным способом, так и с помощью гидроабразивной резки приводит к большим трудозатратам.

Важным свойством современных конструкций ТВС как ВВЭР-440, так и ВВЭР-1000 является ремонтопригодность - возможность замены отказавшего твэла на новый или имитатор-вытеснитель. В связи с большим количеством твэлов в ТВС: 126 в ТВС ВВЭР-440 и 312 в ТВС ВВЭР-1000 - это дает существенный экономический эффект.

Предполагалось, что такая операция может быть выполнена путем вытаскивания отказавшего твэла за верхнюю заглушку. Однако, исследования, проведенные в НИИАР, показали, что вероятность извлечения отказавшего твэла таким способом составляет ~50%, т.к. дефекты оболочки отказавшего твэла могут привести к его разрушению при попытке извлечения, что из-за радиационной опасности недопустимо на АЭС.

Чтобы повысить вероятность извлечения отказавшего твэла, было предложено перед вытаскиванием страгивать твэл путем механического воздействия на нижнюю заглушку твэла, однако наличие АДФ ограничивает доступ снизу к заглушкам твэлов и тем самым исключает возможность ремонта ТВС.

Наиболее близким аналогом предлагаемой являются ТВСА, оснащенные нижней решеткой (RU 2473989, 27.03.2013) с фильтрующими свойствами (НРФ).

За счет аналогичной известным АДФ конфигурации проливных пазов они имеют эффективность задержания debris-частиц ~80%. При этом коэффициент гидравлического сопротивления (КГС) данных конструкций соизмерим с КГС HP, что является положительным фактором.

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

Задачей настоящего изобретения является снижение количества отказов ТВС при эксплуатации, повышение надежности и работоспособности ТВС.

Техническим результатом изобретения является создание конструкции НРФ лабиринтного типа, обладающей повышенной эффективностью по отношению к улавливанию debris-предметов прямолинейной формы, имеющей при этом КГС, не более суммарного КГС HP и АДФ.

Данный технический результат достигается тем, что в тепловыделяющей сборке ядерного реактора, содержащей пучок твэлов, расположенных по треугольной сетке, закрепленных в концевой несущей решетке и соединенных между собой дистанционирующими решетками, закрепленными на центральной трубе, несущая решетка-фильтр выполнена в виде перфорированной пластины с цилиндрическими отверстиями, предназначенными для установки твэлов 10, направляющих каналов или несущих труб 11 и центральной трубы 12, установлена в хвостовике ТВС и имеет изогнутые вдоль оси ТВС каналы 13 для прохода теплоносителя.

Каналы для прохода теплоносителя в предлагаемой НРФ образованы первыми перемычками 14, радиальными по отношению к отверстиям, вторыми перемычками 15, расположенными вокруг отверстий, и третьими перемычками 16, перпендикулярными линиям, проходящим через центры отверстий, при этом вход теплоносителя в канал 17 и выход из него 18 сдвинуты на некоторый угол вокруг оси отверстий до достижения непрозрачности НРФ, чем повышает ее эффективность за счет придания ей способности к улавливанию debris-предметов прямолинейной формы, причем верхняя часть 19 канала параллельна оси ТВС.

Направление движения теплоносителя показано на фиг. 1, 4 стрелкой.

При этом каналы для прохода теплоносителя имеют ширину не более 2 мм, что определяется техническими требованиями.

В случае, если профиль каналов имеет форму ломаной прямой угол наклона канала в нижней половине, на входе теплоносителя в НРФ, при котором обеспечивается непрозрачность НРФ в направлении оси ТВС составляет α=arctg(2δ/h), а наибольшая эффективность НРФ имеет место при α=arctg(45/h), где δ - наибольшая ширина канала, h - высота НРФ, при котором НРФ непрозрачна в любом направлении.

Наиболее предпочтительным является угол 15…25° по отношению к оси ТВС для обеспечения минимального гидравлического сопротивления предлагаемой НРФ.

В верхней половине, на выходе теплоносителя из НРФ, канал параллелен оси ТВС для обеспечения минимальных гидродинамических нагрузок в нижней части ТВС и пучка твэлов.

Предлагаемая НРФ может быть выполнена из нержавеющей стали типа Х18Н10Т с использованием аддитивной технологии.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг. 1 изображена предлагаемая ТВС.

На фиг. 2 изображена НРФ предлагаемой ТВС для ВВЭР-1000.

На фиг. 3 изображена нижняя часть НРФ предлагаемой ТВС.

На фиг. 4 изображены каналы для прохода теплоносителя предлагаемой НРФ.