Результат интеллектуальной деятельности: ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩАЯ СБОРКА ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к ядерной технике и касается конструкции тепловыделяющих сборок водо-водяных ядерных энергетических реакторов, особенно типа ВВЭР-1000, в частности конструкции элементов жесткого каркаса.

Уровень техники

Известна тепловыделяющая сборка, содержащая пучок тепловыделяющих элементов, расположенных в ячейках дистанционирующих решеток (Крамеров А.Я. Вопросы конструирования ядерных реакторов, М., Атомиздат, 1971, с.198, рис.7.2.2.). Жесткость и прочность данной тепловыделяющей сборки обеспечивается наличием шестигранного чехла, соединяющего головную и хвостовую части сборки. Однако наличие чехла вносит паразитный захват нейтронов в активной зоне и увеличивает линейную тепловую нагрузку тепловыделяющих элементов за счет вынужденного увеличения шага между тепловыделяющими сборками.

Известна тепловыделяющая сборка ядерного реактора, содержащая гексагональный пучок тепловыделяющих элементов, размещенный в ячейках расположенных по длине сборки дистанционирующих решеток (Крамеров А.Я. Вопросы конструирования ядерных реакторов, М., Атомиздат, 1971, с.204, рис.7.1.11б). Головная и хвостовая части соединены направляющими каналами, в которых перемещаются стержни, включающие материал, поглощающий нейтроны. Чехол в данной тепловыделяющей сборке отсутствует, что позволяет уменьшить зазор между соседними тепловыделяющими сборками. В результате снижены неравномерность энерговыделения и линейные нагрузки тепловыделяющих элементов.

Отсутствие чехла снижает паразитный захват нейтронов и уменьшает расход материала. Но использование сборки на энергоблоках с реакторами ВВЭР-1000 показало, что после эксплуатации в течение трех лет имеет место искривление направляющих каналов, обусловленное механической нагрузкой со стороны головной части, которая поджата для предотвращения всплытия тепловыделяющей сборки под действием потока теплоносителя. Кроме того, в процессе эксплуатации реактора появляется термомеханическое нагружение конструкции сборки в целом за счет деформаций тепловыделяющих элементов, передаваемых через дистанционирующие решетки, которые также подвергаются деформированию. Основополагающую роль в развитии искривлений тепловыделяющих сборок играет релаксация упругих натягов в дистанционирующих решетках, созданных при размещении в решетках тепловыделяющих элементов и направляющих каналов.

Значительное уменьшение изгибной жесткости тепловыделяющей сборки принципиально меняет характер ее поведения в активной зоне при длительной эксплуатации: возникают изгибы тепловыделяющей сборки сложной пространственной формы с отклонениями осей сборки от исходного положения на величину, достигающую предельно разрешенную исходя из геометрических возможностей упаковки сборок в активной зоне с учетом конструктивных сборочных зазоров. При этом возможно появление больших зазоров между периферийными тепловыделяющими элементами соседних искривленных тепловыделяющих сборок, что нарушает теплотехническую надежность этих тепловыделяющих элементов вследствие всплеска в них энерговыделения. Следует также отметить, что для гексагональной конструкции тепловыделяющих сборок, в частности, применяемых на энергоблоках с реакторами ВВЭР-1000, наблюдается угловая анизотропия изгибной жесткости (изгибная жесткость в направлении от “угла к углу” не равна изгибной жесткости в направлении “от грани к грани”), при этом изгибная жесткость сборки в тангенциальном направлении (относительно центра активной зоны) меньше ее изгибной жесткости в радиальном направлении. Большая свобода перемещения в тангенциальном направлении вызывает преимущественно вихреобразную закрутку активных зон и, следовательно, максимальное искривление тепловыделяющих сборок в рабочих условиях. Имеются экспериментальные данные об искривлении тепловыделяющих сборок на величину порядка 20 мм. Столь значительные искривления тепловыделяющих сборок нарушают исходную геометрию активной зоны, приводят к изменениям энерговыделения и теплогидравлических характеристик активной зоны.

Для устранения обозначенных негативных факторов тепловыделяющей сборки и обеспечения ее стабильного поведения, выражающегося в исключении чрезмерного искривления сборки в рабочих условиях при эксплуатации в течение 4-5 лет, необходимо

- обеспечить гарантированное значение изгибной жесткости тепловыделяющих сборок при продольном изгибе путем введения продольных элементов, не проскальзывающих относительно дистанционирующих решеток в течение всего срока эксплуатации;

- обеспечить гарантированно более высокое значение изгибной жесткости тепловыделяющих сборок при поперечном изгибе путем уменьшения в рабочих условиях индивидуального изгиба стержней или других продольных элементов в пролетах между дистанционирующими решетками при одновременном повышении жесткости на поворот стержней или продольных элементов в ячейках дистанционирующих решеток.

Перечисленным условиям удовлетворяет наиболее близкая по технической сущности и достигаемому результату к описываемой тепловыделяющая сборка ядерного реактора, содержащая головную и хвостовую части, соединенные направляющими каналами, размещенными в ячейках дистанционирующих решеток, которые расположены на расстоянии друг от друга по длине сборки (RU 2093906, G 21 С 3/30, 20.10.97). В конструкцию известной тепловыделяющей сборки введены дополнительные элементы жесткости - продольные уголки, проходящие от нижней опорной решетки до верхней дистанционирующей решетки и приваренные снаружи по шести углам к каждой дистанционирующей решетке. Жесткое соединение уголков с дистанционирующими решетками обеспечивает резкое повышение жесткости тепловыделяющей сборки на продольный изгиб вне зависимости от релаксации упругих натягов в стержневой системе тепловыделяющей сборки. Пространственная форма уголков имеет весьма высокое значение собственных моментов инерции и обеспечивает тем самым достаточную жесткость конструкции при поперечном изгибе тепловыделяющей сборки. Кроме того, отсутствие возможности поворота уголков относительно оси дистанционирующих решеток в местах их взаимного скрепления дополнительно способствует повышению жесткости тепловыделяющей сборки.

В то же время известная тепловыделяющая сборка имеет следующие недостатки:

- повышение металлоемкости конструкции, что приводит к снижению нейтронно-физических характеристик активной зоны;

- ухудшение теплоотвода от угловых и периферийных тепловыделяющих элементов;

- усложнение технологии изготовления тепловыделяющей сборки за счет введения дополнительных угловых элементов, увеличение объема сварочных работ и контроля;

- уменьшение возможностей визуального контроля на этапах изготовления и при проведении осмотра в период эксплуатации.

Сущность изобретения

Задачей настоящего изобретения является разработка и создание тепловыделяющей сборки ядерного реактора, обладающей повышенной стабильностью при эксплуатации в топливных циклах повышенной продолжительности без накопления недопустимых изгибов при одновременном снижении металлоемкости.

В результате решения данной задачи возможно получение новых технических результатов, заключающихся в том, что повышается жесткость тепловыделяющей сборки при поперечном и продольных изгибах, увеличивается угловая жесткость в парах “направляющий канал - ячейка дистанционирующей решетки”, уменьшается собственный изгиб тепловыделяющей сборки в пролетах между дистанционирующими решетками и свободный изгиб тепловыделяющей сборки в неоднородных нейтронных и температурных полях за счет уменьшенной склонности сплава Э635 к радиационному росту.

Данные технические результаты достигаются тем, что в тепловыделяющей сборке ядерного реактора, содержащей головную и хвостовую части, соединенные направляющими каналами, размещенными в ячейках дистанционирующих решеток, которые расположены на расстоянии друг от друга по длине сборки, направляющие каналы жестко соединены, по крайней мере, с торцевыми дистанционирующими решетками, а высота h дистанционирующих решеток и толщина δ стенок ячеек дистанционирующей решетки выбраны таким образом, что их численные значения удовлетворяют условию

где

h - высота дистанционирующей решетки, мм;

δ - толщина элементов, образующих ячейки дистанционирующей решетки, мм, причем для 8-и решеток С₀=39,17, А₀=5,563, A₁=-3,482, А₂=1,332, В₀=2,245, B₁=-4,500, В₂=6,072, В₃=-3,128, В₄=-0,620, для 9-и решеток С₀=22,74, А₀=4,988, А₁=-2,985, А₂=1,119, В₀=2,225, В₁=-4,005, В₂=5,145, В₃=-2,595, В₄=-1,113, для 10-и решеток С₀=13,06, А₀=4,481, A₁=-2,568, А₂=0,932, В₀=2,203, В₁=-3,568, В₂=4,324, В₃=-2,127, В₄=-1,510, для 11-и решеток С₀=8,84, А₀=4,138, А₁=-2,281, А₂=0,811, В₀=2,170, B₁=-3,250, В₂=3,752, В₃=-1,814, В₄=-1,675, для 12-и решеток С₀=6,90, А₀=3,895, A₁=-2,088, А₂=0,732, В₀=2,126, B₁=-3,042, В₂=3,400, В₃=-1,623, В₄=-1,695, для 13-и решеток С₀=5,73, А₀=3,697, А₁=-1,937, А₂=0,667, В₀=2,068, B₁=-2,910, В₂=3,199, В₃=-1,505, В₄=-1,651, для 14-и решеток С₀=4,70, А₀=3,526, A₁=-1,813, А₂=0,614, В₀=2,003, B₁=-2,815, В₂=3,062, В₃=-1,422, В₄=-1,575, для 15-и решеток С₀=3,78, А₀=3,356, A₁=-1,684, А₂=0,560, В₀=1,940, В₁=-2,722, В₂=2,928, В₃=-1,336, В₄=-1,490.

Отличительной особенностью настоящего изобретения является жесткое соединение направляющих каналов, по крайней мере, с торцевыми, но предпочтительно - со всеми, дистанционирующими решетками, что исключает проскальзывание направляющих каналов относительно ячеек этих решеток. В этом случае общая изгибная жесткость тепловыделяющей сборки при облучении увеличивается, поскольку появляется постоянная составляющая изгибной жесткости сборки, равная жесткости связанного каркаса направляющих каналов. При этом тепловыделяющие элементы могут перестать играть роль связанной многостержневой системы и, при их проскальзывании в ячейках дистанционирующих решеток, они будут вносить вклад в общую изгибную жесткость кассеты не как связанный многостержневой пучок, а как множество независимых стержней, что много меньше по своей величине. Повысить жесткость тепловыделяющей сборки в целом и обеспечить стабильность тепловыделяющей сборки, при которой зазоры, образующиеся между сборками, не превышают величины, предельно возможной с точки зрения обеспечения допустимой энергонапряженности тепловыделяющих элементов и теплотехнической надежности активной зоны, можно лишь при выполнении условия

Кроме того, вышеприведенное расчетно-экспериментальное выражение увязывает количество дистанционирующих решеток с их характерными параметрами, при которых напряжения, возникающие в дистанционирующих решетках и обусловленные возникающими при изгибе осевыми силами в местах крепления направляющих каналов, не превышают допустимой величины.

Целесообразно также толщину стенок дистанционирующих решеток выбрать от 0,25 до 0,35 мм, а ее высоту от 20 до 50 мм и изготовить направляющие каналы из сплава Э635, а дистанционирующие решетки из сплава Э110 или предпочтительно - из сплава Э635.

Направляющие каналы могут быть жестко соединены, по крайней мере, с торцевыми дистанционирующими решетками непосредственно или посредством промежуточных втулок, размещенных в соответствующих ячейках дистанционирующих решеток. Соединение направляющих каналов с дистанционирующими решетками предпочтительно выполнить симметрично относительно продольной оси направляющего канала со стороны обоих торцов дистанционирующей решетки на расстоянии не более 0,15 h от торца дистанционирующей решетки.

Жесткое соединение направляющих каналов, по крайней мере, с торцевыми дистанционирующими решетками может быть выполнено в виде точечной сварки.

Наиболее рационально использовать 18 направляющих каналов, диаметр которых составляет от 12 до 14 мм.

Перечень чертежей

На фиг.1 приведен общий вид тепловыделяющей сборки, на фиг.2 показан вариант узла А на фиг.1 в разрезе, на фиг.3 показан второй вариант узла А на фиг.1 в разрезе.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

Тепловыделяющая сборка ядерного реактора содержит головную часть 1 и хвостовую часть 2, соединенные направляющими каналами 3. Направляющие каналы 3 размещены в ячейках 4 дистанционирующих решеток 5, которые расположены на расстоянии друг от друга по длине сборки. Направляющие каналы, как правило, в количестве 18 штук проходят через ячейки, симметрично расположенные вокруг центрального канала 6. В остальных ячейках дистанционирующих решеток 5 размещены тепловыделяющие элементы 7. Дистанционирующие решетки 5 совместно с направляющими каналами 3 образуют жесткий каркас тепловыделяющей сборки за счет того, что направляющие каналы 3 жестко соединены с торцевыми дистанционирующими решетками или, что предпочтительно, со всеми дистанционирующими решетками 5. Высоту h дистанционирующих решеток и толщину δ стенок ячеек дистанционирующей решетки выбирают таким образом, что их численные значения удовлетворяют условию

где

h - высота дистанционирующей решетки, мм;

δ - толщина элементов, образующих ячейки дистанционирующей решетки, мм, причем для 8-и решеток С₀=39,17, А₀=5,563, A₁=-3,482, А₂=1,332, В₀=2,245, B₁=-4,500, В₂=6,072, В₃=-3,128, В₄=-0,620, для 9-и решеток С₀=22,74, А₀=4,988, А₁=-2,985, А₂=1,119, В₀=2,225, В₁=-4,005, В₂=5,145, В₃=-2,595, В₄=-1,113, для 10-и решеток С₀=13,06, А₀=4,481, A₁=-2,568, А₂=0,932, В₀=2,203, В₁=-3,568, В₂=4,324, В₃=-2,127, В₄=-1,510, для 11-и решеток С₀=8,84, А₀=4,138, А₁=-2,281, А₂=0,811, В₀=2,170, B₁=-3,250, В₂=3,752, В₃=-1,814, В₄=-1,675, для 12-и решеток С₀=6,90, А₀=3,895, A₁=-2,088, А₂=0,732, В₀=2,126, B₁=-3,042, В₂=3,400, В₃=-1,623, В₄=-1,695, для 13-и решеток С₀=5,73, А₀=3,697, А₁=-1,937, А₂=0,667, В₀=2,068, B₁=-2,910, В₂=3,199, В₃=-1,505, В₄=-1,651, для 14-и решеток С₀=4,70, А₀=3,526, A₁=-1,813, А₂=0,614, В₀=2,003, B₁=-2,815, В₂=3,062, В₃=-1,422, В₄=-1,575, для 15-и решеток С₀=3,78, А₀=3,356, A₁=-1,684, А₂=0,560, В₀=1,940, В₁=-2,722, В₂=2,928, В₃=-1,336, В₄=-1,490.

Толщина стенок дистанционирующих решеток 5 выбрана от 0,25 до 0,35 мм, а высота дистанционирующей решетки выбрана от 20 до 50 мм. Форма ячеек может быть выполнена любым известным способом. Дистанционирующие решетки 5 и направляющие каналы 3 предпочтительно выполнить из циркониевого сплава Э635; возможно сочетать сплавы Э635 и Э110: НК из сплава Э635 и ДР из сплава Э110.

Направляющие каналы 3 жестко соединены с дистанционирующими решетками посредством промежуточных втулок 8, размещенных в соответствующих ячейках дистанционирующих решеток. Жесткое соединение 9 направляющих каналов с дистанционирующими решетками осуществляют точечной сваркой, например электроконтактной. Жесткое соединение направляющих каналов с дистанционирующими решетками производят симметрично относительно продольной оси направляющего канала со стороны обоих торцов дистанционирующей решетки на расстоянии не более 0,15 h от торца дистанционирующей решетки. В этом случае существенно повышается изгибная прочность направляющих каналов.

Описываемая тепловыделяющая сборка может быть изготовлена на любом оборудовании, предназначенном для этих целей, и не требует создания принципиально новой оснастки.