Результат интеллектуальной деятельности: РАБОЧАЯ КАССЕТА ДЛЯ АТОМНОГО РЕАКТОРА АЭС (ВАРИАНТЫ)

Настоящее изобретение относится к ядерной технике, более конкретно к рабочей кассете с урановым топливом для атомного реактора.

В России и восточной Европе построены и эксплуатируются атомные реакторы ВВЭР-440 разных конструкций для атомных электростанций (АЭС), в которых активная зона реакторов состоит из рабочих кассет (РК), неподвижно устанавливаемых в активной зоне, и кассет аварийной защиты (АРК). При этом каждая рабочая кассета, как известно, например, из патента России RU 2198439, представляет собой гексагональную тепловыделяющую сборку, которая состоит из оболочки в виде циркониевой трубы или уголков шестиугольного сечения, на верхнем конце которой установлена головка, а на нижнем - хвостовик, и 126 тепловыделяющих элементов (твэлов), установленных на нижней опорной решетке, соединенной с хвостовиком кассеты. Равномерные зазоры между твэлами обеспечиваются установкой дистанционирующих решеток. Над активной зоной расположена массивная плита, поджимающая кассеты через подпружиненные упоры головок кассет. При этом оболочка, головка, хвостовик и нижняя решетка кассеты жестко соединены между собой, тогда как твэлы связаны с нижней решеткой нежестко.

Элементы существующих ядерных реакторов и элементы кассет выполнены с большим запасом прочности, однако в условиях длительной эксплуатации реакторов, когда возрастает по разным причинам разница в расходах теплоносителя через отдельно взятую кассету и когда существует потребность работать на повышенных мощностях, а следовательно, и повышенных расходах, проявляются отдельные недостатки конструкции кассет.

Так, поскольку связь между нижней решеткой и твэлами является нежесткой и осуществляется посредством крепления хвостовиков твэлов в нижней решетке, которое предполагает наличие осевых и продольных люфтов, как это видно на прилагаемых Фиг.2-4, то, исходя из того, что на твэлах происходит основная потеря давления теплоносителя при его проходе через кассету, нежесткая связь и излишняя податливость самой решетки в условиях возможных колебаний давления могут привести к взаимному истиранию элементов соединения хвостовиков твэлов и нижней решетки и, таким образом, к выходу кассет из строя.

Кроме того, при установке в реактор под действием силы веса пучка твэлов в ˜160 кг имеет место изгиб нижней решетки, при этом твэлы в пучке, закрепленные в нижней решетке, из-за изгиба последней, периферийные и центральные, стремятся занять различные положения, и перемещение периферийных твэлов в дистанционирующих решетках будет затруднено. В рабочем режиме под воздействием давления потока теплоносителя, создающего усилие, направленное против веса пучка твэлов и компенсирующее его, изогнутая нижняя решетка будет выпрямляться. В случае колебаний давления потока теплоносителя усилие, создаваемое теплоносителем, становится переменным, вызывая колебания нижней опорной решетки совместно с пучком твэл. При этом центральная часть опорной решетки имеет значительно большую амплитуду колебаний, чем периферийная.

Колебательные перемещения твэлов, вызванные перемещениями нижней решетки, приводят к неравномерным перемещениям элементов дистанционирующих решеток, жесткость которых незначительна, поскольку они образованы ячейками, связанными между собой лишь сварными точками. Перемещение периферийных областей дистанционирующих решеток также оказывается меньше перемещений центра, так как их перемещения также осуществляются совместно с перемещениями твэлов до тех пор, пока не появляется люфт в соединении твэл - ячейка дистанционирующей решетки и не начинается независимое перемещение твэлов относительно дистанционирующей решетки, имеющее место, прежде всего, в центральной части нижних дистанционирующих решеток, что приводит к взаимным истираниям поверхностей твэлов и ячеек дистанционирующих решеток.

Вышеописанные явления имеют место в случае, когда переменная подъемная сила потока теплоносителя не превышает веса пучка. В случае же, когда переменная подъемная сила, воздействующая на нижнюю решетку и пучок твэлов, превысит вес пучка, наряду с совместными колебаниями нижней решетки и пучка твэлов начинаются еще и перемещения пучка твэлов и, прежде всего, его центральной части относительно нижней решетки, усугубляемые тем, что соединение твэл - нижняя опорная решетка имеет люфты. В этом случае начинается интенсивное истирание хвостовиков твэл и продолжаются взаимные истирания соединений твэл - ячейка дистанционирующей решетки.

Описанные выше недостатки усугубляются и тем, что поле скоростей теплоносителя неравномерно, скорость теплоносителя в центральной части значительно выше, чем на периферии сечения кассеты, т.е. центральная, наиболее слабая часть кассеты подвергается значительно большему воздействию, чем периферийная.

Поскольку рабочие кассеты с урановым топливом являются весьма дорогостоящими, то сокращение срока их службы является крайне нежелательным и экономически весьма невыгодным.

Таким образом, технической задачей настоящего изобретения является создание конструкции кассеты, которая бы позволила повысить ее надежность в самых жестких условиях эксплуатации, имеющих место в реакторах различных конструкций.

Данная техническая задача решается путем создания рабочей кассеты атомного реактора, содержащей головную и хвостовую части, соединенные шестигранной трубой, причем головная часть включает в себя пружинный блок из шести подпружиненных упоров, расположенных в расточках в верхнем торце головной части и выступающих из нее, и гексагональный пучок тепловыделяющих элементов, удерживаемых в расположенных по длине трубы дистанционирующих решетках и установленных в нижней опорной решетке, примыкающей к хвостовой части, в которой согласно изобретению хвостовики твэлов дополнительно по существу безлюфтово закреплены в нижней опорной решетке с помощью установочных элементов.

Предпочтительно установочными элементами являются установочные проволоки, гофрированные пластины или элементы конструкции нижней решетки.

Предпочтительно профиль закрепляемого хвостовика каждого твэла выполнен с возможностью взаимодействия с установочными элементами для закрепления в нижней решетке по существу без люфта в осевом направлении.

Предпочтительно профиль закрепляемого хвостовика каждого твэла выполнен с возможностью обеспечения закрепления в нижней решетке по существу без люфта в поперечном направлении.

Предпочтительно профиль закрепляемого хвостовика каждого твэла выполнен с возможностью взаимодействия с установочными элементами.

Дополнительно нижняя опорная решетка может быть выполнена с возможностью по существу безлюфтового закрепления хвостовиков твэлов.

Установочные элементы дополнительно могут быть выполнены с возможностью повышения антидебризной защищенности кассеты.

Техническая задача также решается за счет того, что в рабочей кассете атомного реактора, содержащей головную и хвостовую части, соединенные шестигранной трубой, причем головная часть включает в себя пружинный блок из шести подпружиненных упоров, расположенных в расточках в верхнем торце головной части и выступающих из нее, и гексагональный пучок тепловыделяющих элементов, удерживаемых в расположенных по длине трубы дистанционирующих решетках и установленных в нижней опорной решетке, примыкающей к хвостовой части, согласно изобретению нижняя опорная решетка выполнена с дополнительными армирующими элементами, по меньшей мере, на части ее нижней поверхности, повышающими ее жесткость.

Предпочтительно армирующими элементами являются радиальные ребра, выполненные с нижней стороны нижней решетки и проходящие по ее радиусу.

Высота ребер может быть выполнена переменной и увеличивающейся от середины к периферии нижней решетки.

Армирующими элементами могут быть выполненные, по меньшей мере, на части толщины нижней решетки дополнительные ребра жесткости, которые также могут быть элементами, повышающими антидебризную защищенность кассеты.

Предпочтительно армирующим элементом является установленная с нижней стороны нижней опорной решетки пластина, которая жестко соединена с нижней опорной решеткой и рисунок отверстий в которой повторяет рисунок отверстий в нижней решетке.

Армирующим элементом может быть установленная с нижней стороны нижней опорной решетки пластина, которая жестко соединена с нижней опорной решеткой и рисунок отверстий в которой отличается от рисунка отверстий в нижней решетке тем, что в ней отсутствуют отверстия под хвостовики твэлов.

Предпочтительно отверстия в пластине имеют переменное сечение по ее толщине.

Предпочтительно в отверстиях пластины, по меньшей мере, на части ее толщины выполнены перегородки, имеющие различную толщину и угол наклона к оси отверстия.

Предпочтительно пластина соединена с нижней опорной решеткой с помощью пайки или с помощью сварки.

Пластина может быть выполнена как одно целое с нижней опорной решеткой посредством литья или механической обработки.

Перечисленные технические задачи также решаются за счет создания рабочей кассеты атомного реактора, содержащей головную и хвостовую части, соединенные шестигранной трубой, причем головная часть включает в себя пружинный блок из шести подпружиненных упоров, расположенных в расточках в верхнем торце головной части и выступающих из нее, и гексагональный пучок тепловыделяющих элементов, удерживаемых в расположенных по длине трубы дистанционирующих решетках и установленных в нижней опорной решетке, примыкающей к хвостовой части, в которой согласно изобретению нижние концы твэлов дополнительно по существу безлюфтово закреплены в нижней опорной решетке с помощью установочных элементов, и нижняя опорная решетка выполнена с дополнительными армирующими элементами, повышающими ее жесткость.

Далее изобретение будет пояснено более подробно со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг.1 - продольный разрез рабочей кассеты ядерного реактора согласно изобретению,

Фиг.2-4 - крепления хвостовиков твэлов в нижней решетке согласно известному уровню техники,

Фиг.5-10 - виды сбоку вариантов выполнения хвостовиков твэлов, обеспечивающих исключение осевого и радиального люфтов,

Фиг.11, 12 - виды сбоку вариантов крепления хвостовика твэла к нижней решетке с помощью установочной проволоки,

Фиг.13-20 - виды сбоку вариантов закрепления хвостовиков к нижней опорной решетке,

Фиг.21 - вид на нижнюю решетку с установленными на ней твэлами сверху,

Фиг.22 - вид на нижнюю решетку с установленными на ней твэлами снизу,

Фиг.23, 24 - варианты размещения установочных элементов,

Фиг.25 - неразъемное прикрепление хвостовика твэла к нижней опорной решетке,

Фиг.26, 27 - виды, показывающие расположение ребер жесткости нижней решетки,

Фиг.28-31 - виды вариантов закрепления хвостовиков твэлов в нижней опорной решетке с армирующим элементом в виде пластины,

Фиг.32 - сечение отверстия для теплоносителя с перегородкой в нем.

Как видно из Фиг.1, рабочая кассета, в целом обозначенная позицией 1, представляет собой гексагональную тепловыделяющую сборку, которая состоит из корпуса 2 в виде циркониевой трубы шестиугольного сечения, на верхнем конце которой установлена головная часть 3, а на нижнем - хвостовая часть 4, и пучка твэлов 5, закрепленных в нижней опорной решетке 6, соединенной с хвостовой частью 4 кассеты. Равномерные зазоры между твэлами 5 обеспечиваются установкой дистанционирующих решеток 7, гарантирующих равномерное прохождение потока теплоносителя через кассету. Теплоноситель подается в рабочую кассету под большим давлением через хвостовую часть 4 и сквозь нижнюю опорную решетку 6, создавая при этом подъемную силу, действующую как на нижнюю опорную решетку 6, так и на твэлы 5.

Согласно одному варианту воплощения изобретения для исключения люфтов как осевого, так и радиального, имеющих место между хвостовиками 9 твэлов 5 и нижней опорной решеткой 6 в таких конструкциях, как показанные на Фиг.2-4, наличие которых вызывает перемещения пучка твэлов 5 относительно нижней опорной решетки 6 и, как следствие, интенсивное истирание хвостовиков 9 твэлов, профили хвостовиков 9 твэлов должны быть выполнены такими, чтобы обеспечить выборку таких люфтов самостоятельно или в совокупности с дополнительными установочными элементами.

Так, на Фиг.5-10 показаны профили хвостовиков 9 твэлов 5, позволяющие существенно снизить их люфт в осевом направлении и радиальном направлении. На этих фигурах показаны профили хвостовиков 9 твэлов 5, для которых люфт как в осевом, так и в радиальном направлениях может быть существенно снижен за счет использования дополнительных установочных элементов. Такими установочными элементами могут быть любые виды шплинтов, установочные проволоки, гофрированные пластины или элементы конструкции нижней опорной решетки 6. Профиль закрепляемого хвостовика каждого твэла выполнен с возможностью взаимодействия с установочными элементами для закрепления в нижней решетке по существу без люфта в осевом и радиальном направлениях, а нижняя опорная решетка 6 имеет такую конструкцию, чтобы по существу безлюфтово закреплять хвостовики 9 твэлов.

На Фиг.11, 12 показаны предпочтительные варианты вариантов крепления хвостовика твэла к нижней решетке, в которых в качестве установочного элемента использована установочная проволока 10. При этом проиллюстрирован вариант, в котором установочная проволока 10 имеет некруглое сечение, а торец хвостовика 9 располагается либо вровень с нижней решеткой (на Фиг.11), либо выступает из нее (на Фиг.12).

На Фиг.5, 6 показаны профили хвостовиков 9, в которых выполнены канавки, а на Фиг.9, 10 показаны профили, в наружной поверхности которых выполнены проточки, взаимодействующие с установочной проволокой 10. Причем форма и размеры сечения установочной проволоки 10 и форма и размеры взаимодействующих с ней элементов хвостовиков 9 твэлов 5 выполнены такими, чтобы осуществлять надежное зацепление между ними.

На Фиг.13-20 представлены варианты крепления хвостовиков 9, выполненных с проточкой в их внешней поверхности, к нижней решетке 6, при этом на Фиг.13-16 установочная проволока 10 проходит с одной стороны хвостовика, а на Фиг.17-20 - с обеих его сторон. Кроме того, в вариантах, представленных на Фиг.13, 14 и 17, 18, концы хвостовиков 9 выступают из нижней опорной решетки 6 и установочные проволоки 10 проходят по ее нижней поверхности, а в вариантах, представленных на Фиг.15, 16 и 19, 20, нижние торцы хвостовиков 9 проходят вровень с нижней поверхностью нижней опорной решетки 6, и установочные проволоки 10 пропущены в теле нижней опорной решетки 6. При этом на Фиг.21 и 22 показана для варианта с Фиг.16 соответственно верхняя поверхность нижней опорной решетки 6 с установленными на ней твэлами 5 и отверстиями 11 для теплоносителя и нижняя поверхность нижней опорной решетки 6 с торцами хвостовиков 9, имеющими проточки и взаимодействующими с пропущенной в нижней решетке установочной проволокой 10.

Соответственно для каждого из представленных на Фиг.13-20 вариантов крепления имеется своя схема размещения установочной проволоки 10. При этом установочные элементы, например установочная проволока 10, могут проходить по касательной к хвостовикам, располагаясь в выполненных в них проточках, как показано на Фиг.23, а могут проходить через их центры, как это показано на Фиг.24. Однако расположение установочных элементов может быть выполнено и любым другим способом, т.е. проволоки 10 могут быть пропущены параллельно любой из сторон шестигранного сечения нижней решетки 6 для взаимодействия с каждым из отверстий 11 в опорной решетке 6, предназначенных для пропускания теплоносителя. Возможно и такое расположение установочных проволок 10 на поверхности нижней опорной решетки, когда проволоки 10 проходят через отверстия 11 для теплоносителя в нижней опорной решетке 6. В этом случае установочные проволоки 10, проходящие через отверстия 11 и кратно уменьшающие их диаметр, будут дополнительно являться антидебризными или фильтрующими элементами.

Установочный элемент, в частности установочная проволока 10, работает следующим образом.

При сборке кассеты 1 хвостовики 9 твэлов 5 вводятся в соответствующие отверстия, равномерно и рядами выполненные в нижней опорной решетке 6. После этого с нижней стороны опорной решетки 6 пропускаются установочные проволоки 10, входящие в канавки, выполненные в хвостовиках твэлов 5, как это показано на Фиг.13-20, поочередно с одной и с другой ее стороны, надежно фиксируя хвостовики 9 твэлов относительно опорной решетки и притягивая их друг к другу, тем самым исключая появление нежелательных люфтов.

Работа варианта выполнения хвостовиков 9, показанных на Фиг.11 и 12, осуществляется следующим образом. После пропускания хвостовиков 9 твэлов 5 в соответствующие отверстия в опорной решетке 6 в выполненные в хвостовиках 9 проточки сложной формы вводится установочная проволока 10, например, имеющая каплевидную форму поперечного сечения, позволяющую путем натяжения установочной проволоки 10 надежно притянуть твэл 5 к опорной решетке 6 и расклинить его хвостовик 9, тем самым исключив люфт в осевом направлении и значительно уменьшив люфт в поперечном направлении.

Следует отметить, что хвостовик 9 твэла может образовывать с нижней решеткой 6 как разъемное, так и неразъемное соединение.

Неразъемное соединение хвостовика 9 с нижней решеткой 6 представлено на Фиг.26, на которой показано закрепление хвостовика 9 твэла после введения в отверстие под твэл в нижней решетке 6 с помощью установочного элемента, например, установочной проволоки 10.

Согласно второму варианту воплощения изобретения для существенного уменьшения до величины, не превышающей 0,01 мм, колебательных смещений центральной части нижней опорной решетки 6 в результате перепадов давления подачи теплоносителя были использованы дополнительные армирующие нижнюю опорную решетку элементы, предназначенные для повышения ее жесткости.

Такие армирующие элементы могут быть ребрами жесткости 15, выполняемыми с нижней стороны опорной решетки 6, могут иметь любую форму сечения, а число их может варьироваться. Высота ребер по их длине может оставаться постоянной, а может быть выполнена переменной по длине каждого ребра 15, причем предпочтительной является высота ребра, увеличивающаяся от центра к периферии опорной решетки 6. Варианты расположения ребер показаны на Фиг.26 и 27.

Наиболее предпочтительным является выполнение ребер 15, проходящих по радиусу от центра опорной решетки 6 к ее периферии, как показано на Фиг.26, при этом ребра 15 могут проходить от центра к каждой вершине шестиугольного сечения опорной решетки 6, а могут проходить к каждой второй такой вершине.

Крепление ребер может быть выполнено любым известным способом. Например, в центре нижней решетки может быть закреплена втулка (как показано на Фиг.26 и 27), и армирующие элементы могут быть прикреплены сваркой к такой втулке.

Армирующий элемент может быть выполнен и в виде устанавливаемой с нижней стороны нижней опорной решетки 6 пластины 16 (как показано на Фиг.28-31).

Пластина 16 может иметь рисунок, полностью повторяющий рисунок нижней решетки, а может иметь рисунок, отличающийся от рисунка нижней решетки 6 тем, что в ней не выполняются отверстия под хвостовики твэлов, а выполняются лишь отверстия 11 для теплоносителя, что позволяет повысить жесткость решетки и выровнять поток теплоносителя по площади решетки.

При этом отверстия для теплоносителя в нижней решетке можно выполнить с переменным сечением по ее толщине, увеличивающимся или уменьшающимся в направлении подачи теплоносителя. Выполнение отверстий расширяющимися в центре нижней решетки 6 и сужающимися по ее периферии служит для перераспределения и выравнивания нагрузки на решетку по всему ее сечению.

Кроме того, в отверстиях для теплоносителя нижней решетки 6, по меньшей мере, на части ее толщины могут быть выполнены перегородки 17, как показано на Фиг.32. Такие перегородки 17 могут иметь различную толщину и располагаться под различными углами наклона к осям отверстий для теплоносителя по площади нижней решетки. Установка упомянутых перегородок также способствует повышению жесткости нижней решетки, а также повышению антидебризной защищенности кассеты и выравниванию потока теплоносителя.

При этом упомянутая пластина 16 жестко соединяется с нижней опорной решеткой 6 любым известным способом, например с помощью пайки или сварки.

Армирующие элементы как в виде ребер 15, так и в виде пластины 16 существенно повышают жесткость нижней опорной решетки 6, сводя к минимуму колебания ее центральной части.

Согласно третьему варианту воплощения настоящего изобретения нижняя опорная решетка выполняется и с безлюфтово закрепленными в ней с помощью установочных элементов хвостовиками твэлов, и с выполненными с нижней стороны нижней опорной решетки армирующими элементами, повышающими ее жесткость.

Настоящее изобретение было описано на примерах вариантов выполнения, показанных на чертежах. Однако изобретение может иметь многочисленные модификации и вариации в пределах, определяемых объемом формулы изобретения.