ДИСТАНЦИОНИРУЮЩАЯ РЕШЕТКА ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩЕЙ СБОРКИ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА

Изобретение относится к дистанционирующим решеткам, используемым в атомной энергетике в качестве одного из элементов тепловыделяющей сборки ядерного реактора.

В процессе эксплуатации ядерного реактора тепловыделяющие элементы (твэлы) и тепловыделяющие сборки (ТВС) должны располагаться в строго определенном положении относительно друг друга. Одним из конструктивных элементов, с помощью которого достигается выполнение этого требования, является дистанционирующая решетка.

Решетки с заданным шагом располагаются по длине ТВС и совместно с направляющими каналами обеспечивают ее форму и геометрию в течение всего цикла работы. Дистанционирующие решетки не должны препятствовать изменению геометрии твэлов в связи с воздействием на них температурных и радиационных факторов, в то же время исключать вибрацию твэла и иметь низкий коэффициент поглощения нейтронов для повышения эффективности использования топлива. Кроме этого, дистанционирующие решетки являются частью каркаса тепловыделяющей сборки и во многом определяют жесткость ее конструкции.

Из уровня техники известна дистанционирующая решетка (см. Дементьев Б.А. Ядерные энергетические реакторы. Учебник для вузов, 2-е изд., перераб. и доп. М.: Энергоатомиздат, 1990, стр.44), которая имеет шестигранную форму и состоит из ячеек двух типов и обода, окружающего ее по периметру. Один тип ячеек выполнен в виде пятигранника, другой - шестигранника. Каждая ячейка снабжена внутренними выступами, между которыми устанавливаются твэлы. Все ячейки установлены так, что прилегают своими гранями к граням соседних ячеек или к ободу. Каждая пара прилегающих граней ячеек соединена между собой двумя сварными точками. Аналогичным образом соединены обод и грани ячеек, прилегающих к нему. Обод изготовлен из ленты, концы которой соединены сваркой. В качестве заготовок для ячеек использованы отрезки труб. В ТВС дистанционирующая решетка закрепляется на трубчатых каналах, в которых размещают стержни управления и защиты ядерного реактора. Для прохода этих каналов она снабжена отверстиями. Каждое такое отверстие выполнено путем пропуска в нужном месте одной шестигранной ячейки.

Решетка достаточно технологична, имеет низкий коэффициент захвата нейтронов, но не обладает требуемой жесткостью, что способствует искривлению ТВС относительно продольной оси при длительной работе в реакторе.

Известна также дистанционирующая решетка, состоящая из пересекающихся рядов параллельных пластин, соединенных в местах пересечения неразъемными соединениями хотя бы по торцам, и выштампованных на этих пластинах пружинных элементов, предназначенных для фиксирования твэлов в соответствующих ячейках (см. US 6707872, Yoon et al., G 21 C 3/34, опубл. 16.03.2004).

Наличие отверстий в пластинах, образовавшихся при штамповке опорных и пружинных элементов, уменьшает жесткость конструкции. Недостатком известной решетки является также необходимость одновременного совмещения требований по прочностным и упругим свойствам для одних и тех же элементов решетки. В результате не удается обеспечить весь необходимый комплекс свойств решетки.

Известна дистанционирующая решетка, содержащая ячейки, полученные пересечением рядов параллельных пластин, соединенных в местах пересечения неразъемными соединениями хотя бы по торцам, и закрепленных на этих пластинах пружинных элементов (см. US 6888911, Stabel-Weinheimer et al., G 21 C 3/336, опубл. 03.05.2005).

Решетка сложна в изготовлении в части установки фиксирования и закрепления в каждой ячейке пружинных элементов, кроме этого повышается вероятность разрушения некоторых из них и попадание в поток теплоносителя, что приводит к повреждению твэлов и преждевременной выгрузке ТВС. Для варианта с одним пружинным элементом не всегда обеспечиваются требуемые условия фиксации твэла, что способствует возникновению фреттинг коррозии твэлов и фиксирующих твэл поверхностей решетки.

Наиболее близким аналогом заявленной решетки является дистанционирующая решетка тепловыделяющей сборки ядерного реактора, известная из US 3904475, Tashima, G 21 C 3/30, опубл. 09.09.1975. Известная решетка составлена из рядов параллельных пластин, пересекающихся с образованием ячеек для размещения твэлов, указанные пластины соединены в местах пересечения неразъемными соединениями хотя бы по торцам, при этом решетка также содержит пружинные элементы, представляющие собой отрезки трубчатых оболочек с профилированными поверхностями, имеющими опорные участки. При этом пружинные элементы, закрепленные на указанных пластинах, предназначены для фиксирования твэлов, по меньшей мере, вне крайних рядов ячеек решетки. Таким образом, в рассматриваемой конструкции функции обеспечения жесткости и фиксирования твэлов разделены между ячейками, сформированными в результате пересечений параллельных пластин, и пружинными элементами, представляющими собой отрезки в виде трубчатых оболочек с профилированными поверхностями, имеющими опорные участки.

Недостатком известного решения является то, что расположение пружинных элементов по центру пересечений пластин, образующих ячейки, а также наличие в конструкции ТВС направляющих каналов предопределяют необходимость в обязательном порядке использовать в ячейках крайних рядов решетки и в ячейках, соседних с направляющими каналами, пружинные элементы принципиально другой конструкции, что наряду со сложностями сборки пружинных элементов с пластинами делает данную решетку мало привлекательной в технологическом плане. Кроме того, условия фиксирования твэлов в ячейках крайних рядов решетки, а также в ячейках, соседних с ячейками, предназначенными для направляющих каналов, по сравнению с ячейками остального поля решетки, различны. Это приводит к неравномерному нагружению твэлов под воздействием на них температурных и радиационных факторов, что способствует деформации ТВС.

Также, расположение пружинных элементов по центру пересечения пластин предопределяет их закрепление за счет нарушения целостности пластин, образующих ячейки. Все это усложняет конструкцию решетки, технологию ее изготовления и снижает прочностные характеристики конструкции.

Помимо этого, известная решетка не универсальна, так как пригодна только для технологий, при которых твэлы перемещаются через решетки при сборке ТВС методом затаскивания. Если сборка ТВС выполняется путем проталкивания твэла, когда перемещающийся первый его конец незаневолен и имеет возможность отклоняться от оси, не исключается упирание торца твэла в торец пружинного элемента, что нарушает условия сборки и может привести к повреждению как твэла. так и пружинного элемента. Конструкция пружинного элемента маловариантна, что делает невозможным использование ее для различных типов ТВС и не обеспечивает необходимые требования по фиксации твэла в ячейке, что способствует повышенному износу контактирующих поверхностей пружинного элемента и твэла.

Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение жесткости дистанционирующей решетки, надежности фиксации твэла, технологичности ее изготовления и универсальности конструкции.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в дистанционирующей решетке тепловыделяющей сборки ядерного реактора, составленной из рядов параллельных пластин, пересекающихся с образованием ячеек, причем указанные пластины соединены в местах пересечения неразъемными соединениями хотя бы по торцам, и содержащей также пружинные элементы, представляющие собой отрезки трубчатых оболочек с профилированными поверхностями, имеющими опорные участки, согласно изобретению пружинные элементы установлены и закреплены непосредственно в ячейках, предназначенных для размещения твэлов, при этом опорные участки каждого пружинного элемента включают в себя первые опорные участки, выступающие к оси пружинного элемента для фиксации твэла в ячейке, а также вторые опорные участки, выступающие к стенкам ячейки, причем по крайней мере один из вторых участков касается соответствующей стенки ячейки.

В частном случае осуществления изобретения пружинный элемент может быть закреплен в ячейке за счет неразъемного соединения по крайней мере одного опорного участка, касающегося стенки ячейки, с этой стенкой.

В другом частном случае могут быть неразъемно соединены между собой вторые опорные участки соседних пружинных элементов, между которыми находится общая для них стенка ячейки.

Предпочтительно, геометрическое место наиболее близких к оси пружинного элемента точек каждого из первых опорных участков представляет собой по существу одну точку либо отрезок прямой, либо участок плоскости, причем указанный отрезок либо соответственно участок плоскости при этом параллельны оси пружинного элемента.

Предпочтительно, по крайней мере, со стороны одного торца пружинного элемента, первые и вторые опорные участки имеют заходную часть в виде зомана или скоса, обращенного, соответственно, вовнутрь пружинного элемента или вовне его.

В частном случае высота вторых опорных участков больше высоты первых опорных участков, по крайней мере, на величину неразъемного соединения между стенкой ячейки и вторым опорным участком, касающимся этой стенки.

Еще в одном частном случае между опорными участками могут быть выполнены просечки. При этом первые опорные участки могут быть расположены по высоте пружинного элемента между вторыми опорными участками с выполнением просечек между указанными первыми и вторыми участками.

Представленная совокупность признаков обеспечивает решение поставленных задач, так как:

- размещение непосредственно в каждой ячейке, предназначенной для фиксации твэла, по крайней мере, одного пружинного элемента в виде трубчатого отрезка с профилированной поверхностью позволят отказаться от нарушения целостности пластин, образующих эти ячейки, что повышает жесткость дистанционирующей решетки. Упрощается конструкция решетки, повышается ее технологичность, из-за применения однотипных пружинных элементов во всех ячейках для размещения твэлов, в результате облегчается автоматизация процесса установки и закрепления пружинных элементов в ячейках, которая реализуется за счет использования робототехнических устройств и контактной точечной сварки;

- наличие у пружинного элемента первых опорных участков, выступающих к его оси для фиксации твэла в ячейке, и определяющих таким образом габариты отверстия для фиксации твэла, исключает недопустимое взаимодействие контактирующих поверхностей пружинного элемента и твэла с возникновением их фреттинг износа в условиях работы реактора. Посредством второй части опорных участков, выдающихся (направленных) к пластинам, образующим стенки ячейки, при том, что, по крайней мере, один из этих вторых участков касается соответствующей стенки ячейки, обеспечивается закрепление пружинного элемента в ячейке без нарушения целостности пластин, чем достигается требуемая жесткость решетки. В то же время количество вторых опорных участков, неразъемно соединенных с соответствующими стенками ячеек или со вторыми опорными участками пружинных элементов из соседних ячеек, влияет на условия закрепления твэла в ячейке и позволяет регулировать упругие свойства пружинного элемента, повышая тем самым универсальность конструкции;

- выполнение условия, при котором геометрическое место наиболее близких к оси пружинного элемента точек каждого из первых опорных участков представляет собой по существу одну точку либо отрезок прямой, либо участок плоскости, причем указанный отрезок либо соответственно участок плоскости, при этом параллельны оси пружинного элемента, обеспечивает различные условия контакта твэла и опорной поверхности от точки до плоскости в зависимости от требований, предъявляемых к фиксации твэла. Так, например, в том случае, если указанное геометрическое место точек представляет собой участок плоскости, обеспечивается минимальное значение удельного давления пружинной опоры на поверхность оболочки твэла, что является определяющим для одних условий работы решеток в составе ТВС, и может быть не оптимально для других условий, когда наиболее целесообразно иметь более жесткую опору с криволинейной поверхностью, при которой геометрическое место точек представляет собой по существу одну точку или отрезок прямой. На это направлены и варианты с отделением опорных участков пружинного элемента друг от друга просечками, в том числе и когда первые опорные участки расположены по высоте пружинного элемента между вторыми опорными участками. Наличие таких просечек повышает стабильность прижатия друг к другу опорных участков, соединяемых неразъемными соединениями, что особенно важно для условий получения трехслойного неразъемного соединения и позволяет выполнять установку пружинных элементов с некоторым зазором, что расширяет поле допуска на диаметральный размер пружинного элемента по вершинам опорных участков, выступающих (направленных) к его стенке, и повышает технологичность конструкции;

- наличие заходной части в виде зомана или скоса, по крайней мере, со стороны одного торца пружинного элемента на первых и вторых опорных участках позволяют облегчить установку пружинных элементов в ячейки, и организовать беспрепятственное перемещение твэла через решетки независимо от применяемой технологической схемы их сборки в ТВС, что повышает технологичность конструкции;

- при высоте вторых опорных участков большей, чем высота первых опорных участков пружинного элемента, по крайней мере, на величину (высоту) неразъемного соединения между вторым опорным участком и стенкой ячейки, которой он касается, облегчается выполнение этих соединений, что позволяет использовать предлагаемую конструкцию решеток с достаточно малыми размерами ячеек и при ограниченном свободном пространстве внутри пружинного элемента в широком диапазоне используемых диаметров твэлов;

- наличие неразъемного соединения между вторыми опорными участками соседних пружинных элементов, между которыми находится общая для них стенка ячейки, упрощает выполнение этих соединений и соответственно повышает технологичность конструкции. Кроме этого, при такой конструкции решетки условия фиксирования твэлов во всех ячейках получаются одинаковыми. В результате выравниваются термомеханические нагрузки на решетку, на оболочку твэла и в целом на ТВС, уменьшается опасность возникновения повреждения как оболочек твэлов, так и пружинных элементов из-за их взаимодействия в процессе работы реактора.

Изобретение более подробно поясняется далее на конкретных примерах его осуществления со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых схематично показаны:

на фиг.1 и 2 - фрагмент предлагаемой дистанционирующей решетки;

на фиг.3-6 - варианты конструкции пружинных элементов;

на фиг.7-8 - варианты расположения пружинных элементов в решетке;

на фиг.9 и 10 - схемы крепления пружинных элементов в ячейке;

на фиг.11-13 - реализуемые формы поверхности опорных участков для фиксации твэла (первых опорных участков).

Предлагаемая решетка состоит из пересекающихся рядов 1, 2 параллельных пластин, образующих ячейки 3, и соединенных в местах пересечения между собой, по крайней мере, по торцам неразъемными соединениями 4. Сборка пересекающихся между собой пластин осуществляется за счет пазов, которые прорезаются в этих пластинах, например, на половину их ширины с заданным шагом. Торцами пластины входят также в пазы обода 5 (фиг.2), ограничивающего эти пластины по периметру, и соединяются с ним сварными швами 6. Для соединения торцов пластин с ободом применяются швы, выполненные сваркой плавлением, а замыкание обода обеспечивается либо сваркой плавлением, либо точечными швами, выполняемыми контактной сваркой.

В каждой из ячеек 3, предназначенной для фиксирования твэлов 7 (см. фиг.1), установлен, по крайней мере, один пружинный элемент 8. Пружинный элемент 8 может изготавливаться из тонкостенной оболочки или плоского проката с последующим приданием ему объемной трубчатой формы. Боковая поверхность пружинного элемента 8 профилирована механической обработкой, в результате чего на ней по периметру элемента образованы опорные участки. Вершины первых опорных участков 9 направлены (выступают) в сторону оси пружинного элемента и образуют отверстие для размещения твэла 7 (определяют габариты этого отверстия), а вершины вторых опорных участков 10 направлены (выступают) в сторону стенок соответствующей ячейки 3 (см. фиг.3-6). При этом в рамках настоящего изобретения возможны различные конкретные формы выполнения опорных участков 9 и 10. Например, как показано на фиг.3, пружинный элемент 8 может выполняться в виде части цилиндрической поверхности, направляющая которой включает в себя по существу параболические участки, определяющие первые опорные участки 9 этой поверхности, направленные к центральной оси пружинного элемента 8, а также сопряженные с ними по существу прямолинейные участки, определяющие вторые опорные участки 10, направленные (выступающие) к стенкам ячейки 3. Аналогичные формы выполнения пружинного элемента 8 показаны также на фиг.4 и 5 за исключением того, что в этих случаях первые опорные участки 9 имеют вырезы 13 или проточки 14, назначение которых будет показано ниже.

Еще одна возможная форма выполнения пружинного элемента показана на фиг.6. В этом случае вторые опорные участки 10 (всего их выполняется два - по одному сверху и снизу) выполнены в виде одинаковых частей цилиндрической поверхности, направляющая которой содержит по существу плоские участки, определяющие контактирующие со стенками ячейки 3 части вторых опорных участков 10, и сопряженные с ними дугообразные участки. При этом совокупность первых опорных участков 9 представляет собой по существу многогранник, сопряженный со вторыми опорными участками 10 посредством конических переходных поверхностей, большее основание каждой из которых является линией сопряжения этой переходной поверхности со вторым опорным участком 10. Возможны также и другие частные случаи выполнения опорных участков 9 и 10, в частности, выполнение первых опорных участков 9 в виде частей сферической поверхности (как показано на фиг.11).

Далее, по крайней мере, один из вторых опорных участков 10 пружинного элемента 8 соприкасается со стенкой ячейки 3 и образует с ней неразъемное соединение, выполненное, например, контактно-точечной сваркой, с простановкой сварных точек 11, (см. фиг.7, 8), как правило, ближе к краям поверхности опорного участка 10. Сварное соединение может иметь одно общее литое ядро, при расположении его в основном в стенке ячейки 3, или два отдельных ядра, как показано на фиг.9. Конкретная геометрия сварного соединения определяются исходя из толщин свариваемых материалов и особенностей их сварочно-технологических свойств. Если высота пружинного элемента 8 превышает высоту ячеек 3, то неразъемное соединение может выполняться между вторыми опорными участками 10 соседних пружинных элементов 8, прилегающими к одной общей стенке соседних ячеек 3. При этом стенка ячейки 3 располагается между наружными поверхностями опорных участков 10 соседних пружинных элементов 8, соединенных по торцам между собой неразъемными соединениями 12, как показано на фиг.10. Таким образом, пружинный элемент 8 закрепляется в ячейке 3 на стенке решетки. Аналогичное соединение может быть выполнено и на уровне высоты ячейки 3, если в ее стенке будут выполнено отверстие (не показано), однако это усложняет конструкцию решетки, снижает ее жесткость.

В зависимости от требований, предъявляемых к ТВС, условий эксплуатации, а также масштабных факторов конструкция решетки может иметь различные исполнения, определяемые количеством, расположением пружинных элементов 8 по высоте решетки и исполнением самих пружинных элементов. Так количество пружинных элементов 8 может быть увеличено, например, до двух с расположением их по краям ячеек 3 в торец друг другу, как показано на фиг.7. Они могут также устанавливаться со смещением относительно друг друга в соседних ячейках 3, например, для упрощения технологии сварки (см. фиг.8). Конкретная форма пружинного элемента 8, и в частности его опорных участков 9, контактирующих с твэлом 7, которая может представлять собой плоскость, линию или точку (см. фиг.11-13), выбирается исходя из условий работы и используемых материалов. Так при необходимости иметь минимальные усилия взаимодействия поверхности опорного участка 9 с оболочкой твэла 7, наиболее оптимальной поверхностью контакта является плоскость (фиг.12), которая в условиях реального взаимодействия с твэлом 7 может деформироваться в пределах допустимой упругой деформации.

Для случаев, когда указанная выше зависимость должна быть выражена более явно, а также, если требуется компенсация неточностей изготовления комплектующих решетки, их сборки, связанных, например, с непараллельностью их осей оси твэла 7, поверхность первого опорного участка 9 выполняется радиусной формы (выпуклой в сторону оси пружинного элемента 8) (см. фиг.11, 13).

Исходя из условий экономичности конструкции и обеспечения оптимальных характеристик по гидравлическому сопротивлению, высота пружинного элемента 8 должна быть минимальной, но в тоже время она должна быть достаточной для получения требуемого усилия фиксации твэла 7 в решетке. Эти условия, как правило, обеспечиваются при высоте пружинного элемента 8 меньше высоты ячейки 3. Однако в некоторых случаях, например, когда возникают технологические трудности с выполнением качественных сварных соединений пружинного элемента 8 с пластинами, из-за малого диаметра ячейки 3, высота пружинного элемента 8 может увеличиваться вплоть до высоты ячейки 3. При этом для сохранения требуемого усилия поджатия первый опорный участок 9 со стороны торцов имеет вырез 13 (фиг.4), или просечки 14 (фиг.5). Со стороны торцов первые и вторые опорные участки 9 и 10 пружинного элемента 8 могут иметь зоманы 15 или скосы 16 (см. фиг.3), которые выполняют роль направляющих при установке пружинных элементов 8 в ячейки 3 решетки и облегчают перемещение твэлов 7 в ячейках 3. Величина скоса 16 в осевом направлении зависит от точности изготовления ячеек 3, жесткости торца, наличия фаски на гранях пластин (не показано). Величина зомана 15 не должна препятствовать выполнению сварных швов и оказывать видимое влияние на гидравлическое сопротивление решетки. Просечки 14, если возникает в них необходимость, находятся в местах сопряжения первых и вторых опорных участков 9 и 10 пружинного элемента 8, по крайней мере, через одно такое сопряжение. Протяженность просечек 14 - до уровня расположения неразъемного соединения пружинного элемента 8 со стенкой ячейки 3. В ячейках 3, предназначенных для размещения каналов 17 (фиг.1), пружинные элементы 8 не устанавливаются. Соединение решетки с направляющими каналами 17 осуществляется контактной точечной сваркой непосредственно друг с другом, для чего на торцах пластин в местах образования ячеек 3 под каналы оставляют лепестки (не показано). Дистанционирующая решетка выполняется из материалов с малым коэффициентом захвата нейтронов, например из сплавов циркония. Кроме этого, пластины с одной стороны своих торцов могут иметь дефлекторы для перемешивания потока теплоносителя (не показаны).

Дистанционирующая решетка работает следующим образом.

В ячейках 3, образованных параллельными пластинами пересекающихся рядов 1 и 2, соединенных между собой и ободом 5 неразъемными соединениями 4, 6, выполненными сваркой плавлением, например, лазерной или электронно-лучевой, и содержащих пружинные элементы 8, устанавливаются твэлы 7. В процессе перемещения твэлов 7 через ячейки 3 решеток, формирующих каркас ТВС, они по ходу движения своей торцевой частью входят в отверстие, образованное (определяемое) первыми опорными участками 9 пружинного элемента 8 в центральной области ячейки, упруго деформируя контактирующую с твэлом 7 поверхность опорного участка 9. Беспрепятственному перемещению твэла 7 способствует заходная часть в виде зомана 15 или скоса 16, имеющаяся на торцах первых опорных участков 9 пружинного элемента 8. При этом создается определенное усилие, фиксирующее твэл 7 в заданном положении. Величина этого усилия в основном зависит от конструктивного выполнения пружинного элемента 8 и характеристик используемых материалов. Максимальное заневоливание твэла 7 обеспечивается при использовании пружинных элементов 8, форма поверхности первых опорных участков 9 которых близка к сферической (фиг.11), и контактирующих по поверхности вторых опорных участков 10 со стенками ячеек 3, в которые они установлены с натягом, и соединенных с ними неразъемными соединениями, а также за счет увеличения длины пружинного элемента 8, количества этих элементов 8 в ячейке 3 и применения материалов повышенной жесткости.

Минимальное взаимодействие твэла 7 с пружинным элементом 8 достигается за счет уменьшения его жесткости путем использования поверхности первого опорного участка 9 пружинного элемента 8, контактирующей с твэлом 7, в виде участка плоскости, параллельной оси пружинного элемента 8 (см. фиг.12), уменьшения количества неразъемных соединений 11 вторых опорных участков 10 пружинных элементов 8 со стенками ячеек 3, и выполнением просечек 14 между опорными участками.

Таким образом, при работе дистанционирующей решетки в реакторе основную механическую нагрузку, связанную с температурными и радиационными градиентами, воспринимают ее ячейки 3 вместе с направляющими каналами 17, проходящими через определенные ячейки 3 решеток, а требуемые условия фиксации твэла 7, как от недопустимых вибраций, так и от чрезмерного нагружения оболочки осевыми усилиями, обеспечивают пружинные элементы 8, установленные в этих ячейках. От осевого смещения решеток в процессе работы ТВС в реакторе предохраняют сварные соединения пластин, образующих ячейки 3, с направляющими каналами 17. В связи с тем, что пружинные элементы 8, установленные в ячейках 3 решетки, имеют одинаковую конструкцию, условия фиксирования твэлов 7 во всех ячейках 3 получаются близкими. В результате выравниваются термомеханические нагрузки на решетку, на оболочку твэла и в целом на ТВС, уменьшается опасность возникновения повреждения как оболочек твэлов, так и пружинных элементов из-за их взаимодействия в процессе работы реактора.

В заключение следует заметить, что вышеприведенные примеры предназначены лишь для лучшего понимания сущности изобретения и ни в коей мере не ограничивают объем притязаний, полностью определяемый исключительно прилагаемой формулой изобретения.