тепловыделяющая сборка ядерного реактора (варианты)

Формула изобретения

1. Тепловыделяющая сборка ядерного реактора, включающая пучок тепловыделяющих элементов, установленных в каркасе из шестигранных дистанционирующих решеток, смонтированных на трубчатых каналах, закрепленных вместе с тепловыделяющими элементами нижними заглушками в шестигранной нижней опорной решетке, имеющей отверстия для протока теплоносителя, хвостовик, закрепленный к шестигранной нижней опорной решетке, и головку, закрепленную на верхних концах трубчатых каналов, отличающаяся тем, что в шестигранной нижней опорной решетке отверстия для протока теплоносителя выполнены в виде равносторонних треугольников с закругленными углами, расположенными симметрично относительно отверстий под нижние заглушки тепловыделяющих элементов и трубчатых каналов в количестве шести штук вокруг каждого из них с направлением закругленных углов в их сторону, при этом по периферии каждой грани шестигранной нижней опорной решетки расположены по одиннадцать отверстий для нижних заглушек тепловыделяющих элементов, образующих перпендикулярно с противоположной гранью шестигранной нижней опорной решетки параллельные между собой ряды чередующихся отверстий для нижних заглушек тепловыделяющих элементов и спаренных через перемычку оснований треугольных с закругленными углами отверстий для протока теплоносителя.

2. Тепловыделяющая сборка ядерного реактора, включающая пучок тепловыделяющих элементов, установленных в каркасе из шестигранных дистанционирующих решеток, смонтированных на трубчатых каналах, закрепленных вместе с тепловыделяющими элементами нижними заглушками в шестигранной нижней опорной решетке, имеющей отверстия для протока теплоносителя, хвостовик, закрепленный к шестигранной нижней опорной решетке, и головку, закрепленную на верхних концах трубчатых каналов, отличающаяся тем, что в шестигранной опорной решетке отверстия для протока теплоносителя выполнены круглой формы и расположены симметрично относительно отверстий под нижние заглушки тепловыделяющих элементов и трубчатых каналов в количестве шести штук вокруг каждого из них, при этом по периферии каждой грани шестигранной нижней опорной решетки расположены по одиннадцать отверстий для нижних заглушек тепловыделяющих элементов, образующих перпендикулярно с противоположной гранью шестигранной нижней опорной решетки параллельные между собой ряды чередующихся отверстий для нижних заглушек тепловыделяющих элементов и спаренных через перемычку отверстий круглой формы для протока теплоносителя.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к атомной энергетике и может быть использовано на предприятиях изготовления тепловыделяющих сборок, преимущественно для водо-водяных энергетических реакторов ВВЭР-1000, ВВЭР-440.

Известна тепловыделяющая сборка ядерного реактора ВВЭР-440, включающая пучок тепловыделяющих элементов, установленных в каркасе из дистанционирующих решеток шестигранной формы, смонтированных на центральном трубчатом канале, закрепленном вместе с тепловыделяющими элементами в нижней опорной решетке, хвостовик, соединенный с нижней решеткой, головку, закрепленную к одному концу чехла с крепежом другого конца чехла к хвостовику (см. Дементьев Б.Д. Ядерные энергетические реакторы. М.: Энергоатомиздат, 1990 г., стр.31-35).

В известной тепловыделяющей сборке от осевого перемещения тепловыделяющих элементов вниз относительно нижней опорной решетки использован кольцевой выступ на каждой нижней заглушке над верхним торцом нижней опорной решетки, а от перемещения вверх торцы нижних заглушек тепловыделяющих элементов закреплены под нижним торцом нижней опорной решетки, имеющей отверстия для прохода теплоносителя (см. там же, стр.31-32). Для тепловыделяющей сборки, представляющей собой пучок стержневых тепловыделяющих элементов, характерны торцевые перфорирующие устройства, предназначенные для закрепления тепловыделяющих элементов по торцам, и промежуточные дистанционирующие устройства. Это, несомненно, способствует перемешиванию и турбулизации теплоносителя и интенсификации теплообмена. В то же время дистанционирующие устройства увеличивают гидравлическое сопротивление (см. там же, стр.216). Отсюда следует, что увеличение жесткости нижней решетки за счет уменьшения сечения отверстий для протока теплоносителя не допустимо, а увеличение толщины для увеличения жесткости опорной нижней решетки вступает в противоречие с требованиями, предъявляемыми к тепловыделяющим сборкам по минимальному вводу в активную зону ядерного реактора “паразитного” материала.

Наиболее близкой по техническим условиям и достигаемому эффекту является тепловыделяющая сборка ядерного водо-водяного энергетического реактора ВВЭР-1000, включающая пучок тепловыделяющих элементов, установленных в каркасе из шестигранных дистанционирующих решеток, смонтированных на трубчатых каналах, закрепленных вместе с тепловыделяющими элементами нижними заглушками в нижней опорной решетке, имеющей отверстия для протока теплоносителя, хвостовик, закрепленный к нижней решетке, и головку, закрепленную на верхних концах трубчатых каналов (см. там же, стр.43-44, рис.2.13 тепловыделяющая сборка реактора ВВЭР-1000).

Тепловыделяющая сборка ВВЭР-1000 бесчехловая, что обеспечивает перемешивание теплоносителя в радиальном направлении и предотвращает различие перепадов давления в параллельных каналах - имеются в виду чехловые, образующие каналы тепловыделяющей сборки ВВЭР-440 (см. там же, стр.43).

В тепловыделяющей сборке реактора ВВЭР-1000 (см. там же, рис.2.13, стр.44) в опорной нижней решетке 10 отверстия 7 для прохода теплоносителя выполнены овальной формы из двух отверстий с удаленной между ними перемычкой (на рис.2.13 отверстия 7 показаны черным цветом).

Такие овальные отверстия расположены по всей нижней опорной решетке и имеют одностороннюю направленность (см. фрагмент фиг.4). В активной зоне ядерного реактора тепловыделяющая сборка работает в условиях высокой температуры 290-322°С и высоком давлении 16 Мпа (см. там же, стр.48, табл.2.1.), и ее конструктивная надежность должна быть высокой. Однако односторонняя направленность отверстий для прохода теплоносителя в нижней опорной решетке и выполнение их овальной формы резко снижает усилие на изгиб опорной нижней решетки параллельно осям совмещенных отверстий с удаленной перемычкой между ними (овальных отверстий). Увеличение размера перемычек между отверстием для крепления тепловыделяющего элемента и овальными отверстиями для протока теплоносителя уменьшит проходное сечение протока теплоносителя через нижнюю решетку и увеличит гидравлическое сопротивление теплоносителю.

Увеличение толщины нижней опорной решетки для повышения ее жесткости вступает в противоречие с требованием к тепловыделяющим элементам и тепловыделяющим сборкам по минимальному вводу в активную зону реактора “паразитного” материала. Именно по этому пути шли конструкторские разработки тепловыделяющих сборок и опорные нижние решетки, применяемые в современных тепловыделяющих сборках ВВЭР-1000, имеют увеличенную толщину для повышения их жесткости.

Технической задачей изобретения является разработка тепловыделяющих сборок с увеличенным проходным сечением отверстий протока теплоносителя через нижнюю опорную решетку при сохранении требуемой жесткости, минимальной толщины нижней опорной решетки и снижения при этом трудоемкости и металлоемкости.

Эта техническая задача решается тем, что в тепловыделяющей сборке ядерного реактора, преимущественно ВВЭР-1000, включающей пучок тепловыделяющих элементов, установленных в каркасе из шестигранных дистанционирующих решеток, смонтированных на трубчатых каналах, закрепленных вместе с тепловыделяющими элементами нижними заглушками в шестигранной нижней опорной решетке, имеющей отверстия для протока теплоносителя, хвостовик, закрепленный к шестигранной нижней опорной решетке и головку, закрепленную на верхних концах трубчатых каналов; согласно изобретению в шестигранной нижней опорной решетке отверстия для протока теплоносителя выполнены в виде равносторонних треугольников с закругленными углами, расположенными симметрично относительно отверстий под нижние заглушки тепловыделяющих элементов и трубчатых каналов в количестве шести штук вокруг каждого из них с направлением закругленных углов в их сторону, при этом по периферии каждой грани шестигранной нижней опорной решетки расположены по одиннадцать отверстий для нижних заглушек тепловыделяющих элементов, образующих перпендикулярно с противоположной гранью шестигранной нижней опорной решетки параллельные между собой ряды чередующихся отверстий для нижних заглушек тепловыделяющих элементов и спаренных через перемычку оснований треугольных с закругленными углами отверстий для протока теплоносителя.

Техническая задача решается также и тем, что отверстия для протока теплоносителя выполнены круглой формы с аналогичным их расположением, как и треугольные с закругленными углами отверстия для протока теплоносителя.

Такое выполнение шестигранной нижней опорной решетки позволит равномерно распределить по всему полю шестигранной нижней опорной решетки отверстия для протока теплоносителя и уравнять соответственно жесткость, что не потребует увеличения толщины шестигранной нижней решетки, а наоборот, иметь возможность уменьшить ее толщину, снизить металлоемкость и соответственно снизить ввод “паразитного” материала в активную зону ядерного реактора. Проходное сечение потоку теплоносителя у предлагаемой решетки увеличено на 900 мм² при сохранении требуемой жесткости, и появилась возможность уменьшить ее толщину с 18 до 13 мм, соответственно снижена трудоемкость ее изготовления.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На чертежах представлена тепловыделяющая сборка, где:

- на фиг.1 - общий вид тепловыделяющей сборки;

- на фиг.2а, б - фрагмент шестигранной нижней опорной решетки (варианты);

- на фиг.3а, б - шестигранная нижняя опорная решетка (варианты);

- на фиг.4 - фрагмент шестигранной нижней опорной решетки (прототип);

- на фиг.5 - тепловыделяющая сборка (прототип).

Тепловыделяющая сборка ядерного реактора, преимущественно ВВЭР-1000, включает пучок тепловыделяющих элементов 1, установленных в каркасе из шестигранных дистанционирующих решеток 2, смонтированных на трубчатых каналах 3, закрепленных вместе с тепловыделяющими элементами 1 нижними заглушками 4 в шестигранной нижней опорной решетке 5, имеющей отверстия 6 для протока теплоносителя, хвостовик 7, закрепленный к шестигранной нижней опорной решетке 5 и головку 8, закрепленную на верхних концах трубчатых каналов 3.

В шестигранной нижней опорной решетке 5 отверстия 6 для протока теплоносителя выполнены в виде равносторонних треугольников с закругленными углами (фиг.3а) или круглой формы (фиг.3б), расположенных симметрично относительно отверстий 9 под нижние заглушки 4 тепловыделяющих элементов 1 и трубчатых каналов 3 в количестве шести штук вокруг каждого из них с направлением закругленных углов в их сторону (фиг.3а).

При этом по периферии каждой грани 10, 11, 12, 13, 14, 15 шестигранной нижней опорной решетки 5 расположены по одиннадцать отверстий 9 для нижних заглушек 4 тепловыделяющих элементов 1, образующих перпендикулярно с противоположной гранью, т.е. между гранями 10-13, 11-14, 12-15 шестигранной нижней опорной решетки 5, параллельные между собой ряды 16 чередующихся отверстий 9 для нижних заглушек 4 тепловыделяющих элементов 1 и спаренных через перемычку оснований треугольных с закругленными углами (фиг.3а) и круглой формы (фиг.3б) отверстий 6 для протока теплоносителя.

Тепловыделяющую сборку собирают следующим образом. Предварительно изготавливают шестигранную нижнюю опорную решетку 5 с отверстиями 6 для протока теплоносителя и отверстиями 9 под нижние заглушки 4 для тепловыделяющих элементов 1 и трубчатых каналов 3 с гранями 10, 11, 12, 13, 14, 15 с чередующимися отверстиями 9 и спаренными через перемычку отверстиями 6, расположенными перпендикулярно противоположным граням, т.е. 10-13, 11-14, 12-15 и по параллельным рядам 16.

Собирают каркас из дистанционирующих решеток 2, шестигранной нижней опорной решетки 5 на трубчатых каналах 3, тепловыделяющие элементы 1 запрессовывают через дистанционирующие решетки 2 нижними заглушками 4 в отверстия 9 шестигранной нижней опорной решетки 5, где их закрепляют вместе с заглушками трубчатых каналов 3.

К шестигранной нижней опорной решетке 5 закрепляют хвостовик 7, а к верхним концам трубчатых каналов закрепляют головку 8.

Проведенные испытания шестигранной нижней опорной решетки 5 показали, что проходное сечение отверстий 6 для протока теплоносителя увеличилось на 900 мм², вес уменьшился на 120 граммов и толщина снижена с 18 до 13 мм при сохранении требуемой жесткости, что позволило решить поставленную техническую задачу.