Тепловыделяющая сборка ядерного реактора

 

Использование: производство и эксплуатация тепловыделяющих сборок ядерных реакторов. Сущность: верхняя решетка выполнена подвижной относительно головки и чехла сборки, т.е. верхняя решетка может перемещаться вместе с твэлами. Места крепления чехла сборки к ее головке размещены только в районе трех ребер головки, а в районе трех остальных ребер на головке выполнены пазы, в которых могут свободно перемещаться лапки верхней решетки. 4 з.п. ф-лы, 16 ил.

Изобретение относится к области изготовления и эксплуатации ТВС (тепловыделяющих сборок) ядерных реакторов.

Известна ТВС ядерного реактора [1] аналог. ТВС содержит твэлы, дистанционирующие (прокладочные) решетки, чехол (охранную оболочку). Дистанционирующие решетки и твэлы собраны в подсборку. В этой подсборке в угловых ячейках решеток установлены составные твэлы, т.е. твэлы, составные из нескольких отдельных частей по длине, которые соединены между собой путем свинчивания. Решетки закреплены между отдельными составными частями твэлов и перемещаются вместе с ними. Недостаток этой конструкции заключается в том, что составные твэлы имеют меньшую длину (высоту) топлива и удлиняются в меньшей степени в процессе эксплуатации, чем остальные твэлы, что может привести к деформации решеток, особенно верхних решеток.

Известна ТВС ядерного реактора [2] аналог. ТВС содержит твэлы, дистанционирующие (прокладочные) решетки, чехол, нижнюю решетку, пружины, продольную дистанционирующую деталь. В этой ТВС нижние концы твэлов установлены на нижнюю решетку, а верхние концы установлены в верхнюю решетку и подпружинены. Верхняя решетка прикреплена к чехлу и неподвижна относительно чехла. Недостаток этой конструкции заключается в том, что верхние участки твэлов перемещаются относительно верхней решетки при эксплуатации, сжимая пружины. Перемещение твэлов относительно верхней решетки может привести к заеданию твэлов в этой решетке и к ее деформации.

Известна ТВС ядерного реактора [3] прототип. ТВС содержит твэлы, центральную трубку, промежуточные дистанционирующие (прокладочные) решетки, нижнюю решетку, верхнюю решетку, головку, чехол и хвостовик. Недостаток этой конструкции заключается в том, что верхняя решетка прикреплена к головке и неподвижна относительно головки и чехла, вследствие чего твэлы в процессе эксплуатации перемещаются относительно верхней решетки, что может привести к заеданию и к деформации верхней решетки и твэлов, т.е. к снижению надежности.

Изобретение направлено на решение следующих основных задач: а) повышение надежности ТВС за счет предотвращения деформации верхней решетки; б) повышение надежности ТВС за счет предотвращения деформации (изгиба) твэлов; в) обеспечение минимально возможной высоты ТВС; г) обеспечение надежного прикрепления чехла к головке; д) предупреждение вспучивания чехла в районе его прикрепления к головке; е) обеспечение технологичности верхней решетки; ж) предупреждение вибраций всего пучка твэлов в целом; и) предупреждение вибраций отдельных твэлов в пучке; к) повышение надежности ТВС за счет предотвращения деформации ячеек в дистанционирующих решетках и верхней решетке.

Заявленная ТВС отличается от прототипа тем, что места крепления чехла к головке размещены в районах, непосредственно примыкающих к ребрам тепловыделяющей сборки, и расположены, преимущественно, попарно симметрично относительно этих ребер, что верхняя решетка содержит дистанционирующие ячейки и кожух, что дистанционирующие прокладочные решетки и верхняя решетка выполнены подвижными относительно головки, чехла и центральной трубки, т.е. выполнены с возможностью осевого перемещения относительно головки, чехла и центральной трубки совместно с твэлами при их тепловом и радиационном росте в процессе эксплуатации на расстояние, которое для верхней решетки, преимущественно, равно или больше расстояния от нижнего торца головки до верхних торцев твэлов, а для дистанционирующих промежуточных решеток, преимущественно, равно или меньше расстояния, на которое может перемещаться верхняя решетка.

ТВС может отличаться также тем, что места крепления чехла к головке размещены только в районах трех ребер, что кожух верхней решетки в районе трех ребер имеет лапки, а на головке в районе этих трех ребер выполнены пазы, внутри которых, т.е. в пространстве между головкой и чехлом, размещены лапки кожуха верхней решетки, что расстояние от нижнего торца головки до конца пазов превышает расстояние от нижнего торца головки до мест крепления чехла на головке, а расстояние от верхнего торца лапок до конца пазов, преимущественно, равно или больше расстояния от нижнего торца головки до верхних торцев твэлов.

ТВС может отличаться также тем, что места крепления чехла к головке размещены, преимущественно, равномерно по периметру чехла, что верхний торец кожуха верхней решетки, преимущественно, не выступает над верхними торцами твэлов, что, по крайней мере, на трех гранях чехла выполнены хотя бы по одному дистанционирующему выступу в районе кожуха верхней решетки, при этом кожух верхней решетки установлен внутри либо с зазором, либо с натягом.

ТВС может отличаться также тем, что места крепления чехла к головке размещены, преимущественно, равномерно по периметру чехла, что верхний торец кожуха верхней решетки выступает над верхними торцами твэлов, что расстояние от верхнего торца кожуха верхней решетки до упоров на нижней части головки, преимущественно, равно или больше расстояния от нижнего торца головки до верхних торцев твэлов, что наружный размер под ключ нижней части головки выполнен меньшим, чем соответствующий внутренний размер под ключ на кожухе верхней решетки, что, по крайней мере, на трех гранях чехла выполнены хотя бы по одному дистанционирующему выступу в районе кожуха верхней решетки, при этом кожух верхней решетки установлен внутри чехла либо с зазором, либо с натягом.

ТВС может отличаться также тем, что на лапках или гранях кожуха верхней решетки выполнены дистанционирующие выступы, центрирующие кожух по внутренней поверхности чехла или по наружной поверхности головки.

Ниже приведен анализ причинно-следственных связей между существенными отличительными признаками заявленного изобретения и достигаемым техническим результатом (решаемой задачей).

Причинно-следственная связь между существенными отличительными признаками, касающимися того, что места крепления чехла к головке размещены в районах, непосредственно примыкающих к ребрам тепловыделяющей сборки, и расположены, преимущественно, попарно симметрично относительно этих ребер, что верхняя решетка содержит дистанционирующие ячейки и кожух, что дистанционирующие прокладочные решетки и верхняя решетка выполнены подвижными относительно головки, чехла и центральной трубки совместно с твэлами при их тепловом и радиационном росте в процессе эксплуатации и достигаемым техническим результатом, состоящим в повышении надежности ТВС за счет предотвращения деформации верхней решетки и предотвращения деформации (изгибов) твэлов, заключается в том, что твэлы не воздействуют разрушительно ни на ячейки верхней решетки, ни на лапки верхней решетки, ни на кожух верхней решетки, ни на дистанционирующие прокладочные решетки, так как перемещаются вместе с ними. При этом достигается технический результат, состоящий в предупреждении вибраций отдельных твэлов в пучке, за счет выполнения дистанционирующих ячеек в верхней решетке и лучшего (по сравнению с аналогами и прототипом) дистанционирования верхних концов твэлов. При этом также достигается технический результат, состоящий в повышении надежности ТВС за счет предотвращения деформации ячеек в дистанционирующих решетках и в верхней решетке за счет того, что твэлы не взаимодействуют разрушительно по отношению к ним, так как перемещаются вместе с дистанционирующими решетками и вместе с верхней решеткой.

Причинно-следственная связь между существенными отличительными признаками, касающимися того, что детали ТВС выполнены с возможностью перемещения на расстояние, которое для верхней решетки, преимущественно, равно или больше расстояния от нижнего торца головки до верхних торцев твэлов, а для дистанционирующих промежуточных решеток, преимущественно, равно или меньше расстояния, на которое может перемещаться верхняя решетка и достигаемым техническим результатом, состоящим в повышении надежности ТВС за счет предотвращения деформации верхней решетки и предотвращением деформации (изгибов) твэлов, заключается в том, что при такой конструкции верхняя решетка (кожух верхней решетки) не упрется в нижний торец головки, а твэлы смогут свободно удлиняться (расти), так как удлинение (рост) твэлов не ограничивается ни верхней решеткой, ни дистанционирующими промежуточными решетками (установленными на участке от нижней до верхней решетки).

Причинно-следственная связь между существенными отличительными признаками, касающимися того, что места крепления чехла к головке размещены только в районе трех ребер, что кожух верхней решетки в районе трех ребер имеет лапки, а на головке в районе этих трех ребер выполнены пазы, внутри которых, т. е. в пространстве между головкой и чехлом, размещены лапки кожуха верхней решетки, что расстояние от нижнего торца головки до конца пазов превышает расстояние от нижнего торца головки до мест крепления чехла на головке, а расстояние от верхнего торца лапок до конца пазов, преимущественно, равно или больше расстояния от нижнего торца головки до верхних торцев твэлов, и достигаемым техническим результатом, состоящим как в повышении надежности ТВС в целом, так и в обеспечении минимально возможной высоты ТВС и в обеспечении надежного прикрепления чехла к головке, заключается в том, что в ТВС места крепления чехла к головке и места выполнения пазов на головке под лапки верхней решетки разнесены в пространстве, т.е. выполнены в различных районах и не накладываются друг на друга по высоте ТВС. При этом может быть сделано любое необходимое количество мест крепления чехла к головке на минимально низком уровне по высоте ТВС, т.е. вблизи нижнего торца головки.

Причинно-следственная связь между существенными отличительными признаками, касающимися того, что места крепления чехла к головке размещены, преимущественно, равномерно по периметру чехла, что верхний торец кожуха верхней решетки, преимущественно, не выступает над верхними торцами твэлов, что по крайней мере на трех гранях чехла выполнены хотя бы по одному дистанционирующему выступу в районе кожуха верхней решетки, при этом кожух верхней решетки установлен внутри чехла либо с зазором, либо с натягом, и достигаемым техническим результатом, состоящим в предупреждении вспучивания чехла в районе его прикрепления к головке, в обеспечении технологичности верхней решетки, в предупреждении вибраций всего пучка твэлов в целом, заключается в том, что места крепления чехла к головке размещены равномерно по периметру, т. е. на одинаковом расстоянии друг от друга и не создают при этом волну вспучивания чехла над номинальным размером "под ключ", что кожух верхней решетки не выступает над верхними торцами твэлов, т.е. не имеет лапок для дистанционирования по головке и обладает, в связи с этим, улучшенной технологичностью, что дистанционирующие выступы на гранях чехла предотвращают вибрацию всего пучка твэлов в целом.

Причинно-следственная связь между существенными отличительными признаками, касающимися того, что места крепления чехла к головке размещены, преимущественно, равномерно по периметру чехла, что расстояние от верхнего торца кожуха верхней решетки до упоров на нижней части головки, преимущественно, равно или больше расстояния от нижнего торца головки до верхних торцев твэлов, что наружный размер под ключ нижней части головки выполнен меньшим, чем соответствующий внутренний размер под ключ на кожухе верхней решетки, что по крайней мере на трех гранях чехла выполнены хотя бы по одному дистанционирующему выступу в районе кожуха верхней решетки, при этом кожух верхней решетки установлен внутри чехла либо с зазором, либо с натягом, и достигаемым техническим результатом, состоящим в предупреждении вспучивания чехла в районе его прикрепления к головке, в обеспечении технологичности верхней решетки, в предупреждении вибраций всего пучка твэлов в целом, заключается в том, что места крепления чехла к головке размещены равномерно по периметру, т. е. на одинаковом расстоянии друг от друга и не создают при этом волну вспучивания чехла над номинальным размером "под ключ", что кожух верхней решетки хотя и выступает над верхними торцами твэлов, но не имеет лапок, а для дистанционирования по головке используется разница в размерах "под ключ", в связи с чем, кожух решетки обладает улучшенной технологичностью, что дистанционирующие выступы на гранях чехла предотвращают вибрацию всего пучка твэлов в целом.

Причинно-следственная связь между существенными отличительными признаками, касающимися того, что на лапках или гранях кожуха верхней решетки выполнены дистанционирующие выступы, центрирующие кожух по внутренней поверхности чехла или по наружной поверхности головки, и достигаемым техническим результатом, состоящим в предупреждении вибрации всего пучка твэлов в целом, заключается в том, что дистанционирующие выступы на лапках или гранях кожуха так же предупреждают вибрацию, как и дистанционирующие выступы на чехле (заявлен эквивалентный вариант исполнения верхней решетки и ТВС в целом).

На фиг. 1 изображена верхняя часть тепловыделяющей сборки и верхняя решетка с лапками; на фиг. 2 нижняя часть тепловыделяющей сборки; на фиг. 3 сечение А-А на фиг. 1; на фиг. 4 сечение Б-Б на фиг. 1; на фиг. 5 - сечение В-В на фиг. 1; на фиг. 6 часть головки и лапка верхней решетки; на фиг. 7 часть головки и лапка верхней решетки; на фиг. 8 часть головки и лапка верхней решетки; на фиг. 9 часть головки и лапка верхней решетки; на фиг. 10 верхняя часть тепловыделяющей сборки с верхней решеткой без лапок; на фиг. 11 сечение А-А на фиг. 10; на фиг. 12 сечение Б-Б на фиг. 10; на фиг. 13 сечение В-В на фиг. 10; на фиг. 14 верхняя часть тепловыделяющей сборки с верхней решеткой без лапок и с чехлом, имеющим дистанционирующие выступы в районе верхней решетки; на фиг. 15 сечение Б-Б на фиг. 14; на фиг. 16 сечение В-В на фиг. 14.

Тепловыделяющая сборка ядерного реактора (фиг. 1,2) имеет шестигранную форму, содержит твэлы 1, центральную трубку 2, верхнюю решетку 3 с дистанционирующими ячейками и с лапками на кожухе, головку 4 и прикрепленную к ней отбойную решетку 5, чехол 6, прикрепленный к головке винтами 7, дистанционирующие решетки 8, нижнюю решетку 9 и хвостовик 10.

В нижней части тепловыделяющей сборки (фиг. 2) установлен хвостовик 10, с помощью которого тепловыделяющая сборка закрепляется в опорной плите ядерного реактора. К хвостовику 10 прикреплена нижняя решетка 9 и чехол 6.

Чехол 6 может быть отбортован внутрь конусообразных отверстий D (фиг. 1,3) на головке 4 и прикреплен к головке винтами 7, которые законтрены от выворачивания известным образом, например, путем установки штифтов. Отверстия на чехле могут иметь каплевидную форму, а винты могут быть законтрены путем приварки к головке. Чехол может быть прикреплен к головке винтами с конусными головками, которые установлены в зенкованные (конусообразные) отверстия на чехле.

Шесть мест крепления чехла к головке в этом варианте тепловыделяющей сборки (фиг. 3) размещены на шести гранях только в районе трех ребер головки (сборки), т. е. на участках от ребер до середины граней включительно, и расположены попарно симметрично относительно этих трех ребер.

Возможно прикрепление чехла к головке только в трех местах в районе трех ребер, т.е. по одному винту на трех симметрично расположенных гранях.

Возможно прикрепление чехла к головке в девяти или в двенадцати местах в районе трех ребер, если расположить места крепления, по крайней мере, в двух параллельных плоскостях, расположенных перпендикулярно к вертикальной оси тепловыделяющей сборки.

Аналогичным образом (или другим известным образом) чехол 6 прикреплен к хвостовику 10. Места прикрепления чехла к хвостовику могут быть размещены в любом месте и количестве, например, могут быть размещены на шести гранях в районе шести ребер в количестве двенадцати мест (по два места в районе каждого ребра).

Нижняя решетка 9 (фиг. 2) служит для закрепления твэлов 1 и центральной трубки 2 от радиального и осевого смещения. Нижняя решетка 9 прикреплена к хвостовику 10.

Твэлы 1 своими нижними концевыми частями установлены (фиг. 2) в нижнюю решетку 9 и закреплены в ней от радиального и осевого смещения, например, путем установки штифтов. Твэлы содержат ядерное топливо, например, двуокись урана и служат для генерирования тепловой энергии и для передачи ее теплоносителю, например, воде. Твэлы могут свободно удлиняться в сторону головки при их тепловом и радиационном росте в процессе эксплуатации, оставаясь закрепленными своими нижними концевыми частями в нижней решетке. При удлинении твэлов 1, верхняя решетка 3 и дистанционирующие решетки 8 свободно смещаются относительно центральной трубки 2 и чехла 6 в сторону головки 4 вместе с теми участками твэлов, в районе которых они размещены.

Центральная трубка 2 (фиг. 1,2) нижним своим концом закреплена в нижней решетке 9, например, с помощью штифта. Центральная трубка 2 предназначена для закрепления на ней дистанционирующих решеток 8 и верхней решетки 3. Верхний конец центральной трубки 2 может входить внутрь головки 4 через центральное отверстие в отбойной решетке 5. Закрепление решеток 8 и 3 на центральной трубке осуществлено таким образом, что решетки могут смещаться относительно центральной трубки 2 и чехла 6 в сторону головки 4 на длину, преимущественно, равную или больше, чем длина L₄.

Выше нижней решетки установлены несколько дистанционирующих решеток 8 (фиг. 2), в которых твэлы закреплены в дистанционирующих ячейках от радиального смещения. Дистанционирующие решетки 8 закреплены от осевого смещения сверх установленной величины на центральной трубке 2, например, закреплены путем вдавливания центральной втулки на дистанционирующей решетке внутрь прорезей на центральной трубке. При таком закреплении длина прорезей на центральной трубке должна обеспечивать беспрепятственное перемещение дистанционирующих решеток в пределах установленной величины вдоль центральной трубки в сторону головки. Эта установленная величина должна быть, преимущественно, равна или меньше расстояния, на которое может перемещаться верхняя решетка, поскольку верхняя решетка перемещается на наибольшее расстояние. При этом эта установленная величина должна быть равна или больше расстояния, на которое удлиняется (смещается) твэлы в месте размещения этих дистанционирующих решеток. Поскольку в этом случае дистанционирующие решетки могут смещаться только на длину прорезей в центральной трубке, а в выборе их длины можно ошибиться, то более предпочтительно закрепление дистанционирующих решеток путем установки односторонних (со стороны хвостовика) упоров на центральной трубке, которые не позволяют осевое смещение дистанционирующих решеток в сторону хвостовика, но не ограничивают осевое смещение в сторону головки (в сторону теплового и радиационного роста твэлов в процессе эксплуатации). Такой упор можно выполнить в виде отдельной втулки (кольца), которая закреплена на центральной трубке путем вдавливания внутрь прорези на этой трубке. Кстати, аналогичным образом можно закрепить на центральной трубке верхнюю решетку 3. Именно в связи с возможным использованием упора в виде втулки, который не ограничивает перемещение дистанционирующих решеток и верхней решетки в сторону головки, в пункты формулы 1 и 10 введено слово "преимущественно".

Выше в тепловыделяющей сборке (фиг. 1,3-5) установлена верхняя решетка 3, содержащая дистанционирующие ячейки и кожух с лапками Г, которые заводят внутрь пазов E, т.е. в зазор между головкой 4 и чехлом 6.

Верхняя решетка 3 имеет возможность осевого смещения (вместе с удлиняющимися частями твэлов 1) в сторону головки 4 на длину L₃, равную расстоянию от верхнего торца лапок Г верхней решетки 3 до конца пазов E на головке 4. Это расстояние L₃ превышает расстояние L₄ от нижнего торца головки 4, включая отбойную решетку 5, до верхних торцев твэлов 1, что обеспечивает беспрепятственный тепловой и радиационный рост (удлинение) твэлов в процессе эксплуатации на установленную (расчетным или экспериментальным путем) длину. Эта установленная (расчетным или экспериментальным путем) длина должна быть равна или меньше, чем длина L₄. Выбор длины L₄ регламентируется не только наибольшим удлинением твэлов в процессе эксплуатации, но и другими факторами, например, необходимостью обеспечить аварийное удлинение твэлов при разгермитизации первого контура. Верхняя решетка 3 служит для дистанционирования в радиальном направлении каждого из твэлов в отдельности и всего пучка твэлов в целом. Для предотвращения смещения верхней решетки в сторону хвостовика, центральная втулка верхней решетки может быть вдавлена внутрь прорези на центральной трубке. В этом случае длина прорези на центральной трубке должна позволять верхней решетке свободно перемещаться в сторону головки, хотя бы, на длину равную или больше, чем суммарная величина теплового и радиационного роста (удлинения) твэлов в процессе нормальной (безаварийной) эксплуатации. Для предотвращения смещения верхней решетки в сторону хвостовика на центральной трубке может быть выполнен упор, аналогичный описанному выше,упору для дистанционирующей решетки. В этом случае верхняя решетка не сможет случайно сдвинуться в сторону хвостовика, но сможет беспрепятственно смещаться в сторону головки вместе с твэлами при их тепловом и радиационном росте (удлинении) как в процессе нормальной (безаварийной) эксплуатации, так и при разгерметизации первого контура. В связи с возможностью использования упора в виде втулки, не ограничивающего перемещение верхней решетки в сторону головки, а также в связи с тем, что тепловой и радиационный рост (удлинение) твэлов при нормальной (безаварийной) работе меньше, чем при разгерметизации первого контура, в 1 пункт формулы введено слово "преимущественно".

В верхней части тепловыделяющей сборки (фиг. 1) установлена головка 4, которая служит для закрепления на ней захвата при транспортировании сборки в вертикальном положении. К нижнему торцу головки 4 прикреплена отбойная решетка 5, которая служит для предотвращения выноса твэлов в контур в случае повреждения мест их крепления в нижней решетке и для стабилизации потока теплоносителя. В принципе возможна конструкция тепловыделяющей сборки без отбойной решетки 5. На головке выполнены конусообразные отверстия D для осуществления прикрепления чехла 6. Расстояние L₁ от нижнего торца головки, включая отбойную решетку, до конца пазов E на головке превышает расстояние L₂ от нижнего торца головки 3, включая отбойную решетку 5, до места крепления чехла 6 к головке, т.е. до нижнего края отверстия D на головке. Это позволяет, вместе с другими конструктивными особенностями (другими отличительными признаками), обеспечить беспрепятственный тепловой и радиационный рост (удлинение) твэлов в процессе эксплуатации, который, в этом случае, не ограничивается местоположением мест крепления чехла к головке, т.е. не ограничивается расстояние L₂.

Расположение конусообразных отверстий D на головке может быть выполнено, по крайней мере, в двух параллельных плоскостях, перпендикулярных вертикальной оси тепловыделяющей сборки. При этом винты, находящиеся в различных плоскостях, могут быть размещены на различном расстоянии от трех ребер головки (тепловыделяющей сборки), но не должны пересекать пазы E на головке под лапки Г верхней решетки в районе трех остальных ребер.

Далее на фиг. 6-9 изображены возможные варианты исполнения лапок Г верхней решетки и варианты их положения относительно головки 4 и чехла 6 в тепловыделяющей сборке, верхняя часть которой изображена на фиг. 1.

На фиг. 6 изображена головка 4, отбойная решетка 5, чехол 6 и лапки Г верхней решетки, которые установлены с минимально возможным зазором между головкой и между чехлом. Возможен вариант, в котором зазор между головкой и лапками меньше зазора между чехлом и этими лапками, т.е. возможен вариант, в котором верхняя решетка центрируется по головке. Возможен вариант, в котором зазор между чехлом и лапками меньше зазора между головкой и этими лапками, т.е. возможен вариант, в котором верхняя головка центрируется по чехлу. Возможен также вариант, в котором лапки Г устанавливаются на головке или внутри чехла с натягом, не препятствующим осевому перемещению верхней решетки вместе с твэлами при их тепловом и радиационном росте (удлинении) в процессе эксплуатации.

На фиг. 8 изображена головка 4, отбойная решетка 5, чехол 6 и лапки Г верхней решетки, на которых выполнены дистанционирующие выступы И, центрирующие верхнюю решетку относительно чехла. В этом случае лапки Г могут быть установлены внутри чехла с натягом не препятствующим осевому перемещению верхней решетки вместе с твэлами при их тепловом и радиационном росте (удлинении) в процессе эксплуатации.

На фиг. 9 изображена головка 4, отбойная решетка 5, чехол 6 и лапки Г верхней решетки, на которых выполнены дистанционирующие выступы Ж и И, центрирующие верхнюю решетку одновременно относительно головки и чехла. В этом случае лапки Г верхней решетки могут быть установлены внутри зазора между головкой и чехлом с натягом, не препятствующим осевому перемещению верхней решетки вместе с твэлами при их тепловом и радиационном росте в процессе эксплуатации.

Далее на фиг. 10-13 и на фиг. 2 изображен вариант исполнения тепловыделяющей сборки, содержащей верхнюю решетку без лапок.

На фиг. 10 изображена верхняя часть этой тепловыделяющей сборки. На фиг. 2 изображена нижняя часть этой тепловыделяющей сборки.

Тепловыделяющая сборка на фиг. 10 содержит верхнюю решетку 12, выполненную без лапок, головку 11 с отверстиями D под винты 7, но без пазов под лапки верхней решетки, отбойную решетку 5, прикрепленную к нижнему торцу головки, чехол 6, прикрепленный винтами 7 к головке 11. Кожух верхней решетки 12, преимущественно, не выступает над верхними торцами твэлов 1. Центральная трубка 2 может заходить внутрь головки 11 через центральное отверстие в отбойной решетке 5. Верхняя решетка 12 закреплена на центральной трубке 2 таким же образом, как и верхняя решетка 3 тепловыделяющей сборки, изображенной на фиг. 1 и описанной выше. Таким образом, верхняя решетка 12 имеет возможность смещаться в сторону головки совместно с твэлами 1 и на установленную (расчетным или экспериментальным путем) длину при их тепловом и радиационном росте (удлинении) в процессе эксплуатации. Эта установленная (расчетным или экспериментальным путем) длина должна быть равна или меньше, чем длина L₄. Выбор длины L₄ регламентирован, как уже говорилось выше, не только необходимостью обеспечить беспрепятственное удлинение твэлов в процессе нормальной (безаварийной) эксплуатации, но и при разгерметизации первого контура.

На фиг. 11 изображено сечение А-А этой тепловыделяющей сборки (фиг. 10). Чехол 6 прикреплен к головке 11 винтами 7, которые равномерно расположены по периметру чехла, что уменьшает его вспучивание при завальцовке внутрь отверстий D на головке 11.

На фиг. 12 изображено сечение Б-Б этой тепловыделяющей сборки (фиг. 10). Чехол 6 прилегает к головке 11, на которой отсутствуют пазы в районе ребер под лапки верхней решетки.

На фиг. 13 изображено сечение В-В этой тепловыделяющей сборки (фиг. 10). Верхняя решетка 12 содержит дистанционирующие ячейки 13 и 14, центральную ячейку 15, которая закреплена описанным выше образом на центральной трубке 2. Твэлы 1 находятся внутри дистанционирующих ячеек 13 и 14. На гранях кожуха верхней решетки 12 могут быть выполнены дистанционирующие выступы, аналогичные дистанционирующим выступам И и на лапках Г верхней решетки 3 (фиг. 3). Эти дистанционирующие выступы И предназначены для центрирования верхней решетки 12 по внутренней поверхности чехла 6 и для предотвращения возможной вибрации верхней решетки 12 внутри чехла 6 может быть осуществлено за счет выполнения дистанционирующих выступов на чехле 6, аналогичных дистанционирующим выступам К, изображенным на фиг. 14. Кожух верхней решетки 12 может быть установлен внутри чехла 6 как с зазором, так и с натягом, не препятствующем смещению верхней решетки в сторону головки 11 вместе с твэлами при их тепловом и радиационном росте (удлинение) в процессе эксплуатации.

Далее на фиг. 14-16 и фиг. 2 изображен вариант исполнения тепловыделяющей сборки с верхней решеткой без лапок и с чехлом, имеющим дистанционирующие выступы.

На фиг. 14 изображена верхняя часть этой тепловыделяющей сборки. На фиг. 2 изображена нижняя часть этой тепловыделяющей сборки.

Тепловыделяющая сборка на фиг. 14 содержит твэлы 1, центральную трубку 2, отбойную решетку 5, прикрепленную к головке 16, верхнюю решетку 17, чехол 18, прикрепленный к головке винтами 7. Центральная трубка 2 может заходить внутрь головки 16 через центральное отверстие в отбойной решетке 5. Верхняя решетка 17 выполнена без лапок, а торец кожуха этой решетки выступает над верхними торцами твэлов 1. Головка 16 выполнена без пазов на трех ребрах под лапки верхней решетки. Однако, наружный размер под ключ нижней части головки 16 выполнен на длине L₅ меньшим, чем соответствующий внутренний размер под ключ на кожухе верхней решетки. Верхняя решетка 17 выполнена подвижной относительно центральной трубки 2 и чехла 18, т.е. она установлена на центральной трубке так, как установлены верхние решетки 3 и 12, и в процессе совместного с твэлами смещения при их тепловом радиационном росте (удлинении) может заходить на длину L₇ внутрь зазора, который образован между нижней частью головки 16 и чехлом 18. Общая длина L₇, на которую может смещаться верхняя решетка, должна быть, преимущественно, больше или равна длине L₄ для обеспечения свободного теплового и радиационного роста (удлинения) твэлов в процессе эксплуатации. При такой конструкции тепловыделяющей сборки может быть уменьшена (по сравнению с вариантом на фиг. 10) длина L₆, т.е. уменьшится вылет торцев твэлов над ячейками верхней решетки, что снизит вероятность их вибрации и повысит надежность. На чехле 18 выполнены дистанционирующие выступы К. Возможен вариант, при котором дистанционирующие выступы отсутствуют (по аналогии с чехлом 6).

Сечение А-А тепловыделяющей сборки на фиг. 14 изображено на фиг. 11 и аналогичное сечение А-А тепловыделяющей сборки на фиг. 10.

Сечение Б-Б тепловыделяющей сборки на фиг. 14 изображено на фиг. 15. Между чехлом 18 и головкой 16 образован зазор, в который входит кожух верхней решетки в процессе эксплуатации.

Сечение В-В тепловыделяющей сборки на фиг. 14 изображено на фиг. 16. Сечение выполнено в районе верхней решетки 17. Твэлы 1 установлены внутри дистанционирующих ячеек 13 и 14. Внутри центральной ячейки 15 находится центральная трубка 2. На чехле 18 выполнены дистанционирующие выступы К. На каждой из граней кожуха может быть выполнен один или несколько дистанционирующих выступов. Возможен вариант, при котором дистанционирующие выступы отсутствуют (по аналогии с чехлом 6). Кожух верхней решетки 17 может быть установлен внутри чехла 18 как с зазором, так и с натягом, не препятствующим смещению верхней решетки в сторону головки совместно с твэлами при их тепловом и радиационном росте (удлинении) в процессе эксплуатации. Верхняя решетка 17 установлена на центральной трубке 2 так, как установлены верхние решетки 3 и 12. На гранях кожуха верхней решетки могут быть выполнены дистанционирующие выступы, аналогичные дистанционирующим выступам И на лапках Г верхней решетки 3.

Чертежи тепловыделяющих сборок на фиг. 1-16 подтверждают возможность осуществления заявляемого изобретения, в связи с чем, заявляемое изобретение следует считать промышленно применимым.

По сравнению с прототипом [2] заявленное решение обладает следующими преимуществами: а) повышение надежности тепловыделяющей сборки за счет предотвращения деформации дистанционирующих ячеек верхней решетки, лапок на кожухе и самого кожуха верхней решетки; б) повышение надежности тепловыделяющей сборки за счет предотвращения деформации (изгиба) твэлов; в) обеспечение минимально возможной высоты тепловыделяющей сборки; г) обеспечение надежного прикрепления чехла к головке; д) предупреждение вспучивания чехла в районе его прикрепления к головке; е) обеспечение технологичности верхней решетки; ж) предупреждение вибрации всего пучка твэлов в целом; з) предупреждение вибрации отдельных твэлов; и) повышение надежности тепловыделяющей сборки за счет предотвращения деформации дистанционирующих ячеек дистанционирующих решеток.

При использовании заявленного решения в существующей конструкции тепловыделяющей сборки ядерного реактора ВВЭР-440 будет достигнут тот же положительный эффект, который достигается при сравнении с прототипом, так в качестве прототипа выбрана тепловыделяющая сборка ВВЭР-440.

Экономический эффект заявленного решения заключается в повышении надежности и качества тепловыделяющих сборок за счет исключения деформации кожуха и ячеек верхней решетки и за счет исключения деформации (изгиба) твэлов, что предупреждает возникновение тяжелой аварии ядерного реактора.

Для внедрения заявленного решения необходимо произвести стендовые и реакторные испытания опытных тепловыделяющих сборок.

Источники информации:
1. Патент Великобритании N 1116811, кл. G 21 C 3/34.

2. Патент Великобритании N 1137621, кл. G 21 C 3/34.

3. И.Н.Нигматулин, Б.И.Нигматулин. Ядерные энергетические установки. М. Энергоатомиздт, 1986, рис. 4.9, с.116.

Формула изобретения

1. Тепловыделяющая сборка ядерного реактора, имеющая шестигранную форму, содержащая твэлы и центральную трубку, которые закреплены от радиального и осевого перемещения в нижней решетке, дистанционирующие прокладочные решетки, верхнюю решетку, хвостовик, чехол и головку, отличающаяся тем, что места крепления чехла и головке размещены в районах, непосредственно примыкающих к ребрам тепловыделяющей сборки, и расположены преимущественно попарно симметрично относительно этих ребер, верхняя решетка содержит дистанционирующие ячейки и кожух, дистанционирующие прокладочные решетки и верхняя решетка выполнены подвижными относительно головки, чехла и центральной трубки, т. е. выполнены с возможностью осевого перемещения относительно головки, чехла и центральной трубки совместно с твэлами при их тепловом и радиационном росте в процессе эксплуатации на расстояние, которое для верхней решетки преимущественно равно или больше расстояния от нижнего торца головки до верхних торцов твэлов, а для дистанционирующих промежуточных решеток преимущественно равно или меньше расстояния, на которое может перемещаться верхняя решетка.

2. Сборка по п. 1, отличающаяся тем, что места крепления чехла к головке размещена только в районе трех ребер, что кожух верхней решетки в районе трех ребер имеет лапки, а на головке в районе этих трех ребер выполнены пазы, внутри которых, т.е. в пространстве между головкой и чехлов, размещены лапки кожуха верхней решетки, что расстояние от нижнего торца головки до конца пазов превышает расстояние от нижнего торца головки до мест крепления чехла на головке, а расстояние от верхнего торца лапок до конца пазов преимущественно равно или более расстояния от нижнего торца головки до верхних торцов твэлов.

3. Сборка по п. 1, отличающаяся тем, что места крепления чехла к головке размещены преимущественно равномерно по периметру чехла, верхний торец кожуха верхней решетки преимущественно не выступает над верхними торцами твэлов, по крайней мере на трех гранях чехла выполнены хотя бы по одному дистанционирующему выступу в районе кожуха верхней решетки, при этом кожух верхней решетки установлен внутри чехла либо с зазором, либо с натягом.

4. Сборка по п. 1, отличающаяся тем, что места крепления чехла к головке размещены преимущественно равномерно по периметру чехла, верхний торец кожуха верхней решетки выступает над верхними торцами твэлов, расстояние от верхнего торца кожуха верхней решетки до упоров на нижней части головки преимущественно равно или больше расстояния от нижнего торца головки до верхних торцов твэлов, наружный размер под ключ нижней части головки выполнен меньшим, чем соответствующий внутренний размер под ключ на кожухе верхней решетки, по крайней мере на трех гранях чехла выполнены хотя бы по одному дистанционирующему выступу в районе кожуха верхней решетки, при этом кожух верхней решетки установлен внутри чехла либо с зазором, либо с натягом.

5. Сборка по п. 1, отличающаяся тем, что на лапках или на гранях кожуха верхней решетки выполнены дистанционирующие выступы, центрирующие кожух по внутренней поверхности чехла или по наружной поверхности головки.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13, Рисунок 14, Рисунок 15, Рисунок 16