Тепловыделяющая сборка ядерного реактора

 

Использование: в ядерной энергетике, особенно для создания активных зон водо-водяных реакторов. Сущность: тепловыделяющая сборка содержит набор тепловыделяющих элементов, выполненных в виде винтовых спиралей, Спирали навиты из оболочек с размещенным в нем порошкообразным топливом. Тепловыделяющие элементы установлены по объему сборки так, что их оси расположены друг от друга на расстоянии, не менее определенной величины, зависящей от наружного диаметра спирали и диаметра оболочки. По крайней мере часть тепловыделяющих элементов снабжена наружным и/или внутренним фиксатором, который исключает деформацию спирали. 4 з.п. ф-лы, 13 ил.

Изобретение относится к ядерной технике и касается усовершенствования конструкций тепловыделяющих сборок (ТВС), из которых набирается активная зона, и может найти применение в различных типах ядерных реакторов, особенно в ядерных водо-водяных энергетических реакторах.

Топливная загрузка реакторов состоит из большого числа твэлов (десятки тысяч и больше). Для обеспечения необходимой жесткости стержневых твэлов, а также удобства монтажа, перегрузки, транспортировки и обеспечения требуемых условий охлаждения их объединяют в множество связок. Каждая связка представляет единую конструкцию тепловыделяющей сборки. Число твэлов в ТВС может составлять от нескольких штук до нескольких десятков или даже сотен. Твэлы в тепловыделяющих сборках соединяются между собой с помощью двух концевых и более десяти дистанционирующих решеток, устанавливаемых с определенным шагом по высоте сборки, что обеспечивает жесткое дистанционирование тепловыделяющих элементов при обтекании теплоносителем и соблюдение зазоров между твэлами для прохода теплоносителя и обеспечения водо-уранового соотношения.

Активные зоны ядерных реакторов набираются из тепловыделяющих сборок, содержащих пучок твэлов, расположенный в кожухе, например шестигранной формы [1] Поперечное сечение тепловыделяющих сборок может быть также квадратным (см. И. Я. Емельянов, В.И.Михан, Солонин В.И. и др. Конструирование ядерных реакторов, М. Энергоиздат, 1982, с.77, рис. 3.10в), соответствовать окружности (см. И.Я.Емельянов, В.И.Михан, Солонин В.И. и др. Конструирование ядерных реакторов, М. Энергоиздат, 1982, с.191 ) и пр. Для снижения доли конструкционного материала в активной зоне тепловыделяющие сборки могут не иметь кожуха, так называемые бесчехловые ТВС, в которых пучок твэлов объединен дистанционирующими решетками, а опорные решетки сборки соединены трубками, (см. И. Я. Емельянов, В.И.Михан, Солонин В.И. и др. Конструирование ядерных реакторов, М. Энергоиздат, 1982, с. 77, рис. 3.10 в ). В ТВС могут быть размещены перемещающиеся органы регулирования, как, например в серийном реакторе ВВЭР-1000.

Твэлы, объединяемые в известных ТВС могут иметь различную форму выполнения, но их конструкция и конструкция сборки должны обеспечить механическую устойчивость и прочность в том числе в аварийных условиях при высоких температурах, что усложняется наличием мощных потоков нейтронов и гамма-излучения. Повреждение твэла влечет за собой радиоактивное загрязнение контура продуктами деления. Нарушение первоначальной геометрической формы твэла может ухудшить условия теплоотдачи от твэла к теплоносителю. Поэтому при разработке конструкций ТВС необходимо учитывать выбранный тип твэла и условия его эксплуатации, особенно возможность увеличения величины отношения теплопередающей поверхности твэла к его объему.

Наиболее близкий по технической сущности к описываемой является тепловыделяющая сборка ядерного реактора, содержащая набор тепловыделяющих элементов с размещенным по винтовой спирали топливом, заключенным в оболочку [2] В известной тепловыделяющей сборке твэлы выполнены в виде прутков, навитых в цилиндрическую спираль, и установлены коаксиально вокруг общей оси. В этом случае теплоноситель омывает твэлы с двух сторон, что улучшает условия теплосъема. Поскольку диаметр прутков существенно меньше диаметра цилиндрической спирали, образующей кольцевой топливный сердечник, снижается и уровень формоизменения твэлов.

Тем не менее данная и вышеперечисленные известные тепловыделяющие сборки, несмотря на различные преимущества, имеют общий негативный фактор, обусловленный достаточно высокой величиной неоднородности распределения топлива, замедлителя и конструкционных материалов в объеме сборки.

Наличие в известных сборках между твэлами замедлителя воды увеличивает водо-урановое отношение, но до определенного предела, обусловленного конструктивными особенностями таких сборок, заключающимися в коаксиальном расположении твэлов или в использовании стержневых твэлов.

По этим причинам при проектировании активной зоны реактора из набора тепловыделяющих сборок уделяют большое внимание компенсации относительно большой степени гетерогенности, особенно по границам расположения сборок, за счет снижения энергонапряженности, путем профилирования обогащения топлива по сечению сборки, изменения расхода теплоносителя и пр.

Кроме того, коаксиальное расположение спиральных твэлов в известной тепловыделяющей сборке с точки зрения теплоотдачи предполагает ее идентичность многослойным кольцевым твэлам или тепловыделяющим сборкам с коаксиально размещенными кольцевыми твэлами и не обеспечивает в достаточной степени требуемого уровня теплоотвода. Установка спиральных твэлов вокруг общей оси исключает возможность дискретного изменения шага расположения твэлов в тепловыделяющих сборках по радиусу активной зоны. При этом отсутствует унификация твэлов для одной тепловыделяющей сборки, т.к. каждый твэл имеет различные значения среднего диаметра по радиусу активной зоны, что негативно сказывается на технологии их изготовления и практически полностью исключает возможность использования сборок с кольцевыми твэлами на действующих АЭС с водо- водяными реакторами при очередной перегрузке активной зоны. Задачей настоящего изобретения является создание новой концепции и конструкции тепловыделяющей сборки ядерного реактора, преимущественно водо-водяного типа, с повышенной энергонапряженностью, улучшенным теплообменом и обеспечивающей уменьшение степени неоднородности распределения топлива, замедлителя и конструкционных материалов по объему сборки.

В результате решения данной задачи реализуются технические результаты, заключающиеся в уменьшении степени гетерогенности и повышении греющей поверхности сборки.

Данные технические результаты достигаются тем, что в тепловыделяющей сборке ядерного реактора, содержащей набор тепловыделяющих элементов с размещенным по винтовой спирали топливом, заключенным в оболочку, оси тепловыделяющих компонентов расположены друг от друга на расстоянии L, выбранном из соотношения: L>d_H-2d, где D_H наружный диаметр витка спирали; d диаметр оболочки, причем, по крайней мере, часть тепловыделяющих элементов снабжена наружным и/или внутренним фиксатором.

Отличительной особенностью настоящего изобретения является расположение тепловыделяющих элементов так, что их оси расположены на определенном расстоянии друг от друга. В результате собственно твэлы размещены параллельно друг другу с зазором по наружным поверхностям или с возможностью контактирования по образующим спиралей, или по образующим наружных фиксаторов. Допускается некоторое совмещение поперечных сечений твэлов в плане за счет захода витков соседних спиралей друг в друга. Однако уменьшение расстояния между осями соседних твэлов менее величины, равной (D_H-2d) приводит к негативным уменьшениям концентрации топлива, конструкционных материалов и замедлителя в объеме сборке. При этом по крайней мере часть твэлов снабжена наружным и/или внутренним фиксатором, стабилизирующем спираль твэла при ее возможной деформации. При таком расположении тепловыделяющих элементов и их выполнении существенно повышается греющая поверхность, т.к. теплоноситель проходит как между наружных поверхностей твэлов, так и внутри них. Спиральные твэлы, имеющие внутреннюю полость, и рассредоточенные по объему параллельно друг другу сборки уменьшают неоднородность нейтронно-физических и теплогидравлических параметров по объему сборки, поскольку в данной конструкции существенно уменьшены области локальных концентраций топлива, замедлителя и конструкционных материалов. Действительно, в поперечном сечении активной зоны топливо в спирали расположено по высоте с чередованием материала оболочек, а в продольном сечении топливо чередуется как с материалом оболочки, так и с замедлителем.

Кроме того, оболочка с топливом может быть выполнена в виде полой проволоки, заполненной топливным порошком (так называемой порошковой проволоки).

Целесообразно располагать в сборке поглощающие элементы органов регулирования и/или выгорающий поглотитель, выполненные, например, в виде цилиндрической спирали из порошковой проволоки с наполнителем, включающем нейтронопоглощающий материал, или в виде стержней.

Возможно секционирование тепловыделяющих элементов и/или поглощающих элементов органов регулирования, и/или выгорающего поглотителя с расположением секций по оси тепловыделяющего элемента и/или коаксиально друг другу.

На фиг.1 изображен общий вид тепловыделяющей сборки; на фиг.2 - расположение твэлов в сборке по треугольной решетке; на фиг.3 расположение твэлов в сборке по четырехугольной решетке; на фиг. 4 расположение твэлов в сборке по окружности; на фиг.5 изображен тепловыделяющий элемент; на фиг.6 - вариант выполнения тепловыделяющего элемента; на фиг.7 вариант тепловыделяющего элемента с различными профилями оболочки; на фиг.8 вариант тепловыделяющего элемента с различным шагом навивки спиралей; на фиг.9 - вариант тепловыделяющего элемента с различным диаметром по длине; на фиг.10 изображен узел A крепления твэла к опорным решеткам; на фиг.11 вариант узла A4 на фиг.12 второй вариант узла A; на фиг.13 сечение Б-Б на фиг.1.

Тепловыделяющая сборка 1 содержит набор тепловыделяющих элементов 2 с размещенным по винтовой спирали 3 порошкообразным топливом 4. Топливо 4 заключено в оболочку 5, выполненную из конструкционного материала. Твэлы 2 в плане установлены любым известным способом, в частности по треугольной (см. фиг. 2), четырехугольной (см. фиг.3) решетке или по окружности (см.фиг.4). Тепловыделяющие элементы могут быть составлены из секций 6, располагаемых по общей оси, а также коаксиально друг другу. При коаксиальном расположении спиралей 3 они могут быть изготовлены многозаходными (см.фиг.5), в том числе с противоположной навивкой.

Для обеспечения требуемой жесткости в сборке твэлы 2 снабжены индивидуальными фиксаторами 7. Однако спирали 3 твэлов 2 могут удерживаться в объеме сборки за счет фиксаторов 7 соседних твэлов, на которых для этой цели выполнены пуклевки 8, выступы 9, лепестки 10, прорези 11. Возможны также другие известные формы и виды удержания спиралей 3.

В качестве фиксаторов 7 могут быть использованы гильзы 12, с перфорацией 13 в виде отверстий 14. Пазы 15, выполняемые в гильзах 12 улучшают теплосъем, аналогично перфорации 13, а также могут служить для удержания твэлов 16, не имеющих индивидуальных фиксаторов.

Спирали 3 навиваются из порошковой проволоки, изготавливаемой по известной технологии с учетом наиболее перспективных методов. Профиль поперечного сечения спиралей может быть выполнен в виде круга 17, квадрата 18, эллипса 19, овала 20, прямоугольника 21 (см.фиг.7), а также любой иной формы.

По длине твэла спирали 3 могут быть навиты с постоянным шагом (t₁), в частности равным наружному диаметру (d) оболочки 5,с переменным шагом, в частности увеличивающимся (t₂) или уменьшающимся (t₃) от центра спирали к ее торцам (см.фиг.8). Диаметр спиралей 3 по длине сборки может быть постоянным, увеличиваться или уменьшаться (см.фиг.9).

Наряду с твэлами в сборке могут быть расположены неподвижные поглощающие элементы 22 органов регулирования, а также перемещаемые поглощающие элементы 23. Поглощающие элементы 22 и 23 изготавливаются по известным технологиям, а также, по аналогии с твэлами, в виде навитой на спираль порошковой проволоки с наполнителем, включающим нейтронопоглощающий материал.

Спирали 3 тепловыделяющих элементов и поглощающих элементов органов регулирования могут быть установлены с зазором 24 между наружными поверхностями, что обеспечивается расположением осей твэлов на расстояние L, превышающим наружный диаметр (D_H) спиралей. Возможен также контакт витков спиралей 3 по образующим спиралей, в частности даже при частичном перекрытии поперечных сечений соседних твэлов, что достигается расположением осей твэлов на расстоянии равном (D_H 2d).

Для закрепления твэлов можно использовать опорные решетки 25 с отверстиями 26, через которые теплоноситель поступает во внутреннюю полость твэлов. Отверстия 26 в решетках 25 служат для прохода теплоносителя в пространство между твэлами (см.фиг.10).

Оболочки 5 выполняют также функцию несущих элементов, соединяемых с решетками 25, например с помощью гаек 27, буртов 28, и прочими известными приемами. Причем данные крепления и их сочетания возможны для решеток, располагаемых по разным концам сборки.

Теплоноситель, проходя через активную зону, набранную из сборок 1, поступает через отверстия 26 внутрь твэлов 2 и, через отверстия 29, в пространство между твэлами 2. При этом теплосъем осуществляется с большой поверхности. В связи с тем, что по объему сборки топливо, замедлитель (вода) и конструкционные материалы распределены более равномерно, на границах между соседними сборками не наблюдается резких всплесков нейтронно-физических и тепловых параметров.

Формула изобретения

1. Тепловыделяющая сборка ядерного реактора, содержащая набор тепловыделяющих элементов с размещенным по винтовой спирали топливом, заключенным в оболочку, отличающаяся тем, что оси тепловыделяющих элементов расположены друг от друга на расстоянии L, выбранном из соотношения L > D_н 2d, где D_н наружный диаметр витка спирали;
d диаметр оболочки,
причем по крайней мере часть тепловыделяющих элементов снабжена наружным и/или внутренним фиксатором.

2. Сборка по п.1, отличающаяся тем, что оболочка с топливом выполнена в виде порошковой проволоки.

3. Сборка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что содержит поглощающие элементы органов регулирования и/или выгорающий поглотитель нейтронов.

4. Сборка по п.1, или 2, или 3, отличающаяся тем, что тепловыделяющие элементы и/или поглощающие элементы органов регулирования, и/или выгорающий поглотитель выполнены секционированными, причем секции расположены по оси тепловыделяющего элемента и/или коаксиально друг другу.

5. Сборка по п.3 или 4, отличающаяся тем, что поглощающие элементы органов регулирования и/или выгорающий поглотитель нейтронов выполнены в виде цилиндрической спирали из порошковой проволоки с наполнителем, включающим нейтронопоглощающий материал, и/или в виде стержней.

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