Тепловыделяющая сборка канального уран-графитового ядерного реактора

 

Изобретение относится к ядерной технике, а именно: к конструкции тепловыделяющих сборок (ТВС) канального уран-графитового ядерного реактора. В тепловыделяющей сборке канального уран-графитового ядерного реактора, содержащей закрепленные на стержне друг за другом с зазором пучки тепловыделяющих элементов, заглушки которых с одного конца пучка закреплены в концевых решетках, и хвостовики, концевые решетки расположены между пучками тепловыделяющих элементов, а заглушки с другого конца тепловыделяющих элементов установлены от хвостовиков на расстоянии, обеспечивающем свободное удлинение тепловыделяющих элементов при эксплуатационных и аварийных режимах. Зазор между заглушками расположенных друг над другом тепловыделяющих элементов выбран равным величине, обеспечивающей возможность свободного прохода режущего органа между заглушками. Технический результат, достигаемый при реализации изобретения, заключается в повышении жесткости ТВС между соседними пучками твэлов и увеличении стабильности величины потока тепловых нейтронов между пучками твэлов и между ТВС в течение всей кампании. 1 з.п.ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к ядерной технике, а именно: к конструкции тепловыделяющих сборок (ТВС) канального уран-графитового ядерного реактора.

Известна тепловыделяющая сборка канального уран-графитового ядерного реактора, содержащая закрепленные на стрежне друг за другом пучки тепловыделяющих элементов, закрепленные в концевых решетках, и хвостовики (см. А.Я. Крамеров "Вопросы конструирования ядерных реакторов", М., Атомиздат, 1971, с.с.207, 208, рис. 7.13).

В данной конструкции ТВС пучки тепловыделяющих элементов (в количестве более четырех штук) заключены в графитовые втулки, которые, в свою очередь, помещены в чехол из конструкционного материала.

Недостатками указанной ТВС являются разрывы по топливу между пучками тепловыделяющих элементов (твэл), вследствие которых в этих местах сборки происходит всплеск потока нейтронов и увеличение энерговыделения.

Локальное увеличение энерговыделения приводит к росту температур топлива и конструкционных материалов, в частности, оболочки твэлов. Таким образом, снижается запас до кризиса кипения, ухудшается поведение топлива в аварийных ситуациях.

Ухудшение условий работы, в которых оказываются сварные соединения заглушек и оболочек тепловыделяющих элементов, приводит к разрушению сварных соединений и выходу радиоактивного топлива в циркуляционный контур.

Большое количество разрывов по топливу усугубляет условия работы топливных и конструктивных элементов ТВС.

В данной конструкции ТВС не предусмотрена возможность свободного удлинения твэлов при температурном и радиационном росте (особенно в аварийных режимах), что существенно снижает работоспособность ТВС, особенно в условиях длительной кампании.

Кроме того, возможен перекос пучков тепловыделяющих элементов в ТВС из-за неравномерного удлинения твэлов, что может привести к заклиниванию пучков и разгерметизации твэлов.

Недостатком отмеченной ТВС является также наличие в ней графита, из которого изготовлены втулки, окружающие пучки твэлов, т.к. графит склонен к термическому распуханию, которое может привести к заклиниванию пучков в чехлах ТВС, и, кроме того, требует увеличения расхода теплоносителя для своего охлаждения.

Наличие у ТВС чехлов из конструкционных материалов негативно сказывается на экономических показателях ТВС, т.к. ведет к росту непроизводительного расхода нейтронов.

Следует также отметить, большую вероятность разрушения оболочек твэл при разборке ТВС, вышеуказанной конструкции.

Наиболее близкой по своим существенным признакам к предложенной ТВС является тепловыделяющая сборка канального уран-графитового ядерного реактора, содержащая установленные один под другим пучки тепловыделяющих элементов, закрепленные в концевых решетках, и хвостовики (см. Г.Н.Ушаков "Технологические каналы и тепловыделяющие элементы ядерных реакторов", М., Энергоиздат, 1981, с.с.86, 87).

В прототипе концевые решетки установлены на концах ТВС и для того, чтобы твэлы могли удлиняться из-за термомеханического взаимодействия топлива с оболочкой и из-за радиационного роста оболочки между пучками образован зазор.

Такое выполнение ТВС приводит к тому, что расположенные один под другим тепловыделяющие элементы могут "утыкаться" друг в друга, из-за чего может произойти не только деформация твэлов, потеря их устойчивости и, как следствие, - разгерметизация оболочек этих твэлов, но и - разгерметизация технологического канала, из-за которой возникает опасность разгерметизации оболочек уже у всех твэлов и попадания топлива в графитовую кладку, откуда радиоактивные продукты деления будут поступать в атмосферу. Естественно, что подобная ситуация недопустима, т.к. она приводит к ухудшению радиационной обстановки и длительному простою реактора. А это резко отрицательно отразится на экономических показателях реактора.

Чтобы избежать "утыкания" твэлов, между заглушками твэлов образован более чем 20 мм зазор. Из-за этого, с учетом размера самих заглушек, разрыв по топливу между пучками твэл может достигать более 50 мм. Столь значительный промежуток между столбами топлива и наличие в зазоре сильного замедлителя - воды - приводит к тому, что в этом месте образуется своего рода "нейтронная ловушка", т. е. заметно повышается плотность потока тепловых нейтронов, а следовательно, - энерговыделение.

Локальное увеличение энерговыделения приводит к росту температур топлива и конструкционных материалов, в частности, оболочки твэлов. Таким образом, снижается запас до кризиса кипения, ухудшается поведение топлива в аварийных ситуациях.

Ухудшение условий работы, в которых оказываются сварные соединения заглушек и оболочек тепловыделяющих элементов, приводит к нередким случаям обрыва заглушек и высыпания радиоактивного топлива в циркуляционный контур, по которому оно может быть распространено в самые удаленные, труднодоступные и не имеющие радиационной защиты места атомной станции.

Кроме того, большой зазор между топливом в пучках нарушает нейтронную связь между пучками твэл и как бы разделяет активную зону на две зоны, что весьма негативно сказывается на ее управляемости. К тому же величина зазора между отдельными твэлами разных пучков в процессе работы реактора, во-первых неодинакова, а, во-вторых, непостоянна. Очевидно, что это еще больше усложняет "управляемость" активной зоны.

Наконец из-за того, что зазор между пучками в разных местах - разный, возникает опасность разрушения целостности твэлов в процессе разборки ТВС, которая начинается с поперечного разрезания ТВС на две, примерно равных, части.

Задача, на решение которой направлено данное изобретение, состоит в повышении надежности и безопасности канального ядерного реактора, улучшении его управляемости, а также - в упрощении и повышении безопасности технологического процесса разборки ТВС.

Технический результат, достижение которого обеспечивается с помощью настоящего изобретения, заключается в повышении жесткости ТВС между пучками твэл, увеличении стабильности величины потока тепловых нейтронов между пучками твэлов и между ТВС в течение всей кампании, снижении величины всплеска энерговыделения между пучками тепловыделяющих элементов, уменьшении вероятности разрушения, разгерметизации оболочек твэлов и стенок технологических каналов, уменьшении вероятности разрушения сварных соединений оболочек и заглушек твэлов, уменьшении вероятности выноса радиоактивных продуктов деления за пределы реактора, в создании строго гарантированного зазора между пучками твэл на всем его протяжении и в его уменьшении.

Указанная задача решается благодаря тому, что в тепловыделяющей сборке канального уран-графитного ядерного реактора, содержащей закрепленные на стержне друг за другом с зазором пучки тепловыделяющих элементов, заглушки которых с одного конца пучка закреплены в концевых решетках, и хвостовики, концевые решетки расположены между пучками тепловыделяющих элементов, а заглушки с другого конца тепловыделяющих элементов установлены от хвостовиков на расстоянии, обеспечивающем свободное удлинение тепловыделяющих элементов при эксплуатационных и аварийных режимах, и, кроме того, тем, что зазор между заглушками расположенных друг над другом тепловыделяющих элементов выбран равным величине, обеспечивающей возможность свободного прохода режущего органа между заглушками.

Изобретение поясняется чертежом, на котором представлен продольный разрез тепловыделяющей сборки.

На чертеже указаны тепловыделяющий элемент 1, пучок 2 тепловыделяющих элементов 1, оболочка 3 тепловыделяющего элемента, заглушка 4 тепловыделяющего элемента, концевая решетка 5, стержень 6 и хвостовик 7.

ТВС работает следующим образом. Выводят реактор на мощность. В процессе вывода реактора на мощность, а также в течение его работы конструкционные элементы ТВС подвергаются постоянному воздействию жесткости радиоактивного облучения, температурных градиентов, механических нагрузок и др. Особенно неблагоприятные условия возникают в центральной части ТВС. Однако благодаря размещению концевых решеток 5 между пучками 2 твэл, удается несколько снивелировать негативное влияние среды на твэл 1, т.к. на протяжении всего срока работы реактора сохраняется постоянный зазор между заглушками 4 твэл 1, которые свободно удлиняются в направлении хвостовиков 7. В результате этого, исключается вероятность возмущения потока нейтронов в зазоре между пучками 2 твэл 1 и уменьшается опасность разрушения самих твэл 1. Размещение концевых решеток 5 между пучками 2 твэл 1 увеличивает жесткость конструкции ТВС в данном месте и уменьшает опасность изгиба твэлов 1, и, следовательно, снижает опасность разгерметизации их оболочек 3 и стенок ТК в местах касания. Одновременно с этим размещение концевых решеток 5 между пучками 2 приводит к появлению конструктивных материалов в области всплеска потока нейтронов и к его уменьшению.

Кроме того, фиксация заглушек 4, установленных на концах твэл 1, обращенных к центру ТВС, в концевых решетках 5 позволяет "перераспределить" температурные, механические и иные напряжения между заглушками 4 и, тем самым, уменьшить опасность разрушения сварных соединений (на чертеже не показаны), а сами концевые решетки 5 обеспечивают турбулизацию потока теплоносителя и улучшение условий работы сварных соединений, что также положительно сказывается на их ресурсе.

Гарантированное постоянство величины зазора между заглушками 4 твэлов 1, достигнутое благодаря исключению попадания участков твэл 1 из-за удлинения в область повышенных нейтронных потоков между пучками 2, ведет к снижению максимальной линейной нагрузки на твэлы 1, а также позволяет повысить точность оперативных расчетов величин нейтронных полей не только между пучками 2, но и между ТВС в активной зоне, и облегчить, тем самым, управление активной зоной.

Постоянный зазор между заглушками 4 также позволяет упростить и удешевить процедуру разделки ТВС на части, а также - повысить безопасность этой операции, т.к. больше не требуется включать в технологическую цепочку разделки такую, например, операцию, как ультразвуковое сканирование и задавать режущему инструменту сложную программу следования, чтобы не нарушить целостность твэл 1.

Кроме того, размещение концевых решеток 5 между пучками 2 позволяет сблизить пучки 2 друг с другом так, что расстояние между заглушками 4 тепловыделяющих элементов 1, расположенными одна над другой, будет равно величине, обеспечивающей возможность свободного прохода режущего органа между заглушками, и быть равным, например, толщине лезвия режущего инструмента.

В этом случае еще больше снизится всплеск потока нейтронов и энерговыделение в месте разрыва пучков 2, что очень положительно повлияет на условия работы, в которых находятся сварные соединения заглушек 4 и оболочек 3 и прилегающих к заглушкам 4 топливных таблеток (на чертеже не обозначены). Кроме того, значительно упростится и, одновременно, повысится точность нейтронно-физических расчетов активной зоны, что облегчит и повысит "качество" управления активной зоной. В тоже время процесс технологической разборки в случае применения данного изобретения сохраняется, поскольку опасности разрушения сварных соединений и оболочек в процессе разрезания стержня 6, а значит - и попадания радиоактивного топлива в окружающую среду, по прежнему удается избежать.

Формула изобретения

1. Тепловыделяющая сборка канального уран-графитового ядерного реактора, содержащая закрепленные на стержне друг за другом с зазором пучки тепловыделяющих элементов, заглушки которых с одного конца пучка закреплены в концевых решетках, и хвостовики, отличающаяся тем, что концевые решетки расположены между пучками тепловыделяющих элементов, а заглушки с другого конца тепловыделяющих элементов установлены от хвостовиков на расстоянии, обеспечивающем свободное удлинение тепловыделяющих элементов при эксплуатационных и аварийных режимах.

2. Тепловыделяющая сборка по п. 1, отличающаяся тем, что зазор между заглушками расположенных друга над другом тепловыделяющих элементов выбран равным величине, обеспечивающей возможность свободного прохода режущего органа между заглушками.

РИСУНКИ

Рисунок 1