Дистанционирующая решетка для тепловыделяющей сборки ядерного реактора

 

Изобретение относится к ядерной промышленности и может быть использовано при конструировании тепловыделяющих сборок ядерных реакторов. Технический результат, достигаемый при реализации изобретения, заключается в упрощении конструкции дистанционирующей решетки при повышении надежности фиксации твэлов в решетке и снижении гидравлического сопротивления тепловыделяющих сборок. Дистанционирующая решетка включает рамку с закрепленными на ней рядами параллельных пластинок, формирующих ячейки для размещения твэлов, и упругие элементы для фиксации твэла в решетке. Рамка выполнена с возможностью упругого изменения ее формы, а пластинки размещены в виде трех не пересекающихся в пространстве рядов, образующих в плане ячейки шестиугольной формы для размещения твэлов. Пластинки выполнены из материала на основе сплава никеля и хрома, а упругие элементы конструктивно выполнены заодно с рамкой. 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к ядерной промышленности и может быть использовано при конструировании тепловыделяющих сборок ядерных реакторов.

Известна дистанционирующая решетка тепловыделяющей кассеты с ячейками квадратной формы для размещения твэлов в сборке на определенном расстоянии друг от друга [1]. Ячейки сформированы двумя рядами взаимно перпендикулярных пластин, расположенных на одном уровне в тепловыделяющей сборке. Пластины снабжены прорезями до середины ширины в местах их состыковки с пластинами перпендикулярно расположенного ряда. Пластины закреплены на рамке, охватывающей решетку по периметру.

Недостатком дистанционирующей решетки является ненадежность закрепления твэлов в ячейках решетки, сложность сборки тепловыделяющей кассеты, возможность появления зазоров между стенками ячеек и твэлом в процессе эксплуатации и снижения за счет этого надежности работы твэлов. Кроме того, одноярусное расположение пластин решетки создает местное сужение проходного сечения канала для протока теплоносителя, что приводит к увеличению гидравлического сопротивления кассеты и снижению ее эксплуатационных характеристик.

Известна дистанционная решетка тепловыделяющей кассеты с ячейками квадратной формы для размещения твэлов в сборке на определенном расстоянии друг от друга [2]. Ячейки решетки сформированы двумя рядами взаимно перпендикулярных пластин, расположенных на одном уровне в тепловыделяющей сборке. Пластины снабжены прорезями до середины ширины в местах их состыковки с пластинами перпендикулярно расположенного ряда. Пластины закреплены на рамке, охватывающей решетку по периметру. Через стенку каждой ячейки пропущен пружинный держатель, оба конца которого закреплены в боковых стенках ячеек. Держатель состоит из двух противолежащих волнообразных полос, образующих кольцеобразные пружинистые хомуты, оси которых совпадают с осями ячеек и осями размещенных в ячейках твэлов.

Достоинством дистанционирующей решетки является повышение надежности закрепления твэлов в кассете в процессе эксплуатации, снижение возможности повреждения твэлов при сборке кассеты.

Недостатком такой решетки является ее сложность и повышенная металлоемкость. Кроме того, одноярусное расположение пластин решетки создает местное сужение проходного сечения канала для протока теплоносителя, что приводит к увеличению гидравлического сопротивления кассеты и снижению ее эксплуатационных характеристик.

Известна дистанционирующая решетка тепловыделяющей кассеты с ячейками квадратной формы для размещения твэлов в сборке на определенном расстоянии друг от друга [3]. Ячейки решетки сформированы двумя рядами взаимно перпендикулярных пластин, расположенных на одном уровне в тепловыделяющей сборке. Пластины снабжены прорезями до середины ширины в местах их состыковки с пластинами перпендикулярно расположенного ряда. Пластины закреплены на рамке, охватывающей решетку по периметру. На стенках ячеек, в местах контакта с оболочкой твэла, размещены U-образные пружинки, которые крепятся к пластине решетки с одной стороны с помощью сварки, а с другой - с помощью подвижного механического соединения.

Достоинством дистанционирующей решетки является повышение надежности закрепления твэлов в кассете в процессе эксплуатации, снижение возможности повреждения твэлов при сборке кассеты.

Недостатком такой решетки является ее сложность и повышенная металлоемкость. Кроме того, одноярусное расположение пластин решетки создает местное сужение проходного сечения канала для протока теплоносителя, что приводит к увеличению гидравлического сопротивления кассеты и снижению ее эксплуатационных характеристик.

Известна дистанционирующая решетка тепловыделяющей кассеты с ячейками квадратной формы для размещения твэлов в сборке на определенном расстоянии друг от друга [4]. Ячейки решетки сформированы двумя рядами взаимно перпендикулярных пластин, расположенных на одном уровне в тепловыделяющей сборке. Пластины закреплены на рамке, охватывающей решетку по периметру. В каждой ячейке в одном из ее углов размещена пружинка для закрепления твэла. Рамка и пластины изготовлены из циркониевого сплава, а на их поверхности сформирован слой из оксида циркония.

Достоинством дистанционирующей решетки является повышение надежности закрепления твэлов в кассете в процессе эксплуатации, снижение возможности повреждения твэлов при сборке кассеты, а также повышение стойкости элементов конструкций при эксплуатации.

Недостатком такой решетки является ее конструктивная сложность и материалоемкость, а также необходимость использования для изготовления различных элементов решетки расширенной номенклатуры материалов и композиционных материалов. Кроме того, одноярусное расположение пластин решетки создает местное сужение проходного сечения канала для протока теплоносителя, что приводит к увеличению гидравлического сопротивления кассеты и снижению ее эксплуатационных характеристик.

Известна дистанционирующая решетка тепловыделяющей кассеты с ячейками квадратной формы для размещения твэлов в сборке на определенном расстоянии друг от друга [5]. Ячейки решетки сформированы двумя рядами взаимно перпендикулярных пластин, расположенных на одном уровне в тепловыделяющей сборке. Пластины закреплены на рамке, охватывающей решетку по периметру. В каждой ячейке в одном из ее углов размещена пружинка для закрепления твэла. Пластины решетки изготовлены из сплава циркония и никеля, который после проведения заключительной горячей прокатки подвергается закалке в области температур существования β или α+β фазы, а затем холодной прокатке и отжигу. Это изобретение выбрано в качестве прототипа.

Достоинством дистанционирующей решетки является повышение надежности закрепления твэлов в кассете в процессе эксплуатации, снижение возможности повреждения твэлов при сборке кассеты, а также повышение стойкости элементов конструкций при эксплуатации.

Недостатком такой решетки является ее конструктивная сложность и материалоемкость, а также относительно невысокая надежность конструкции. Кроме того, одноярусное расположение пластин решетки создает местное сужение проходного сечения канала для протока теплоносителя, что приводит к увеличению гидравлического сопротивления кассеты и снижению ее эксплуатационных характеристик.

Технической задачей заявляемого изобретения является упрощение конструкции дистанционирующей решетки при повышении надежности фиксации твэлов в решетке и снижении гидравлического сопротивления тепловыделяющей сборки.

Поставленная техническая задача решается в заявленном изобретении тем, что в известной конструкции дистанционирующей решетки (включающей рамку, закрепленные на ней ряды параллельных пластинок, формирующих ячейки для размещения твэлов, и упругие элементы для фиксации твэла в решетке) рамка выполнена с возможностью упругого изменения ее формы и диаметра описанной вокруг нее окружности, дистанционирующие пластинки размещены в виде трех не пересекающихся в пространстве рядов, образующих в плане ячейки шестиугольной формы для размещения твэлов, пластинки выполнены из Ni-Cr сплава, а упругие элементы конструктивно выполнены заодно с рамкой.

По частному варианту выполнения решетки рамка выполнена в виде шести секций, каждая из которых соединена с двумя соседними с помощью упругих элементов.

По другому частному варианту выполнения решетки секции рамки и упругие элементы выполнены из пластины одинаковой ширины, причем упругие элементы образованы изгибом этой пластины в радиальной плоскости в форме продольных петель, направленных параллельно оси сборки к ее центру.

По частному варианту выполнения решетки сплав для изготовления дистанционирующих пластинок имеет следующий состав, мас.%: Ni от 54 до 60; Cr от 39 до 44 и Mo и/или W от 0,5 до 3,5.

По другому частному варианту выполнения решетки ячейка сформирована в виде правильного шестиугольника.

По другому частному варианту выполнения решетки диаметр окружности, вписанной в шестиугольную ячейку, составляет от 0,92 до 0,99 наружного диаметра твэла. При этом толщина дистанционирующих пластинок выбирается из следующего соотношения: δ = (0,866t-d_эл)+K, где δ - - толщина дистанционирующих пластинок, мм; t - шаг расположения твэлов по гексагональной решетке (или по правильной шестиугольной решетке), мм; d_эл - диаметр тепловыделяющего элемента в мм; K - размер, определяемый экспериментально и составляющий от 0,03 до 0,3 мм.

Технический результат достигается в заявляемом изобретении тем, что авторами найдено такое сочетание геометрии дистанционирующей решетки и характеристик материала дистанционирующих пластинок, которое обеспечивает возможность надежного закрепления твэлов в сборке за счет их взаимодействия с пластинами, прикрепленными к секциям рамки, которые соединены между собой с помощью упругих элементов. С помощью такой конструкции удается надежно зафиксировать твэлы в дистанционирующей решетке без использования многочисленных пружинистых элементов, размещенных в каждой ячейке для фиксации твэла, при этом существенно упростить конструкцию и повысить ее надежность.

На фиг. 1 приведен общий вид дистанционирующей решетки; на фиг. 2 показан поперечный разрез дистанционирующей решетки, в ячейках которой помещены тепловыделяющие элементы.

На фиг. 3 приведен фрагмент дистанционирующей решетки с характерным изгибом дистанционирующих пластинок после установки тепловыделяющих элементов.

Дистанционирующая решетка состоит (см. фиг. 1) из рамки (1) и трех рядов дистанционирующих пластинок (2), (3) и (4). В каждом из рядом пластинки установлены параллельно друг другу, причем ряды расположены на трех разных уровнях по высоте рамки (1). Рамка сформирована из шести секций (5) - (10), каждая из которых соединена с двумя соседними секциями с помощью упругих элементов (11) - (16). Упругие элементы (11) - (16) выполнены в виде продольных петлевых изгибов рамки, направленных параллельно оси сборки закруглением к ее центру. Пластинки каждого ряда (2), (3) и (4) закреплены на поверхности секций (5) - (10) таким образом, что формируют в осевом направлении шестиугoльные ячейки с диаметром вписанной окружности от 0,92 до 0,99 диаметра оболочки твэла, которые служат для размещения стержней тепловыделяющих элементов (18) (см. фиг. 2). Пластинки (2), (3) и (4) проходят через окна, выполненные в секциях (5) - (10) рамки, а концы пластинок отогнуты до совмещения с поверхностью секций и приварены к ним при помощи контактной сварки.

Пластинки (2), (3) и (4) выполнены из сплава на основе Ni и Cr, имеющего, например, следующий состав, мас.%: Ni от 54 до 60; Cr от 39 до 44 и Mo и/или W от 0,5 до 3,5.

Сборка кассеты с дистанционирующими решетками производится следующим образом. Дистанционирующие решетки закрепляются по длине кассеты на определенном расстоянии друг от друга с помощью специального приспособления так, чтобы сформированные каждой из решеток шестиугольные ячейки совпадали в своих проекциях на плоскость, перпендикулярную оси канала, и формировали направляющие для вертикального размещения твэла.

Затем в шестиугольные ячейки набора дистанционирующих решеток вставляют твэлы. В процессе сборки кассеты происходит натяжение дистанционирующих пластинок (2), (3) и (4), которое компенсируется смещением секций (5) - (10) рамки за счет деформации упругих элементов (11) - (16). Форма характерного изгиба дистанционирующих пластинок после установки твэлов приведена на фиг. 3. В кассете дистанционирующие решетки закрепляются по высоте с помощью специальных элементов - стоек (не показаны), расположенных в петлевых изгибах упругих элементов (11) - (16) или в зоне секций рамки.

Выбор никель-хромового сплава, приведенного выше, в качестве материала для изготовления пластинок определяется тем, что он обеспечивает высокие значения временного сопротивления и предела текучести и при высоких значениях предела упругости при эксплуатации в высокоагрессивных средах и при высоких дозах его облучения в условиях активной зоны атомного реактора. Предложенный материал для изготовления пластин, которые вместе с рамкой образуют упругую механическую систему для фиксации твэлов в канале тепловыделяющей сборки реактора, имеет следующие характеристики: предел текучести порядка 70 кг/см² и модуль упругости порядка 23000 кг/мм². Проведенные авторами исследования показали, что этот сплав помимо высокой технологической пластичности характеризуется прекрасными коррозионными и радиационными характеристиками. Это позволяет обеспечить легкость сборки тепловыделяющей кассеты и снизить коррозионное взаимодействие (фреттинг-коррозию) оболочек твэлов в местах контакта с пластинками, а также стабильность упругих свойств пластинок в течение всего периода эксплуатации сборки в активной зоне реактора.

Таким образом, при использовании предложенного решения удается надежно зафиксировать твэлы в дистанционирующей решетке за счет упругой деформации пластинок и рамки дистанционирующей решетки без использования дополнительных конструктивных элементов, что существенно упрощает конструкцию решетки, снижает ее металлоемкость, а также уменьшает ее гидравлическое сопротивление.

Использованные источники информации: 1. Заявка N 63-33675 Японии, G 21 C 3/34, 1981.

2. Заявка N 3-76877 Японии, G 21 C 3/34, 1991.

3. Заявка N 0395509 ЕПВ, G 21 C 3/356, 1990.

4. Заявка N 64-5661 Японии, G 21 C 3/34, 1983.

5. Заявка N 4-8758 Японии, G 21 C 3/34, 1986.

Формула изобретения

1. Дистанционирующая решетка для тепловыделяющей сборки ядерного реактора, включающая рамку, закрепленные на ней ряды параллельных пластинок, формирующих ячейки для размещения твэлов, и упругие конструктивные элементы для фиксации твэла в решетке, отличающаяся тем, что рамка выполнена с возможностью упругого изменения ее формы и диаметра описанной вокруг нее окружности, пластинки размещены в виде трех не пересекающихся в пространстве рядов, образующих в плане ячейку шестиугольной формы для размещения твэлов, пластинки выполнены из Ni-Cr сплава, а упругие элементы конструктивно выполнены заодно с рамкой.

2. Решетка по п.1, отличающаяся тем, что рамка выполнена в виде шести секций, каждая из которых соединена с двумя соседними с помощью упругих элементов.

3. Решетка по п.1, отличающаяся тем, что секции рамки и упругие элементы выполнены из пластины одинаковой ширины, причем упругие элементы образованы изгибом этой пластины в радиальной плоскости в форме продольных петель, направленных параллельно оси сборки к ее центру.

4. Решетка по п.1, отличающаяся тем, что сплав для изготовления пластинок, формирующих ячейки, имеет следующий состав, мас.%: Ni от 54 до 60, Cr от 39 до 44 и Mo и/или W от 0,5 до 3,5.

5. Решетка по п. 1, отличающаяся тем, что ячейка сформирована в виде правильного шестиугольника.

6. Решетка по п.1, отличающаяся тем, что диаметр окружности, вписанной в шестиугольную ячейку, составляет от 0,92 до 0,99 наружного диаметра твэла, причем толщина дистанционирующих пластинок выбирается из соотношения δ=(0,866t-d_эл)+K ,
где
δ- толщина дистанционирующих пластинок, мм
t - шаг расположения твэлов по гексагональной решетке, мм;
d_эл - диаметр твэла, мм;
K - размер, определяемый экспериментально и составляющий от 0,03 до 0,1 мм.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3