Дистанционирующая решетка тепловыделяющей сборки ядерного реактора

 

Изобретение относится к области атомной энергетики, в частности к дистанционирующим решеткам тепловыделяющих сборок энергетических ядерных реакторов. Технический результат изобретения состоит в создании такой конструкции дистанционирующей решетки, которая имеет минимально возможные усилия протаскивания твэлов через дистанционирующую решетку при сборке пучка твэлов и в процессе работы тепловыделяющей сборки в реакторе допускает радиационный рост твэлов в течение кампании топлива, не вызывая фрикционного износа оболочек, изгиба твэлов и всей тепловыделяющей сборки, обладает небольшим гидравлическим сопротивлением в сравнении с дистанционирующей решеткой - прототипом. В дистанционирующей решетке тепловыделяющей сборки ядерного реактора, содержащей ячейки для размещения твэл с заданным шагом, выполненные из отрезков труб, каждая ячейка соштампована в форму шестигранного профиля, при этом в середине каждой из трех граней, расположенных под углом 120^o друг относительно друга, внутрь ячейки сделаны местные выдавки, на остальных трех гранях выполнены отверстия, причем ячейки в решетке установлены так, что каждой грани с выдавкой одной ячейки соответствует грань с отверстием смежной ячейки, и по шести сопрягаемым граням ячейки соединены друг с другом точками сварки, расположенными на одной оси с выдавкой ячейки. 4 ил.

Изобретение относится к области атомной энергетики, в частности к дистанционирующим решеткам тепловыделяющих сборок энергетических ядерных реакторов.

Известна конструкция дистанционирующей решетки, применяющаяся в тепловыделяющей сборке ядерного реактора ВВЭР-1000, выполненная по аналогии с дистанционирующими решетками реактора ВВЭР-440 и состоящая из сваренных между собой ячеек, расположенных по гексагональной схеме и имеющих шестигранную форму с тремя опорами для твэла, расположенными через 120 градусов друг от друга, образованные штамповкой вершин этого шестигранника по всей высоте ячейки, внутрь ее (см., например, реферативный журнал "Атомная энергия", т. 73, вып. 5, ноябрь 1992 г., реферат 621.039.524.4).

В местах прохождения направляющих каналов для органов регулирования системы управления и защиты реактора ячейки отсутствуют.

Опоры ячейки жестко фиксируют твэлы в дистанционирующей решетке с предварительным натягом.

Кроме того, схема расположения выдавок (опор) ячеек приводит к образованию областей (зон), в которых сходятся реакции опор от трех соседних твэлов, образуя кольцо жесткости с малой компенсационной возможностью, тем самым усиливается жесткий контакт "твэл-ячейка", что при сборке пучка твэл приводит к увеличению габаритного размера дистанционирующей решетки. Установка направляющих каналов в дистанционирующих решетках производится также с натягом.

При разогреве реактора из-за различных коэффициентов линейного расширения оболочек твэлов и направляющих каналов, "жестко" закрепленных в дистанционирующих решетках, в последних возникают изгибающие моменты. Кроме того, в процессе работы реактора при облучении твэлов происходит их рост пропорционально выгоранию топлива, что приводит к дополнительным изгибающим моментам в дистанционирующих решетках, их перекосу, и, как следствие, изгибу тепловыделяющей сборки, в том числе направляющих каналов органов регулирования, что может быть причиной зависания поглощающих стержней или увеличения времени ввода стержней в активную зону реактора по сигналу аварийной защиты.

Известна конструкция дистанционирующей решетки для тепловыделяющих сборок с "мягкими" пружинными элементами, состоящая из ячеек круглой формы (см. , например, патент США 5002726, М. кл. G 21 C 3/32, опубл. 26.03.91) или из ячеек, образованных перекрещивающимися пластинами (см., например, патент США 5035853 М. G 21 C 3/34, опубл. 30.07.91) с расположением в них твэлов в углах квадратной сетки.

Каждый твэл поджимается к жестким опорам пружинным пластинчатым элементом из пружинящей стали, представляющим собой изогнутую двухстороннюю петлю, закрепленную на стенке ячейки.

В процессе работы из-за релаксации напряжений происходит ослабление натяга между твэлом и элементами дистанционирующей решетки, приводящее к возможности возникновения между ними фреттинг-коррозии.

Известны данные американского исследовательского института (EPRI), представленные в 1995 году в МАГАТЭ, по которым одной из главных причин разгерметизации ядерного топлива на американских реакторах PWR является фреттинг-коррозия в местах контакта твэл с элементами дистанционирующей решетки (см. , например, статью "Наше топливо надежнее", опубл. в газете "Век" N 5 (171) 1996 г.).

Кроме того, применение в активной зоне дополнительных деталей увеличивает гидравлическое сопротивление тепловыделяющих сборок, усложняет конструкцию и технологию изготовления решетки, а также увеличивает объем конструкционных материалов в активной зоне с большим сечением захвата нейтронов.

Размещение твэлов в тепловыделяющей сборке и самих тепловыделяющих сборок в активной зоне по углам квадратной сетки, по сравнению с гексагональным расположением, приводит к менее плотному размещению твэлов и тепловыделяющих сборок в активной зоне.

Прототипом данного изобретения является дистанционирующая решетка, применяющаяся в тепловыделяющей сборке ядерного реактора ВВЭР-1000, поскольку предлагаемое решение имеет с прототипом наибольшее число сходных существенных признаков.

Задачей изобретения является создание конструкции дистанционирующей решетки, предназначенной для удержания пучка твэлов, расположенных с заданным шагом по гексагональной схеме в тепловыделяющей сборке, которая имела бы минимально возможные усилия протаскивания твэлов через дистанционирующую решетку при сборке пучка твэлов, и в процессе работы тепловыделяющей сборки в реакторе допускала радиационный рост твэлов в течение кампании топлива, не вызывая фрикционного износа оболочек твэлов, изгиба твэлов и всей тепловыделяющей сборки, обладала бы небольшим гидравлическим сопротивлением в сравнении с дистанционирующей решеткой - прототипом.

Решение задачи обеспечивается тем, что в известной конструкции дистанционирующей решетки тепловыделяющей сборки ядерного реактора, содержащей ячейки для размещения твэл с заданным шагом, выполненные из отрезков труб, каждая ячейка соштампована в форму шестигранного профиля, при этом в середине каждой из трех граней, расположенных под углом 120 градусов друг относительно друга, внутрь ячейки сделаны местные выдавки, на остальных трех гранях выполнены отверстия, причем ячейки в решетке установлены так, что каждой грани с выдавкой одной ячейки соответствует грань с отверстием смежной ячейки, и по шести сопрягаемым граням ячейки соединены друг с другом точками контактной сварки, расположенными на одной оси с выдавками ячейки.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, на которых изображены: на фиг. 1 - общий вид дистанционирующей решетки, на фиг. 2 - ячейка решетки, на фиг. 3 - расположение ячеек вокруг направляющих каналов, на фиг. 4 - расположение твэлов и направляющего канала в решетке.

Дистанционирующая решетка содержит ячейки 1, расположенные по гексагональной схеме. Ячейки штампуются из циркониевых труб в форму шестигранного профиля. На трех гранях 2 (см. фиг. 2), расположенных через 120 градусов друг от друг, в середине грани сделаны местные выдавки 3, которые и образуют опоры для твэла 4 (см. фиг. 4).

Форма опоры (выдавки) подобрана с учетом минимального гидравлического сопротивления, с учетом минимально возможного участка контакта твэла с ячейкой для сокращения усилия протаскивания твэлов через дистанционирующую решетку при сборке пучка твэлов и при радиационном росте твэлов в процессе работы реактора, а также с учетом предотвращения фреттинг-коррозии оболочки твэла в месте контакта с дистанционирующей решеткой.

На остальных ровных, гладких гранях 5 сделаны отверстия 6. При сборке ячейки 1 устанавливаются с учетом расположения выдавок 3 ячеек 1 так, чтобы к каждой грани 2 с выдавкой 3 одной ячейки прилегала гладкая грань 5 с отверстием 6 смежной ячейки и отверстие 6 располагалось напротив выдавки 3.

Отверстие 6 предусмотрено для исключения застойной зоны теплоносителя под выдавкой 3.

По сопрягаемым граням 2, 5 ячейки 1 свариваются между собой в двух точках 7, расположенных на одной оси с выдавкой 3, образуя решетку. По граням решетки приварены пластины 8, образующие защитный обод.

В решетке для прохождения через нее направляющих каналов 9 под органы регулирования системы управления и защиты реактора сделаны проходки 10, образованные внешними стенками смежных ячеек 1. Установка направляющих каналов 9 в дистанционирующей решетке осуществляется без натяга с минимальным зазором.

При сборке пучка твэлов между твэлом 4 и выдавками 3 ячейки 1 существует предварительный натяг, который необходим для компенсации допусков на твэл и ячейку и исключения возникновения фрикционной коррозии при гидродинамическом воздействии потока теплоносителя на твэл.

Изменение диаметра твэла в процессе работы реактора, обусловленные выгоранием топлива и маневрированием мощностью, отслеживается за счет упругих свойств сваренных между собой граней с местной выдавкой одной ячейки и гладкой гранью смежной ячейки, причем компенсация натяга происходит за счет всего линейного размера каждой стороны шестигранника ячейки, так как компоновка ячеек в дистанционирующей решетке исключает встречные реакции соседних ячеек, что обеспечивает неизменность контактных усилий при заполнении дистанционирующей решетки твэлами.

Положительным эффектом предлагаемой конструкции циркониевой дистанционирующей решетки в отличие от циркониевой решетки, применяемой в тепловыделяющей сборке ВВЭР-1000, является изменение схемы нагружения ячеек, что приводит к уменьшению напряжений в ячейке, и, следовательно, меньшей степени их релаксации, с сохранением упругих свойств ячеек, уменьшению вероятности гидрирования ячеек. Данная схема нагружения позволяет увеличить компенсационную возможность ячеек от предварительного натяга при установке твэл в решетку.

При использовании преимуществ конструкции предлагаемой дистанционирующей решетки открывается возможность создания тепловыделяющей сборки применительно к реакторам российских и зарубежных АЭС типа ВВЭР с повышенной глубиной выгорания топлива и маневренными режимами эксплуатации АЭС.

Формула изобретения

Дистанционирующая решетка тепловыделяющей сборки ядерного реактора, содержащая ячейки для размещения твэлов с заданным шагом, выполненные из отрезков труб шестигранного профиля, при этом в середине каждой из трех граней, расположенных под углом 120^o относительно друг друга, внутрь ячейки сделаны местные выдавки, отличающаяся тем, что на остальных трех гранях выполнены отверстия, причем ячейки в решетке установлены так, что каждой грани с выдавкой одной ячейки соответствует грань с отверстием смежной ячейки, и по шести сопрягаемым граням ячейки соединены друг с другом точками сварки, расположенными на одной оси с выдавкой ячейки.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4