Опорная решетка для тепловыделяющей сборки ядерного реактора
Владельцы патента RU 2308775:
Открытое акционерное общество "Машиностроительный завод" (RU)
Изобретение относится к области атомной энергетики, в частности к опорным решеткам тепловыделяющих сборок энергетических ядерных реакторов. Опорная решетка для тепловыделяющей сборки ядерного реактора выполнена в виде перфорированной пластины. Пластина имеет отверстия круглой и шестиугольной формы. Круглые отверстия предназначены для установки в них наконечников твэлов, а отверстия, предназначенные для прохода теплоносителя, имеют форму шестиугольника, три стороны которого параллельны линиям, соединяющим центры соседних круглых отверстий, а три других стороны образованы дугой окружности, концентричной круглым отверстиям. Изобретение позволяет повысить жесткость и прочность конструкции опорной решетки, снизить возмущение потока теплоносителя и вибрацию твэл. 4 з.п. ф-лы, 2 ил., 2 табл.
Изобретение относится к области атомной энергетики, в частности к опорным решеткам тепловыделяющих сборок энергетических ядерных реакторов.
Известна опорная решетка для тепловыделяющей сборки ядерного реактора, выполненная в виде перфорированной пластины, часть отверстий которой предназначена для установки в них наконечников твэлов, а часть отверстий предназначена для прохода теплоносителя (см. А.Я.Крамеров, «Вопросы конструирования ядерных реакторов». М.: Атомиздат, 1971 г., стр.202) (ближайший аналог).
Известная конструкция опорной решетки имеет следующие недостатки:
- анизотропия конструкции, вызванная формой и расположением отверстий для прохода теплоносителя (проливных пазов) относительно продольной оси твэлов, снижающая ее прочность и жесткость;
- существенное отличие конфигурации проливных пазов от конфигурации элементарной ячейки пучка твэлов, вызывающее возмущение потока теплоносителя при выходе его из опорной решетки в межтвэльное пространство и вибрацию твэлов;
- использование низкопроизводительной технологии механической обработки для выполнения отверстий.
Задачей предлагаемого изобретения является разработка технологичной в изготовлении конструкции опорной решетки, обладающей повышенной прочностью и жесткостью.
Поставленная задача решается тем, что опорная решетка для тепловыделяющей сборки ядерного реактора, выполненная в виде перфорированной пластины, имеет круглые отверстия, по меньшей мере часть которых предназначена для установки в них наконечников твэлов, и отверстия, предназначенные для прохода теплоносителя, при этом отверстия для прохода теплоносителя в плане имеют форму шестиугольника, каждая из трех сторон которого, обращенных к таким же отверстиям, параллельна линии, соединяющей центры соседних круглых отверстий, а каждая из трех других сторон, обращенных к круглым отверстиям, образована дугой окружности, концентричной соседнему круглому отверстию, при этом отверстия для прохода теплоносителя равномерно расположены с шагом 60° вокруг круглых отверстий.
Предложенная форма и расположение отверстий позволяет повысить жесткость и прочность конструкции опорной решетки, снизить возмущение потока теплоносителя и вибрацию твэл.
Стороны отверстий для прохода теплоносителя могут быть сопряжены радиусами закругления, позволяющими точно регулировать площадь для прохода теплоносителя.
Некоторые из круглых отверстий могут быть предназначены для размещения направляющих каналов, а центральное отверстие - для размещения центральной трубы.
Опорная решетка может быть выполнена методом литья, электроэррозионным методом, лазерной резкой или протяжкой.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется с помощью графических материалов. На фиг.1 показана опорная решетка, на фиг.2 показан увеличенный фрагмент опорной решетки.
Опорная решетка (см. фиг.1) для тепловыделяющей сборки ядерного реактора выполнена в виде перфорированной пластины 7 шестигранной формы, в которой выполнены круглые отверстия 1 (имеющие в плане форму окружности), предназначенные для установки в них наконечников твэлов, и отверстия 2 (проливные отверстия), предназначенные для прохода теплоносителя. Отверстия 1 и 2 имеют упорядоченное расположение, такое, что отверстия 2 равномерно расположены (с шагом 60° между их центрами) вокруг круглых отверстий 1, а круглые отверстия 1 равномерно расположены (с шагом 120° между их центрами) вокруг отверстий 2.
Отверстия 2 (см. фиг.2) имеют в плане форму шестиугольника, три стороны 3 которого, обращенные к таким же отверстиям 2, параллельны линиям, соединяющим центры соседних круглых отверстий 1, а три других стороны 4, обращенные к круглым отверстиям 1, образованы дугой окружности, концентричной соответствующему круглому отверстию. Стороны отверстий 2 сопряжены радиусами закругления 5.
В некоторых местах расположения круглых отверстий 1 могут быть выполнены отверстия под направляющие каналы 6 другого диаметра или отверстие под центральную трубу (не показано).
Преимущества предлагаемой конструкции по сравнению с известной видны из следующего сопоставительного примера.
В таблице 1 приведены геометрические характеристики известного и предлагаемого исполнения опорной решетки.
Из таблицы 1 видно, что предлагаемый вариант практически равнозначен известному как по проливному сечению, так и по коэффициенту ослабления. При этом в предлагаемом варианте опорная решетка имеет большую толщину перемычек между проливными отверстиями, а также между проливными отверстиями и отверстиями под наконечник твэла, направляющими каналами и отверстием под центральную трубу.
Расчеты на прочность и жесткость опорной решетки с учетом реальной геометрии отверстий и закрепления ее к хвостовику были выполнены численно методом конечных элементов на основе ПК ANSYS, аттестованного в ГАН РФ.
Основные результаты расчетов напряженно-деформированного состояния рассмотренных вариантов приведены в таблице 2.
Из таблицы 2 видно, что максимальные напряжения у предлагаемой опорной решетки ниже на 30% (в центре - на 35%), а жесткость выше на 25%, чем у известной опорной решетки.
Анализ показывает, что это связано с большей толщиной перемычек между отверстиями, а также с более равномерным распределением напряженно-деформированного состояния в предлагаемой опорной решетке по сравнению со штатной конструкцией, имеющей существенную анизотропию.
Таким образом, при одинаковом проливном сечении и диаметре отверстий под наконечники твэлов, центральную трубу, направляющие каналы, предлагаемая конструкция опорной решетки имеет существенно большую прочность и жесткость, чем известная, при сохранении требований к механическим свойствам литого металла на уровне металла известной решетки.
| Таблица 1 | |||
| Вариант исполнения | Известный | Предлагаемый | |
| Диаметр отверстий под твэл, мм | 5,0 | 5,0 | |
| Диаметр отверстий под НК и ЦТ, мм | 6,3 | 6,3 | |
| Расчетная толщина перемычки между проливным отверстием и отверстием под твэл, мм | 1,275 | 1,6 | |
| Расчетная толщина перемычки между проливным отверстием и отверстием под НК и ЦТ, мм | 1,06 | 1,2 | |
| Расчетная толщина перемычки между проливными отверстиями, мм | 1,06 | 1,2 | |
| Проливное сечение HP, мм2 | 21330 | 21376 | |
| Суммарная площадь отверстий в HP, мм2 | 28048 | 28094 | |
| Коэффициент ослабления | 0,110 | 0,109 | |
| Таблица 2 | |||
| Вариант исполнения | Известный | Предлагаемый | |
| Эквивалентное напряжение, кгс/мм2 | центр | 14,6 | 9,5 |
| контур | 11,5 | 10,2 | |
| Прогиб, мм | 0,236 | 0,188 |
1. Опорная решетка для тепловыделяющей сборки ядерного реактора, выполненная в виде перфорированной пластины, имеющей круглые отверстия, по меньшей мере, часть которых предназначена для установки в них наконечников твэлов, и отверстия, предназначенные для прохода теплоносителя, отличающаяся тем, что отверстия для прохода теплоносителя имеют форму шестиугольника, каждая из трех сторон которого, обращенных к таким же отверстиям, параллельна линии, соединяющей центры соседних круглых отверстий, а каждая из трех других сторон, обращенных к круглым отверстиям, образована дугой окружности, концентричной соседнему круглому отверстию, при этом отверстия для прохода теплоносителя равномерно расположены вокруг круглых отверстий.
2. Решетка по п.1, отличающаяся тем, что стороны отверстий для прохода теплоносителя сопряжены радиусами закругления.
3. Решетка по п.1, отличающаяся тем, что часть круглых отверстий предназначены для размещения направляющих каналов.
4. Решетка по п.1, отличающаяся тем, что центральное круглое отверстие предназначено для размещения центральной трубы.
5. Решетка по п.1, отличающаяся тем, что она выполнена методом литья, или электроэррозионным методом, или лазерной резкой, или протяжкой.
