Перемешивающая решетка тепловыделяющей сборки ядерного реактора

Изобретение относится к атомной технике, в частности, к конструкциям дистанционирующих и перемешивающих решеток тепловыделяющих сборок энергетических ядерных реакторов. Перемешивающая решетка содержит обод и набор взаимно пересекающихся пластин в форме полос, соединенных между собой и с ободом в местах пересечения, образующих поле ячеек для размещения твэлов и опорных элементов тепловыделяющей сборки. По меньшей мере часть ячеек выполнена шестигранными. Смежные с шестигранными трехгранные ячейки для прохода теплоносителя имеют на торцах отогнутые в сторону трехгранных ячеек перемешивающие пластинчатые дефлекторы. Ячейки для размещения опорных элементов имеют в поперечном сечении форму окружности, а ячейки для размещения твэлов выполнены шестигранными, причем две грани каждой трехгранной ячейки вогнуты, а перемешивающие пластинчатые дефлекторы выполнены на торце третьей грани. При этом они отогнуты таким образом, что дефлекторы трехгранных ячеек, смежных с одной шестигранной ячейкой, наклонены в одном окружном направлении вокруг этой шестигранной ячейки для создания дополнительного вихревого движения теплоносителя. Изобретение направлено на увеличение мощности реакторных установок. 1 з.п. ф-лы, 7 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к атомной технике, в частности к конструкциям дистанционирующих и перемешивающих решеток тепловыделяющих сборок (ТВС) энергетических ядерных реакторов.

Уровень техники

В конструкции ТВС основными узлами являются пучок тепловыделяющих элементов (твэл), головка и хвостовик.

Твэлы, как правило, закреплены в опорной плите хвостовика и имеют возможность температурного и радиационного расширения вдоль ТВС; при этом твэлы дистанционируются между собой за счет их упругого подпружинивания и фиксирования в ячейках дистанционирующих решеток (ДР), расположенных по длине ТВС.

Для достижения выравнивания энтальпии в активной зоне реактора между менее нагруженными и более нагруженными областями в конструкциях ТВС применяются устройства для перемешивания теплоносителя - перемешивающие решетки (ПР) с дефлекторами для турбулизации потока теплоносителя, расположенные по длине ТВС.

Известна дистанционирующая решетка, содержащая фиксирующие твэлы ячейки, между которыми образуются вторичные каналы, в которых установлены два и более отклоняющих элемента, разнесенных по высоте, которые турбулизируют и направляют поток теплоносителя к твэлам (патент WO 9619811 A1, G21C 3/322, 27.06.96). Управляющие потоком отклоняющие элементы выполнены в виде дерева, ствол которого выполнен из прямоугольной пластины, а ветви из направляющих лопаток отходят от ствола на разных по высоте уровнях, обеспечивая перемешивание потока теплоносителя. Недостатком данной конструкции является возможность касания отклоняющих элементов с твэлами на высоте, превышающей высоту вторичного канала, а также сложность их изготовления и установки в решетке.

Известна конструкция перемешивающей и дистанционирующей решетки, разработанная для тепловыделяющей сборки ядерного реактора, которая имеет управляющую потоком конструкцию, состоящую из ленточных элементов с устройством для турбулизации потока, внутрь которой устанавливается дистанционирующее устройство, состоящее из ячеек, в которых фиксируются твэлы (патент ЕР 0795177 B1, G21C 3/322, 25.08.99)

Управляющая потоком конструкция (перемешивающая решетка) содержит набор ленточных элементов (пластин), расположенных крестообразно, на торцах которых выполнены дефлекторы для турбулизации потока теплоносителя; при этом пластины закреплены на ободе перемешивающей решетки. Внутри перемешивающей решетки установлено поле ячеек, предназначенное для дистанционирования твэл и закрепленное на ободе перемешивающей решетки.

Недостатком данного конструктивного решения является его повышенное гидравлическое сопротивление потоку теплоносителя, что не позволяет применять его в ТВС с повышенным энерговыделением.

Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является конструкция дистанционирующей и перемешивающей решетки, разработанная для тепловыделяющей сборки ядерного реактора, которая содержит опоясывающий обод и три группы взаимно пересекающихся и параллельных между собой в каждой группе полос, снабженных прорезями в местах пересечения, при этом полосы закреплены на ободе. При пересечении полос образуются ячейки в форме шестигранной фигуры с вогнутыми гранями с чередованием через одну для дистанционирования твэл, а также смежные с ними трехгранные ячейки в форме выпуклого треугольника и трехгранные ячейки в форме правильного равностороннего треугольника, на одной из граней которого выполнены дефлекторы - лопатки трапецеидальной формы, предназначенные для перемешивания теплоносителя, (патент RU 2249865 C1, G21C 3/34, 3/352, 09.09.2003).

Недостатком данного конструктивного решения является его повышенное гидравлическое сопротивление потоку теплоносителя, что не позволяет применять его в ТВС с повышенным энерговыделением.

Сущность изобретения

Задачей настоящего изобретения является создание усовершенствованной перемешивающей решетки, которая закрепляется на опорных элементах конструкции пучка ТВС.

В результате решения данной задачи возможно получение новых технических результатов, заключающихся в возможности эффективного перемешивания теплоносителя и улучшения теплосъема с поверхности оболочек твэл, а значит в возможности внедрения усовершенствованных топливных циклов эксплуатации ТВС с высоким выгоранием топлива и увеличенной неравномерностью энерговыделения.

Данные технические результаты достигаются тем, что в перемешивающей решетке тепловыделяющей сборки ядерного реактора, содержащей обод и набор взаимно пересекающихся пластин в форме полос, соединенных между собой и с ободом в местах пересечения, образующих поле ячеек для размещения твэлов и опорных элементов тепловыделяющей сборки, по меньшей мере часть которых выполнена шестигранными, и смежных с шестигранными ячейками трехгранных ячеек для прохода теплоносителя, на торцах которых выполнены отогнутые в сторону трехгранных ячеек перемешивающие пластинчатые дефлекторы, согласно изобретению ячейки для размещения опорных элементов имеют в поперечном сечении форму окружности, а ячейки для размещения твэлов выполнены шестигранными, причем две грани каждой трехгранной ячейки вогнуты, а перемешивающие пластинчатые дефлекторы выполнены на торце третьей грани и отогнуты таким образом, что дефлекторы трехгранных ячеек, смежных с одной шестигранной ячейкой, наклонены в одном окружном направлении вокруг этой шестигранной ячейки.

Кроме того, перемешивающая решетка может быть снабжена вторым полем ячеек для дистанционирования твэл, соединенных между собой и с ободом, расположенных по гексагональной схеме и имеющих каждая шестигранную форму с тремя упорами для твэла, расположенных через 120 градусов друг от друга и образованных выпуклостями на гранях ячейки внутрь нее.

Отличительная особенность настоящего изобретения состоит в том, что пластинчатые дефлекторы, выполненные на пластинах и предназначенные для перемешивания потока теплоносителя на выходе из перемешивающей решетки, отогнутые внутрь трехгранных ячеек, смежных с шестигранными ячейками для свободного прохода твэлов, находятся в зоне, исключающей касание их с твэлами; при этом две грани трехгранных ячеек выполнены вогнутыми для более эффективного направления потока теплоносителя под дефлекторы, а система расположения дефлекторов в гексагональной структуре из семи ячеек и смежных с центральной ячейкой шести трехгранных ячеек создает циркуляцию одного направления вокруг центральной ячейки фрагмента, что повышает интенсивность перемешивания теплоносителя.

Перемешивающая решетка выполнена из набора пластин, которые имеют в местах пересечения пазы, позволяющие произвести сцепление пластин друг с другом; при этом с целью создания жесткости конструкции торцевые участки пластин соединены посредством сварки или пайки в местах пересечения пластин, а концы пластин перемешивающей решетки посредством сварки или пайки закреплены на гранях обода, образуя единую конструкцию.

Обод перемешивающей решетки представляет собой обечайку, внутри которой размещены пластины перемешивающей решетки; при этом целесообразно с целью повышения технологичности изготовления перемешивающей решетки обод выполнять из шести отдельных секторов.

Целесообразно в одном ободе ниже перемешивающей решетки, для дистанционирования твэл, установить поле ячеек, например, имеющих шестигранную форму с тремя опорами для твэл в виде пуклевок, расположенных через 120 градусов друг от друга, соединенных между собой и с ободом посредством сварки или пайки.

Предлагаемое техническое решение поясняется графически

На фиг.1 приведена принципиальная схема ПР, на фиг.2 показан выносной элемент А на фиг.1, на фиг.3 показан выносной элемент Б на фиг.1, на фиг.4 показан выносной элемент В на фиг.1, на фиг.5 показана пластина с пазами и дефлекторами, на фиг.6 показана ПР с установленным в едином ободе вторым полем ячеек для дистанционирования твэл, на фиг.7 показано второе поле ячеек.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

Перемешивающая решетка (ПР) (см. фиг.1) содержит шестигранный обод 1, внутри которого размещены пластины 2 перемешивающей решетки.

Пластины 2 перемешивающей решетки выполнены в виде полос, которые пересекаются друг с другом и образуют (см. фиг.2) поле ячеек, содержащее фрагменты гексагональной структуры из семи шестигранных ячеек 3 для свободного прохода твэл и смежных с центральной шестигранной ячейкой шести трехгранных ячеек 4. Две грани ячеек 4 вогнуты, а на третьей грани выполнены пластинчатые дефлекторы 5, отогнутые внутрь ячейки 4. Дефлекторы 5 (см. фиг.3) выполнены таким образом, что одностороннее окружное направление наклона дефлекторов трехгранных ячеек, смежных с одной шестигранной ячейкой 3, образует вокруг этой шестигранной ячейки вихревое движение теплоносителя одного направления.

Ячейки 6 (см. фиг.4) для прохода опорных элементов конструкции ТВС выполнены в форме окружности.

Пластины 2 (см. фиг.5) имеют в местах пересечения пазы 7, позволяющие производить сцепление пластин 2 друг с другом; при этом торцевые участки пластин 2 в местах их пересечения соединены посредством сварки или пайки. Как наиболее предпочтительный вариант дефлекторы 5 могут быть выполнены трапецеидальной формы.

Концы пластин 2 ПР соединены посредством сварки или пайки с гранями обода 1.

Обод 1 представляет собой обечайку (см. фиг.1), имеющую шесть граней. Обод может быть выполнен из шести отдельных секторов.

Целесообразно (см. фиг.6) в одном ободе 1 ниже поля пластин 2 перемешивающей решетки установить для дистанционирования твэл дистанционирующее поле ячеек 8.

Ячейки 8 (см. фиг.7) могут иметь шестигранную форму с тремя опорами 9 для твэл в виде пуклевок.

Предлагаемая ПР, установленная в ТВС, работает следующим образом.

В ТВС основным функциональным элементом конструкции является пучок твэл, который фиксируется в ячейках дистанционирующих решеток (ДР), расположенных по длине ТВС; при этом ДР соединяются между собой конструктивными элементами, например уголковыми профилями, образуя каркас.

С целью более эффективного перемешивания теплоносителя и улучшения теплосъема с поверхности оболочек твэл в пролетах между ДР устанавливаются ПР, которые фиксируются в каркасе ТВС, например, путем приварки ободов 1 к угловым профилям; при этом твэлы свободно проходят сквозь ячейки 3 ПР. Теплоноситель проходит через свободное пространство ячеек 3, охлаждая твэлы, а также через трехгранные ячейки 4; при этом в ячейках 4 теплоноситель отклоняется дефлекторами 5 и на выходе из ПР перемешивается с теплоносителем из соседних ячеек 3, тем самым происходит выравнивание энтальпии между соседними областями теплоносителя, проходящего через ТВС. Дополнительное вихревое движение теплоносителя вокруг каждой шестигранной ячейки, созданное дефлекторами 5, повышает интенсивность перемешивания теплоносителя.

Использование предлагаемой конструкции перемешивающей решетки позволяет за счет изменения величины и количества дефлекторов регулировать гидравлическое сопротивление ПР и в зависимости от расположения ПР в ТВС выравнивать энтальпию различных областей активной зоны реактора.

Реализация предлагаемого технического решения в конструкциях ТВС позволяет увеличить мощность реакторных установок.

Изготовление настоящей конструкции может быть осуществлено на известном оборудовании с применением стандартных технологий.

1. Перемешивающая решетка тепловыделяющей сборки ядерного реактора, содержащая обод и набор взаимно пересекающихся пластин в форме полос, соединенных между собой и с ободом в местах пересечения, образующих поле ячеек для размещения твэлов и опорных элементов тепловыделяющей сборки, по меньшей мере часть которых выполнена шестигранными, и смежных с шестигранными ячейками трехгранных ячеек для прохода теплоносителя, на торцах которых выполнены отогнутые в сторону трехгранных ячеек перемешивающие пластинчатые дефлекторы, отличающаяся тем, что ячейки для размещения опорных элементов имеют в поперечном сечении форму окружности, а ячейки для размещения твэлов выполнены шестигранными, причем две грани каждой трехгранной ячейки вогнуты, а перемешивающие пластинчатые дефлекторы выполнены на торце третьей грани и отогнуты таким образом, что дефлекторы трехгранных ячеек, смежных с одной шестигранной ячейкой, наклонены в одном окружном направлении вокруг этой шестигранной ячейки.

2. Перемешивающая решетка по п.1, отличающаяся тем, что она снабжена вторым полем ячеек для дистанционирования твэл, соединенных между собой и с ободом, расположенных по гексагональной схеме и имеющих каждая шестигранную форму с тремя упорами для твэла, расположенных через 120° друг от друга и образованных выпуклостями на гранях ячейки внутрь нее.