Способ и устройство перемешивания теплоносителя в тепловыделяющих сборках ядерного реактора
Владельцы патента RU 2391725:
Открытое акционерное общество "Ордена Трудового Красного Знамени и ордена труда ЧССР опытное конструкторское бюро "ГИДРОПРЕСС" (RU)
Изобретение относится к атомной технике, в частности к конструкциям смешивающих и антивибрационных решеток. Для выравнивания температур и паросодержаний теплоносителя в разных ячейках и тепловыделяющих сборках в активной зоне заявляемое устройство с помощью дефлекторов отклоняет потоки, обеспечивая для них изменение энерговыделений и смешение с соседними потоками с соответствующим усреднением температур и паросодержаний. В гексагональных тепловыделяющих сборках (1) в каждом из шести треугольных секторов (7) поперечного сечения каждой тепловыделяющей сборки (1) поток теплоносителя отклоняют вдоль перпендикуляра к основанию (8) сектора (7), причем в смежных секторах векторы отклонения потоков (9) выполняют противоположно направленными по отношению к основаниям (8) своих секторов. Устройство для перемешивания теплоносителя в активной зоне ядерного реактора содержит по крайней мере одну решетку (4), снабженную отклоняющими элементами (5). В каждом из шести треугольных секторов (7) поперечного сечения каждой тепловыделяющей сборки (1) наклон отклоняющих элементов (5) выполнен вдоль перпендикуляра к основанию (8) сектора (7). Причем в каждой паре смежных секторов наклоны отклоняющих элементов (5) выполнены в противоположных направлениях относительно оснований (8) своих секторов (7). Изобретение направлено на выравнивание параметров теплоносителя при нулевом суммарном крутящем моменте. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 6 ил.
Область техники
Изобретение относится к атомной энергетике, а более конкретно - к тепловыделяющим сборкам ядерных реакторов с водой под давлением.
Предшествующий уровень техники
Энерговыделение по сечению тепловыделяющей сборки ядерного реактора имеет существенные неравномерности. Это приводит к неравномерному распределению параметров теплоносителя и, соответственно, запасов до кризиса теплообмена в ячейках между тепловыделяющими элементами. Для выравнивания параметров теплоносителя по сечению тепловыделяющей сборки применяют перемешивающие устройства в виде решеток с дефлекторами (лопатками).
Известно устройство (лопатки) для перемешивания теплоносителя по сечению тепловыделяющей сборки [Патент США №3.862.000, заявлен 31.08.72, МКИ G21C 3/34] ядерного реактора, включающее решетку, выполненную из пересекающихся пластин, образующих при пересечении ячейки, снабженные дефлекторами (отклоняющими элементами). Дефлекторы расположены концентрично тому месту, где сходятся смежные углы соседних топливных сборок, и ориентированы в периферийном направлении для того, чтобы отклонять в поперечном направлении внутри каждой сборки часть продольного потока теплоносителя.
Известное устройство для перемешивания теплоносителя обладает существенным недостатком, заключающимся в том, что в углах сборки образуются одинаково направленные вихревые отклонения потока теплоносителя. При этом в каждом секторе поперечного сечения тепловыделяющей сборки дефлекторы в левой и правой половинах сектора имеют противоположные направления. Такое направление дефлекторов и, соответственно, направление отклонения потока будет создавать постоянно действующий крутящий момент на тепловыделяющую сборку, который может привести к пространственному искривлению направляющих каналов и затруднению перемещения в них поглощающих стержней.
Раскрытие изобретения
Целью изобретения является повышение надежности тепловыделяющей сборки и безопасности ядерного реактора.
Задачей изобретения является обеспечение массообмена между тепловыделяющими сборками путем отклонения потока теплоносителя при нулевом суммарном крутящем моменте.
Техническим результатом изобретения является обеспечение выравнивания параметров теплоносителя в активной зоне ядерного реактора путем массообмена между тепловыделяющими сборками и исключение при этом крутящих нагрузок на тепловыделяющие сборки.
Достижение цели изобретения обеспечивается тем, что предлагается способ перемешивания теплоносителя в тепловыделяющих сборках ядерного реактора, имеющих в поперечном сечении форму шестиугольника, путем отклонения направления потока теплоносителя от вертикальных осей тепловыделяющих сборок. Новым является то, что в каждом из шести треугольных секторов поперечного сечения каждой тепловыделяющей сборки поток теплоносителя отклоняют вдоль перпендикуляра к основанию сектора, причем в смежных секторах векторы отклонения потоков выполняют противоположно направленными по отношению к основаниям своих секторов.
Достижение цели изобретения обеспечивается также тем, что предлагается устройство для перемешивания теплоносителя в тепловыделяющих сборках ядерного реактора, имеющих в поперечном сечении форму шестиугольника, содержащее по крайней мере одну решетку, снабженную отклоняющими элементами, установленными с наклоном относительно вертикальной оси тепловыделяющей сборки. Новым является то, что в каждом из шести треугольных секторов поперечного сечения каждой тепловыделяющей сборки наклон отклоняющих элементов выполнен вдоль перпендикуляра к основанию сектора, причем в каждой паре смежных секторов наклоны отклоняющих элементов выполнены в противоположных направлениях относительно оснований своих секторов.
Достижение цели изобретения обеспечивается также тем, что в предлагаемом устройстве для перемешивания теплоносителя в тепловыделяющих сборках ядерного реактора отклоняющие элементы выполнены в виде лопаток, установленных на верхней кромке решетки.
Достижение цели изобретения обеспечивается также тем, что в предлагаемом устройстве для перемешивания теплоносителя в тепловыделяющих сборках ядерного реактора отклоняющие элементы выполнены в виде каналов, образованных стенками решетки, выполненными с наклоном относительно продольной оси тепловыделяющей сборки.
Достижение цели изобретения обеспечивается также тем, что в предлагаемом устройстве для перемешивания теплоносителя в тепловыделяющих сборках ядерного реактора решетка выполнена из ячеек, имеющих форму граненых трубок с шестью располагающимися по сторонам правильного шестиугольника вертикальными гранями, по которым ячейки соединены между собой, и шестью располагающимися по углам упомянутого правильного шестиугольника наклонными гранями, выполненными таким образом, что их нормаль пересекает ось ячейки под непрямым углом, причем у трех несмежных из наклонных граней верхние кромки ближе к оси ячейки, чем нижние кромки, а у трех других наклонных граней верхние кромки дальше от оси, чем нижние кромки.
При такой конструкции устройства и способе перемешивания теплоносителя в активной зоне ядерного реактора суммарный крутящий момент в результате организованного массообмена между тепловыделяющими сборками равен нулю и, соответственно, исключается причина искривления тепловыделяющих сборок.
Также предлагаемый способ и устройство обеспечивают эффективное перемешивание теплоносителя и выравнивание его параметров по сечению активной зоны путем обмена его между смежными секторами сечения тепловыделяющей сборки и между соседними тепловыделяющими сборками.
Краткое описание чертежей
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых представлены:
фиг.1 - тепловыделяющая сборка с устройством для перемешивания теплоносителя;
фиг.2 - схема отклонения потока теплоносителя;
фиг.3 - устройство для перемешивания теплоносителя в активной зоне ядерного реактора с дефлекторами в виде лопаток;
фиг.4 - устройство для перемешивания теплоносителя в активной зоне ядерного реактора с дефлекторами в виде наклонных каналов;
фиг.5 - ячейка устройства для перемешивания теплоносителя в активной зоне ядерного реактора с дефлекторами в виде наклонных каналов;
фиг.6 - вид сверху на ячейку устройства для перемешивания теплоносителя в активной зоне ядерного реактора с дефлекторами в виде наклонных каналов.
Варианты осуществления изобретения
Устройство для перемешивания теплоносителя установлено в гексагональных тепловыделяющих сборках (1) ядерного реактора, содержащих пучок твэлов (2), дистанционирующие решетки (3). Устройство для перемешивания теплоносителя представляет собой одну или несколько решеток (4), снабженных отклоняющими элементами (5). Решетки (4) закрепляются на опорных элементах (6) в верхней части тепловыделяющих сборок (1) между дистанционирующими решетками (3). В поперечном сечении решетки (4) и пучок твэлов (2) представляют собой правильный шестиугольник и условно осями симметрии могут быть разделены на шесть треугольных секторов (7), основаниями (8) которых являются внешние стороны пучка твэл (стороны шестиугольника). В каждом секторе (7) отклоняющие элементы (5) выполнены с наклоном, имеющим вектор (9) вдоль перпендикуляра к своему основанию (8). В двух смежных секторах векторы (9) имеют противоположные направления относительно оснований своих секторов.
По варианту отклоняющие элементы (5) выполнены в виде установленных на верхней кромке решетки (4) лопаток (10) (или дефлекторов), имеющих наклон относительно вертикальной оси тепловыделяющей сборки.
По варианту отклоняющие элементы (5) выполнены в виде каналов (11), образованных стенками решетки (4), выполненными с наклоном относительно продольной оси тепловыделяющей сборки.
В предлагаемом устройстве для перемешивания теплоносителя в тепловыделяющих сборках (1) ядерного реактора решетка (4) может быть выполнена из ячеек (12), имеющих форму граненых трубок. Граненые трубки содержат шесть располагающихся по сторонам правильного шестиугольника вертикальных граней (13), по которым ячейки (12) соединены между собой, а также шесть располагающихся по углам упомянутого правильного шестиугольника наклонных граней (14). Нормаль наклонных граней (14) пересекает ось (15) ячейки (12) под непрямым углом. У трех несмежных из наклонных граней (14) верхние кромки (16) ближе к оси (15) ячейки (12), чем нижние кромки (17), a y трех других наклонных граней верхние кромки (18) дальше от оси (15), чем нижние кромки (19).
Работа устройства для перемешивания теплоносителя в активной зоне ядерного реактора осуществляется следующим образом.
Теплоноситель поступает в тепловыделяющую сборку (1) и нагревается соответственно энерговыделениям в тепловыделяюих элементах. Так как энерговыделения по сечению и высоте тепловыделяющей сборки имеют существенную неравномерность, то и подогрев теплоносителя тоже оказывается неравномерным. Для выравнивания температур и паросодержаний теплоносителя в разных ячейках и тепловыделяющих сборках заявляемое устройство с помощью лопаток (10) или каналов (11) отклоняет потоки (9), обеспечивая для них изменение энерговыделений и смешение с соседними потоками с соответствующим усреднением температур и паросодержаний. Направления наклона лопаток (10) или каналов (11) выбраны таким образом, что отклонения потоков образуют замкнутые контуры вокруг каждого центра из сходящихся углов тепловыделяющих сборок (1). Причем в двух соседних углах каждой тепловыделяющей сборки (1) направления закрутки потока в замкнутых контурах противоположны. Так как сечение тепловыделяющей сборки (1) имеет форму правильного шестиугольника, а контура отклонения потока (20) теплоносителя симметричны, то суммарный крутящий момент от гидродинамических сил на каждую тепловыделяющую сборку (1) равен нулю. Суммарно такое отклонение потока приводит к перемещению массы теплоносителя вдоль замкнутых контуров, за счет чего более нагретые массы теплоносителя попадают в области с меньшими энерговыделениями, и наоборот. В результате снижается неравномерность подогрева теплоносителя по сечению активной зоны, выравниваются температуры и паросодержание.
Направление потока теплоносителя на тепловыделяющий элемент и его обтекание увеличивают интенсивность теплосъема с его поверхности.
Таким образом, предлагаемое решение по устройству для перемешивания теплоносителя обладают существенной новизной и технической эффективностью.
Экономическая эффективность применения предлагаемого изобретения определяется также повышением безопасности ядерного реактора за счет снижения неравномерности параметров теплоносителя в тепловыделяющей сборке и активной зоне и возможностью повышения мощности реактора за счет увеличения запасов до критических параметров охлаждающего теплоносителя.
1. Способ перемешивания теплоносителя в тепловыделяющих сборках (1) ядерного реактора, имеющих в поперечном сечении форму шестиугольника, путем отклонения направления потока (9) теплоносителя от вертикальных осей тепловыделяющих сборок, отличающийся тем, что в каждом из шести треугольных секторов (7) поперечного сечения каждой тепловыделяющей сборки (1) поток теплоносителя отклоняют вдоль перпендикуляра к основанию (8) сектора (7), причем в смежных секторах векторы отклонения потоков (9) выполняют противоположно направленными по отношению к основаниям (8) своих секторов.
2. Устройство для перемешивания теплоносителя в тепловыделяющих сборках (1) ядерного реактора, имеющих в поперечном сечении форму шестиугольника, содержащее по крайней мере одну решетку (4), снабженную отклоняющими элементами (5), установленными с наклоном относительно вертикальной оси тепловыделяющей сборки, отличающееся тем, что в каждом из шести треугольных секторов (7) поперечного сечения каждой тепловыделяющей сборки (1) наклон отклоняющих элементов (5) выполнен вдоль перпендикуляра к основанию (8) сектора (7), причем в каждой паре смежных секторов наклоны отклоняющих элементов (5) выполнены в противоположных направлениях относительно оснований (8) своих секторов (7).
3. Устройство для перемешивания теплоносителя в тепловыделяющих сборках ядерного реактора по п.2, отличающееся тем, что отклоняющие элементы (5) выполнены в виде лопаток (10), установленных на верхней кромке решетки (4).
4. Устройство для перемешивания теплоносителя в тепловыделяющих сборках ядерного реактора по п.2, отличающееся тем, что отклоняющие элементы выполнены в виде каналов (11), образованных стенками решетки (4), выполненными с наклоном относительно продольной оси тепловыделяющей сборки.
5. Устройство для перемешивания теплоносителя в тепловыделяющих сборках ядерного реактора по п.4, отличающееся тем, что решетка (4) выполнена из ячеек (12), имеющих форму граненых трубок с шестью располагающимися по сторонам правильного шестиугольника вертикальными гранями (13), по которым ячейки (12) соединены между собой, и шестью располагающимися по углам упомянутого правильного шестиугольника наклонными гранями (14), выполненными таким образом, что их нормаль пересекает ось (15) ячейки (12) под непрямым углом, причем у трех несмежных из наклонных граней (14) верхние кромки (16) ближе к оси (15) ячейки, чем нижние кромки (17), а у трех других наклонных граней верхние кромки (18) дальше от оси (15), чем нижние кромки (19).
