Дистанционирующая решетка тепловыделяющей сборки ядерного реактора
Владельцы патента RU 2554719:
Публичное акционерное общество "Машиностроительный завод" (ПАО "МСЗ") (RU)
Изобретение относится к атомной энергетике, а именно к элементам тепловыделяющих сборок (ТВС) ядерных реакторов типа ВВЭР. Дистанционирующая решетка ТВС содержит обод, трубчатые ячейки, каждая из которых имеет пять-шесть плоских граней, соединенных с аналогичными гранями соседних ячеек или с ободом посредством сварки, и расположенные между плоскими гранями три грани, которые предназначены для контакта с твэлами и на части высоты каждой из которых выполнено углубление в виде гофра, направленное внутрь ячейки. Каждый гофр расположен в средней части по высоте соответствующей грани, плоскость симметрии каждого гофра расположена под углом 0…30 градусов к оси ячейки, а плоские грани соседних ячеек, соединенные посредством сварки, контактируют друг с другом по всей своей поверхности. Кроме того, часть ячеек соединена с ободом посредством сварки по грани, предназначенной для контакта с твэлом, на ее участках, примыкающих к торцам, где гофр отсутствует. Технический результат - обеспечение сопротивления ячеек нагрузкам по всей высоте ячеек, а также исключение застойных зон. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к атомной энергетике, а именно к элементам тепловыделяющих сборок (ТВС) ядерных реакторов типа ВВЭР.
Из уровня техники известна конструкция ТВС ядерных реакторов ВВЭР-440, ВВЭР-1000 (см. Кириллов П.Л. и др. Справочник по теплогидравлическим расчетам (ядерные реакторы, теплообменники, парогенераторы). - М.: Энергоатомиздат, 1990, рис. П. 8.1, П. 8.3 и П. 8.5, с. 317-319) [1], рабочая кассета (РК) которой состоит из тепловыделяющих элементов (твэлов), закрепленных в нижней опорной решетке и соединенных между собой дистанционирующими решетками (ДР), закрепленными на центральной трубе (ЦТ).
Известна существующая ДР шестиугольной формы для тепловыделяющей сборки ядерного реактора ВВЭР-1 000, которая состоит из фигурных ячеек, выполненных из циркониевого сплава и соединенных между собой контактной точечной сваркой, центральной ячейки для крепления ДР к ЦТ и обода (Крамеров А.Я. Вопросы конструирования ядерных реакторов. - М.: Атомизат, 1971, с. 209) [2].
Известна дистанционирующая решетка (патент RU 2256960, G21C 3/34, G21C 21/00), которая содержит фигурные ячейки с криволинейными гранями, соединенные между собой по сопрягаемым поверхностям, на которых выполнены монтажные площадки для соединения фигурных ячеек. Исходные ячейки получают штамповкой из труб, толщина стенок которых отличается от партии к партии. Для учета данного фактора выполняется повторная штамповка для выполнения монтажных площадок с калиброванием их наружной поверхности. Двойная штамповка повышает трудоемкость изготовления, что является недостатком данной конструкции.
Наиболее близкой к предложенной является дистанционирующая решетка, состоящая из фигурных ячеек, соединенных между собой и содержащих каждая три пары сплошных плоских граней и три плоских грани с пуклевками в виде участков продольных гофр, взаимодействующими с твэлами. При этом соединение друг с другом сплошных граней смежных фигурных ячеек выполнено на участках в зоне отсутствия гофр, а в зоне расположения гофр смежные фигурные ячейки имеют зазор (RU 2461086 С2, опуб. 10.09.2012). При этом возможны два варианта зоны расположения гофр на грани ячейки: одна зона расположения гофра примыкает к одному торцу ячейки или две зоны расположения гофр примыкают в противоположным торцам ячейки. При этом сварка ячеек друг с другом осуществляется в зонах сопряжения смежных ячеек либо со стороны, примыкающей к одному из торцов ячейки, либо в средней части ячейки.
Наличие зазора между смежными ячейками в зонах расположения гофр приводит к снижению усилия контакта твэла с ДР вследствие того, что деформация ячейки в зоне контакта с твэлом не оказывает существенного влияния на соседние ячейки.
Поскольку зоны с гофрами примыкают к одному или обоим торцам ячеек, жесткость и прочность ДР снижены из-за наличия зазоров между ячейками в наиболее нагруженной части ячейки ДР при изгибе и внецентренном приложении нагрузки при сжатии. Наличие зазоров также приводит к ухудшению гидравлических свойств ДР из-за образования застойных зон и может быть причиной щелевой коррозии.
Задачей изобретения является создание ДР с высокой жесткостью и прочностью и улучшенными гидравлическими свойствами.
Техническим результатом изобретения является обеспечение сопротивления ячеек нагрузкам по всей высоте ячеек, повышение их изгибной жесткости и прочности, а также исключение застойных зон.
Технический результат достигается тем, что в дистанционирующей решетке тепловыделяющей сборки ядерного реактора, содержащей обод, трубчатые ячейки, каждая из которых имеет плоские грани, соединенные с аналогичными гранями соседних ячеек или с ободом посредством сварки, и расположенные между указанными плоскими гранями другие три плоские грани, которые предназначены для контакта с твэлами и на части высоты каждой из которых выполнено углубление в виде гофра, направленное внутрь ячейки, согласно изобретению каждый гофр расположен в средней части по высоте соответствующей плоской грани, плоскость симметрии каждого гофра расположена под углом 0…30 градусов к оси ячейки, а плоские грани соседних ячеек, соединенные посредством сварки, контактируют друг с другом по всей своей поверхности.
Кроме того, часть ячеек соединена с ободом посредством сварки по грани, предназначенной для контакта с твэлом, на ее участках, примыкающих к торцам, где гофр отсутствует.
Предлагаемая конструкция ДР поясняется следующими графическими материалами.
На фиг. 1 изображена предлагаемая ДР ТВС ВВЭР, вид сверху.
На фиг. 3 изображен фрагмент предлагаемой ДР, вид сверху.
На фиг. 4 изображена конструкция ячейки 3 предлагаемой ДР в изометрии.
Дистанционирующая решетка тепловыделяющей сборки ядерного реактора содержит обод 1 и трубчатые ячейки двух типов: периферийные ячейки 2, приваренные к трем из шести (через одну) граням обода 1 и в его углах, и сваренные с ними и друг с другом полевые ячейки 3, часть из которых также приварена к трем остальным граням обода 1.
На фиг. 1 показана ДР с ячейками 2,3, расположенными по треугольной сетке. Каждая ячейка 2,3 имеет по три грани 5 для дистанционирования твэла и пять-шесть плоских граней 4, 7 для сварки с соседними ячейками и ободом (фиг. 2).
Три пары плоских граней 4 ячеек 3, не соприкасающиеся с ободом, приварены к аналогичным плоским граням 4 соседних ячеек. Угол между плоскими гранями 4 в каждой паре составляет 120°. Между парами граней 4 в этих ячейках 3 под углами 150° расположены три грани 5, предназначенные для контакта с твэлами.
В ячейках 3, соприкасающихся с ободом, сварка с соседними четырьмя ячейками 2,3 производится по четырем граням 4 и с ободом 1 по одной грани 5. В ячейках 2 сварка с ободом 1 производится по плоской грани 7, а в угловых ячейках 2 сварка с ободом 1 производится еще и по одной грани 5. Причем угловые ячейки 2 соединяются сваркой по трем плоским граням 4 с соседними ячейками.
Поскольку вписанный диаметр ячейки 2, 3 может быть больше диаметра твэла, плоские дистанционирующие грани 5 ячеек имеют локальные направленные внутрь углубления (на внутренней стороне грани 5 - выступы) - гофры 6 (см. фиг. 2, 3), желательно длиной не менее 4 мм, что обеспечивает нормальный контакт ячеек 2, 3 с оболочкой твэла и не приводит, как показывает практика, к недопустимому износу их при эксплуатации. Максимальная длина гофра 6 определяется технологической возможностью сварки обода 1 и ячейки 3 по грани 5. Например, при контактной точечной сварке расстояние от края ячейки до сварочной точки должно быть не менее 2-х ее диаметров.
Каждый гофр 6 расположен в средней части по высоте соответствующей грани 5, а плоскость симметрии каждого гофра 6 расположена под углом 0…30 градусов к оси ячейки 2, 3. Иными словами, гофры 6 могут быть направлены параллельно оси ячейки 2,3 или под углом к ней не более 30 градусов.
Плоские грани 4 соседних ячеек, соединенные посредством сварки, контактируют друг с другом по всей своей поверхности без образования зазоров.
Каждая ячейка 2,3, примыкающая к ободу 1 своей гранью 5, предназначенной для контакта с твэлом, соединена с ободом 1 посредством сварки по этой грани 5, на ее участках, примыкающих к торцам, где гофр 6 отсутствует.
Предлагаемая ДР работает следующим образом.
При установке твэлов в ДР твэлы контактируют с гофрами 6 и удерживаются ими в ячейках 2, 3. Плотный контакт плоских граней 4 соседних ячеек 2,3, в том числе в средней зоне, где расположены гофры, обеспечивает высокую жесткость и прочность ДР при изгибе и внецентренном приложении нагрузки при сжатии.
Контакт ячеек 2, 3 без зазоров (в отличие от ближайшего аналога) по всей высоте ДР увеличивает прочность и жесткость ДР, т.к. это исключает внецентренное сжатие, которое имеет место в известной ДР и может приводить к депланации ДР. При этом, отсутствие зазоров между ячейками 2, 3 исключает наличие застойных зон, что улучшает гидравлические свойства ДР и снижает вероятность щелевой коррозии.
Прямолинейность сечения плоских граней дает максимально возможную жесткость ДР при нагружении ее изгибающим моментом за счет сил трения при проскальзывании через нее твэлов при сборке ТВС или при радиационном росте твэлов в процессе эксплуатации, т.к. прямая пластина, поставленная на ребро, имеет максимальный момент инерции.
Высокая изгибная жесткость ДР обеспечивает снижение депланации ее как при сборке, так и в условиях эксплуатации, что приводит к снижению усилий термомеханического взаимодействия конструктивных элементов ТВС, снижению их НДС и уменьшению повреждения оболочек твэлов и, как следствие, повышению надежности и работоспособности ТВС.
Для ТВСА типа ВВЭР-1000 и РК-3 ВВЭР-440 повышенная жесткость ДР дает повышение жесткости силового каркаса и способствует снижению искривления ТВС при эксплуатации, что улучшает работу органов СУЗ и повышает безопасность эксплуатации АЭС.
При нагружении усилиями в плоскости ДР при ТТО или сейсмическом воздействии наличие прямолинейных граней приводит к повышению несущей способности и устойчивости ДР за счет того, что они работают преимущественно на сжатие, а вклад изгибных напряжений мал.
1. Дистанционирующая решетка тепловыделяющей сборки ядерного реактора, содержащая обод, трубчатые ячейки, каждая из которых имеет плоские грани, соединенные с аналогичными гранями соседних ячеек или с ободом посредством сварки, и расположенные между указанными плоскими гранями другие три плоские грани, которые предназначены для контакта с твэлами и на части высоты каждой из которых выполнено углубление в виде гофра, направленное внутрь ячейки, отличающаяся тем, что каждый гофр расположен в средней части по высоте соответствующей плоской грани, плоскость симметрии каждого гофра расположена под углом 0…30 градусов к оси ячейки, а плоские грани соседних ячеек, соединенные посредством сварки, контактируют друг с другом по всей своей поверхности.
2. Решетка по п. 1, отличающаяся тем, что часть ячеек соединена с ободом посредством сварки по грани, предназначенной для контакта с твэлом, на ее участках, примыкающих к торцам, где гофр отсутствует.
