ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА
NUCLEAR REACTOR FUEL ELEMENT

Изобретение относится к ядерной технике, в частности к конструкциям стержневых тепловыделяющих элементов (твэлов), предполагающих наличие в своем составе устройств и средств для интенсификации теплообмена с поверхности твэла, и может быть использовано, в частности, в действующих реакторах водо-водяного типа с тепловой мощностью более 2600 МВт (например, ВВЭР-1000) или в реакторах с аналогичными особенностями в конструкции твэлов.
Известны конструкции твэлов (патент РФ №2417462, МПК G21C 3/00, опубл. 27.04.2011), содержащие топливные таблетки, помещенные в циркониевую оболочку, фиксирующие пружины, осуществляющие поджимание столба таблеток, верхнюю и нижнюю пробки.
Недостатком известной конструкции является неэффективный теплосъем с гладкой цилиндрической поверхности твэла, связанный с образованием пленочного режима кипения, т.е. образованием тонкого парового слоя, отделяющего нагреваемую поверхность твэла от жидкого теплоносителя. Уменьшение теплоотдачи вызывает локальное повышение температуры оболочки и образование микротрещин, попадание воды через которые внутрь твэла приводит к разрушению оболочки и попаданию радиоактивного топлива в контур циркуляции теплоносителя. Эти процессы снижают ресурс твэлов и эксплуатационную надежность реактора.
Наиболее близким по технической сущности является твэл (Патент США №3361640, МПК G21C 3/32, опубл. 02.01.68), содержащий топливные таблетки, помещенные в циркониевую оболочку, фиксирующие пружины, осуществляющие поджимание столба таблеток, верхнюю и нижнюю пробки, на внешней поверхности оболочки выполнены косые ребра, осуществляющие закрутку потока теплоносителя относительно продольной оси твэла.
Закрученный поток за счет центробежных сил имеет тангенциальную составляющую скорости, которая осуществляет отрыв пристеночного потока от поверхности твэла. При этом паровая пленка пленочного кипения срывается с поверхности оболочки твэла, перемешивается с более холодным теплоносителем и конденсируется в нем. Перемешивание теплоносителя позволяет избежать локальных перегревов и появления микротрещин в оболочке.
Однако решение теплотехнической задачи - улучшение теплоотдачи от нагретой поверхности твэла к жидкому теплоносителю, дает ухудшение гидравлических параметров прохождения потока теплоносителя вдоль твэлов. Выступающие ребра сужают гидравлический диаметр канала, а косое положение ребер удлиняет длину канала, что увеличивает гидравлическое сопротивление прохождению теплоносителя через активную зону.
Техническим результатом изобретения является улучшение теплоотдачи с поверхности твэлов при минимальном увеличении гидравлического сопротивления, характерного для гладкой поверхности твэлов.
Этот результат достигается тем, что в известном тепловыделяющем элементе ядерного реактора, содержащем топливные таблетки, заключенные в трубчатую оболочку и подпираемые с двух концов фиксирующими и компенсирующими пружинами, топливные таблетки в трубчатой оболочке с двух сторон герметизированы пробками, в трубчатой оболочке выполнены продольные канавки, имеющие входы и выходы для теплоносителя, причем по оси выхода продольных канавок расположена косая перегородка, а вход продольной канавки имеет срез, перпендикулярный интегральному вектору скорости потока теплоносителя.
Сущность изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 показан фрагмент оболочки твэла с топливными таблетками, а на фиг. 2 представлен продольный канал и вырез во внешней поверхности оболочки с входом и выходом канала.
Тепловыделяющий элемент ядерного реактора содержит топливные таблетки 1, заключенные в трубчатую оболочку 2 и подпираемые с двух концов фиксирующими и компенсирующими пружинами, топливные таблетки 1 в трубчатой оболочке 2 с двух сторон герметизированы пробками, в трубчатой оболочке выполнены микроканалы 3, имеющие входы 4 и выходы 5 для теплоносителя, причем по оси выхода микроканала 3 расположена косая перегородка 6, которая отражает в сторону паровой выброс 7 из микроканала 3, вход микроканала 3 имеет срез, перпендикулярный интегральному вектору скорости потока 8 теплоносителя.
Тепловыделяющий элемент ядерного реактора работает следующим образом.
Прокачиваемый вдоль внешней поверхности оболочки твэла теплоноситель (для водо-водяных реакторов теплоносителем является вода) попадает на входы 4 микроканалов 3 и за счет динамического напора на входах 4 и всасывающего эффекта потока теплоносителя на выходах 5 проходит внутрь микроканалов 3. Тепловыделение топливных таблеток 1 нагревает оболочку 2 и стенки микроканалов 3. В результате чего теплоноситель в микроканалах 3, отделенный от общей массы более холодного теплоносителя, закипает и паровым микрогейзером вырывается из выходов 5, ударяется в косую перегородку 6 и тангенциально попадает в общий поток теплоносителя. При этом в тонком слое теплоносителя, прилегающем к внешней поверхности твэла, образуются вихри, перемешивающие пристеночные слои с более отдаленными и более холодными слоями теплоносителя. Микрочастицы пара конденсируются в этих слоях, отдавая запасенную теплоту парообразования и нагревая эти слои.
Таким образом, в тепловыделяющем элементе поток теплоносителя нагревается от контакта с внешней поверхностью твэла, как это происходит в традиционных стержневых твэлах, и, кроме того, эффективно перемешивается паровыми микрогейзерами в удаленной от пристеночной зоны твэла, перенося туда запасенное тепло парообразования и не позволяя образовываться пленочным режимам кипения. По сути паровые микрогейзеры многократно увеличивают поверхность теплообмена, не внося в поток теплоносителя внешних элементов, например, оребрения внешней оболочки и, тем самым, не внося дополнительного гидравлического сопротивления потоку теплоносителя.
Технологически изготовление оболочки с микроканалами заключается в следующем. На внешней поверхности циркониевой оболочки накатываются продольные канавки, затем стержень вставляется в тонкостенную трубку и пропускается через валки до плотной посадки внешней трубки на стержень с канавками. После чего микрофрезой делаются прорези во внешней трубке так, чтобы открыть входы в микроканалы. На завершающем этапе в прорези лазрной сваркой устанавливаются косые перегородки.
Оболочка твэла с микроконалами обладает повышенной жесткостью по сравнению с гладкой оболочкой, так как микроканалы образуют ребра жесткости, фиксированные внешней трубкой.
Использование изобретения позволяет улучшить теплоотдачу с поверхности твэлов при минимальном увеличении гидравлического сопротивления, характерного для гладкой поверхности твэлов, и может использоваться для целей перемешивания и турбулизации потока теплоносителя не внешних, по отношению к теплоносителю, элементов (ребра, накрутка проволочных спиралей, введение закручивающих решеток и пр.), самого теплоносителя.