ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩАЯ СБОРКА ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА
NUCLEAR REACTOR FUEL ASSEMBLY

Изобретение относится к атомной энергетике, а именно к элементам ТВС (тепловыделяющих сборок), используемых, преимущественно, для реакторов РБМК-1000, а также ВВЭР-440 и ВВЭР-1000.
Из уровня техники известна конструкция ТВС ядерного реактора РБМК-1000, в которой тепловыделяющие элементы (твэлы) фиксируются в концевой решетке посредством выполнения на их наконечнике кольцевой проточки, в которую после сборки с концевой решеткой устанавливается стопорное кольцо (см. Кириллов П.Л. и др. Справочник по теплогидравлическим расчетам (ядерные реакторы, теплообменники, парогенератора). М: Энергоатомиздат, 1984 г., рис.П.8.11, с.265) [1].
Недостатками данной конструкции являются наличие дополнительной детали - стопорного кольца, а также технологической операции установки кольца, что приводит к увеличению трудоемкости изготовления и сборки ТВС РБМК-1000.
Также известна конструкция ТВС ВВЭР-440 и ВВЭР-1000, в которой наконечник твэла имеет диаметральное отверстие (см. [1], рис.П.8.9 и рис.П.8.10, с.264), в которое после установки твэла в концевую решетку вставляется шплинт (см. Крамеров А.Я. Вопросы конструирования ядерных реакторов,. М.: Атомиздат, 1971 г., с.206) [2].
Такая конструкция имеет недостатки, аналогичные указанным выше, причем соединение твэла с концевой решеткой неразъемное.
Для исключения этих недостатков и обеспечения разъемности соединения была предложена конструкция «цангового» крепления, в которой твэлы соединяются с опорной (концевой) решеткой узлами крепления, каждый из которых выполнен в виде упругого в поперечном сечении, по крайней мере на части его длины от торца, цилиндра, при том, что упругое поперечное сечение цилиндра выполнено в форме кольца, имеющего отверстие, выполненное в опорной (концевой) решетке, и имеет на торце буртик, контактирующий с поверхностью кольцевой проточки, выполненной в опорной решетке (патент на изобретение RU 2129738 С1 от 27.04.1999).
В данной конструкции ТВС предполагается, что твэл опирается на КР, поэтому она в этой конструкции и называется опорной решеткой. При этом может быть обеспечено дистанционное извлечение твэла при необходимости.
Однако такая конструкция имеет также несколько недостатков. Во-первых, «цанговое» крепление твэлов не обеспечивает отсутствие осевых, да и радиальных зазоров в соединении твэла с опорной (концевой) решеткой вследствие того, что цилиндр является упругим только на части своей длины. Во-вторых, оно может оказаться недостаточно надежным, если твэлы подвешены на решетке, как это имеет место в конструкции ТВС РБМК-1000, где твэлы верхнего пучка висят на концевой решетке, и в процессе всего срока эксплуатации они должны надежно в ней фиксироваться.
Предлагается унифицированная конструкция крепления твэлов ВВЭР-440, ВВЭР-1000, РБМК-1000 в несущей концевой (опорной) решетке (HP), устраняющая перечисленные недостатки.
Поверхность посадочного отверстия в несущей решетке выполнена ступенчатой с длиной ступени большего диаметра, равной 0…0,5 толщины несущей решетки, причем поверхность с большим диаметром может быть конической.
Предлагаемая конструкция наконечника частично сохраняет конфигурацию наконечника перечисленных твэлов и имеет цилиндрическую часть из циркониевого сплава Э110.
Форма наконечника выше верхнего среза HP идентична существующей, что не требует изменения сварочного оборудования при соединении ее с оболочкой твэла. В нижней цилиндрической части заглушки, входящей в HP, с наружного торца выполнено цилиндрическое отверстие диаметром на 0,5…1,0 мм, меньшим ее диаметра, и длиной 5…10 мм в зависимости от конкретного твэла (см. фиг.8).
Фиксация твэла в HP производится путем замятия полого конца наконечника одновременно в трех или более местах по периметру на определенную величину, при этом описанный диаметр наконечника увеличивается до величины (в зависимости от диаметра заглушки и количества мест замятия), необходимой для удержания твэла в HP (см. фиг.2, 4).
Аналогичный эффект может быть также достигнут расклиниванием полого конца наконечника в указанных местах, однако, такая технология требует большей пластичности материала заглушки.
Извлечение наконечника из HP, как показывают проведенные расчеты, возможно либо путем дальнейшего замятия конца наконечника, что приводит, в отличие от первого этапа - фиксации, к уменьшению ее описанного диаметра за счет затягивания материала внутрь, вплоть до свободного выхода наконечника из отверстия (см. фиг.3, 5), либо расклиниванием смятого конца конусом с последующей выпрессовкой из отверстия КР небольшим осевым усилием.
Процесс фиксации предлагаемого наконечника в HP может быть выполнен на существующем оборудовании при небольшой доработке оснастки.
Предлагаемая конструкция крепления твэлов в ТВС имеет следующие преимущества:
- Отсутствие дополнительной детали - кольца (РБМК).
- Простота конструкции - цилиндрическая форма, что дает предельно высокую технологичность.
- Отсутствие дополнительного усилия при вталкивании в решетку.
- Высокая прочность конструкции, исключающая повреждение наконечника при транспортно-технологических операциях и сборке пучка твэлов.
- Высокая надежность получаемого соединения при сравнительно низком уровне деформаций наконечника, практическое отсутствие зазоров в осевом и радиальном направлениях за счет самопроизвольного уплотнения соединения при фиксации наконечника, исключения вращения твэла вокруг продольной оси.
- Отсутствие проблем со сваркой КСС, т.к. отверстие в наконечнике неглубокое в связи с тем, что не требуется упругость цилиндра.
- Возможность заглубления деформируемого конца наконечника в проточку решетки заподлицо, что особенно хорошо при центральном закреплении твэлов в ТВС РБМК с целью снижения разрыва в топливном столбе в центре АЗ.
- Значительно меньшая трудоемкость изготовления и металлоемкость.
Изобретение поясняется чертежами на фиг.1-8.
На фиг.1 изображен узел крепления твэлов штатной ТВС РБМК-1000.
В штатной ТВС твэлы фиксируются в концевой решетке 1 посредством выполнения на их наконечнике 2 кольцевой проточки 3, в которую после сборки с концевой решеткой устанавливается стопорное кольцо 4.
На фиг.2 изображена форма поперечного сечения наконечника при фиксации в HP с замятием в 4-х местах.
На фиг.3 изображена расчетная форма поперечного сечения наконечника при извлечении из HP с замятием в 4-х местах.
На фиг.4-5 изображены аналогичные формы поперечного сечения с замятием в 3-х местах.
На фиг.6. изображена расчетная зависимость изменения описанного диаметра наконечника от величины диаметрального замятия в 3-х местах наконечника типа ВВЭР. Видно, что первоначально описанный диаметр на этапе фиксации увеличивается с увеличением замятия до некоторого предела, а затем, при дальнейшем увеличении замятия, описанный диаметр начинает уменьшаться, что позволяет извлекать наконечник из HP практически без усилия. То же самое происходит и при замятии наконечника в 4-х местах.
В таблицах 1-2 приведены конкретные примеры исполнения предлагаемых наконечников твэлов ТВС типа ВВЭР и РБМК.
Таблица 1
Конструктивные параметры
Тип твэла
Длина наконечника, мм
Глубина отверстия, мм
Наружный диаметр, мм
Диаметр отверстия, мм
ВВЭР-440, -1000
13…16
5…6
5
4…4.5
РБМК-1000, -1500
15…18
7,5…8,5
8,5…9,0
7,5…8,5
Таблица 2
Функциональные параметры
Тип реактора
РБМК
ВВЭР
Толщина стенки полой части
0,5±0,1
0,4±0,05
Количество замятий
3
4
3
Наружный диаметр после замятия
11,2±0,2
10,7±0,2
5,6±0,1
Внутренний диаметр после замятия
6,0<sup>+0,4</sup>
7,2<sup>+0,4</sup>
3,0<sup>+0,2</sup>
На фиг.7 приведена конструкция предлагаемого узла крепления в сборе, где 5 - твэл, 6 - несущая решетка, 7 - наконечник.
На фиг.8 изображен предлагаемый наконечник, где 8 - торец наконечника, 9 - отверстие, 10 - наружная поверхность наконечника.