ОПТИМИЗИРОВАННЫЕ В ФОРМЕ ЦВЕТКА ТРУБЫ И ОПТИМИЗИРОВАННЫЕ УЛУЧШЕННЫЕ КОНФИГУРАЦИИ РЕШЕТКИ
OPTIMISED FLOWER TUBES AND OPTIMISED ADVANCED GRID CONFIGURATIONS

Настоящая патентная заявка является частичным продолжением и в соответствии с §119(е) Кодекса законов США 35 U.S.C. имеет приоритет предварительной патентной заявки № 11/033434, поданной 11 января 2005 г., озаглавленной "ВИНТОВАЯ РИФЛЕНАЯ ТРУБЧАТАЯ ОПОРА ТОПЛИВНОГО СТЕРЖНЯ".
Область техники
Настоящее изобретение относится к топливным сборкам ядерного реактора и, в частности, к решетке для поддержания топливных стержней, причем решетка или опорная сборка состоит из матрицы по существу плоских элементов, образующих рамочную сборку наподобие решетки, и множества винтовых рифленых трубчатых элементов, в которых винтовые участки могут иметь переменный наклон.
Предшествующий уровень техники
В типовом реакторе с водой под давлением сердечник реактора составлен из большого количества, по существу вертикальных, удлиненных топливных сборок. Эти топливные сборки включают в себя опорную решетку, сконструированную с возможностью поддерживать множество топливных стержней. Топливная сборка включает в себя верхнюю форсунку, нижнюю форсунку, множество опорных решеток, промежуточные решетки смешивания потока и множество труб c одним заглушенным концом. Опорные решетки прикреплены к множеству удлиненных труб c одним заглушенным концом, которые проходят вертикально между верхней и нижней форсунками. Трубы c одним заглушенным концом обычно принимают в себя стержни управления, разъемные устройства или контрольно-измерительные приборы. Топливный стержень включает в себя ядерное топливо, по существу заключенное в цилиндрическую металлическую трубку. Вода, по существу, поступает в топливную сборку через нижнюю форсунку и проходит через эту топливную сборку вертикально вверх. По мере того, как вода проходит по топливным стержням, она нагревается и выходит из верхней форсунки при сильно повышенной температуре.
Опорные решетки используются для установки топливных стержней в сердечнике реактора, противодействия вибрации топливного стержня, обеспечения боковой опоры для топливных стержней и, в определенной степени, - для вертикального ограничения продольных перемещений топливных стержней. Один тип конструкции обычной опорной решетки включает в себя множество перемежающихся полос, которые все вместе образуют конфигурацию в виде короба для яиц, имеющего множество почти квадратных ячеек, которые принимают в себя топливные стержни индивидуально. В зависимости от конфигурации труб c одним заглушенным концом эти трубы могут быть либо вставленными в ячейки, размеры которых выполнены такими же, что и размеры тех ячеек, которые принимают в себя топливные стержни, либо могут быть вставлены в относительно большие ячейки c одним заглушенным концом, определенные в перемежающихся полосах.
Эти полосы представляют собой по существу плоские удлиненные элементы, имеющие множество относительно податливых пружин и относительно жестких углублений, выступающих перпендикулярно из каждой боковой стороны плоского элемента. Для выполнения взаимного запорного зацепления со смежными полосами и тем самым - создания решетки "вертикальных" и "горизонтальных" полос, которые образуют по существу квадратные ячейки, используются выполненные в полосах пазы. Расположение пружин и углублений сконфигурировано таким образом, что каждая ячейка обычно имеет пружину на каждой из двух смежных сторон. На каждой из сторон ячейки напротив пружин обычно имеются два углубления. Пружины должны быть расположены напротив углублений таким образом, чтобы топливный стержень посредством пружин был смещен к углублениям. Пружины и углубления каждой ячейки сцеплены с соответствующим топливным стержнем, проходящим сквозь ячейку, тем самым, поддерживая этот топливный стержень в каждой ячейки в шести точках (две пружины и четыре углубления). Каждая пружина и(или) углубление, предпочтительно, включают в себя дугообразную вогнутую площадку, имеющую, обычно, такой же радиус, что и радиус топливного стержня. Эта вогнутая площадка способствует распределению радиальной нагрузки по сторонам топливных стержней. Периметральные полосы имеют либо пружины, либо углубления, проходящие от одной стороны и по периферии заключают в себя внутренние полосы решетки, тем самым, придавая решетке большую прочность и жесткость. Во время сборки полосы должны собираться в особую конфигурацию для обеспечения того, чтобы каждая ячейка имела пружины и углубления в правильном положении. Сама по себе сборка этой рамочной конструкции уровня техники представляет собой длительный во времени процесс. Было бы предпочтительно иметь опорную сборку, которая собирается более легко.
Полосы могут включать в себя одну или большее количество смесительных лопаток, выполненных на них, которые облегчают перемешивание воды внутри реактора, способствуя конвекционному теплообмену между топливными стержнями и водой. Это движение, наряду с повышенной температурой, давлением и другими скоростями текучей субстанции внутри сердечника реактора имеет тенденцию вызывать вибрации между решетками и топливными стержнями. Как и для правильного позиционирования полос, следует обращать внимание на то, чтобы смесительные лопатки были расположены в нужных местах. Кроме того, воздействие водяного потока, ударяющего по смесительным лопаткам, вызывает как падение давления в резервуаре давления, так и создает вращательный момент в рамочной сборке, при этом и то, и другое является нежелательным.
Поскольку решетки удерживают топливные стержни внутри топливной ячейки, эти вибрации между ними могут привести к истиранию топливных стержней. Такое истирание, если оно достаточно сильное, может привести к разрушению оболочки топливных стержней с последующим ядерным заражением воды внутри реактора.
Желательно обеспечить улучшенную решетку, выполненную с возможностью минимизировать износ при истираемости между решетками и топливными стержнями при сохранении смешанного потока воды через сердечник реактора. Желательно также иметь опорную конструкцию, которая бы легко собиралась.
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩЕСТВА ИЗОБРЕТЕНИЯ
Эти и другие требования выполняются в настоящем изобретении, которое предлагает опорную решетку для ядерной топливной сборки, в которой топливный стержень по существу представляет собой цилиндрический топливный стержень, имеющий диаметр, а опорная решетка включает в себя рамочную сборку, имеющую множество по существу одинаковых ячеек, при этом каждая ячейка имеет, по меньшей мере, одну боковую сторону, имеющую ширину, и, по меньшей мере, один по существу цилиндрический трубчатый элемент винтового элемента рамы. Трубчатый элемент или винтовой элемент рамы имеет ячеистый контактный участок с большим диаметром и, по меньшей мере, один контактный участок волнистого винтового топливного стержня с малым диаметром. В том смысле, как он здесь используется, "контактный участок топливного стержня" обычно, но этим не ограничиваясь, представляет собой дуговую линию, по меньшей мере, частично проходящую вокруг цилиндра, которым является топливный стержень. Контактный участок ячейки и контактный участок топливного стержня соединены переходным участком. Большой диаметр по существу эквивалентен ширине ячейки, а малый диаметр по существу эквивалентен диаметру топливного стержня. В этой конфигурации топливный стержень, расположенный в трубчатом элементе, зацепляет внутренний диаметр. Трубчатый элемент расположен в одной ячейке из множества по существу квадратных ячеек таким образом, что контактный участок ячейки зацепляет, по меньшей мере, одну боковую сторону ячейки. Таким образом, топливный стержень удерживается винтовым контактным участком топливного стержня, а трубчатый элемент удерживается рамочной сборкой.
В предпочтительном варианте исполнения трубчатый элемент имеет стенку равномерной толщины, таким образом, что винтовой контактный участок топливного стержня определяет проход с винтовой формой по обеим сторонам, смежным с топливным стержнем и стороне, смежной со стенкой ячейки. Эти винтообразные проходы действуют таким образом, что при этом смесительные лопасти не требуются. Есть, по меньшей мере, два преимущества в использовании этих винтообразных проходов; первый - водяной поток не воздействует на сформированный проход, так что в нем имеется лишь минимальное падение давления, созданное смесительной структурой. Второй - реверсированием направления винтового прохода в выбранных ячейках можно управлять крутящим моментом, приложенным к рамочной сборке.
Винтовой контактный участок топливного стержня может быть сформирован в различных конфигурациях. Например, может быть одиночный или множественный винтовой контактный участок топливного стержня, имеющий "угловое смещение" в 360 градусов, то есть проходящий вокруг трубчатого элемента на 360 градусов. Однако при данной относительно малой высоте обычной ячейки наклон винтового контактного участка топливного стержня (отношение радиального расстояния к высоте) может быть слишком большим, тем самым ограничивая поток воды через винтовой участок прохода. Альтернативно, могут быть, по меньшей мере, два винтовых контактных участка топливного стержня, каждый проходящий вокруг трубчатого элемента на 180 градусов. Однако в предпочтительном варианте исполнения выполнено четыре винтовых контактных участка топливного стержня, каждый их которых проходит вокруг трубчатого элемента на 90 градусов. Хотя в этих примерах используется указанное количество (N) винтовых контактных участков топливного стержня и угловое смещение (А), которое равно 360 (NЧА=360), это не является обязательным. То есть, фактически может быть использовано любое количество винтовых контактных участков топливного стержня с любым угловым смещением. Далее следует заметить, что хотя предпочтительной является симметричная форма винтового контактного участка, винтовой контактный участок может представлять собой асимметричный винт, то есть, его наклон вдоль трубчатого элемента может быть переменным. Например, трубчатый элемент или винтовой рамочный элемент может иметь первый осевой участок и второй осевой участок. Винтовой контактный участок проходит по обоим осевым участкам. Винтовой контактный участок может иметь первый наклон на первом осевом участке и второй наклон на втором осевом участке.
Трубчатые элементы, предпочтительно, имеют плавный переход между контактным участком ячейки и винтовым контактным участком топливного стержня. Там, где имеются четыре винтовых контактных участка топливного стержня, форма трубчатого элемента подобна периметральной линии цветка с четырьмя лепестками. Альтернативно, трубчатый элемент может включать в себя продолжительные площадочные секции, сконструированные с возможностью зацеплять стенку рамочной сборки и (или) топливного стержня. Там, где есть площадка, переходная секция обычно представляет собой кривую малого радиуса. В другом варианте исполнения большая часть длины переходного участка обычно плоская, а его концы выполнены с острыми углами.
Рамочная сборка включает в себя множество ячеек, обычно сконструированных с возможностью вмещать в себя ядерный топливный стержень. Как было отмечено выше, некоторые ячейки выполнены с возможностью содержать в себе пустотелый стержень или иное устройство. Но ячейки, не содержащие топливных стержней, не относятся к настоящему изобретению, и, если это не оговорено, далее обсуждаться не будут. В предпочтительном варианте исполнения рамочная сборка выполнена из множества по существу плоских удлиненных полосовых элементов, размещенных в двух взаимно заблокированных наборах - в "вертикальном" наборе и в "горизонтальном" наборе. Вертикальный набор полосовых элементов расположен, по существу, перпендикулярно горизонтальным полосовым элементам. Кроме того, полосовые элементы в каждом наборе по существу равномерно разнесены друг от друга. В этой конфигурации ячейки, обычно, квадратные. В альтернативном варианте исполнения рамочная сборка выполнена из винтовых рамочных элементов, которые приварены друг к другу, предпочтительно, с 90-градусными интервалами.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых:
фиг. 1 представляет собой вид в вертикальном разрезе обычной ядерной топливной сборки;
фиг. 2 представляет собой вид сверху рамочной сборки, показывающий "вертикальные" и "горизонтальные" полосы;
фиг. 3 представляет собой изометрический вид рамочной сборки;
фиг. 4 представляет собой подробный вид опорной решетки;
фиг. 5 представляет собой изометрический вид трубчатого элемента с четырьмя контактными участками топливного стержня;
фиг. 6 представляет собой изометрический вид трубчатого элемента с четырьмя контактными участками топливного стержня, установленного в ячейке вместе с топливным стержнем;
фиг. 7 представляет собой изометрический вид трубчатого элемента с одним контактным участком, смежным с ячейкой;
фиг. 8 представляет собой изометрический вид трубчатого элемента с двумя контактными участками топливного стержня;
фиг. 9 представляет собой альтернативный изометрический вид трубчатого элемента с двумя контактными участками топливного стержня;
фиг. 10 представляет собой вид сверху участка рамочной сборки, выполненной из трубчатых рамочных элементов;
фиг. 11 представляет собой вид сверху участка рамочной сборки, выполненной из упорядоченных трубчатых рамочных элементов;
фиг. 12 представляет собой подробный вид сверху трубчатого элемента в трубчатом рамочной элементе;
фиг. 13 представляет собой подробный вид сверху рамочной сборки, выполненной из винтовых рамочных элементов;
фиг. 14 представляет собой подробный вид сверху трубчатого элемента, имеющего площадки на контактных участках с ячейкой;
фиг. 15 представляет собой подробный вид сверху трубчатого элемента, имеющего площадки на контактных участках с топливным стержнем;
фиг. 16 представляет собой подробный вид сверху трубчатого элемента, имеющего площадки на контактном участке с топливным стержнем, и контактные участки топливного стержня, а также плоский переходной участок;
фиг. 17 представляет собой условный вид сбоку трубчатого элемента, в котором винтовой контактный участок имеет переменный наклон;
фиг. 18 представляет собой вид поперечного сечения опорной решетки, где трубчатый элемент короче рамочной сборки;
фиг. 19А и 19В представляют собой изометрические виды двух трубчатых элементов, на которых на фиг. 19А винтовой контактный участок выполнен по часовой стрелке, на фиг. 19В винтовой контактный участок выполнен против часовой стрелки;
фиг. 20 представляет собой вид альтернативного варианта исполнения, на котором рамочная сборка включает в себя полосовые элементы и трубчатые рамочные элементы;
фиг. 21 представляет собой изометрический вид трубчатого элемента, имеющего винтовые контактные участки, которые в угловом отношении расположены равномерно.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНОГО ВАРИАНТА ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
В том смысле, как они здесь используются, термины направления, такие как, но ими не ограничиваясь, "выше" или "ниже" относятся к компонентам в том виде, как они показаны на рисунках, а в пунктах формулы изобретения они не являются ограничивающими.
На фиг. 1 изображена топливная сборка 20 для ядерного реактора. Эта топливная сборка 20 расположена в водяном резервуаре, (не изображен), имеющим входное отверстие внизу и выходное отверстие вверху. Топливная сборка 20 содержит нижнюю оконечную конструкцию или нижнюю форсунку 22, предназначенную для поддержания топливной сборки 20 на нижней плате сердечника (не изображена) в зоне сердечника реактора (не изображена), количество продольно проходящих направляющих труб стержня управления или стаканов 24, выступающих из нижней форсунки 22 вверх; множество поперечных опорных решеток 26, разнесенных друг от друга по оси вдоль направляющих стаканов 24; упорядоченную структуру удлиненных топливных стержней 28, поперечно разнесенных друг от друга и поддерживаемых решетками 26, приборную трубу 30, расположенную в центре сборки, и верхнюю оконечную конструкцию или верхнюю форсунку 32, традиционным образом прикрепленную к верхним концам направляющих стаканов 24, образуя тем самым единую конструкцию, с которой можно обращаться обычными способами без повреждения компонентов сборки. Нижняя форсунка 22 и верхняя форсунка 32 имеют концевые платы с отверстиями для потока (не изображены), для восходящего продольного потока текучего хладагента, такого как вода, с тем, чтобы он проходил вверх вдоль различных топливных стержней 28, принимая от них тепловую энергию. Для улучшения перемешивания хладагента, находящегося между топливными стержнями 28, между парой опорных решеток 26 расположена решетчатая конструкция смесительной лопасти, в целом обозначенная поз. 34, которая установлена на направляющих стаканах 24.
Верхняя форсунка 32 включает в себя проходящую в поперечном направлении переходную плату (не изображена), имеющую направленные вверх боковые стенки, прикрепленные к ее внешним краям, определяя, таким образом, оболочку или корпус. К верхней части боковых стенок прикреплен кольцевой фланец (не изображен). К этому фланцу должным образом прижаты плоские пружины 36 (только одна из которых изображена на фиг. 1), которые обычным образом взаимодействуют с верхней платой сердечника (не изображена), предотвращая гидравлический подъем топливной сборки, вызванный вертикальным током хладагента, в то же время, не препятствуя изменениям длины топливной сборки вследствие теплового расширения сердечника и иных причин. Внутри отверстия, определенного боковыми стенками верхней форсунки 32, расположена обычная сборка 38 управления группой стержней, имеющая радиально выступающие крючки, подсоединенные к верхнему концу управляющих стержней, для вертикального перемещения управляющих стержней хорошо известным образом в направляющих стаканах 24 стержней управления. Для образования топливной сборки 20 опорные решетки 26 и решетчатая конструкция 34 смесительной лопасти прикреплены к продольно проходящим направляющим стаканам 24 в предварительно определенных, разнесенных по оси местах. Нижняя форсунка 22 должным образом прикреплена к нижним концам направляющих стаканов 24, а после этого к верхним концам направляющих стаканов 24 крепится верхняя форсунка 32. Затем сквозь решетки 26 и решетчатую конструкцию 34 вставляются топливные стержни 28. Эти топливные стержни 28 по существу являются удлиненными цилиндрами, имеющими диаметр. Более подробное описание топливной сборки 20 можно посмотреть в патенте США № 4061536.
Изображенная на чертежах топливная сборка 20 является сборкой такого типа, который имеет квадратный набор топливных стержней 28 с направляющими стаканами 24 стержня управления, которые "стратегически" расположены внутри набора топливных стержней. Кроме того, нижняя форсунка 22, верхняя форсунка 32 и, аналогично, опорные решетки 26 по существу квадратные в поперечном сечении. Исходя из того, что представленная на чертежах конкретная топливная сборка 20 предназначена лишь для иллюстративных целей, следует понимать, что ни форма форсунок или решеток, ни количество и конфигурация топливных стержней 28 и направляющих стаканов 24 не являются ограничивающими, и настоящее изобретение в равной мере применимо к иным формам, конфигурациям и конструкциям, чем те конкретные, которые изображены.
Например, как изображено на фиг. 2 и 4, опорная решетка 26 включает в себя рамочную сборку 40 и, по меньшей мере, одну опору 51 топливного стержня, которая обычно представляет собой цилиндрический трубчатый элемент 50. Рамочная сборка 40 включает в себя множество ячеек 42, определенных стенками 43 ячейки. Каждая ячейка 42 имеет ширину, обозначенную буквой w. В одном варианте исполнения ячейки 42 и стенки 43 ячеек сформированы из множества по существу плоских удлиненных полосовых элементов 44, расположенных в двух взаимно заблокированных наборах, - в вертикальном наборе 46 и в горизонтальном наборе 48. Полосовые элементы 44 в вертикальном и в горизонтальном наборах 48 полосовых элементов 44 обычно перпендикулярны друг другу. Кроме того, полосовые элементы 44 в каждом наборе по существу разнесены равномерно. В этой конфигурации полосовые элементы 44 образуют по существу квадратные ячейки 42А. Таким образом, каждая ячейка 42А имеет две диагональные оси d1 и d2, которые перпендикулярны одна другой и проходят через углы ячейки 42А, также как и две нормальные оси n1 и n2, которые перпендикулярны одна другой и проходят через центр ячейки 42А, и которые перпендикулярно пересекаются со стенками 43 ячейки. Точки на стенке 43 ячейки, через которые проходят две нормальные оси, являются наиболее близкими точками ср между стенкой 43 ячейки и центром ячейки 42. Как изображено на фиг. 3, рамочная сборка 40 имеет также высоту, обозначенную буквой h, при этом данная высота по существу меньше, чем ширина или длина рамочной сборки 40. Кроме того, рамочная сборка имеет верхнюю сторону 47 и нижнюю сторону 49. Следует заметить, что полосовые элементы 44 настоящего изобретения не содержат неровностей, таких как пружины или впадины, которые присутствуют на полосовых элементах уровня техники. Отсутствие дополнительных опорных структур делает конструкцию рамочной сборки 40 очень простой.
Трубчатый элемент 50 опорной решетки 26 изображен на фиг. 4 и 5. Трубчатый элемент 50 включает в себя, по меньшей мере, один винтовой рифленый участок контактного участка 52 топливного стержня, контактный участок 54 ячейки и расположенный между ними переходной участок 56. Как изображено на фиг. 4-6, трубчатый элемент 50 имеет четыре контактных участка топливного стержня, что является предпочтительным вариантом осуществления. Далее описываются другие конфигурации. Контактный участок 54 ячейки имеет большой диаметр, который по существу равен упомянутой ширине ячейки и сконструирован с возможностью плотно входить в ячейку 42. Контактный участок 52 топливного стержня имеет малый диаметр, который по существу равен упомянутому диаметру топливного стержня 28. Таким образом, трубчатый элемент 50 может быть расположен в ячейке 42, а топливный стержень 28 может быть расположен в трубчатом элементе 50. В предпочтительном варианте осуществления трубчатый элемент выполнен из материала, имеющего одинаковую толщину. Таким образом, винтовой контактный участок топливного стержня определяет внешний проход 60 между внешней стороной трубчатого элемента 50 и стенкой 43 ячейки. Дополнительно, контактный участок 54 ячейки, который разнесен от топливного стержня 28, определяет внутренний проход 62. На воду, которая течет через любой из проходов, внешний или внутренний 60, 62, воздействует форма винтового контактного участка 52 топливного стержня, в результате чего вода становится перемешанной.
Трубчатый элемент 50 может быть выполнен с любым количеством винтовых контактных участков 52 топливного стержня, которые могут иметь любую степень наклона. Например, как изображено на фиг. 7, трубчатый элемент 50 имеет лишь один винтовой контактный участок 52 топливного стержня, который проходит вокруг трубчатого элемента 50 на 360 градусов. Как изображено на фиг. 8, трубчатый элемент 50 имеет два винтовых контактных участка 52 топливного стержня, каждый из которых проходит вокруг трубчатого элемента 50 на 180 градусов. Как показано на фиг. 9, трубчатый элемент 50 имеет два винтовых контактных участка 52 топливного стержня, каждый из которых проходит вокруг трубчатого элемента 50 на 360 градусов. Как отмечалось выше, фиг. 5 изображает трубчатый элемент 50, имеющий четыре винтовых контактных участка 52 топливного стержня, каждый из которых проходит вокруг трубчатого элемента 50 на 90 градусов. Предпочтительно, винтовые контактные участки 52 топливного стержня разнесены равномерно вокруг трубчатого элемента 50, но это не обязательно. Наклон предпочтительно составляет от 0,001 до 20,0.
В этих примерах использовалось количество N винтовых контактных участков 52 топливного стержня и угловое смещение А, которое равно 360 градусам или долям 360 градусов. Эта конфигурация особенно пригодна для использования в квадратной ячейке 42А. То есть, контактный участок 54 ячейки будет контактировать со стенкой 43 ячейки только в самой ближайшей точке на стенке 43 ячейки. В других точках, например, в углу ячейки 42А большой диаметр трубчатого элемента 50, то есть контактный участок 54 ячейки не будет контактировать со стенкой 43 ячейки. Таким образом, как лучше всего изображено на фиг, 6, когда есть четыре равномерно разнесенных винтовых контактных участка 52 топливного стержня, каждый из которых проходит на 90 градусов вокруг трубчатого элемента 50, то существуют четыре соответствующих контактных участка 54 ячейки, каждый из которых расположен между винтовыми контактными участками 52 топливного стержня. Для обеспечения наибольшей величины площади поверхностного контакта между трубчатым элементом 50 и стенкой 43 ячейки трубчатый элемент 50 расположен таким образом, что каждый его винтовой контактный участок 52 топливного стержня по существу выровнен относительно диагональной оси по верхней стороне 47 ячейки, а также выровнен относительно другой диагональной оси по нижней стороне 49 ячейки. При такой ориентации контактный участок 54 ячейки выровнен относительно ближайшей точки стенки 43 ячейки по верхней стороне 47, а также по нижней стороне 49. Подобная конфигурация может быть реализована в ячейках 42 любой формы. То есть, количество N винтовых контактных участков 52 топливного стержня, предпочтительно, равно количеству сторон S ячейки 42, а угловое смещение А, предпочтительно, равно (360 градусам/S). Таким образом, трубчатый элемент может быть расположен таким образом, чтобы его винтовой контактный участок 52 топливного стержня обычно был бы совмещен с осью, проходящей через угол ячейки 42 по верхней стороне 47 ячейки, а также совмещен с другой осью, проходящей через угол ячейки 42 по нижней стороне 49 ячейки. Таким образом, контактный участок 54 ячейки совмещен с ближайшей точкой стенки 43 ячейки по верхней стороне 47, а также по нижней стороне 49.
В другом варианте исполнения рамочная сборка 40 включает в себя множество цилиндрических ячеек 42В, определенных множеством трубчатых рамочных элементов 70. Как изображено на фиг. 10, рамочная сборка 40 может иметь множество плотно "упакованных" трубчатых рамочных элементов 70, однако, как изображено на фиг. 11, предпочтительной является модель выровненных трубчатых рамочных элементов 70. То есть трубчатые рамочные элементы 70 соединены друг с другом с интервалами в 90 градусов по периметру каждого трубчатого рамочного элемента 70. Трубчатый элемент 50 расположен внутри цилиндрических ячеек 42В. Как изображено на фиг. 12, совокупность трубчатого элемента 50 и цилиндрической ячейки 42В вновь создает внутренний проход 62 между топливным стержнем 28 и трубчатым элементом 50, а также внешний проход 60 между трубчатым элементом 50 и трубчатым рамочным элементом 70. Цилиндрическая ячейка 42В трубчатого рамочного элемента 70 имеет дополнительное преимущество, заключающееся в том, что при этом весь контактный участок 54 ячейки упирается в стенку 43 ячейки. То есть, диаметр цилиндрической ячейки 42В - такой же, что и ширина этой ячейки, которая тоже такая же, как и ближайшая точка, таким образом, контактный участок 54 ячейки будет зацеплять стенку 43 ячейки по всей высоте стенки 43 ячейки. В случае с квадратной ячейкой 42А это не так, - там контактный участок 54 не контактирует в углах со стенкой 43 ячейки.
В другом варианте осуществления, изображенном на фиг. 13, функции трубчатого элемента 50 и трубчатого рамочного элемента 70 объединены в винтовом рамочном элементе 80. То есть, рамочная сборка 40 включает в себя множество винтовых рамочных элементов 81, расположенных в матричной модели. Винтовой рамочный элемент 80, подобно трубчатому элементу 50, включает в себя, по меньшей мере, один контактный участок 52 топливного стержня, однако вместо контактного участка 54 ячейки внешняя сторона винтового рамочного элемента 80 представляет собой контактный участок 55, сконструированный с возможностью соединяться напрямую с контактным участком 55 смежного винтового рамочного элемента 80. Как и в случае варианта осуществления рамочной сборки 40 с трубным рамочным элементом 70, винтовые рамочные элементы 80 соединены друг с другом с 90-градусными интервалами по периметру каждого винтового рамочного элемента 80. Кроме того, в этом варианте осуществления рамочная сборка, предпочтительно, включает в себя множество внешних полос 82, сконструированных с возможностью проходить по периметру множества винтовых рамочных элементов 81. Внешние полосы 82 соединены с контактным участком 55 винтовых рамочных элементов 80, расположенных по внешнему краю множества винтовых рамочных элементов 81. Топливный стержень 28 проходит, по меньшей мере, сквозь один винтовой рамочный элемент 80.
Как наилучшим образом изображено на фиг. 12 в виде поперечного сечения, компонентам трубчатого элемента 50, то есть, винтовому контактному участку 52 топливного стержня, контактному участку 54 ячейки и переходному участку 56, предпочтительно, приданы формы, образуемые плавными кривыми. Эта конфигурация придает трубчатому элементу 50 сжимаемость, качество, присущее пружинам. Однако, как изображено на фиг. 14, контактный участок 54 ячейки может включать в себя плоский отрезок или площадку 90. Эта площадка 90 сконструирована с возможностью обеспечивать большую площадь поверхности, которая касается стенки 43 ячейки. Увеличенная длина площадки 90 обусловит необходимость переходного участка 56 имеющего кривую малого радиуса. Подобным же образом, как изображено на фиг. 15, винтовой контактный участок 52 топливного стержня может включать в себя вогнутую площадку 92, которая выполнена с возможностью проходить радиально вокруг топливного стержня 28. Как и ранее, увеличенная длина вогнутой площадки 92 обусловит необходимость переходного участка 56 имеющего кривую малого радиуса. Кроме того, трубчатый элемент 50 может включать в себя и площадку 90 при контактном участке 54 ячейки, и вогнутую площадку 92 при контактном участке 52 топливного стержня. Наконец, трубчатый элемент 50 может, также, быть выполнен с, по существу, плоским переходным участком 56 с загнутыми под углом концами 94. Как изображено на фиг. 16, в этом варианте исполнения переходной участок 56 на изображении поперечного сечения сверху является, по существу, плоским. Понятно, что из-за "винтовой природы" контактного участка 52 топливного стержня переходной участок 56 не является плоским в направлении высоты рамочной сборки 40.
Как отмечалось выше, наклон винтового контактного участка 52 вдоль трубчатого элемента 50 может быть переменным. Например, у винтового контактного участка 52 на трубчатом элементе 50 и/или на трубчатом рамочном элементе 70, нижний край 100 (описывается ниже) может иметь первый наклон, и тот же самый винтовой контактный участок 52 может иметь другой наклон на трубчатом элементе 50, и/или на трубчатом рамочном элементе 70, верхний край 102 (описывается ниже).
Как изображено на фиг. 17, на котором винтовой контактный участок 52 для ясности схематично изображен в виде линии, каждый трубчатый элемент 50 и (или) трубчатый рамочный элемент 70 относительно тока воды имеет передний край, которым является нижний край 100. Подобным же образом, каждый трубчатый элемент 50 и (или) трубчатый рамочный элемент 70 относительно тока воды имеет задний край, которым является верхний край 102. Когда трубчатый элемент 50 и (или) трубчатый рамочный элемент 70 расположен в рамочной сборке 20, нижний край 100 трубчатого элемента расположен ближе к нижнему краю 49 рамочной сборки, чем к верхнему краю 47. И наоборот, верхний край 102 трубчатого элемента расположен ближе к верхнему краю 47 рамочной сборки, чем к нижнему краю 49. Далее заметим, что каждый трубчатый элемент 50 и (или) каждый трубчатый рамочный элемент 70 имеет высоту.
Таким образом, по меньшей мере, один винтовой контактный участок 52 на нижнем краю 100 трубчатого элемента может иметь первый наклон, а на верхнем краю 102 трубчатого элемента - изменить его на второй наклон. В одном варианте осуществления (здесь не изображено) это изменение - постепенное. В этой конфигурации, по меньшей мере, один винтовой контактный участок 52 имеет по существу различный наклон при каждом повышении высоты трубчатого элемента 50.
В предпочтительном варианте осуществления, однако, трубчатый элемент 50 и (или) трубчатый рамочный элемент 70 имеет два или большее количество участков 106, 108, причем, каждый участок является осевым участком, в которых винтовой контактный участок 52 имеет различный наклон. То есть, трубчатый элемент 50 имеет ось 110 цилиндра, которая, когда этот трубчатый элемент расположен в топливной сборке 20 в ядерном реакторе, проходит, по существу, вертикально. Как изображено, первый осевой участок 106 является нижним, но первым по потоку воды участком трубчатого элемента 50. На любой стороне воображаемой плоскости или линии 112, проходящей, по существу, перпендикулярно оси 110 цилиндра трубчатого элемента, расположены два или более осевых участков (далее по тексту - первый и второй осевые участки 106, 108). По меньшей мере, один винтовой контактный участок 52 топливного стержня проходит через, то есть продолжается через, первый осевой участок 106, и второй осевой участок 108. По меньшей мере, один винтовой контактный участок 52 топливного стержня на первом осевом участке 106 имеет первый наклон, и, по меньшей мере, один винтовой контактный участок 52 топливного стержня на втором осевом участке 108 имеет второй наклон. Предпочтительно, наклон, по меньшей мере, одного винтового контактного участка 52 топливного стержня на первом осевом участке 106 (относительно направления тока воды, то есть, по существу вертикального) является плавным, или же он может быть описан как имеющий более низкий винтовой градиент. И наоборот, наклон, по меньшей мере, одного винтового контактного участка 52 топливного стержня на втором осевом участке 108 имеет более крутой наклон, или больший винтовой градиент. Изображенный на фиг. 17 наклон, по меньшей мере, одного винтового контактного участка 52 топливного стержня для ясности преувеличен. Как отмечалось выше, винтовые контактные участки 52 топливного стержня могут быть равномерно разнесены вокруг трубчатого элемента 50, но это не обязательно. То есть, когда, по меньшей мере, один винтовой контактный участок 52 топливного стержня представляет собой множество винтовых контактных участков 53 топливного стержня, точки, в которых начинаются и заканчиваются винтовые контактные участки 52 топливного стержня, соответственно, на нижнем краю 100 трубчатого элемента и на верхнем краю 102 трубчатого элемента равномерно разнесены по периметру этого трубчатого элемента 50. Это также может быть описано таким образом, что каждый винтовой контактный участок 52 топливного стержня из множества винтовых контактных участков 53 топливного стержня имеет равномерное угловое расположение вокруг трубчатого элемента 50. Например, два винтовых контактных участка 52 топливного стержня могут быть разнесены друг от друга на 180 градусов, три винтовых контактных участка 52 топливного стержня могут быть разнесены друг от друга на 120 градусов, четыре винтовых контактных участка 52 топливного стержня могут быть разнесены друг от друга на 90 градусов, пять винтовых контактных участков 52 топливного стержня могут быть разнесены друг от друга на 72 градуса, шесть винтовых контактных участков 52 топливного стержня могут быть разнесены друг от друга на 60 градусов, восемь винтовых контактных участков 52 топливного стержня, как изображено на фиг. 21, могут быть разнесены друг от друга на 45 градусов и т.д. Снова заметим, что хотя равномерное распределение винтовых контактных участков 52 топливного стержня является предпочтительным, это не обязательно. Например, трубчатый элемент 50 может иметь два винтовых контактных участка 52 топливного стержня, разнесенных друг от друга на 90 градусов, и каждый из них проходит на 180 градусов по длине оси, то есть, по высоте трубчатого элемента 50. В этой конфигурации одна четверть трубчатого элемента (дуга, проходящая по периметру на 90 градусов) является по существу "плавной" от нижнего края 100 трубчатого элемента к верхнему краю 102 трубчатого элемента.
Как отмечалось выше, рамочная сборка 40 имеет высоту. Другими словами, каждый полосовой элемент 44 имеет высоту. Обычно высота каждого полосового элемента 44 одна и та же, однако внешние полосы 82 могут иметь увеличенную высоту относительно внутренних полосовых элементов 44. Трубчатые элементы 50 (и (или) трубчатый рамочный элемент 70) могут иметь осевую длину или высоту, которая по существу подобна высоте рамочной сборки 40, полосовым элементам 44 и (или) внешним полосам 82. В другом варианте осуществления, изображенном на фиг. 18, трубчатый элемент 50 (и (или) трубчатый рамочный элемент 70) имеет высоту, отличную от высоты рамочной сборки 40. Например, трубчатый элемент 50 может быть выше, чем рамочная сборка 40, и участок трубчатого элемента 50 проходит над и (или) под рамочной сборкой 40 (не изображено). В предпочтительном варианте осуществления трубчатый элемент 50, изображенный на фиг. 18, имеет высоту, которая меньше, чем высота рамочной сборки 40. В этой конфигурации верхний край 102 трубчатого элемента, предпочтительно, почти параллелен верхнему краю 47 рамочной сборки.
Как отмечалось выше, изменением в выбранных ячейках 42 направления винтовых проходов 60, 62 на обратное, можно управлять величиной крутящего момента, оказываемого на рамочную сборку 40. То есть, если смотреть вдоль оси, трубчатые элементы (и (или) трубчатый рамочный элемент 70) имеют закручивание. Это закручивание, как изображено на фиг. 19, может быть по часовой стрелке или против часовой стрелки. Когда в рамочной сборке 40 расположены трубчатые элементы (и (или) трубчатые рамочные элементы 70) с разными закручиваниями, можно управлять величиной крутящего момента, приложенного к рамочной сборке 40.
Выше был описан ряд вариантов исполнения трубчатых элементов 50 и рамочных сборок 40. В одном варианте исполнения все трубчатые элементы (и (или) трубчатые рамочные элементы 70) в рамочной сборке 40 по существу подобны трубчатым элементам 50 (и (или) трубчатым рамочным элементам 70). То есть все трубчатые элементы 50 (и (или) трубчатые рамочные элементы 70) имеют по существу одинаковые характеристики. В другом варианте осуществления, выбранные трубчатые элементы 50 (и (или) трубчатые рамочные элементы 70), расположенные в отдельной рамочной сборке 40 или в опорной решетке 26, имеют разные характеристики. Как отмечалось ранее, в одной рамочной сборке 40 могут быть расположены трубчатые элементы 50 (и (или) трубчатые рамочные элементы 70) с разными закручиваниями. Кроме того, - лишь в качестве примера, - в одной опорной решетке может быть отобранное количество трубчатых элементов 50 с четырьмя винтовыми контактными участками 52 топливного стержня, в то время как остальные трубчатые элементы 50 имеют по восемь винтовых контактных участков 52 топливного стержня. Альтернативно, - лишь в качестве другого примера - в одной опорной решетке может быть отобранное количество трубчатых элементов 50 с винтовыми контактными участками 52 топливного стержня с переменным наклоном, в то время как остальные трубчатые элементы имеют винтовые контактные участки 52 с постоянным наклоном. И, как лишь еще один пример, опорная решетка 26 может иметь комбинацию рамочных сборок 40. То есть, как изображено на фиг. 20, рамочная сборка 40 может включать в себя внешние полосы 82 и ограниченное количество внутренних полосовых элементов 44, то есть меньше, чем необходимо полосовых элементов 44 для формирования законченной и равномерной решетки. Когда рамочная решетка имеет ограниченное количество полосовых элементов 44, может быть образовано лишь ограниченное количество ячеек 42. В такой конфигурации полосовые элементы не равномерно разнесены друг от друга, а, предпочтительно, расположены относительно смежно к внешним полосам 82. В этой конфигурации средний участок рамочной сборки 40 является пустым. В таком открытом среднем участке могут быть установлены описанные выше трубчатые рамочные элементы 70. Таким образом, опорная решетка 26 может содержать как трубчатые элементы 50, расположенные в ячейках 42, так и трубчатые рамочные элементы 70, расположенные между полосовыми элементами 44 в открытой области 120, которая больше, чем ячейка 42.
Понятно, что возможны любые комбинации описанных выше вариантов. Соответственно, для описания опорной решетки 26, имеющей элементы со смешанными характеристиками (например, количество контактных участков 52, высота, переменные наклоны контактных участков 52 и т.д.) можно сказать, что "по меньшей мере, один из трубчатых элементов 50" или "по меньшей мере, один из винтовых рамочных элементов 70" имеет заданную характеристику (характеристики). Такое описание означает, что другие трубчатые элементы 50 и (или) трубчатые рамочные элементы 70 могут иметь, а могут и не иметь такую же заданную характеристику (характеристики). Например, опорная решетка 26 может быть описана как имеющая "по меньшей мере, один из множества винтовых рамочных элементов 81 с осью 110 цилиндра, а также, по меньшей мере, первый осевой участок 106 и второй осевой участок 108". В качестве еще одного примера, - опорная решетка 26 может быть описана как имеющая, по меньшей мере, один трубчатый элемент 50 с закручиванием по направлению часовой стрелки и, по меньшей мере, один трубчатый элемент 50 с закручиванием против часовой стрелки. Таким образом, в опорной решетке 26 из сотни трубчатых элементов 50 могут быть (1) пятьдесят трубчатых элементов 50 с закручиванием по часовой стрелке и пятьдесят трубчатых элементов 50 с закручиванием против часовой стрелки или (2) один трубчатый элемент 50 с закручиванием по часовой стрелке и девяносто девять трубчатых элементов 50 с закручиванием против часовой стрелки, или их любая комбинация.
Хотя здесь в деталях были описаны конкретные варианты осуществления этого изобретения, специалистам в данной области техники будет понятно, что, исходя из общих идей, раскрытых в данном описании, могут быть развиты различные модификации и альтернативы для этих деталей. Соответственно, описанные конкретные конфигурации задумывались лишь как иллюстративные, а не ограничительные в том, что касается объема изобретения, который во всей полноте будет определен в приложенных пунктах формулы изобретения, а также в любых и всех его эквивалентах.