БЕСЧЕХЛОВАЯ ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩАЯ СБОРКА С ГЕКСАГОНАЛЬНОЙ ТОПЛИВНОЙ РЕШЕТКОЙ ВОДО-ВОДЯНОГО ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО РЕАКТОРА (ВАРИАНТЫ)
COVERLESS FUEL ASSEMBLY WITH HEXAGONAL FUEL GRID OF WATER-COOLED POWER REACTOR (VERSIONS)

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к атомной энергетике, в частности к конструкциям бесчехловых тепловыделяющих сборок (ТВС) с гексагональной топливной решеткой активных зон водоохлаждаемых корпусных ядерных реакторов типа ВВЭР, в особенности при разработке и строительстве отечественных ядерных реакторов нового поколения.
Уровень техники
В действующих водоохлаждаемых корпусных ядерных реакторах типа ВВЭР и PWR запас реактивности на выгорание топлива компенсируется поглотителями систем управления: борной системой и механическими органами системы управления и защиты (СУЗ), а также выгорающими поглотителями.
Избыточные нейтроны в течение всего топливного цикла поглощаются введенным в активную зону и постепенно извлекаемым веществом с большим сечением захвата нейтронов. Таким образом, функционирование реакторов обеспечивается за счет бесполезной, с точки зрения использования топлива, потери избыточной части нейтронов. Изменение спектра нейтронов в активной зоне позволяет перераспределять баланс нейтронов. Уменьшение исходного содержания воды в топливной решетке приводит к росту числа делений сырьевого изотопа (U-238), к увеличению образования вторичных делящихся на тепловых нейтронах изотопов (Рu) и уменьшению поглощения нейтронов в теплоносителе и в поглотителях, т.е. в конечном счете, к росту коэффициента воспроизводства топлива.
Уменьшение общего количества делящихся изотопов в ходе выгорания топлива при одновременном накоплении шлаков требует для поддерживания размножающих характеристик топливных решеток снижать захват нейтронов сырьевыми изотопами, что может быть достигнуто за счет смягчения спектра нейтронов путем увеличения количества воды в тепловыделяющих сборках.
Для получения наибольшей глубины выгорания топлива при заданном исходном обогащении управление спектром может сыграть решающую роль, поскольку с поддержанием непрерывной цепной реакции за счет определенной части нейтронов остальное избыточное их количество может быть использовано на образование новых делящихся изотопов из U-238.
Известна тепловыделяющая сборка, содержащая ячейки, установленные по треугольной сетке, и предназначенные для установки в них тепловыделяющих элементов, направляющих каналов для поглощающих стержней и каналов, заполненных водой (US 5555281, G21С 3/30, 10.09.1996). В данной тепловыделяющей сборке каналы, заполненные водой (водные стержни), используются для спектрального смягчения потока нейтронов.
Однако, несмотря на расположение ячеек в сборке по треугольной сетке, местоположение водных стержней не может быть применено в тепловыделяющей сборке, периметр которой имеет форму правильного шестиугольника, поскольку периметр известной сборки имеет форму квадрата.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату к тепловыделяющей сборке по настоящему изобретению является тепловыделяющая сборка ядерного реактора ВВЭР-1000, содержащая пучок тепловыделяющих элементов, хвостовую и головную части и, расположенную между ними, по крайней мере, одну дистанционирующую решетку, окруженную ободом, стороны которого образуют правильный шестиугольник, и включающую ячейки для тепловыделяющих элементов, установленные по треугольной сетке таким образом, что они образуют коаксиальные шестиугольные ряды внутри обода дистанционирующей решетки, причем между ячейками установлены направляющие каналы для вытеснителей, продольные оси которых размещены в одной плоскости с продольными осями тепловыделяющих элементов, расположенными на той же стороне того же коаксиального ряда и/или в одной плоскости с продольными осями тепловыделяющих элементов, расположенными на большой диагонали шестиугольника (RU 2248630, G21С 3/32, 10.05.2004). В известной конструкции тепловыделяющей сборки предусмотрена лишь возможность установки направляющих каналов для вытеснителей без указания их количества и места расположения.
Раскрытие изобретения
Задачей настоящего изобретения является создание и разработка бесчехловой тепловыделяющей сборки с гексагональной топливной решеткой водо-водяного энергетического реактора, обладающей улучшенными характеристиками сжигания ядерного топлива и увеличенной продолжительностью топливной кампании.
В результате решения данной задачи могут быть получены новые технические результаты, заключающиеся в том, что повышается глубина выгорания и коэффициент воспроизводства ядерного топлива.
Указанные технические результаты по первому варианту настоящего изобретения достигаются тем, что в бесчехловой тепловыделяющей сборке с гексагональной топливной решеткой водо-водяного энергетического реактора, содержащей хвостовую и головную части сборки и, расположенную между ними, по крайней мере, одну дистанционирующую решетку, окруженную ободом, стороны которого образуют правильный шестиугольник, и включающую ячейки для тепловыделяющих элементов, установленные по треугольной сетке таким образом, что они образуют коаксиальные шестиугольные ряды внутри обода дистанционирующей решетки, причем между ячейками установлены направляющие каналы для вытеснителей, продольные оси которых размещены в одной плоскости с продольными осями тепловыделяющих элементов, расположенными на той же стороне того же коаксиального ряда и/или в одной плоскости с продольными осями тепловыделяющих элементов, расположенными на большой диагонали шестиугольника, кроме того направляющий канал или пучок направляющих каналов размещен в центре дистанционирующей решетки и/или три, равноудаленных друг от друга, или шесть направляющих каналов или пучков направляющих каналов размещены в углах четвертого от обода ряда, и/или три, равноудаленных друг от друга, или шесть направляющих каналов или пучков направляющих каналов размещены в углах восьмого от обода ряда, и/или три, равноудаленных друг от друга, или шесть направляющих каналов или пучков направляющих каналов размещены в серединах сторон четвертого от обода ряда.
Указанные технические результаты по второму варианту настоящего изобретения достигаются тем, что в бесчехловой тепловыделяющей сборке с гексагональной топливной решеткой водо-водяного энергетического реактора, содержащей хвостовую и головную части сборки и, расположенную между ними, по крайней мере, одну дистанционирующую решетку, окруженную ободом, стороны которого образуют правильный шестиугольник, и включающую ячейки для тепловыделяющих элементов, установленные по треугольной сетке таким образом, что они образуют коаксиальные шестиугольные ряды внутри обода дистанционирующей решетки, причем между ячейками установлены направляющие каналы для вытеснителей, продольные оси которых размещены в одной плоскости с продольными осями тепловыделяющих элементов, расположенными на той же стороне того же коаксиального ряда и/или в одной плоскости с продольными осями тепловыделяющих элементов, расположенными на большой диагонали шестиугольника, кроме того направляющий канал или пучок направляющих каналов размещен в центре дистанционирующей решетки и/или три, равноудаленных друг от друга, или шесть направляющих каналов или пучков направляющих каналов размещены в углах второго от обода ряда, и/или три, равноудаленных друг от друга, или шесть направляющих каналов или пучков направляющих каналов размещены в углах шестого от обода ряда, и/или три, равноудаленных друг от друга, или шесть направляющих каналов или пучков направляющих каналов размещены в серединах сторон второго от обода ряда.
Указанные технические результаты по третьему варианту настоящего изобретения достигаются тем, что в бесчехловой тепловыделяющей сборке с гексагональной топливной решеткой водо-водяного энергетического реактора, содержащей хвостовую и головную части сборки и, расположенную между ними, по крайней мере, одну дистанционирующую решетку, окруженную ободом, стороны которого образуют правильный шестиугольник, и включающую ячейки для тепловыделяющих элементов, установленные по треугольной сетке таким образом, что они образуют коаксиальные шестиугольные ряды внутри обода дистанционирующей решетки, причем между ячейками установлены направляющие каналы для вытеснителей, продольные оси которых размещены в одной плоскости с продольными осями тепловыделяющих элементов, расположенными на той же стороне того же коаксиального ряда и/или в одной плоскости с продольными осями тепловыделяющих элементов, расположенными на большой диагонали шестиугольникам, кроме того направляющий канал или пучок направляющих каналов размещен в центре дистанционирующей решетки и/или три, равноудаленных друг от друга, или шесть направляющих каналов или пучков направляющих каналов размещены в углах второго от обода ряда, и/или три, равноудаленных друг от друга, или шесть направляющих каналов или пучков направляющих каналов размещены в углах восьмого от обода ряда, и/или три, равноудаленных друг от друга, или шесть направляющих каналов или пучков направляющих каналов размещены в серединах сторон второго от обода ряда.
Отличительной особенностью каждого из вариантов является выбор места установки направляющих каналов для вытеснителей. Экспериментально установлено и подтверждено расчетами, что установка каналов для вытеснителей именно в данных местах улучшает водо-урановое отношение активной зоны и позволяет увеличить глубину выгорания топлива.
Для всех вариантов настоящего изобретения: предпочтительно выбрать количество ячеек для тепловыделяющих элементов и направляющих каналов, соответственно, от 264 шт. до 390 шт. и от 1 шт. до 133 шт., а диаметр тепловыделяющих элементов от 7,8 мм до 9,15 мм, причем шаг t треугольной сетки предпочтительно выбрать от 11,5 мм до 11,7 мм.
Также для всех вариантов настоящего изобретения предпочтительно, чтобы пучок направляющих каналов содержал три, или шесть, или семь параллельных направляющих каналов, жестко соединенных между собой, а диаметр направляющего канала был больше, чем диаметр тепловыделяющего элемента, причем направляющие каналы предпочтительно должны быть отделены друг от друга, по крайней мере, одним тепловыделяющим элементом.
Кроме того, предпочтительно для всех вариантов настоящего изобретения выполнить вытеснитель из циркониевого сплава монолитным или с герметичной продольной полостью, а полость вытеснителя должна быть выполнена с возможностью ее заполнения газом и/или двуокисью урана с естественным или отвальным обогащением урана-235, причем направляющие каналы для вытеснителей должны быть гидравлически соединены с окружающим пространством, а вытеснители с полостью должны быть выполнены с возможностью гидравлического соединения полости с окружающим пространством.
Анализ решений, известных из предшествующего уровня техники, не выявил устройства, совпадающего с вариантами по настоящему изобретению по всей совокупности существенных признаков, включенных в независимые пункты формулы изобретения, что свидетельствует о том, что настоящее изобретение соответствует условию патентоспособности «новизна».
Из уровня техники известна тепловыделяющая сборка ядерного реактора, содержащая часть признаков, сходных с признаками описываемого изобретения - RU 2248630, G21С 3/32, 10.05.2004.
Общими признаками известного и настоящего изобретений являются признаки, касающиеся наличия каналов для вытеснителей.
Однако в известном решении не указано, с какой целью установлены каналы для вытеснителей, не показано, где они расположены, и какой технический результат может быть получен. Поэтому настоящее изобретение соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень».
Перечень чертежей
На фиг.1 изображен общий вид тепловыделяющей сборки ядерного реактора, на фиг.2 показана (увеличено) ячейка дистанционирующей решетки, на фиг.3 приведен первый вариант сечения А-А на фиг.1, на фиг.4 приведен второй вариант сечения А-А на фиг.1, на фиг.5 приведен третий вариант сечения А-А на фиг.1, на фиг.6 изображен фрагмент дистанционирующей решетки с шестиугольным направляющим каналом, на фиг.7 изображен фрагмент дистанционирующей решетки с цилиндрическим направляющим каналом, на фиг.8 изображен фрагмент дистанционирующей решетки с вытеснителями и поглощающим элементом.
Осуществление изобретения
Бесчехловая тепловыделяющая сборка с гексагональной топливной решеткой водо-водяного энергетического реактора содержит соединенные между собой направляющими каналами 1 хвостовую 2 и головную 3 части сборки. Между хвостовой и головной частями сборки расположены дистанционирующие решетки 4, обод 5 которых имеет форму правильного шестиугольника (см. фиг.1.). Каждая дистанционирующая решетка включает ячейки 6 для тепловыделяющих элементов 7 (см. фиг.2.). Ячейки 6 установлены по треугольной сетке с образованием внутри обода 5 коаксиальных шестиугольных рядов, количество которых составляет одиннадцать. Количество ячеек 6 для тепловыделяющих элементов 7 в дистанционирующей решетке составляет от 264 шт. до 390 шт., а диаметр тепловыделяющих элементов выбран от 7,8 мм до 9,15 мм. Между ячейками 6 установлены направляющие каналы 8 для вытеснителей 9 и поглощающих стержней 10. Количество направляющих каналов 8 (соответственно, вытеснителей) в заявляемой тепловыделяющей сборке составляет от 1 шт., размешенных в центре дистанционирующей решетки, до 133 шт. в случае использования пучков направляющих каналов с семью вытеснителями (см. фиг.3 - фиг.8). Пучок направляющих каналов 8 может содержать три, или шесть, или семь параллельных направляющих каналов, жестко соединенных между собой. В соответствии с первым вариантом направляющие каналы (пучки направляющих каналов) окружены тепловыделяющими элементами. Причем согласно трем вариантам все направляющие каналы и пучки направляющих каналов отделены друг от друга, по крайней мере, одним тепловыделяющим элементом, а диаметр направляющих каналов выбран больше диаметра тепловыделяющих элементов.
По первому варианту настоящего изобретения направляющие каналы 8 могут быть установлены следующим образом:
- от одного (с шестиугольным или цилиндрическим поперечным сечением) до семи направляющих каналов (один пучок направляющих каналов для семи вытеснителей) в центре дистанционирующей решетки;
- от трех равноудаленных друг от друга (с шестиугольным или цилиндрическим поперечным сечением) до двадцати одного направляющего канала (для трех пучков вытеснителей) в углах четвертого от обода ряда, т.е. продольные оси направляющих каналов или пучков направляющих каналов размещены на пересечении осевой линии центров ячеек четвертого от обода ряда (параллельной стороне обода) и линии, проходящей через центр дистанционирующей решетки и соединяющей противоположные вершины обода;
- от трех равноудаленных друг от друга (с шестиугольным или цилиндрическим поперечным сечением) до двадцати одного направляющего канала (три пучка направляющих каналов для двадцати одного вытеснителя) в углах восьмого от обода ряда, т.е. продольные оси направляющих каналов или пучков направляющих каналов размещены на пересечении осевой линии центров ячеек восьмого от обода ряда (параллельной стороне обода) и линии, проходящей через центр дистанционирующей решетки и соединяющей противоположные вершины обода;
- от трех равноудаленных друг от друга (с шестиугольным или цилиндрическим поперечным сечением) до двадцати одного направляющего канала (три пучка направляющих каналов для двадцати одного вытеснителя) в серединах четвертого от обода ряда, т.е. продольные оси направляющих каналов или пучков направляющих каналов размещены на пересечении осевой линии центров ячеек четвертого от обода ряда (параллельной стороне обода) и линии, проходящей через центр дистанционирующей решетки и соединяющей середины противоположных сторон обода;
- от шести (с шестиугольным или цилиндрическим поперечным сечением) до сорока двух направляющих каналов (шесть пучков направляющих каналов для сорока двух вытеснителей) в углах четвертого от обода ряда, т.е. продольные оси направляющих каналов или пучков направляющих каналов размещены на пересечении осевой линии центров ячеек четвертого от обода ряда (параллельной стороне обода) и линии, проходящей через центр дистанционирующей решетки и соединяющей противоположные вершины обода;
- от шести (с шестиугольным или цилиндрическим поперечным сечением) до сорока двух направляющих каналов (шесть пучков направляющих каналов для сорока двух вытеснителей) в углах восьмого от обода ряда, т.е. продольные оси направляющих каналов или пучков направляющих каналов размещены на пересечении осевой линии центров ячеек восьмого от обода ряда (параллельной стороне обода) и линии, проходящей через центр дистанционирующей решетки и соединяющей противоположные вершины обода;
- от шести (с шестиугольным или цилиндрическим поперечным сечением) до сорока двух направляющих каналов (шесть пучков направляющих каналов для сорока двух вытеснителей) в серединах четвертого от обода ряда, т.е. продольные оси направляющих каналов или пучков направляющих каналов размещены на пересечении осевой линии центров ячеек четвертого от обода ряда (параллельной стороне обода) и линии, проходящей через центр дистанционирующей решетки и соединяющей середины противоположных сторон обода;
- от четырех до двадцати восьми направляющих каналов (четыре пучка направляющих каналов для двадцати восьми вытеснителей) в центре дистанционирующей решетки и в трех равноудаленных друг от друга углах четвертого от обода ряда;
- от четырех до двадцати восьми направляющих каналов (четыре пучка направляющих каналов для двадцати восьми вытеснителей) в центре дистанционирующей решетки и в трех равноудаленных друг от друга углах восьмого от обода ряда;
- от четырех до двадцати восьми направляющих каналов (четыре пучка направляющих каналов для двадцати восьми вытеснителей) в центре дистанционирующей решетки и в трех равноудаленных друг от друга серединах четвертого от обода ряда;
- от семи до сорока девяти направляющих каналов (семь пучков направляющих каналов для сорока девяти вытеснителей) в центре дистанционирующей решетки и в шести углах четвертого от обода ряда;
- от семи до сорока девяти направляющих каналов (семь пучков направляющих каналов для сорока девяти вытеснителей) в центре дистанционирующей решетки и в шести углах восьмого от обода ряда;
- от семи до сорока девяти направляющих каналов (семь пучков направляющих каналов для сорока девяти вытеснителей) в центре дистанционирующей решетки и в шести серединах четвертого от обода ряда;
- от семи до сорока девяти направляющих каналов (семь пучков направляющих каналов для сорока девяти вытеснителей) в центре дистанционирующей решетки, в трех равноудаленных друг от друга углах четвертого от обода ряда и в трех равноудаленных друг от друга углах восьмого от обода ряда;
- от семи до сорока девяти направляющих каналов (семь пучков направляющих каналов для сорока девяти вытеснителей) в центре дистанционирующей решетки, в трех равноудаленных друг от друга углах четвертого от обода ряда и в трех равноудаленных друг от друга серединах сторон четвертого от обода ряда;
- от семи до сорока девяти направляющих каналов (семь пучков направляющих каналов для сорока девяти вытеснителей) в центре дистанционирующей решетки, в трех равноудаленных друг от друга углах восьмого от обода ряда и в трех равноудаленных друг от друга серединах сторон четвертого от обода ряда;
- от десяти до семидесяти направляющих каналов (десять пучков направляющих каналов для семидесяти вытеснителей) в центре дистанционирующей решетки, в трех равноудаленных друг от друга углах восьмого от обода ряда, в трех равноудаленных друг от друга углах четвертого от обода ряда и в трех равноудаленных друг от друга серединах сторон четвертого от обода ряда;
- от десяти до семидесяти направляющих каналов (десять пучков направляющих каналов для семидесяти вытеснителей) в центре дистанционирующей решетки, в трех равноудаленных друг от друга углах четвертого от обода ряда и в шести углах восьмого от обода ряда;
- от десяти до семидесяти направляющих каналов (десять пучков направляющих каналов для семидесяти вытеснителей) в центре дистанционирующей решетки, в трех равноудаленных друг от друга углах четвертого от обода ряда и в шести серединах четвертого от обода ряда;
- от десяти до семидесяти направляющих каналов (десять пучков направляющих каналов для семидесяти вытеснителей) в центре дистанционирующей решетки, в трех равноудаленных друг от друга серединах четвертого от обода ряда и в шести углах четвертого от обода ряда;
- от десяти до семидесяти направляющих каналов (десять пучков направляющих каналов для семидесяти вытеснителей) в центре дистанционирующей решетки, в трех равноудаленных друг от друга серединах четвертого от обода ряда и в шести углах восьмого от обода ряда;
- от десяти до семидесяти направляющих каналов (десять пучков направляющих каналов для семидесяти вытеснителей) в центре дистанционирующей решетки, в трех равноудаленных друг от друга углах восьмого от обода ряда и в шести углах четвертого от обода ряда;
- от десяти до семидесяти направляющих каналов (десять пучков направляющих каналов для семидесяти вытеснителей) в центре дистанционирующей решетки, в трех равноудаленных друг от друга углах восьмого от обода ряда и в шести серединах четвертого от обода ряда;
- от тринадцати до девяносто одного направляющего канала (тринадцать пучков направляющих каналов для девяносто одного вытеснителя) в центре дистанционирующей решетки, в шести углах четвертого от обода ряда и в шести углах восьмого от обода ряда;
- от тринадцати до девяносто одного направляющего канала (тринадцать пучков направляющих каналов для девяносто одного вытеснителя) в центре дистанционирующей решетки, в шести углах четвертого от обода ряда и в шести серединах сторон четвертого от обода ряда;
- от тринадцати до девяносто одного направляющего канала (тринадцать пучков направляющих каналов для девяносто одного вытеснителя) в центре дистанционирующей решетки, в шести углах восьмого от обода ряда и в шести серединах сторон четвертого от обода ряда;
- от девятнадцати до ста тридцати трех направляющих каналов (девятнадцать пучков направляющих каналов для ста тридцати трех вытеснителей) в центре дистанционирующей решетки, в шести углах восьмого от обода ряда, в шести углах четвертого от обода ряда и в шести серединах сторон четвертого от обода ряда.
По второму варианту настоящего изобретения направляющие каналы 8 могут быть установлены следующим образом:
- от одного (с шестиугольным или цилиндрическим поперечным сечением) до семи направляющих каналов (один пучок направляющих каналов для семи вытеснителей) в центре дистанционирующей решетки;
- от трех равноудаленных друг от друга (с шестиугольным или цилиндрическим поперечным сечением) до двадцати одного направляющего канала (для трех пучков вытеснителей) в углах второго от обода ряда, т.е. продольные оси направляющих каналов или пучков направляющих каналов размещены на пересечении осевой линии центров ячеек второго от обода ряда (параллельной стороне обода) и линии, проходящей через центр дистанционирующей решетки и соединяющей противоположные вершины обода;
- от трех равноудаленных друг от друга (с шестиугольным или цилиндрическим поперечным сечением) до двадцати одного направляющего канала (три пучка направляющих каналов для двадцати одного вытеснителя) в углах шестого от обода ряда, т.е. продольные оси направляющих каналов или пучков направляющих каналов размещены на пересечении осевой линии центров ячеек шестого от обода ряда (параллельной стороне обода) и линии, проходящей через центр дистанционирующей решетки и соединяющей противоположные вершины обода;
- от трех равноудаленных друг от друга (с шестиугольным или цилиндрическим поперечным сечением) до двадцати одного направляющего канала (три пучка направляющих каналов для двадцати одного вытеснителя) в серединах второго от обода ряда, т.е. продольные оси направляющих каналов или пучков направляющих каналов размещены на пересечении осевой линии центров ячеек второго от обода ряда (параллельной стороне обода) и линии, проходящей через центр дистанционирующей решетки и соединяющей середины противоположных сторон обода;
- от шести (с шестиугольным или цилиндрическим поперечным сечением) до сорока двух направляющих каналов (шесть пучков направляющих каналов для сорока двух вытеснителей) в углах второго от обода ряда, т.е. продольные оси направляющих каналов или пучков направляющих каналов размещены на пересечении осевой линии центров ячеек второго от обода ряда (параллельной стороне обода) и линии, проходящей через центр дистанционирующей решетки и соединяющей противоположные вершины обода;
- от шести (с шестиугольным или цилиндрическим поперечным сечением) до сорока двух направляющих каналов (шесть пучков направляющих каналов для сорока двух вытеснителей) в углах шестого от обода ряда, т.е. продольные оси направляющих каналов или пучков направляющих каналов размещены на пересечении осевой линии центров ячеек шестого от обода ряда (параллельной стороне обода) и линии, проходящей через центр дистанционирующей решетки и соединяющей противоположные вершины обода;
- от шести (с шестиугольным или цилиндрическим поперечным сечением) до сорока двух направляющих каналов (шесть пучков направляющих каналов для сорока двух вытеснителей) в серединах второго от обода ряда, т.е. продольные оси направляющих каналов или пучков направляющих каналов размещены на пересечении осевой линии центров ячеек второго от обода ряда (параллельной стороне обода) и линии, проходящей через центр дистанционирующей решетки и соединяющей середины противоположных сторон обода;
- от четырех до двадцати восьми направляющих каналов (четыре пучка направляющих каналов для двадцати восьми вытеснителей) в центре дистанционирующей решетки и в трех равноудаленных друг от друга углах второго от обода ряда;
- от четырех до двадцати восьми направляющих каналов (четыре пучка направляющих каналов для двадцати восьми вытеснителей) в центре дистанционирующей решетки и в трех равноудаленных друг от друга углах шестого от обода ряда;
- от четырех до двадцати восьми направляющих каналов (четыре пучка направляющих каналов для двадцати восьми вытеснителей) в центре дистанционирующей решетки и в трех равноудаленных друг от друга серединах второго от обода ряда;
- от семи до сорока девяти направляющих каналов (семь пучков направляющих каналов для сорока девяти вытеснителей) в центре дистанционирующей решетки и в шести углах второго от обода ряда;
- от семи до сорока девяти направляющих каналов (семь пучков направляющих каналов для сорока девяти вытеснителей) в центре дистанционирующей решетки и в шести углах шестого от обода ряда;
- от семи до сорока девяти направляющих каналов (семь пучков направляющих каналов для сорока девяти вытеснителей) в центре дистанционирующей решетки и в шести серединах второго от обода ряда;
- от семи до сорока девяти направляющих каналов (семь пучков направляющих каналов для сорока девяти вытеснителей) в центре дистанционирующей решетки, в трех равноудаленных друг от друга углах второго от обода ряда и в трех равноудаленных друг от друга углах шестого от обода ряда;
- от семи до сорока девяти направляющих каналов (семь пучков направляющих каналов для сорока девяти вытеснителей) в центре дистанционирующей решетки, в трех равноудаленных друг от друга углах второго от обода ряда и в трех равноудаленных друг от друга серединах сторон второго от обода ряда;
- от семи до сорока девяти направляющих каналов (семь пучков направляющих каналов для сорока девяти вытеснителей) в центре дистанционирующей решетки, в трех равноудаленных друг от друга углах шестого от обода ряда и в трех равноудаленных друг от друга серединах сторон второго от обода ряда;
- от десяти до семидесяти направляющих каналов (десять пучков направляющих каналов для семидесяти вытеснителей) в центре дистанционирующей решетки, в трех равноудаленных друг от друга углах шестого от обода ряда, в трех равноудаленных друг от друга углах второго от обода ряда и в трех равноудаленных друг от друга серединах сторон второго от обода ряда;
- от десяти до семидесяти направляющих каналов (десять пучков направляющих каналов для семидесяти вытеснителей) в центре дистанционирующей решетки, в трех равноудаленных друг от друга углах второго от обода ряда и в шести углах шестого от обода ряда;
- от десяти до семидесяти направляющих каналов (десять пучков направляющих каналов для семидесяти вытеснителей) в центре дистанционирующей решетки, в трех равноудаленных друг от друга углах второго от обода ряда и в шести серединах второго от обода ряда;
- от десяти до семидесяти направляющих каналов (десять пучков направляющих каналов для семидесяти вытеснителей) в центре дистанционирующей решетки, в трех равноудаленных друг от друга серединах второго от обода ряда и в шести углах второго от обода ряда;
- от десяти до семидесяти направляющих каналов (десять пучков направляющих каналов для семидесяти вытеснителей) в центре дистанционирующей решетки, в трех равноудаленных друг от друга серединах второго от обода ряда и в шести углах шестого от обода ряда;
- от десяти до семидесяти направляющих каналов (десять пучков направляющих каналов для семидесяти вытеснителей) в центре дистанционирующей решетки, в трех равноудаленных друг от друга углах шестого от обода ряда и в шести углах второго от обода ряда;
- от десяти до семидесяти направляющих каналов (десять пучков направляющих каналов для семидесяти вытеснителей) в центре дистанционирующей решетки, в трех равноудаленных друг от друга углах шестого от обода ряда и в шести серединах второго от обода ряда;
- от тринадцати до девяносто одного направляющего канала (тринадцать пучков направляющих каналов для девяносто одного вытеснителя) в центре дистанционирующей решетки, в шести углах второго от обода ряда и в шести углах шестого от обода ряда;
- от тринадцати до девяносто одного направляющего канала (тринадцать пучков направляющих каналов для девяносто одного вытеснителя) в центре дистанционирующей решетки, в шести углах второго от обода ряда и в шести серединах сторон второго от обода ряда;
- от тринадцати до девяносто одного направляющего канала (тринадцать пучков направляющих каналов для девяносто одного вытеснителя) в центре дистанционирующей решетки, в шести углах шестого от обода ряда и в шести серединах сторон второго от обода ряда;
- от девятнадцати до ста тридцати трех направляющих каналов (девятнадцать пучков направляющих каналов для ста тридцати трех вытеснителей) в центре дистанционирующей решетки, в шести углах шестого от обода ряда, в шести углах второго от обода ряда и в шести серединах сторон второго от обода ряда.
По третьему варианту настоящего изобретения направляющие каналы 8 могут быть установлены следующим образом:
- от одного (с шестиугольным или цилиндрическим поперечным сечением) до семи направляющих каналов (один пучок направляющих каналов для семи вытеснителей) в центре дистанционирующей решетки;
- от трех равноудаленных друг от друга (с шестиугольным или цилиндрическим поперечным сечением) до двадцати одного направляющего канала (для трех пучков вытеснителей) в углах второго от обода ряда, т.е. продольные оси направляющих каналов или пучков направляющих каналов размещены на пересечении осевой линии центров ячеек второго от обода ряда (параллельной стороне обода) и линии, проходящей через центр дистанционирующей решетки и соединяющей противоположные вершины обода;
- от трех равноудаленных друг от друга (с шестиугольным или цилиндрическим поперечным сечением) до двадцати одного направляющего канала (три пучка направляющих каналов для двадцати одного вытеснителя) в углах восьмого от обода ряда, т.е. продольные оси направляющих каналов или пучков направляющих каналов размещены на пересечении осевой линии центров ячеек восьмого от обода ряда (параллельной стороне обода) и линии, проходящей через центр дистанционирующей решетки и соединяющей противоположные вершины обода;
- от трех равноудаленных друг от друга (с шестиугольным или цилиндрическим поперечным сечением) до двадцати одного направляющего канала (три пучка направляющих каналов для двадцати одного вытеснителя) в серединах второго от обода ряда, т.е. продольные оси направляющих каналов или пучков направляющих каналов размещены на пересечении осевой линии центров ячеек второго от обода ряда (параллельной стороне обода) и линии, проходящей через центр дистанционирующей решетки и соединяющей середины противоположных сторон обода;
- от шести (с шестиугольным или цилиндрическим поперечным сечением) до сорока двух направляющих каналов (шесть пучков направляющих каналов для сорока двух вытеснителей) в углах второго от обода ряда, т.е. продольные оси направляющих каналов или пучков направляющих каналов размещены на пересечении осевой линии центров ячеек второго от обода ряда (параллельной стороне обода) и линии, проходящей через центр дистанционирующей решетки и соединяющей противоположные вершины обода;
- от шести (с шестиугольным или цилиндрическим поперечным сечением) до сорока двух направляющих каналов (шесть пучков направляющих каналов для сорока двух вытеснителей) в углах восьмого от обода ряда, т.е. продольные оси направляющих каналов или пучков направляющих каналов размещены на пересечении осевой линии центров ячеек восьмого от обода ряда (параллельной стороне обода) и линии, проходящей через центр дистанционирующей решетки и соединяющей противоположные вершины обода;
- от шести (с шестиугольным или цилиндрическим поперечным сечением) до сорока двух направляющих каналов (шесть пучков направляющих каналов для сорока двух вытеснителей) в серединах второго от обода ряда, т.е. продольные оси направляющих каналов или пучков направляющих каналов размещены на пересечении осевой линии центров ячеек второго от обода ряда (параллельной стороне обода) и линии, проходящей через центр дистанционирующей решетки и соединяющей середины противоположных сторон обода;
- от четырех до двадцати восьми направляющих каналов (четыре пучка направляющих каналов для двадцати восьми вытеснителей) в центре дистанционирующей решетки и в трех равноудаленных друг от друга углах второго от обода ряда;
- от четырех до двадцати восьми направляющих каналов (четыре пучка направляющих каналов для двадцати восьми вытеснителей) в центре дистанционирующей решетки и в трех равноудаленных друг от друга углах восьмого от обода ряда;
- от четырех до двадцати восьми направляющих каналов (четыре пучка направляющих каналов для двадцати восьми вытеснителей) в центре дистанционирующей решетки и в трех равноудаленных друг от друга серединах второго от обода ряда;
- от семи до сорока девяти направляющих каналов (семь пучков направляющих каналов для сорока девяти вытеснителей) в центре дистанционирующей решетки и в шести углах второго от обода ряда;
- от семи до сорока девяти направляющих каналов (семь пучков направляющих каналов для сорока девяти вытеснителей) в центре дистанционирующей решетки и в шести углах восьмого от обода ряда;
- от семи до сорока девяти направляющих каналов (семь пучков направляющих каналов для сорока девяти вытеснителей) в центре дистанционирующей решетки и в шести серединах второго от обода ряда;
- от семи до сорока девяти направляющих каналов (семь пучков направляющих каналов для сорока девяти вытеснителей) в центре дистанционирующей решетки, в трех равноудаленных друг от друга углах второго от обода ряда и в трех равноудаленных друг от друга углах восьмого от обода ряда;
- от семи до сорока девяти направляющих каналов (семь пучков направляющих каналов для сорока девяти вытеснителей) в центре дистанционирующей решетки, в трех равноудаленных друг от друга углах второго от обода ряда и в трех равноудаленных друг от друга серединах сторон второго от обода ряда;
- от семи до сорока девяти направляющих каналов (семь пучков направляющих каналов для сорока девяти вытеснителей) в центре дистанционирующей решетки, в трех равноудаленных друг от друга углах восьмого от обода ряда и в трех равноудаленных друг от друга серединах сторон второго от обода ряда;
- от десяти до семидесяти направляющих каналов (десять пучков направляющих каналов для семидесяти вытеснителей) в центре дистанционирующей решетки, в трех равноудаленных друг от друга углах восьмого от обода ряда, в трех равноудаленных друг от друга углах второго от обода ряда и в трех равноудаленных друг от друга серединах сторон второго от обода ряда;
- от десяти до семидесяти направляющих каналов (десять пучков направляющих каналов для семидесяти вытеснителей) в центре дистанционирующей решетки, в трех равноудаленных друг от друга углах второго от обода ряда и в шести углах восьмого от обода ряда;
- от десяти до семидесяти направляющих каналов (десять пучков направляющих каналов для семидесяти вытеснителей) в центре дистанционирующей решетки, в трех равноудаленных друг от друга углах второго от обода ряда и в шести серединах второго от обода ряда;
- от десяти до семидесяти направляющих каналов (десять пучков направляющих каналов для семидесяти вытеснителей) в центре дистанционирующей решетки, в трех равноудаленных друг от друга серединах второго от обода ряда и в шести углах второго от обода ряда;
- от десяти до семидесяти направляющих каналов (десять пучков направляющих каналов для семидесяти вытеснителей) в центре дистанционирующей решетки, в трех равноудаленных друг от друга серединах второго от обода ряда и в шести углах восьмого от обода ряда;
- от десяти до семидесяти направляющих каналов (десять пучков направляющих каналов для семидесяти вытеснителей) в центре дистанционирующей решетки, в трех равноудаленных друг от друга углах восьмого от обода ряда и в шести углах второго от обода ряда;
- от десяти до семидесяти направляющих каналов (десять пучков направляющих каналов для семидесяти вытеснителей) в центре дистанционирующей решетки, в трех равноудаленных друг от друга углах восьмого от обода ряда и в шести серединах второго от обода ряда;
- от тринадцати до девяносто одного направляющего канала (тринадцать пучков направляющих каналов для девяносто одного вытеснителя) в центре дистанционирующей решетки, в шести углах второго от обода ряда и в шести углах восьмого от обода ряда;
- от тринадцати до девяносто одного направляющего канала (тринадцать пучков направляющих каналов для девяносто одного вытеснителя) в центре дистанционирующей решетки, в шести углах второго от обода ряда и в шести серединах сторон второго от обода ряда;
- от тринадцати до девяносто одного направляющего канала (тринадцать пучков направляющих каналов для девяносто одного вытеснителя) в центре дистанционирующей решетки, в шести углах восьмого от обода ряда и в шести серединах сторон второго от обода ряда;
- от девятнадцати до ста тридцати трех направляющих каналов (девятнадцать пучков направляющих каналов для ста тридцати трех вытеснителей) в центре дистанционирующей решетки, в шести углах восьмого от обода ряда, в шести углах второго от обода ряда и в шести серединах сторон второго от обода ряда.
Шаг t треугольной сетки, по которой расположены ячейки 6, выбран от 11,5 мм до 11,7 мм.
Вытеснитель 9 выполнен из циркониевого сплава, например, в виде цилиндрического стержня или в виде герметичной трубчатой оболочки с концевыми заглушками. Причем полый вытеснитель выполнен с возможностью заполнения, долговременного и надежного удержания и выпуска из него газа или теплоносителя первого контура. Направляющие каналы 8 для вытеснителей 9 выполнены с возможностью соединения их полости с окружающим пространством. В результате при эксплуатации тепловыделяющей сборки полости направляющих каналов (при вынутых монолитных вытеснителях) и/или полых вытеснителей заполняются водой, что приводит к улучшению водо-уранового отношения, в тепловыделяющей сборке и в активной зоне реактора.
Эксплуатация тепловыделяющей сборки по настоящему изобретению осуществляется следующим образом. На первом этапе вводят вытеснители в направляющие каналы и таким образом уменьшают водо-урановое отношение, т.е. обеспечивают жесткий спектр нейтронного потока, необходимого для наработки плутония. На втором этапе выводят вытеснители и на их место вводят воду и тем самым увеличивают водо-урановое отношение, обеспечивая увеличение выгорания ядерного топлива. Таким образом, увеличение энерговыработки обеспечивается путем изменения спектра нейтронного потока в процессе выгорания топлива, что достигается заявляемым размещением среди тепловыделяющих элементов направляющих каналов с вытеснителями воды на первой стадии выгорания топлива. На второй стадии топливо выгорает без вытеснителей в направляющих каналах, заполненных водой и/или при введенных полых вытеснителях, но заполненных водой. Проведенные предварительные нейтронно-физические расчеты одного из возможных вариантов указанной геометрии тепловыделяющей сборки показали, что продолжительность выгорания ядерного топлива увеличивается на ~ 20% и он не предназначен для оптимизации топливоиспользования в замкнутом топливном цикле.
Кроме того, при такой конструкции тепловыделяющей сборки в качестве вытеснителей могут использоваться полые вытеснители с двуокисью урана при естественном (или отвальном) содержании урана-235. В этом случае дополнительное количество делящихся изотопов плутония может быть получено в результате переработки топлива (замкнутый цикл). В направляющих каналах одной тепловыделяющей сборки с заявляемой геометрией может размещаться ~ 500 кг двуокиси урана для облучения и переработки. В вытеснителях достигается высокий коэффициент воспроизводства ~ 2.0. Средний коэффициент воспроизводства для тепловыделяющей сборки составит при этом ~ 0.81, а коэффициент конверсии ~ 0,94.
Тепловыделяющая сборка в соответствии с настоящим изобретением может быть изготовлена с использованием известных технологий на известном оборудовании и не требует создания специальных средств и оснастки.