ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩАЯ СБОРКА СТЕРЖНЕВЫХ ТВЭЛОВ (ВАРИАНТЫ) И СПОСОБ ЕЕ РАБОТЫ
FUEL ASSEMBLY (VERSIONS) AND OPERATION METHOD THEREOF

Изобретение относится к области атомной энергетики и может быть использовано в реакторах типа ВВЭР (PWR) и кипящих реакторах типа ВК (BWR).
Известен ядерный реактор с активной зоной на основе микротвэлов и способ его работы (см., например, «Ядерный реактор с водой под давлением с активной зоной на основе микротвэлов и способ осуществления его работы» (патент РФ №2475869 от 15.02.2012.) [1]. В известном реакторе, который принят за прототип (для варианта 1), используются тепловыделяющие сборки (ТВС) с засыпкой микротвэлов и поперечным течением теплоносителя.
Общими признаками являются: «Тепловыделяющая сборка стержневых твэлов (ТВС) шестигранного сечения для активной зоны легководного реактора, включающая направляющие трубы для регулирующих стержней, дистанционирующие и опорные решетки».
Особенностью ТВС с поперечным течением теплоносителя является максимальное приращение теплоносителя,которое имеет место примерно в центре по высоте. Поэтому кипение теплоносителя в такой ТВС оказывает эффективное воздействие на реактивность, что позволяет реализовать спектральное регулирование запаса реактивности за счет кипения, т.е. работать без выгорающего теплоносителя. Это увеличивает выгорание урана на 20% при кампании 4 года без увеличения начального обогащения урана.
Известна ТВС стержневых твэлов для реактора с водой под давлением шестигранного сечения типа ВВЭР (см., например, Кириллов П.Л., Юрьев Ю.С., Бобков В.П. Справочник по теплогидравлическим расчетам (ядерные реакторы, теплообменники, парогенераторы). М.: Энергоатомиздат, 1990. с.259-260) [2], включающая направляющие трубы для регулирующих стержней, дистанционирующие и опорные решетки, которая принята за прототип (для варианта 2).
Общими признаками являются: «Тепловыделяющая сборка стержневых твэлов (ТВС) квадратного сечения, включающая направляющие трубы для регулирующих стержней, дистанционирующие и опорные решетки».
Недостатком известной ТВС является невозможность использовать кипение теплоносителя-замедлителя для осуществления спектрального регулирования запаса реактивности между перегрузками. Это обусловлено тем, что максимум приращения энтальпии имеет место на выходе активной зоны, когда кипение оказывает очень малое воздействие на реактивность.
Технической задачей данного изобретения является реализация спектрального регулирования в ТВС со стержневыми твэлами за счет кипения теплоносителя и увеличение выгорания урана без увеличения начального обогащения.
Поставленная задача реализуется посредством следующей совокупности существенных признаков.
Тепловыделяющая сборка стержневых твэлов (ТВС) шестигранного сечения для активной зоны легководного реактора, включающая направляющие трубы для регулирующих стержней, дистанционирующие и опорные решетки, причем в ТВС сформированы группы твэлов в виде конического «шалаша» с переменным по высоте шагом, расположенные под углом к вертикальной оси, с образованием конусных и щелевых коллекторов.
Для ТВС квадратного сечения технический результат реализован следующей совокупностью существенных признаков.
Тепловыделяющая сборка стержневых твэлов (ТВС) квадратного сечения, включающая направляющие трубы для регулирующих стержней, дистанционирующие и опорные решетки, причем в ТВС сформированы группы твэлов, расположенные под углом к вертикальной оси с образованием щелевых коллекторов в виде продольного «шалаша», причем вдоль торцов щелевых коллекторов выполнены группы вертикальных твэлов с тесной решеткой,
при этом
- вдоль торцов щелевых коллекторов выполнены герметичные чехлы;
- группы наклонных твэлов выполнены с изгибом с образованием оптимального профиля проходного сечения в щелевых коллекторах.
Известен способ работы ТВС, который включает компенсацию запаса реактивности между перегрузками посредством ввода регулирующих стержней и выгорающих поглотителей (см., например, Эксплуатационные режимы реакторов ВВЭР» 1992 - (Библиотека эксплуатационника АЭС вып. 12) 416 с.) [5].
Недостатком известного способа является ухудшение топливного цикла за счет поглощения избыточных нейтронов выгорающим поглотителем или регулирующими стержнями.
Технической задачей является повышение среднесмешанной температуры на выходе активной зоны до температуры насыщения и повышение выгорания урана за счет компенсации запаса реактивности на выгорание посредством изменения плотности теплоносителя-замедлителя, т.е. также направлено на повышение выгорания урана.
Техническая задача решается за счет объемного кипения теплоносителя в «свежей» ТВС без выгорающего поглотителя и регулирующих стержней, причем массовое паросодержание, достаточное для получения среднесмешанной температуры, равной температуре насыщения; соответственно, технический результат реализован следующей совокупностью существенных признаков.
Способ работы ТВС, состоящий в компенсации запаса реактивности на выгорание между перегрузками,
причем
компенсацию запаса реактивности на выгорание между перегрузками осуществляют за счет кипения теплоносителя-замедлителя преимущественно в центре по высоте активной зоны без использования выгорающего поглотителя и регулирующих стержней.
Таким образом, варианты выполнения ТВС и способ их работы позволяют достичь один и тот же технический результат и объединены единым изобретательским замыслом.
Сущность изобретения поясняется на фиг.1-9. На фиг.1 и 2 представлена конструктивная схема шестигранной ТВС с поперечным течением теплоносителя (вертикальное и поперечное сечения),
Фиг.1 - разрез Б-Б на фиг.2.
Фиг.2 - разрез А-А на фиг.1 и разрез Ж-Ж на фиг.2
Фиг.3 - разрез Г-Г на фиг.4.
Фиг.4 - разрез В-В на фиг.3.
Фиг.5 - разрез Д-Д на фиг.6.
Фиг.6 - разрез Е-Е на фиг.5
Фиг.7 - вид I на разрезе Д-Д фиг.5 (увеличено).
Фиг.8 - приведено распределение массового паросодержания по высоте ТВС.
Фиг.9 - пример расчета распределения мощности по высоте «свежей» ТВС при объемном кипении теплоносителя.
На фиг.3-7 представлены варианты конструктивной схемы квадратной ТВС (вертикальное и поперечное сечение), на фиг.8 приведено распределение массового паросодержания по высоте ТВС. Стрелкой показана область максимального значения паросодержания в группе стержневых твэлов, а на фиг.9 приведен пример расчета распределения мощности по высоте «свежей» ТВС при объемном кипении теплоносителя.
На фиг.1-8 цифрами обозначены:
1 - хвостовик,
2 - опорная решетка,
3 - группы наклонных твэлов,
4 - направляющие трубы для регулирующих стержней,
5 - входные коллекторы,
6 - выходные коллекторы,
7 - выходные щелевые коллекторы, образованные рядом стоящими ТВС,
8 - верхняя решетка,
9 - головка,
10 - дистанционирующая проволока,
11 - группы вертикальных твэлов.
12 - торцевые чехлы
Описание конструкции шестигранной ТВС.
В шестигранной ТВС на фиг.1 и 2 выполнены несколько групп наклонных твэлов 3. Для шестигранной ТВС хорошо компонуются 6, 18, 36… групп наклонных твэлов. На фиг.1 и 2 приведен вариант ТВС с шестью группами наклонных твэлов.
В каждой группе 3 твэлы расположены в виде "шалаша" вокруг направляющей трубы 4, при этом свободное пространство внутри "шалаша" образует входной коллектор 5 в виде конусов. В центре группы естественно образуется выходной коллектор 6 в виде опрокинутого конуса. Зазор между соседними ТВС является также выходным коллектором 7 щелевого типа. В выходном коллекторе 6 также размещена направляющая труба 4. Направляющие трубы 4 являются несущей конструкцией ТВС и закреплены в головке 9. Группы твэлов 3 закреплены между опорной решеткой 2 и верхней решеткой 8. Опорная и верхняя решетки 2 и 8 и дистанционирующая проволока 10, обвивающая оболочку стержневого твэла, обеспечивают необходимое расстояние между твэлами по высоте ТВС. Опорная решетка 2 закрепляется на хвостовике 1.
ТВС на фиг.1 и 2 работает следующим образом. Холодный теплоноситель входит в шесть входных коллекторов 5. Расход теплоносителя распределяется по высоте коллектора 5 и входит в группу твэлов 3, охлаждает их и выходит в коллектор 6 и щелевой коллектор 7. Далее пароводяная смесь выходит из ТВС через отверстия в плите блоке защитных труб (на чертеже не показаны). При этом осуществляется в основном поперечное течение теплоносителя в решетке твэлов.
Важное свойство такой ТВС состоит в том, что максимальное приращение энтальпии имеет место примерно в центре по высоте ТВС. Это позволяет реализовать спектральное регулирование запаса реактивности на выгорание за счет кипения теплоносителя-замедлителя в центре по высоте ТВС, т.е. в центре активной зоны. При традиционной схеме течения теплоносителя максимальное приращение энтальпии и кипение имеет место на выходе активной зоны, где эффект воздействия кипения на реактивность минимальное.
Отметим, что легко осуществить обратное течение теплоносителя, при котором холодный теплоноситель подается в щелевой коллектор 7 (сверху вниз на фиг.1) и в коллектор 6, а нагретый теплоноситель выходит через коллекторы 5.
Выбор направления движения теплоносителя через коллекторы 5, 6, 7 и через группы твэлов зависит от поставленной задачи. Если требуется иметь меньший перепад давления, то целесообразно использовать направление движения теплоносителя на фиг.1 снизу вверх. Это особенно эффективно для кипящего теплоносителя с переменной плотностью, так как по мере кипения проходное сечение увеличивается.
При кипении существенно уменьшается запас до кризиса теплообмена.
Если требуется повысить эффективность отвода тепла, то целесообразно выбрать направление движения на фиг.1 сверху вниз. В этом случае уменьшение проходного сечения по ходу теплоносителя в группе стержневых твэлов 3 приводит к увеличению массовой скорости и увеличению теплоотдачи и, в частности, к увеличению запаса до кризиса теплообмена [2].
Описание конструкции квадратной ТВС
В квадратной ТВС на фиг.3, 4 и 5 группы стержневых наклонных твэлов 3 образуют коллекторы 5, 6 и 7, выполняющие функции входных и выходных коллекторов в зависимости от направления движения холодного теплоносителя сверху или снизу. В коллекторах 6 и 5 размещены направляющие трубы 4. На торцах входных и выходных коллекторов выполнены группы вертикальных твэлов 11 с предельно тесной решеткой твэлов (решетку твэлов общепринято характеризовать геометрически отношением расстояния между центрами соседних твэлов к диаметру твэла. В ВВЭР это отношение равно 1,275. Тесная решетка в легководных реакторах - если отношение равно примерно 1,1-1,15. Дистанционирующая проволока 10, аналогично сечению Ж-Ж фиг.2, обвивающая оболочку стержневого твэла, обеспечивает необходимое расстояние между твэлами по высоте ТВС.
Целесообразно также вдоль торцов щелевых коллекторов вместо группы вертикальных твэлов выполнить герметичные чехлы.
Целесообразно группы наклонных твэлов выполнить с изгибом, образуя оптимальный профиль проходного сечения в коллекторах.
На фиг 5 приведен вариант квадратной ТВС, в которой торцы коллекторов закрыты герметичными чехлами 12.
Входные и выходные коллекторы с линейными стенками имеют существенно не идеальный профиль проходного сечения вдоль ТВС. К идеальному профилю проходного сечения приближаются коллекторы в виде конуса. Для улучшения гидравлических характеристик и выравнивания распределения расхода вдоль оси ТВС целесообразно выполнить входные и выходные коллекторы с параболическим профилем проходного сечения [3]. На фиг.7 приведен вариант квадратной ТВС с входными и выходными коллекторами, образованными за счет изгиба твэлов. Необходимый для оптимизации профиля коллекторов изгиб твэлов составляет всего 5-10 мм. При типичной длине твэлов порядка 3-4 метра нет существенных проблем для реализации такого изгиба.
ТВС согласно фиг.3-8 работает следующим образом.
Холодный теплоноситель входит в коллекторы 5. Расход теплоносителя распределяется по высоте коллектора 5 и входит в группу твэлов 3, охлаждает их и выходит в выходные коллекторы 6 и щелевые коллекторы 7. Далее пароводяная смесь выходит из ТВС через отверстия в плите блоке защитных труб (на чертеже не показаны). При этом осуществляется в основном поперечное течение теплоносителя в решетке твэлов.
При известности упомянутого выше способа [5] предложенное техническое решение позволяет осуществить спектральное регулирование запаса реактивности на выгорание между перегрузками (работа без выгорающего поглотителя) и увеличить выгорание на 20-25% при 5-4 лет длительности кампании.
Развитое кипение теплоносителя в «свежей» ТВС существенно повышает среднесмешанную температуру теплоносителя на выходе активной зоны вплоть до температуры насыщения. При этом в максимальной степени используется потенциал водного теплоносителя и, соответственно, повышается КПД.
Причем компенсацию запаса реактивности на выгорание между перегрузками осуществляют за счет кипения теплоносителя-замедлителя преимущественно в центре по высоте активной зоны, при отсутствии необходимости использования выгорающего поглотителя и регулирующих стержней.
На фиг.8, приведены результаты теплогидравлического расчета 1/6 части ТВС, проведенного по программе из работы [6]. В этой программе предусмотрено пять радиальных зон в пучке твэлов, который, в свою очередь, рассматривается как пористое тело с эквивалентным гидравлическим сопротивлением, а также две радиальные зоны для коллекторов. Левая зона, фиг.8, есть входной коллектор в виде конуса с холодной водой (отрицательное значение паросодержания). Крайняя правая зона - это выходной коллектор. В засыпке имеет место развитое объемное кипение с максимальным паросодержанием 19%. На фиг.8 зона максимального паросодержания показана стрелкой. В выходных 6 и щелевых 7 коллекторах максимальное паросодержание (на выходе «свежей» ТВС) достигает 9%. Такое паросодержание обеспечивает среднесмешанную температуру на выходе активной зоны, примерно равную температуре насыщения.
Образование большого паросодержания в центре по высоте «свежей» ТВС приводит к сильному уменьшению реактивности за счет меньшей плотности замедлителя. Соответственно нет необходимости иметь выгорающий поглотитель или иной поглотитель нейтронов. В области пониженной плотности замедлителя увеличивается поглощение нейтронов в резонансах урана-238 с образованием плутония-239. Повышенное накопление плутония приводит к увеличению выгорания. На фиг.9 показано как сильно уменьшается мощность в центре по высоте за счет уменьшения размножающих свойств при увеличении паросодержания в центре ТВС.
Предложенное техническое решение обеспечивает повышение среднесмешанной температуры на выходе активной зоны примерно до 350°C, т.е. в максимальной степени позволяет использовать потенциал водяного теплоносителя. В свою очередь это позволяет повысить КПД паротурбинной установки до 39%. Объемное кипение в «свежей» ТВС приводит к компенсации запаса реактивности на выгорание в период между перегрузками топлива, т.е. обеспечивает работу без выгорающего поглотителя и без воздействия регулирующих стержней. В свою очередь, это увеличивает выгорание на 20-25% соответственно при 4 и 3 годовой продолжительности кампании без повышения начального обогащения.
Источники информации:
1. Патент №2475869 от 15.02.12 «Ядерный реактор с водой под давлением с активной зоной на основе микротвэлов и способ осуществления его работы»).
2. Кириллов П.Л., Юрьев Ю.С., Бобков В.П. Справочник по теплогидравлическим расчетам (ядерные реакторы, теплообменники, парогенераторы). М.: Энергоатомиздат, 1990. с.259-260).
3. Кириллов П.Л., Юрьев Ю.С., Бобков В.П. «Справочник по теплогидравлическим расчетам (ядерные реакторы, теплообменники, парогенераторы)», Энергоатомиздат, М., 1984, с.70-90.
4. Виноградов О.С., Смирнов И.П., Тигарев И.П. Гидродинамика кассет с шаровой засыпкой, Труды ЦКТИ, вып. 145, Исследование и отработка оборудования АЭС, с.107-119.
5. Ф.Я.Овчинников, В.А. Вознесенский, В.В. Семенов и др. «Эксплуатационные режимы реакторов ВВЭР». М.: 1992 (Библиотека эксплуатационника АЭС, вып. 12), 416 с.
6. Гришанин Е.И., Денисов Е.Е., Любин А.Я., Фальковский Л.Н. Разработка математической модели расчета параметров теплоносителя в тепловыделяющей сборке легководного реактора с микротвэлами. «Тяжелое машиностроение», №9, с.11-20.