ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩАЯ СБОРКА ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА
NUCLEAR REACTOR FUEL ASSEMBLY

Изобретение относится к атомной энергетике, а именно к тепловыделяющим сборкам (ТВС) ядерных реакторов типа ВВЭР (ВВЭР-440, ВВЭР-1000 и т.п.).
+0.1
Из уровня техники известна ТВС ядерного реактора ВВЭР-440, несущая решетка (HP) которой, например, 445.20.030-04, шестиугольной формы, имеет 126 круглых отверстий для установки твэлов, центральное отверстие для установки центральной трубы, 102 отверстия в форме «гантели» для протока теплоносителя, 12 отверстий диаметром 5,9 min и полуотверстия по контуру опорной решетки для протока теплоносителя (см. фиг.1). Отверстия типа «гантель» образованы двумя отверстиями радиусом 2,95 min, соединенным отверстием шириной 5 min. Отверстия для установки твэлов и центральной трубы имеют диаметр 5, причем по контуру каждой грани шестигранной HP расположены по семь отверстий для нижних заглушек твэлов (см. Дементьев Б.Д. Ядерные энергетические реакторы. М.: Энергоатомиздат, 1990, с.31-35). Несущая решетка рабочей кассеты РК-3 ВВЭР-440 имеет дополнительно круглые отверстия для установки несущих труб (НТ).
Аналогичную конструкцию имеет несущая решетка ТВС ВВЭР-1000, которая дополнительно имеет круглые отверстия для установки направляющих каналов (НК).
Функционально HP является несущим силовым элементом, удерживающим пучок твэлов в стационарном режиме и при транспортно-технологических операциях (ТТО), а в ТВС ВВЭР-1000 она также обеспечивает загрузку-выгрузку ТВС с помощью НК.
Наряду с недостатком, связанным с существенной анизотропией конструкции, недостатком известной HP являются также большие размеры проливных отверстий. В ТВС ВВЭР они способны пропускать в пучок твэлов цилиндрические дебриз-предметы диаметром до 5,9 мм и плоские шириной до 13 мм при толщине до 5 мм.
В связи с накоплением по мере эксплуатации АЭС в теплоносителе посторонних дебриз-предметов и преждевременным повреждением по этой причине оболочек твэлов возникла необходимость в оснащении ТВС антидебризными фильтрами (АДФ) 8, устанавливаемыми в хвостовики 4 ТВС. Из уровня техники известна конструкция ТВС ядерных реакторов ВВЭР-440, ВВЭР-1000 (см. Кириллов П.Л. и др. Справочник по теплогидравлическим расчетам (ядерные реакторы, теплообменники, парогенераторы). М.: Энергоатомиздат, 1990, рис.П.8.1, П.8.3 и П.8.5, с.317-319), рабочая кассета (РК) которой состоит из пучка твэлов 1, закрепленных в концевой несущей решетке 7 и соединенных между собой дистанционирующими решетками (ДР) 2, закрепленными на центральной трубе. В ТВСА ВВЭР-1000 ДР крепятся также к уголкам 3, прикрепленным винтами 6 к хвостовику 4. Во всех конструкциях ТВС имеется головка 5 для обеспечения загрузки-выгрузки ТВС. В хвостовике 4 установлен антидебризный фильтр 8 (см. фиг.2). В настоящее время РК ТВС ВВЭР-440, ВВЭР-1000 оснащены АДФ.
Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является тепловыделяющая сборка ядерного реактора (ТВСА ВВЭР-1000), содержащая пучок твэлов 1 и НК, закрепленных в концевой несущей решетке и соединенных между собой дистанционирующими решетками (ДР), закрепленными на центральной трубе и уголках, а также АДФ (см. фиг.3), установленный в хвостовике и представляющий собой густо перфорированную плоскую пластину с вытянутыми четырехгранными отверстиями, шириной 2 мм (RU 2264666, опуб. 20.11.2005).
Недостатками данных ТВС являются: малая, порядка 0,6 мм, толщина перемычек между отверстиями АДФ (толщина пластины - 8 мм), низкая технологичность АДФ, высокое гидравлическое сопротивление, неспособность удерживать пучок твэлов и НК в условиях эксплуатации и при техническом обслуживании.
АДФ является довольно сложной конструкцией, имеет большую трудоемкость изготовления вследствие большого объема мехобработки, при этом он ухудшает гидравлическую характеристику ТВС. Например, для ТВС ВВЭР-1000 установка АДФ приводит к увеличению коэффициента гидравлического сопротивления на ~ 2,5%, что приводит к существенному увеличению температуры теплоносителя на выходе из ТВС и не позволяет работать на 100% мощности реактора. Данный эффект был обнаружен на Хмельницкой АЭС при эксплуатации ТВСА с АДФ.
Важным свойством современных конструкций ТВС как ВВЭР-440, так и ВВЭР-1000 является ремонтопригодность - возможность замены отказавшего твэла на новый или имитатор-вытеснитель. В связи с большим количеством твэлов в ТВС: 126 в ТВС ВВЭР-440 и 312 в ТВС ВВЭР-1000 - это дает существенный экономический эффект.
Предполагалось, что такая операция может быть выполнена путем вытаскивания отказавшего твэла за верхнюю заглушку. Однако исследования, проведенные в НИИАР, показали, что вероятность извлечения отказавшего твэла таким способом составляет ~50%, т.к. дефекты оболочки отказавшего твэла могут привести к его разрушению при попытке извлечения, что из-за радиационной опасности недопустимо на АЭС.
Чтобы повысить вероятность извлечения отказавшего твэла, было предложено перед вытаскиванием страгивать твэл путем механического воздействия на нижнюю заглушку твэла, однако наличие АДФ ограничивает доступ снизу к заглушкам твэлов и тем самым исключает возможность ремонта ТВС.
В предложенном изобретении предлагается объединить функции HP и АДФ в одном конструктивном элементе - несущей решетке-фильтре (НРФ) и установить ее вместо HP, что улучшает гидравлическую характеристику и увеличивает ремонтопригодность ТВС по сравнению с ТВС, снабженной отдельным АДФ. В конечном счете это приводит к увеличению энергоресурса ТВС. В ТВС АРК ВВЭР-440, управляющей реакцией деления ядер, дополнительный АДФ установить практически невозможно из-за конструктивных особенностей, однако использование НРФ не представляет затруднений.
Задачей настоящего изобретения является создание конструкции НРФ, заменяющей АДФ и HP одновременно, имеющей проливное сечение и прочность не хуже HP, что в конечном счете приводит к снижению гидравлического сопротивления, и повышению энергоресурса ТВС.
Техническим результатом изобретения является совмещения функций HP и АДФ с обеспечением требуемого для HP проливного сечения и прочности, а также улучшению ремонтопригодности ТВС.
Данный технический результат достигается тем, что в тепловыделяющей сборке ядерного реактора, содержащей пучок твэлов, закрепленных в концевой несущей решетке и соединенных между собой дистанционирующими решетками, закрепленными на центральной трубе, при этом несущая решетка выполнена в виде перфорированной пластины с круглыми отверстиями, предназначенными для установки твэлов, направляющих каналов или несущих труб и центральной трубы, отверстиями для прохода теплоносителя, согласно изобретению несущая решетка установлена в хвостовике ТВС, а отверстия для прохода теплоносителя в ней образованы пересечением первых перемычек, перпендикулярных граням пластины или ее наружному контуру, вторых перемычек, перпендикулярных первым, и третьих перемычек, ограничивающих круглые отверстия, при этом шаг первых перемычек равен (0,2…0,3)s, шаг вторых перемычек равен не более 0,8 s, где s - шаг отверстий для установки твэлов.
При этом отверстия для прохода теплоносителя предпочтительно имеют ширину 2,0…2,5 мм и расположены симметрично относительно центральной оси решетки через 60°.
В предлагаемой ТВС НРФ имеет высокую степень симметрии и оптимальное расположение перемычек, что обеспечивает ей достаточную прочность при сохранении проливного сечения HP. Кроме того, НРФ предпочтительно выполнена с использованием высокопроизводительной технологи гидроабразивной резки.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1 изображена штатная конструкция HP для РК ВВЭР-440 2 поколения.
На фиг.2 изображена известная штатная ТВСА ядерного реактора ВВЭР-1000.
На фиг.3 изображен штатный АДФ по наиболее близкому аналогу.
На фиг.4 изображена предлагаемая конструкция НРФ для РК ВВЭР-440 2 поколения.
На фиг.5 изображена предлагаемая конструкция НРФ для ТВС ВВЭР-1000.
Предлагаемая тепловыделяющая сборка ядерного реактора, как и аналоги, содержит пучок твэлов, закрепленных в концевой несущей решетке и соединенных между собой дистанционирующими решетками, закрепленными на центральной трубе.
Несущая решетка-фильтр для предлагаемой ТВС ядерного реактора представляет собой многоугольную (фиг.4, 5) перфорированную пластину с круглыми отверстиями 9, предназначенными для установки твэлов, направляющих каналов или несущих труб и центральной трубы и отверстиями 10 для прохода теплоносителя.
Отверстия 10 для прохода теплоносителя имеют преимущественно форму вытянутых прямоугольных пазов и образованы пересечением первых перемычек 11, перпендикулярных граням пластины или ее наружному контуру, вторых перемычек 12, перпендикулярных первым, и третьих перемычек 13, ограничивающих круглые отверстия. Шаг первых перемычек равен (0,2…0,3)s, шаг вторых перемычек равен не более 0,8 s, где s - шаг отверстий для установки твэлов.
Перемычки между пазами имеют толщину 0,7…1,0 мм, а пазы имеют ширину 2,0…2,5 мм. Отверстия для установки твэлов имеют диаметр 5 мм как в штатной HP.
Результаты расчетов НРФ для РК ВВЭР-440 2 поколения в ПК ANSYS в условиях эксплуатации показывают достаточную прочность НРФ при штатной толщине плиты 16 мм. Максимальные напряжения в условиях ТТО составляют 73,9 МПа при допускаемых напряжениях 127,3 МПа.
Расчеты показывают, что предлагаемая НРФ для ТВС ВВЭР-1000 также имеет более высокую прочность, чем штатная HP TBCA при той же толщине плиты.
Проливное сечение предлагаемых НРФ не менее чем у штатных HP.