ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩАЯ СБОРКА ТВЭЛ

Предлагаемая конструкция относится к теплообменным устройствам для охлаждения тепловыделяющей сборки (ТВС) отработанных тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ) атомных реакторов циркуляционной охлаждающей водой в бассейнах выдержки и может найти применение в атомной промышленности.
Известна конструкции теплообменников с оребренными трубами, при этом ребра приваривают или напрессовывают на наружные и внутренние поверхности труб (Калинин Э.К. Эффективные поверхности теплообмена, Э.К. Калинин, Г.А. Дрейцер, И.З. Копп и др .- М: Энергоатомиздат, 1998, с. 267).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится сложность и длительность прикрепления ребер к теплопередающим поверхностям труб, что снижает производительность при их изготовлении, монтаже и демонтаже, ремонте и эксплуатации.
Известно устройство для охлаждения тепловыделяющей сборки с имитаторами ТВЭЛов, содержащее нижний фланец корпуса ТВС с выходящими из него имитаторами ТВЭЛов, включающими нижнею часть имитаторов и нижнею часть тоководов, присоединенных к общему тоководу через гибкие токопроводящие элементы, при этом нижние части имитаторов ТВЭЛов размещены в блоке из высокопроводного материала, по периметру которого выполнена полость, а нижние части токопроводов размещены в емкости (описание изобретения к патенту РФ №2193244, G21C 15/00, G21C 15/06, G21C 15/18, G21C 17/00, 2002 г.).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится недостаточная поверхность теплоотдачи каркаса ТВС с имитаторами ТВЭЛов, что не обеспечивает необходимый теплоперенос от этой поверхности к циркуляционной охлаждающей воде, а установка стационарных ребер на каркас ТВС с пучками ТВЭЛов значительно усложняет сборку и разборку каркасов с постоянно жестко установленными на них ребрами, увеличивает затраты времени на установку каркасов с ТВЭЛами в бассейн выдержки, тем самым снижая производительность.
Известна тепловыделяющая сборка РБМК-1000, которая состоит из верхнего пучка ТВЭЛов, нижнего пучка ТВЭЛов, центральной трубы или центрального стержня, направляющих концевых деталей или хвостиков, крепежной гайки и центральной втулки, каждый из пучков имеет одинаковую конструкцию и состоит из 18 ТВЭЛов, каркаса, 18 обжимных колец, фиксирующих ТВЭЛы в концевой решетке каркаса. Каркас состоит из трубы наружным диаметром 15 мм и толщиной стенки 1,25 мм, одной концевой и 10 дистанционирующих решеток, Дистанционирующие решетки располагаются по высоте пучка с шагом 360 мм и укрепляются на центральной трубе в специальные пазы трубы каркаса. ТВЭЛы с помощью обжимных колец крепятся в концевой решетке. Вся конструкция «висит» на центральном стержне (трубе), на котором последовательно устанавливают верхний хвостовик, верхний пучок ТВЭЛов, центральную втулку, нижний пучок ТВЭЛов, нижний хвостик и гайку (Смоленская АЭС. 1 очередь. Техническое обоснование безопасности. Часть 2. Книга 1. АО «Атомэнергопроект»). Тепловыделяющую сборку (ТВС) погружают в бассейн выдержки с циркуляционной охлаждающей водой.
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относятся недостаточной теплоперенос от поверхности каркаса ТВЭЛов к циркуляционной охлаждающей воде в бассейне выдержки, особенно при аварийной выгрузке, когда тепловая мощность тепловыделяющих сборок значительно возрастает, а установка на каркасах ТВС стационарных ребер для увеличения теплопереноса усложняет конструкцию, сборку и разборку ТВС, что приводит к повышению времени монтажа и демонтажа, а значит и к значительному снижению производительности.
Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков к заявленному объекту и принятому за прототип является тепловыделяющая сборка ТВЭЛ, состоящая из верхнего и нижнего пучков ТВЭЛов, центральной трубы (стержня), направляющих концевых деталей (хвостиков), крепежной гайки, центральной втулки, обжимных колец, фиксирующих ТВЭЛы в концевой решетке каркаса, и дистанционирующих решеток, равномерно расположенных по высоте пучков и закрепленных на центральной трубе в специальных пазах каркаса, причем между дистанционирующим решетками на каркасе установлены гильзы с поперечными ребрами, вырезанными из боковой поверхности гильзы и отогнутыми в радиальном направлении, причем гильза состоит из двух полуцилиндров с внутренним диаметром, равным наружному диаметру каркаса, соединенных между собой пружинными скрепками. (Описание полезной модели к патенту №155570 РФ, G.21С 15/06, 2015).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится необходимость использования гильзы, состоящей из двух полуцилиндров с внутренним диаметром, равным наружному диаметру каркаса, и соединение этих полуцилиндров между собо пружинными скрепками. Это усложняет монтаж и демонтаж полуцилиндров гильзы, особенно связанный с необходимостью плотного прилегания внутренней поверхности гильзы к наружной поверхности каркаса, чтобы обеспечить высокую теплопроводность от гильзы с ребрами к поверхности каркаса, что приводит к повышенным затратам времени и снижает производительность.
Техническим результатом предлагаемой конструкции тепловыделяющей сборки ТВЭЛов является увеличении производительности сборки ТВС.
Поставленный технический результат достигается тем, что в тепловыделяющей сборке ТВЭЛов, состоящей из верхнего и нижнего пучков ТВЭЛов, центральной трубы, направляющих концевых деталей, крепежной гайки, центральной втулки, обжимных колец, фиксирующих ТВЭЛы в концевой решетке каркаса, дистанционирующих решеток, равномерно расположенных по высоте пучков и закрепленных на центральной трубе в специальных пазах каркаса, при этом между дистанционирующими решетками на каркасе установлены гильзы с поперечными ребрами, вырезанными из боковой поверхности гильзы и отогнутыми в радиальном направлении, причем гильза имеет сквозную продольную прорезь и выполнена из материала, обладающего эффектом памяти, с внутренним диаметром, определяемым выражением
где D - внутренний диаметр гильзы, мм;
d - наружный диаметр каркаса, мм.
Выполнение гильзы из материала, обладающего эффектом памяти, позволяет при ее нагревании изменять внутренний диаметр так, что он становится равным или стремится даже быть меньшим наружного диаметра каркаса и плотно прижимается внутренней поверхностью гильзы к наружной поверхности каркаса. Это способствует увеличению теплопроводности от стенки каркаса к стенке гильзы с ее ребрами и теплоотдачи от них к циркуляционной охлаждающей воде в бассейне выдержки, а так как внутренний диаметр D в холодном состоянии гильзы больше наружного диаметра d каркаса, то это облегчает и ускоряет сборку и разборку при монтаже и демонтаже гильзы и в совокупности увеличивает производительность.
Уменьшение нижнего предела отношения (1), равного 1,05, усложняет монтаж и демонтаж гильзы на каркасе ТВС, увеличивает время этих операций, что приводит к снижению производительности.
Увеличение верхнего предела отношения (1), равного 1,1, может привести к неплотному прилеганию внутренней поверхности гильзы к наружной поверхности каркаса ТВС даже при их нагревании от ТВЭЛов, что может привести к снижению теплопроводности и росту температуры ТВЭЛов внутри каркаса выше допускаемой, особенно при работе в аварийном режиме, что потребует остановки работы и приведет также к снижению производительности.
Наличие сквозной продольной прорези облегчает скручивание стенок гильзы при нагревании и уменьшении ее внутреннего диаметра от размера D до наружного диаметра каркаса d за счет использования свойства материала, обладающего эффектом памяти, изменять свою форму и размеры при нагревании. Это позволяет обеспечить плотное прилегание обеих вышеназванных теплопередающих поверхностей гильзы и каркаса при нагревании друг к другу, что повышает теплопроводность и теплоотдачу к циркуляционной охлаждающей воде в бассейне выдержки, а значит не потребует преждевременной остановки процесса охлаждения, дополнительных затрат времени на прижимание поверхности гильзы к поверхности каркаса, то есть не позволит снизить производительность.
На фиг 1 изображен общий вид тепловыделяющей сборки ТВС с ТВЭЛами предлагаемой конструкцией гильзы с ребрами на поверхности каркаса ТВС, на фиг. 2 изображена гильза с ребрами в аксонометрическом виде.
Тепловыделяющая сборка состоит из верхнего 1 и нижнего 2 ТВЭЛов центральной трубы (стержня) 3, направляющих концевых деталей -хвостиков 4, крепежной гайки 5, центральной втулки 6, обжимных колец 7, фиксирующих ТВЭЛы 1 и 2 в концевой решетке 8 каркаса 9 с наружным диаметром d и дистанционирующих решеток 10, равномерно расположенных по высоте пучков 1 и 2 и закрепленных на центральной трубе 3 в специальных пазах каркаса 9, установленных между дистанционирующими решетками 10, гильз 11 на каркасе 9 с поперечными ребрами 12, вырезанными из боковой поверхности гильзы 11 и отогнутыми в радиальном направлении, при этом каждая гильза 11 имеет внутренний диаметр D, выполнена из материала, обладающего эффектом памяти, и имеет сквозную продольную прорезь 13.
В качестве материала гильзы 11, обладающего эффектом памяти, можно использовать, например, Сталь 12×18HIOT, феррум-никелевые (29% Ni) или феррум -марганцевые (24% Мн) стали (Физические эффекты в машиностроении. Справочник/ В.А. Лукьянец, З.И. Алмазова, Н.П. Бурмиктров и др. - М.: Машиностроетини, 1993, стр. 149-152).
Соединение гильзы 11 с каркасом 9 осуществляют следующим образом. При нормальной температуры одевают гильзы 11 на каркасы 9 ТВС. Так как внутренний диаметр D гильзы 11 больше наружного диаметра d каркаса 9, то гильза 11 легко проходит снаружи вдоль каркаса 9. Для удобства гильзы 11 могут состоять из нескольких секций с общей высотой, равной высоте теплопередающей поверхности каркаса 9.
Тепловыделяющую сборку ТВЭЛов 1 и 2 с установленными на каркасе 9 между дистанционирующими решетками 10 гильзами 11 с поперечными ребрами 12 погружают в циркуляционную охлаждающую воду бассейна выдержки, в котором тепло отработанных ТВЭЛов 1 и 2 через поверхность каркаса 9, поверхность гильз 11 и поверхность ребер 12 передается за счет теплоотдачи к циркуляционной воде.
При нагревании за счет тепла ТВЭЛов 1 и 2 каждая гильза И, выполненная из материала, обладающей эффектом памяти, деформируется, скручиваясь с уменьшением внутреннего диаметра D до наружного диаметра d каркаса 9 и плотно всей внутренней поверхностью прижимается к теплопередающей поверхности каркаса 9, а сквозная продольная прорезь 13 способствует этой деформации формы гильзы 11 с поперечными ребрами 12.
Так как теплопередающая поверхность тепловыделяющей сборки ТВЭЛов 1 и 2 больше теплопередающей поверхности каркаса 9 за счет дополнительной поверхности поперечных ребер 12 на 30-50%, то настолько же возрастает и теплоперенос от каркаса 9 к циркуляционной охлаждающей воде, что особенно важно при аварийной выгрузке, когда тепловая мощность ТВС ТВЭЛов 1 и 2 значительно возрастает.
Предлагаемая конструкция гильзы 11 с поперечными ребрами 12 и продольной сквозной прорезью 13 несложна в изготовлении, монтаже и эксплуатации, так как не требует никаких изменений в конструкции узлов и деталей известной тепловыделяющей сборки отработанных тепловыделяющих элементов, применяемой в настоящее время в бассейнах выдержки с циркуляционной охлаждающей водой. Ее можно без больших затрат времени устанавливать на каркас 9, а при необходимости снимать с каркаса 9.
Это увеличивает время основного периода работы, связанного с охлаждением ТВС с ТВЭЛами 1 и 2 в бассейне выдержки с циркуляционной охлаждающей водой, повышая производительность.