ШАРОВАЯ ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩАЯ СБОРКА ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель является устройством и относится к ядерной технике. Более конкретно к блокам реакторных топливных элементов, каждый из которых находится в оболочке.
Уровень техники
Известны различные конструкции тепловыделяющих сборок (ТВС) ядерных реакторов, содержащих тепловыделяющие элементы (ТВЭЛ) и имеющих конструктивные элементы, предназначенные для дистанционирования ТВЭЛ относительно друг друга (патенты RU 2391724; RU 2410771; RU 2428756; RU 2473988; RU 2473989; RU 2506657; RU 2523676).
Известна также конструкция ТВС, имеющая перфорированный чехол, который позволяет обеспечить поперечное перетекание теплоносителя между ТВС (ТВС ВВЭР-1000 5-го энергоблока Нововоронежской АЭС [1, стр. 35]). ТВС указанной конструкции состоит из ТВЭЛов, выполненных в виде стержней, конструктивных элементов дистанционирования, сделанных в виде дистанционирующих решеток, хвостовика и головки, обеспечивающих крепление ТВЭЛов в ТВС.Указанная конструкция выбрана в качестве прототипа предлагаемого устройства, поскольку по совокупности формальных признаков из известных аналогов наиболее близка к предлагаемому устройству: наличие перфорированного чехла, наличие ТВЭЛов, наличие элементов дистанционирования ТВЭЛов относительно друг друга и относительно чехла.
Указанные аналоги (в том числе прототип) имеют следующие ограничения, с практической точки зрения, являющиеся их недостатками:
1) В силу своей длины стержневые ТВЭЛы имеют трудоемкую технологию изготовления (что обусловлено высокими требованиями к герметичности, долговечности, температурной и коррозионной стойкости, температурной деформации оболочек ТВЭЛов), которую сложно автоматизировать, что приводит к значительной стоимости ТВС изготовленных из таких ТВЭЛов.
2) При использовании стержневой конструкции ТВЭЛов совместно с конструкцией элементов дистанционирования в виде дистанционирующих решеток или проволок для реакторов с таким теплоносителем, как жидкий свинец, существует проблема обеспечения свободного течение теплоносителя в узких зазорах пучка ТВЭЛов в ТВС.
3) В конструкциях ядерных реакторов корпусного типа периодическая перегрузка активной зоны осуществляется с остановкой реактора, что снижает коэффициент использования установленной мощности энергоблока атомной электростанции.
4) ТВС известных конструкций корпусных реакторов с водой под давлением имеют большой размер относительно активной зоны. Изъятие такой ТВС может оказать негативное влияние на гидродинамику и поле энерговыделения, что делает невозможным перегрузку ядерного топлива в процессе работы ядерного реактора без его останова.
Раскрытие полезной модели
Техническим результатом полезной модели является повышение эксплуатационной надежности активных зон ядерных реакторов путем увеличения эффективности теплообмена и повышение безопасности реакторной установки.
Сущность полезной модели заключается в том, что шаровая тепловыделяющая сборка (шаровая ТВС) содержит перфорированный сферический чехол, отверстия в котором служат для входа и выхода потока теплоносителя, сферические тепловыделяющие элементы (сферические ТВЭЛы), состоящие из сферической оболочки и топливного сердечника, и дистанционирующие элементы, посредством которых осуществляется взаимное позиционирование ТВЭЛов и их крепление к перфорированному чехлу.
Отверстия в перфорированном сферическом чехле располагаются напротив ближайших к нему сферических ТВЭЛов на оси проходящей через центр шаровой ТВС и центры соответствующих ТВЭЛов, а также рядом с указанной осью по окружности вокруг нее. Геометрические размеры и форма отверстий в чехле ТВС и их количество определяются из совместного нейтронно-физического и тепло-гидравлического расчета.
Дистанционирующие элементы сферических ТВЭЛов выполняются в виде стержня или пластины. В случае стержня дистанционирующие элементы изготавливаются в виде единой конструкции вместе со сферической оболочкой ТВЭЛа, а в случае пластины охватывают последний с обеих сторон.
Особенностью конструкции шаровой ТВС является также способ ее изготовления: сначала собирается сегмент шаровой ТВС, включающий в себя несколько сферических ТВЭЛов; затем из нескольких одинаковых сегментов формируется полусфера шаровой ТВС; далее из двух полусфер собирается единая шаровая ТВС.
Сферическая оболочка ТВЭЛа выполняется из двух половинок, которые объединяются тем или иным способом, совместно с вложенным внутрь сферическим топливным сердечником. Свободное от топливного сердечника пространство внутри сферической оболочки ТВЭЛа заполняется инертным газом для улучшения теплообмена между топливом и оболочкой, а также для предотвращения окисления топлива при высоких температурах.
Технический результат достигается за счет того, что на единицу объема топлива приходится на 20% больше площади теплообменной поверхности по сравнению со стержневыми ТВЭЛами и меньшее гидравлическое сопротивление при движении потока теплоносителя через шаровую засыпку за счет увеличения площади проходного сечения, которое образуется посредством подключения внутреннего тракта течения шаровой ТВС. При этом увеличенная площадь теплообмена достигается за счет того, что тепло в сферическом ТВЭЛе отдается во все пространственные направления в отличии от стержневого варианта ТВЭЛа, в котором тепло отдается в основном только через боковую поверхность, при этом доля торцевой поверхности в теплоотдаче пренебрежимо мала.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 показана шаровая ТВС, где: 1 - перфорированный чехол, 2 - отверстие для прохода теплоносителя.
На фиг. 2 показан разрез шаровой ТВС, где: 1 - перфорированный чехол, 2 - отверстие для прохода теплоносителя, 3 - шаровой тепловыделяющий элемент, 4 - дистанционирующий элемент.
На фиг. 3 представлен сегмент шаровой ТВС, где: 1 - перфорированный чехол, 2 - отверстие для прохода теплоносителя, 3 - шаровой тепловыделяющий элемент, 4 - дистанционирующий элемент.
Осуществление полезной модели
Перфорированный чехол 1 шаровой ТВС представляет собой тонкостенную оболочку сферической формы с отверстиями 2 для прохода теплоносителя. Чехол 1 служит для дистанционирования вышеупомянутой ТВС в шаровой засыпке активной зоны реактора, а также для позиционирования и крепления ТВЭЛов 3, которые находятся внутри чехла 1.
Шаровой ТВЭЛ 3 состоит из сферической оболочки и сферического топливного сердечника. Оболочка представляет собой сваренную из двух половинок тонкостенную сферу, через которую передается тепловой поток от топлива к теплоносителю. Оболочка служит барьером безопасности на пути распространения радиоактивности от ядерного топлива. Топливный сердечник состоит из уранового или уран-плутониевого оксидного или нитридного топлива. При этом он в зависимости от теплопроводности материала может иметь или не иметь пустое пространство внутри для уменьшения максимальной температуры топлива.
Дистанционирующий элемент 4 служит для взаимного позиционирования и крепления шаровых ТВЭЛов 3 к перфорированному чехлу 1. Шаровые ТВЭЛы 3 объединяются в отдельные сегменты и крепятся к перфорированному чехлу 1. Геометрия и размеры сегмента зависят от диаметра и шага размещения шаровых ТВЭЛов 3, а также варианта их упаковки внутри перфорированного чехла 1.
Отверстия 2 в перфорированном чехле 1 служат для захода теплоносителя внутрь шаровой ТВС и выхода теплоносителя наружу из шаровой ТВС. При отдаче тепла от шаровых ТВЭЛов 3 зашедший внутрь шаровой ТВС теплоноситель нагревается и выходит в шаровую засыпку активной зоны реактора. Потом из шаровой засыпки теплоноситель попадает внутрь следующей (по ходу течения теплоносителя) шаровой ТВС и т.д. Диаметр, форма и количество отверстий, а также место их расположения на поверхности перфорированного чехла 1 определяется из условия непревышения допустимых температур конструкционных материалов ТВС.
Представленная на фиг. 1 шаровая ТВС работает следующим образом. Теплоноситель из шаровой засыпки активной зоны реактора поступает через отверстия 2 перфорированного чехла 1 во внутреннюю полость последнего, где расположены шаровые ТВЭЛы 3, имеющие сферическую оболочку и топливный сердечник. Тепло от топливного сердечника через оболочку передается теплоносителю, который нагревается и выходит через отверстия 2 перфорированного чехла 1 в шаровую засыпку активной зоны реактора.
Литература
1. Будов В.М., Фарафонов В.А. Конструирование основного оборудования АЭС: Учеб. пособие для вузов. - М.: Энергоатомиздат, 1985. - 264 с, ил.