ДИСТАНЦИОНИРУЮЩАЯ РЕШЕТКА ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩЕЙ СБОРКИ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА (ВАРИАНТЫ)
SPACER GRID OF FUEL ASSEMBLY OF NUCLEAR REACTOR (VERSIONS)

Изобретение относится к атомной энергетике, а именно к конструктивным элементам тепловыделяющих сборок (ТВС) ядерных реакторов типа ВВЭР (ВВЭР-440, ВВЭР-1000 и т.п.).
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) [1], рабочая кассета (РК) которой состоит из твэлов, закрепленных в нижней опорной решетке (HP) и соединенных между собой дистанционирующими решетками (ДР), закрепленными на центральной трубе (ЦТ).
Известна существующая ДР шестиугольной формы для тепловыделяющей сборки ядерного реактора ВВЭР-1000 (см. фиг.1), которая состоит из фигурных ячеек 1 (фиг.2), выполненных из циркониевого сплава и соединенных между собой контактной точечной сваркой, центральной ячейки для крепления ДР к ЦТ и обода 2 (Крамеров А.Я. Вопросы конструирования ядерных реакторов. - М.: Атомизат, 1971, с.209) [2]. Внутренний диаметр ячеек имеет размер несколько меньший наружного диаметра оболочки твэла, для обеспечения при сборке пучка натяга в соединении «ячейка-твэл», необходимого для удержания твэла в ДР. Для обеспечения сборки ячейки в местах контакта с твэлом имеют пуклевки - выступы к центру ячейки в средней ее части по высоте (см. фиг.2).
Существующая конструкция ДР [2] имеет следующие недостатки.
Принципиальным недостатком существующей конструкции ДР является сложность обеспечения достаточной прочности, изгибной жесткости ДР и, одновременно, эластичности пуклевок, необходимой для обеспечения собираемости твэлов в пучок. Наиболее жесткими являются пуклевки полевых ячеек, прилегающих к трем граням ДР, в месте приварки этих ячеек к ободу ДР.
Существующие конструкции ДР [2] имеют недостаточный запас упругости пуклевок, что приводит к большим усилиям сборки, для компенсации чего приходится использовать специальные технологические наконечники и покрытие поверхности твэлов лаком с последующей его отмывкой. Существующие ДР имеют малую изгибную жесткость, что приводит также к увеличению усилий сборки пучка и повреждению поверхности твэлов.
Большим недостатком существующих конструкций ДР [2] является их низкая технологичность. Во-первых, это необходимость изготовления специальных высокоточных труб для ячеек. Во-вторых, использование устаревшей технологии изготовления самих ячеек: резки труб и штамповки ячеек с использованием СОЖ и последующей за этим отмывки. В-третьих, необходимость точечной сварки ячеек между собой, имеющей большой объем и трудно поддающейся автоматизации. При этом невелика и точность изготовления ДР, обусловленная неконтролируемой отдачей материала при штамповке, разностенностью труб, что в ряде случаев требует проведения термофиксации ДР для обеспечения необходимых вписанных диаметров ячеек и их шага.
Наиболее близкой к предлагаемой ДР по первому варианту является конструкция дистанционирующей решетки шестиугольной формы для тепловыделяющей сборки ядерного реактора, в которой поле набрано из взаимно пересекающихся и взаимно скрепленных в один ярус трех групп параллельных полос, расположенных в решетке так, что между полосами в поперечном сечении образованы правильные шестиугольники, разделенные равносторонними треугольниками, при этом для установки твэлов предназначены только шестиугольные ячейки (см. GB 2277191, G21C 3/352) [3]. В данной решетке вместо жестких пуклевок с твэлами контактируют значительно более эластичные пластины, снабженные также дистанционирующими выступами.
Наиболее близкой к предлагаемой ДР по второму варианту является конструкция дистанционирующей решетки шестиугольной формы для тепловыделяющей сборки ядерного реактора, в которой поле набрано из взаимно пересекающихся и взаимно скрепленных в один ярус трех групп параллельных полос, расположенных в решетке так, что между полосами в поперечном сечении образованы правильные треугольники, на стенках которых закреплены упругие элементы и жесткие выступы для контакта с твэлами (US 4818479, опубл. 4.04.1989).
Недостатком этих конструкций решетки является то, что применение правильных шестиугольников и треугольников в общем случае не позволяет обеспечить дистанционирование твэлов без использования дополнительных элементов (выступов или пружин) во всем диапазоне соотношений диаметра и шага расположения твэлов в ТВС.
В частном случае, если диаметр твэла обеспечивает касание стенок ячейки в шести точках, имеет место ненадежный и неравномерный контакт, фреттинг, повышенное усилие сборки. Если диаметр твэла меньше, для его дистанционирования необходимо применение дополнительных элементов.
Задачей изобретения является создание ДР, обеспечивающей надежное дистанционирование твэлов с диаметрами, соответствующими отечественным конструкциям ТВС, имеющей высокую технологичность при изготовлении.
Технический результат изобретения заключается в повышении надежности, равномерности и снижения усилий контакта твэлов со стенками ячеек за счет обеспечения контакта в трех точках.
Технический результат достигается двумя вариантами конструкции дистанционирующей решетки.
Дистанционирующая решетка шестигранной формы для тепловыделяющей сборки ядерного реактора по первому варианту содержит группы взаимно пересекающихся параллельных пластин, расположенных в один ярус и образующих шестиугольные ячейки для размещения твэлов, расположенные по правильной треугольной сетке, и треугольные ячейки, расположенные между шестиугольными, при этом согласно изобретению шестиугольные ячейки имеют три стороны одной длины и расположенные между ними три стороны другой длины, причем более длинные стороны предназначены для контакта с оболочками твэлов, при этом шаг сетки выбран с обеспечением возможности установки в шестиугольных ячейках твэлов одного диаметра и в треугольных ячейках - твэлов другого диаметра.
Дистанционирующая решетка по первому варианту также обеспечивает технический результат, заключающийся в обеспечении возможности установки в одной решетке твэлов двух различных диаметров при одновременном обеспечении их контакта со стенками ячеек в трех точках.
Дистанционирующая решетка шестигранной формы для тепловыделяющей сборки ядерного реактора по второму варианту содержит группы взаимно пересекающихся параллельных пластин, расположенных в один ярус и образующих ячейки для размещения твэлов, расположенные по правильной треугольной сетке, при этом шаг сетки выбран с обеспечением возможности контакта твэлов со стенками ячеек.
В дистанционирующих решетках по обоим вариантам пластины изготовлены из циркониевого сплава Э110 или нержавеющей стали типа Х18Н10Т методом лазерной резки.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1 изображена известная конструкция ДР ТВС ВВЭР-1000 [2].
На фиг.2 изображена известная конструкция ячеек ДР [2].
На фиг.3 изображено поперечное сечение предложенной ДР ТВС ВВЭР-440 по первому варианту.
На фиг.4 изображено поперечное сечение предложенной ДР ТВС ВВЭР-1000 по первому варианту.
На фиг.5 представлен фрагмент предложенной ДР по первому варианту с твэлом диаметром 5 мм, установленным в треугольной ячейке.
На фиг.6 представлен фрагмент предложенной ДР по второму варианту с твэлом диаметром 7 мм, установленным в треугольной ячейке.
На фиг.7 представлен фрагмент предложенной ДР по первому варианту с твэлом диаметром 9 мм, установленным в шестиугольной ячейке.
На фиг.8 представлен фрагмент известной ДР [3] с твэлом диаметром 10,2 мм, установленным в шестиугольной ячейке (правильный шестиугольник).
На фиг.9 изображена конструкция пластин предлагаемой ДР: (а) - пластина с двухсторонними прорезями; (б) - пластина с верхними прорезями; (в) - пластина с нижними прорезями.
На фиг.10 изображено замковое соединение концов пластин.
На фиг.11 представлены результаты расчетов радиальных усилий (кгс, ось ординат) в зависимости от натяга (мм, ось абсцисс) при сборке твэла с ячейкой предлагаемой ДР.
Дистанционирующая решетка шестигранной формы для тепловыделяющей сборки ядерного реактора по первому варианту (фиг.3, 4) содержит группы взаимно пересекающихся параллельных пластин 4, образующих шестиугольные ячейки 5 для размещения твэлов, расположенные по правильной треугольной сетке, и треугольные ячейки 6 между ними. Шестиугольные ячейки 5 имеют в поперечном сечении форму неправильного шестиугольника: три стороны одной длины и расположенные между ними три стороны другой длины, причем более длинные стороны предназначены для контакта с оболочками твэлов. При этом все углы каждого шестиугольника всегда равны 120° и всегда соблюдается условие: d>t/√3,
где d - диаметр вписанной в шестиугольник окружности,
t - шаг сетки расположения шестиугольных ячеек 5.
На фиг.4 показана ДР ВВЭР-1000 с ячейкой 7 под центральную трубу (ЦТ) и ячейками 8 под направляющие каналы. Эти ячейки имеют форму правильных треугольников, каждый из которых замещает одну шестиугольную ячейку 5 и три прилегающих к нему треугольные ячейки 6.
Пластины 4 приварены к ободу 9.
Дистанционирующая решетка по второму варианту содержит группы взаимно пересекающихся параллельных пластин, образующих треугольные ячейки 10 для размещения твэлов, расположенные по правильной треугольной сетке (фрагмент ДР показан на фиг.6). Ячейки 10 имеют форму правильных треугольников. При этом всегда соблюдается условие: d≤t/√3,
где d - диаметр вписанной в треугольники окружности,
t - шаг сетки расположения треугольных ячеек 10.
В дистанционирующих решетках по обоим вариантам пластины изготовлены из циркониевого сплава Э110 или нержавеющей стали типа Х18Н10Т методом лазерной резки.
Для обеспечения собираемости ДР с твэлами по краям поверхности пластин 4, обращенной к твэлу, можно выполнить фаски или локальные расширения пластин с небольшим отгибом.
Для сохранения геометрической стабильности периферийных ячеек предлагаемой ДР (оба варианта) концы пластин 4 в местах сварки их с ободом 9 соединены между собой замковыми соединениями 13 (см. фиг.10).
Пластины 4 предлагаемой ДР расположены в один ярус благодаря соответствующим пазам 11 (прорезям) в них (см. фиг.5) имеют одинаковую высоту и контактируют каждая с несколькими рядами твэлов.
При шаге t сетки твэлов в ТВС ВВЭР-440 равном 12.3 мм диаметр твэла составляет 9.1 мм. Для обеспечения дистанционирования правильными шестиугольниками, как в [3], его диаметр должен быть равен 10.2 мм. Аналогичная картина имеет место и для ТВС ВВЭР-1000, где шаг сетки твэлов 12.75 мм, а диаметр твэла тот же. Таким образом, имеющиеся в настоящее время отечественные конструкции ТВС меньшие диаметры твэлов не соответствуют конструкции ДР с ячейками в форме правильных шестиугольников.
Примеры дистанционирования твэлов 12 в предложенных вариантах ДР приведены на фиг.5-7 для диаметров твэлов 5, 7, 9 мм и для сравнения на фиг.8 приведен пример дистанционирования твэла диаметром 10.2 мм в известной ДР [3] при шаге сетки 12.3 мм и толщине пластин 0.3 мм. Из приведенных примеров видно, что варианты предложенной ДР обеспечивают дистанционирование используемых в отечественных конструкциях ТВС твэлов диаметром 5, 7, 9 мм, причем ДР по первому варианту может использоваться для твэлов двух диаметров 5 и 9 мм путем установки первых в треугольных ячейках, а вторых - в шестиугольных.
Из фиг.7 также видно, что в поперечном сечении твэл 12 контактирует с шестиугольной ячейкой 4 в трех точках (ДР по первому варианту). На фиг.5 и фиг.6 показано, как твэл 12 контактирует с треугольными ячейками 6 и 10 в трех точках (фиг.5 - ДР по первому варианту, фиг.6 - ДР по второму варианту). Таким образом, в предложенных ДР обеспечивается более надежный и равномерный контакт твэлов с ячейками ДР, чем в известной конструкции ДР [3], где контакт должен происходить в шести точках.
Предложенная дистанционирующая решетка (ДР) (оба варианта) состоит из четырех групп пластин:
1-я - пластины 4 имеют пазы 11 сверху (фиг.9б) и замки 13 по концам (фиг.10),
2-я - пластины 4 имеют пазы 11 сверху и снизу попеременно (фиг.9а) и замки 13 по концам (фиг.10),
3-я - пластины 4 имеют пазы 11 снизу (фиг.9в) и замки 13 по концам (фиг.10),
4-я - пластины 4 имеют только пазы 11 снизу (фиг.9в). Первые три группы пластин 4 соединяются по полю ДР по принципу "паз в паз", а по концам - замками 13 попарно на противоположных гранях ДР, и затем замковые соединения фиксируются от размыкания приваркой концов пластин 4 к пластинам обода 9 контактной точечной или лазерной сваркой, что позволяет разгрузить сварные соединения и повысить прочность ДР.
Четвертая группа состоит из трех пластин 14 (фиг.3), которые устанавливаются в пазы установленных в ДР пластин первых трех групп симметрично по трем граням ДР и также привариваются к пластинам обода 9. В настоящее время изготовлены опытные образцы предлагаемых ДР для ТВС ВВЭР-440 и ВВЭР-1000, имеющих диаметр твэлов 9,1 мм.
В ТВС ВВЭР-440 шаг решетки твэлов составляет 12,3 мм, а в ТВС ВВЭР-1000 - 12,75 мм. Условие дистанционирования по первому варианту d>t/√3 удовлетворяется и твэлы располагаются в неправильных шестиугольниках.
В случае использования предлагаемой конструкции для закрепления наконечников твэлов, имеющих диаметр 5 мм, в антивибрационной решетке ТВС ВВЭР-1000, будет удовлетворяться условие дистанционирования по второму варианту и наконечники твэлов при шаге 12,75 мм будут располагаться в равносторонних треугольниках.
Проведен комплекс расчетно-экспериментальных исследований опытных образцов предлагаемых ДР для ТВС ВВЭР-440 и ВВЭР-1000.
Были определены: область упругих деформаций ячеек, усилие проталкивания твэлов и пучка твэлов через ДР в условиях сборки, изгибная жесткость ДР, усилие потери устойчивости ДР в условиях горизонтальной транспортировки ТВС на АЭС и при сейсмических воздействиях.
На фиг.11 представлены результаты расчетов радиальных усилий при сборке твэла с ячейкой предлагаемой ДР, выполненные в программном комплексе ANSYS методом конечных элементов. Видно, что запас упругих диаметральных деформаций ячеек превышает 0,15 мм, что превосходит по данному параметру реализованные в настоящее время конструкции ДР. Полученные результаты подтверждены экспериментально.
Результаты исследований показали достаточную прочность предлагаемой ДР как в условиях сборки и транспортировки, так и в условиях эксплуатации.
Проведены технологические испытания по изменению геометрических параметров предлагаемой ДР при заполнении ее твэлами в условиях сборки пучков. Испытания показали высокую стабильность геометрических размеров ДР, при этом наружный размер «под ключ» данной конструкции ДР даже уменьшился на 0,03…0,04 мм, что объяснимо физически и имеет практическое значение при изготовлении ТВС.
Проведенные исследования показали, что предлагаемая ДР имеет существенные преимущества перед известными ДР, выражающиеся в более высокой технологичности, более высокой точности и стабильности функциональных параметров, меньшей повреждаемости оболочек твэлов при сборке, снижении уровня НДС конструктивных элементов ТВС при сборке и в условиях эксплуатации, что обеспечивает повышение надежности и работоспособности ТВС с предлагаемыми ДР.