ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩАЯ СБОРКА ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА
FUEL ASSEMBLY OF NUCLEAR REACTOR

Изобретение относится к атомной энергетике, а именно к тепловыделяющим сборкам (ТВС) ядерных реакторов типа ВВЭР (ВВЭР-440, ВВЭР-1000, АЭС-2006 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), которая состоит из твэлов, закрепленных в несущей решетке (HP) и соединенных между собой дистанционирующими решетками (ДР), закрепленными на центральной трубе (ЦТ). ДР состоят из трубчатых ячеек, имеющих выступы внутрь для дистанционирования твэлов. В ТВС реактора ВВЭР-1000 ДР крепятся к направляющим каналам (НК) и ЦТ, а в ТВС реактора ВВЭР-440 ДР могут крепиться к несущим трубам (НТ).
ТВС реактора ВВЭР-1000 (см. там же, рис. П. 8.2, с. 318) (см. фиг. 1) содержит твэлы 1 и направляющие каналы (НК) 8, закрепленные в HP 7 и соединенные между собой ДР 2, закрепленные на ЦТ 9 и уголках 3, прикрепленных винтами 6 к хвостовику 4. Для обеспечения загрузки-выгрузки ТВС имеет головку 5. Дополнительно ТВСА имеет антивибрационную решетку (АВР), выполненную из нержавеющей стали и соединенную с HP.
Современные конструкции ТВС ВВЭР-1000 имеют антидебризный фильтр (АДФ), а также перемешивающие решетки (ПР), которые крепятся к уголкам, НК и ЦТ, однако не касаются оболочек твэлов, а служат для улучшения перемешивания теплоносителя в пучке и интенсификации теплообмена.
ПР состоят из пластин циркониевого сплава, на которых имеются перемешивающие элементы.
Вышеописанная конструкция ТВС имеет следующие недостатки.
Применение АДФ и ПР улучшает потребительские свойства ТВС, однако с технической точки зрения они увеличивают трудоемкость изготовления и ухудшают характеристики ТВС.
Например, АДФ (см. фиг. 6), являясь довольно сложной конструкцией, имеет узкие пазы 15 для протока теплоносителя шириной ~2 мм, что представляет высокую трудоемкость изготовления вследствие большого объема механической обработки.
Установка АДФ в ТВС ВВЭР-1000 приводит к увеличению коэффициента гидравлического сопротивления (КГС) ТВС 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 такое потребительское свойство, как ремонтопригодность - возможность замены отказавшего твэла на новый или имитатор-вытеснитель. В связи с большим количеством твэлов в ТВС: 126 в ТВС реактора ВВЭР-440 и 312 в ТВС реактора ВВЭР-1000, это дает существенный экономический эффект.
Предполагалось, что такая операция может быть выполнена путем вытягивания 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 вытягиванием страгивать твэл путем механического воздействия на нижнюю заглушку твэла, однако наличие АДФ ограничивает доступ снизу к заглушкам твэлов и тем самым практически исключает возможность ремонта ТВС.
Установка дополнительных ПР даже в верхней части ТВС также ухудшает гидравлическую характеристику ТВС. Даже самые лучшие конструкции ПР увеличивают КГС ТВС на 8-10%.
Аналогично АДФ, ПР это довольно сложная конструкция, которая имеет существенную трудоемкость изготовления, и обе эти конструкции повышают металлоемкость ТВС, а следовательно, ухудшают нейтронно-физические характеристики реактора.
Перечисленные недостатки частично устранены в известной конструкции ТВС ядерного реактора типа ВВЭР и РБМК (RU 2473989 С1, 27.01.2013). ТВС содержит пучок твэлов, закрепленных по треугольной сетке в концевой несущей решетке и соединенных между собой дистанционирующими решетками, закрепленными на центральной трубе. Несущая решетка выполнена в виде перфорированной пластины с круглыми отверстиями, предназначенными для установки твэлов, направляющих каналов или несущих труб и центральной трубы и с отверстиями для прохода теплоносителя в виде удлиненных пазов и установлена на хвостовике ТВС. Несущая решетка одновременно выполняет функцию антидебризного фильтра. Данная ТВС является наиболее близкой к предложенной.
Задачей настоящего изобретения является создание конструкции ТВС, имеющей улучшенную гидравлическую характеристику при сохранении антидебризных свойств.
Задача изобретения решается конструкцией тепловыделяющей сборки ядерного реактора, содержащей твэлы, расположенные в дистанционирующих решетках пластинчатого типа по треугольной сетке, несущую решетку - фильтр с пазами для протока теплоносителя, установленную в хвостовике ТВС, отличающейся тем, что пазы для протока теплоносителя ориентированы своей более широкой стороной навстречу потоку теплоносителя, а на верхних кромках пластин дистанционирующих решеток в верхней части тепловыделяющей сборки выполнены отклоняющие или закручивающие теплоноситель пластины, расположенные локально в местах расположения наиболее теплонапряженных твэлов и выходящие за верхнюю плоскость дистанционирующих решеток в межтвэльное пространство.
Пазы для прохода теплоносителя несущей решетки предпочтительно имеют ширину 1,9…2,4 мм.
Кроме того, несущая решетка выполнена из нержавеющей стали с использованием гидроабразивной резки, а дистанционирующие решетки выполнены из циркониевого сплава с использованием газолазерной резки.
Технический результат изобретения заключается в снижении гидравлического сопротивления ТВС вследствие снижения гидравлического сопротивления несущей решетки-фильтра при сохранении ее фильтрующих свойств за счет выполнения пазов для прохода теплоносителя расширяющимися навстречу потоку теплоносителя. Расширенные стороны пазов имеют пониженное гидравлическое сопротивление для потока теплоносителя, а узкие стороны пазов обеспечивают необходимые антидебризные свойства несущих решеток-фильтров (НРФ). Кроме того, наличие на дистанционирующих решетках (ДР) отклоняющих или закручивающих теплоноситель пластин придает ДР свойства ПР и обеспечивает перемешивание теплоносителя без использования ПР, увеличивающей гидравлическое сопротивление ТВС в гораздо большей степени, чем перемешивающие элементы на ДР.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг. 1 изображен внешний вид известной и предложенной ТВС реактора ВВЭР-1000.
На фиг. 2 изображена конструкция ДР(ПР) предлагаемой ТВС реактора ВВЭР-440.
На фиг. 3 изображена конструкция ДР(ПР) предлагаемой ТВС реактора ВВЭР-1000.
На фиг. 4 изображена пластина с перемешивающими элементами ДР(ПР) предлагаемой ТВС.
На фиг. 5 изображена конструкция НРФ предлагаемой ТВС реактора ВВЭР-440.
На фиг. 8 изображена конструкция НРФ предлагаемой ТВС реактора ВВЭР-1000.
Тепловыделяющая сборка ядерного реактора содержит твэлы 1 (фиг. 1) и направляющие каналы 8, закрепленные в несущей решетке 7 (HP) и соединенные между собой дистанционирующими решетками 2 (ДР), закрепленными на центральной трубе 9 (ЦТ). ДР 2 закреплены на ЦТ 9 и уголках 3, прикрепленных винтами 6 к хвостовику 4. Для обеспечения загрузки-выгрузки ТВС имеет головку 5.
ДР 2 выполнены из пластин 13 с пазами, пересекающимися по треугольной сетке с образованием шестигранных ячеек для прохода твэлов 1 и направляющих каналов 8. Аналогичные ДР описаны в RU 2518058 С1 (опуб. 10.06.14).
В данной ДР 2 предложенной ТВС можно объединить свойства ДР и ПР в верхней части ТВС. Для этого (см. фиг. 4) по верхним кромкам 17 пластин 13 дополнительно предлагается выполнить перемешивающие элементы 14 в форме отклоняющих или закручивающих теплоноситель пластин определенной формы, которые могут быть расположены локально в местах наиболее теплонапряженных твэлов, например 2-3 ряды от периферии в ТВС реактора ВВЭР-440, и выходящих за верхнюю плоскость решеток ДР 2 в межтвэльное пространство.
Использование пластинчатых ДР 2 обеспечивает высокую жесткость каркаса ТВС, что снижает формоизменение и уровень напряженно-деформированного состояния (НДС) ТВС в процессе эксплуатации за счет снижения термомеханического взаимодействия элементов ТВС.
Объединение HP и АДФ в одну конструкцию приданием HP 7 фильтрующих свойств (НРФ) по результатам гидравлических испытаний приводит к снижению коэффициента гидравлического сопротивления (КГС) входного участка ТВС на ~20% и позволит компенсировать некоторое увеличение КГС верхних ДР 2, получающееся за счет работы перемешивающих элементов 14. НРФ 7 (см. фиг. 5-6) кроме пазов 15 может иметь также отверстия 16 под твэлы, ЦТ и НК. При этом пазы для протока теплоносителя в ней образованы пересечением первых перемычек, перпендикулярных граням пластины или ее наружному контуру, вторых перемычек, перпендикулярных первым, и третьих перемычек, ограничивающих круглые отверстия, и имеют преимущественно форму вытянутых прямоугольников.
Для изготовления НРФ 7 из нержавеющей стали целесообразно использовать цифровую технологию гидроабразивной резки. При такой технологии изготовления пазы 15 для протока теплоносителя имеют небольшое расширение при ширине 1,9…2,4 мм. При этом в предлагаемой ТВС НРФ 7 устанавливается навстречу теплоносителю основанием, т.е. более широкой стороной пазов 15, что обеспечивает наименьший КГС при сохранении антидебризных свойств.
Для изготовления пластин 13 ДР 2 из циркониевого сплава целесообразно использовать современную цифровую технологию газолазерной резки, имеющую высокую производительность и точность раскроя.
Такая конструкция ТВС не будет содержать дополнительных конструктивных элементов, что приведет к существенному улучшению ее гидравлической характеристики.
Предлагаемая конструкция ТВС имеет высокую технологичность изготовления, основанную на высокотехнологичных способах изготовления: газолазерной и гидроабразивной резке, что обеспечивает существенно более низкую трудоемкость изготовления.