ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩАЯ СБОРКА
FUEL ASSEMBLY

Изобретение относится к ядерной технике, а именно к конструкции тепловыделяющих элементов (твэлов), используемых для формирования активных зон ядерных реакторов, в частности для высоко энергонапряженных активных зон исследовательских реакторов и может быть использовано как в водоводяных реакторах, так и в парогенерирующих установках с ядерным топливом.
Известна тепловыделяющая сборка (ТВС) с тепловыделяющими элементами (твэлами) в виде стержней, расположенных перпендикулярно движению теплоносителя (Патент РФ 2179752, Тепловыделяющая сборка ядерного реактора, МПК G21C 3/30 3/332, оп. 20/02/2002, Бюл. №5) Недостатком известной конструкции является большое гидродинамическое сопротивление потоку жидкого теплоносителя. Кроме того, прямоугольное поперечное сечение тепловыделяющей сборки не позволяет ее применить на действующих типах энергетических реакторов.
Наиболее близким по технической сущности является тепловыделяющая сборка (Емельянов И.Я., Михан В.И., Солонин В.И. и др. Конструирование ядерных реакторов. М. Энергоиздат, 1982, с.76-78, рис.3), содержащая цилиндрические тепловыделяющие элементы, внутри которых размещено ядерное топливо в форме таблеток, равномерно распределенных внутри цилиндрического твэла по всей его длине, хвостовик, обеспечивающий фиксацию сборки в корпусе реактора, несущую штангу, размещенную по оси сборки и соединяющая хвостовик и верхний захват, предназначенный для извлечения и транспортировки сборки.
Известной конструкции присущи явления неустойчивости теплового режима по отношению к возмущениям, случайно возникающим на локализованном участке стержневого твэла. Эти локальные возмущения являются причиной возникновения аварийного высокотемпературного режима пленочного кипения, который затем самопроизвольно распространяется из возмущенной зоны на всю длину твэла. Описанное явление, известное в физике и теплоэнергетике как "кризис кипения", может привести к разрушению активной зоны и сопровождаться крупными техногенными катастрофами.
Технической задачей, решаемой данным изобретением является увеличение энергонапряженности и повышение устойчивости к тепловым возмущениям штатного режима работы твэлов, т.е. повышение уровня безопасности энергетических установок большой мощности.
1. Технический результат заключается в улучшении теплоотдачи твэлов, за счет турбулизации потока теплоносителя и выравнивании поля температур в поперечном сечении ТВС за счет поперечного перемешивания теплоносителя, исключении режимов пленочного кипения, повышении механической жесткости ТВС, и достигается тем, что в известную тепловыделяющую сборку, содержащую твэлы, хвостовик, несущую штангу, размещенную по оси сборки и соединяющая хвостовик и верхний захват, твэлы выполнены тороидальными, а сборка снабжена верхними и нижними решетки, между которыми слоями уложены тороидальные твэлы, нижняя решетка жестко закреплена на несущей штанге, а верхняя решетка поджимается к слоям тороидальных твэлов пружиной, охватывающей несущую штангу и с верхнего конца пружины зафиксированы, тороидальные твэлы расположены в слоях таким образом, чтобы они вписывались в шестигранник поперечного сечения сборки, а вертикальные оси симметрии тороидальных твэлов предыдущего и последующих слоев были смещены относительно осей симметрии тороидальных твэлов среднего слоя. Кроме того, каждый тороидальный твэл может иметь пазы на верхней и нижней поверхностях в местах пересечения проекций твэлов предыдущего и последующего слоев, и в слоях тороидальных твэлов пазы на верхней поверхности тороидального твэла совмещены с пазами на нижней поверхности тороидального твэла последующего слоя, образуя жесткое соединение слоев.
Дополнительно, тороидальный твэл может иметь внутренний тороидальный элемент из пористого пироуглерода, расположенный по оси поперечного сечения кольца тороида и окруженный топливной композицией с двуокисью урана требуемой концентрации, топливная композиция снаружи покрыта защитной оболочкой из циркониевого сплава или карбида кремния.
Кроме того, для сборок, рассчитанных для работы в пароводяных реакторах, высота тороидального твэла по мере движения теплоносителя снизу вверх уменьшается пропорционально скорости движения теплоносителя.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен общий вид тепловыделяющей сборки с тороидальными твэлами; на фиг.2 изображен поперечный разрез тепловыделяющей сборки с фрагментом смежных слоев тороидальных твэлов; на фиг.3 изображен отдельный тороидальный твэл; на фиг.4 изображен поперечный разрез тороидального твэл, на фиг.5 изображен фрагмент продольного разреза нескольких слоев тороидальных твэлов.
Тепловыделяющая сборка с тороидальными твэлами содержит хвостовик 1, несущую штангу 2, размещенную по оси сборки и соединяющую хвостовик 1 и верхний захват 3, верхняя и нижняя решетки 4 и 5, между которыми слоями уложены слоями тороидальные твэлы 6, нижняя решетка 4 жестко закреплена на несущей штанге 2, а верхняя решетка 5 поджимается к слоям тороидальных твэлов 6 пружиной 7, охватывающей несущую штангу 2 и с верхнего конца пружины 7 зафиксированной прижимной гайкой 8, тороидальные твэлы 6 расположены в слоях таким образом, чтобы они вписывались в шестигранник 9 поперечного сечения сборки, а вертикальные оси 10 симметрии тороидальных твэлов предыдущего и последующих слоев 11, 12 были смещены относительно осей симметрии тороидальных твэлов среднего слоя 13, каждый тороидальный твэл 6 имеет пазы 14 на верхней и нижней поверхностях в местах пересечения проекций твэлов 6 предыдущего и последующего слоев 11 и 12 на проекцию твэла 6 среднего слоя 13, для сборок, рассчитанных для работы в пароводяных реакторах, высота h (Фиг.3) тороидального твэла по мере движения теплоносителя снизу вверх уменьшается пропорционально скорости движения теплоносителя, тороидальный твэл 6 состоит из центрального кольца 15 из пористого пироуглерода, окруженного спеченной керамической композицией 16 с двуокисью урана необходимой концентрации и внешним покрытием 17 из сплава на основе циркония или покрытием из карбида кремния.
Тепловыделяющая сборка работает следующим образом.
При монтаже первый снизу слой тороидальных твэлов размещается на нижней решетке 5 таким образом, чтобы вписаться в требуемый шестиугольник поперечного сечения 9 сборки. При этом возможны варианты размещения, когда тороидальные твэлы соприкасаются боковыми поверхностями между собой или между ними есть зазор для прохождения теплоносителя, кроме того возможен вариант размещения, когда тороидальные твэлы имеют неодинаковый диаметр. Последующий слой укладывается на первый со смещением осей 10 симметрии твэлов 6 и соединением «в замок», когда пазы на верхней части первого слоя совпадают с пазами на нижней поверхности второго слоя. В результате твэл верхнего слоя оказывается пересекающим твэл нижнего уровня на двойной высоте паза (Фиг.2, 3). Последующие слои укладываются аналогичным образом, до образования столба твэлов требуемой высоты, и замыкаются верхней решеткой 5, которая пружиной 7 и прижимной гайкой 8 прижимается к слоям твэлов. Пружина 7 позволяет компенсировать температурное расширение столба твэлов и, тем самым, избежать искривления прямолинейной геометрии столба. В результате образуется объемная структура тороидальных твэлов, где каждый тороидальный твэл имеет жесткое соединение с тремя аналогичными твэлами в предыдущем слое и тремя аналогичными твэлами в последующем слое (Фиг.1). Такой многоточечный контакт элементов объемной структуры обеспечивает ее жесткость в поперечном и продольном направлениях. Фактически каждый слой твэлов является аналогом дистанционирующей решетки, и, если в предлагаемом техническом решении количество слоев может достигать нескольких сотен, то выполнение такого же количества дистанционирующих решеток в прототипе для обеспечения соответствующей жесткости сборки, приведет к ее полной неработоспособности с точки зрения теплоотдачи.
При подаче жидкого теплоносителя (вода) через нижнюю решетку 5 в столб тороидальных твэлов (Фиг.5) происходит его распределение по внутренним полостям тороидальных твэлов первого слоя, обтекание им тороидальных поверхностей и, соответственно, повышение температуры теплоносителя за счет теплосъема с этих поверхностей. Очевидно, что микропотоки теплоносителя, прошедшие вблизи горячих поверхностей твэлов будут иметь более высокую температуру, чем микропотоки, прошедшие по оси тороидального твэла, однако, в следующем слое внутренний поток одного тороидального твэла разбивается на четыре части и попадает во внутренние полости вышерасположенных тороидальных твэлов, где смешивается с потоками, обтекавшими другие твэлы первого слоя. При движении теплоносителя по столбу твэлов снизу вверх происходит многократное повторение описанных процессов разбиения потоков и их перемешивания, что ведет к выравниванию уровня температур потока теплоносителя по поперечному сечению сборки. Выравнивание температур и геометрия твэлов делает невозможным формирование температурных возмущений и образование линейных протяженных участков перегрева теплоносителя с режимами пленочного кипения, что обеспечивает повышение уровня безопасности энергетических установок большой мощности.
Турбулизация потока, возникающая при обтекании сечения тороидального твэла значительно повышает коэффициент теплоотдачи, улучшая условия теплосъема с поверхности тороидального твэла, что позволяет повысить энергонапряженность сборки.
Следует отметить, что внутреннее устройство тороидального твэла имеет особенности, обеспечивающие повышение теплоотдачи и увеличение энергонапряженности сборки. Если в традиционных шаровых твэлах топливный керн располагается внутри сферы и окружен снаружи слоем пористого пироуглерода с низкой теплопроводностью, что увеличивает тепловое сопротивление на пути переноса тепла от тепловыделяющего керна к теплоотдающей внешней поверхности, то в тороидальном твэле вставка из пористого пироуглерода размещена внутри керамической композиции с двуокисью урана требуемой концентрации и естественно не является препятствием для теплопереноса на внешнюю поверхность.
В пароводяных реакторах по мере движения теплоносителя вдоль сборки происходит фазовый переход теплоносителя с резким изменением теплофизических свойств теплоносителя (плотности, теплоемкости, теплопроводности) и его скорости движения вдоль сборки. Для выравнивания энерговыделения по высоте сборки по мере увеличении скорости движения теплоносителя необходимо пропорционально увеличивать поверхность теплообмена, а также увеличивать турбулизацию потока, что достигается уменьшением высоты тороидальных твэлов в слоях сборки. При уменьшении высоты слоя на единице длины сборки умещается большее количество слоев, что создает большую поверхность теплообмена и улучшает условия турбулизации.
Использование изобретения обеспечивает улучшение теплоотдачи твэлов, за счет взаимной фиксации тороидальных твэлов в смежных слоях сборки, чем достигается повышение механической жесткости сборки, что в совокупности позволяет решить поставленную задачу - повышение уровня безопасности энергетических установок большой мощности.