СТРУКТУРА РЕШЕТКИ ДЛЯ ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩЕЙ СБОРКИ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА
STRUCTURE OF GRATE FOR FUEL ASSEMBLY IN NUCLEAR REACTOR

Изобретение относится к области ядерной техники, а именно к дистанционирующим и перемешивающим устройствам для тепловыделяющей сборки (ТВС) с треугольной схемой расположения стержней - тепловыделяющих элементов (твэлов), и может быть использовано в реакторах типа ВВЭР.
Известна конструкция смесительной (перемешивающей) решетки, содержащей ячейки для размещения твэлов с треугольной схемой их расположения в ТВС [патент Франции №26680477, кл. G21C 3/34, опубл. 04.10.90 г.]. Поперечные сечения этих ячеек на каждом уровне по их высоте имеют форму многоугольника и угловое смещение вокруг оси ячеек на величину, пропорциональную осевому расстоянию от нижней торцевой поверхности. Образованная таким образом винтообразная поверхность ячеек при наличии потока теплоносителя приводит к образованию круговых поперечных течений вокруг твэла, что способствует перемешиванию и соответственно выравниванию теплосодержаний и температур однофазного теплоносителя в проходном сечении ТВС.
Недостатком такой конструкции решетки является недостаточная эксплутационная надежность ТВС. Это обусловлено тем, что при образовании парожидкостного потока теплоносителя на выходном участке ТВС закрутка потока вокруг каждого твэла будет вызывать нежелательный унос жидкости с его поверхности вследствие возникающих при этом центробежных сил. Локальное исчезновение жидкости на тепловыделяющей поверхности приводит к возникновению кризиса теплоотдачи, и, следовательно, к недостаточному запасу по величине критического теплового потока.
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой структуре решетки является структура решетки для ТВС, состоящая из ячеек, с треугольной схемой расположения стержней [патент России №2273062, кл. G21C 3/34, опубл. 27.03.2006 г.].
Каждая из ячеек этой решетки имеет форму многогранной трубки, продольная ось которой параллельна оси ТВС. Шесть граней ячейки выполнены параллельными ее оси, а две тройки граней выполнены наклонными за счет изменения ширины граней вдоль оси ячейки. Причем одна тройка граней выполнена шириной, меньшей у верхнего торца ячейки и большей у нижнего торца ячейки, другая тройка граней выполнена шириной, большей у верхнего торца ячейки и меньшей у нижнего торца ячейки. В каждой тройке грани расположены с шагом 120° вокруг оси ячейки. При этом ячейки в решетке расположены в узлах треугольной сетки, примыкая друг к другу параллельными осям ячеек гранями, и ориентированы в узлах с образованием наклонных каналов для прохода теплоносителя. С помощью наклонных каналов осуществляется вращательное движение теплоносителя вокруг каждого твэла, что повышает интенсивность перемешивания и способствует выравниванию теплосодержаний и температур однофазного теплоносителя в проходном сечении ТВС.
Недостатком такой конструкции решетки - прототипа является недостаточная эксплутационная надежность ТВС. Она обусловлена тем, что при возникновении парожидкостного потока теплоносителя на выходном участке ТВС образование вращательного движения вокруг каждого твэла с помощью наклонных каналов будет вызывать нежелательный унос жидкости с его поверхности. Локальное исчезновение жидкости на тепловыделяющей поверхности приводит к образованию кризиса теплоотдачи, и, следовательно, к недостаточному запасу по величине критического теплового потока.
Технической задачей является создание структуры решетки, позволяющей повысить эксплутационную надежность ТВС за счет повышения величины критического теплового потока путем образования протяженных поперечных течений, которые создают эффективное перемешивание теплоносителя между ячейками вдоль рядов твэлов без уноса жидкости с поверхности твэлов при образовании парожидкостной смеси в проходном сечении ТВС.
Поставленная задача решается за счет того, что структура решетки для ТВС с треугольной схемой расположения твэлов состоит из ячеек, имеющих форму трубок с гранями, продольные оси которых параллельны оси ТВС и расположены в узлах треугольной сетки, и которые примыкают друг к другу гранями, крайние части каждой ячейки имеют форму многогранника, а в средней части, по крайней мере, группы ячеек выполнены канавки, грани одной из крайних частей каждой из этих ячеек повернуты вокруг продольной оси ячейки относительно аналогичных граней другой крайней части этой же ячейки, все грани параллельны продольной оси ячейки и три несмежные грани, расположенные вокруг оси каждой ячейки с шагом 120°, имеют наибольшую одинаковую ширину по сравнению с другими гранями, с образованием при примыкании ячеек каналов для прохода теплоносителя.
В одном из вариантов выполнения, для создания дополнительной поперечной составляющей движения теплоносителя между рядами твэлов, в одной части группы ячеек канавки выполнены с наклоном в правую сторону, а в другой части - в левую сторону относительно продольной оси ячейки, при этом ячейки с канавками одного наклона расположены только в одном направлении треугольной сетки, а ячейки с канавками правого и левого наклона расположены с чередованием между собой в каждом из двух других направлений сетки.
В другом варианте во всех ячейках канавки выполнены с наклоном в одну сторону относительно продольной оси ячейки.
Кроме того, глубина, по крайней мере, трех канавок, равномерно расположенных в средней части каждой ячейки, выбрана достаточной для обеспечения центровки твэла в ячейке.
Указанная совокупность признаков позволяет получить протяженные поперечные течения, которые создают эффективное перемешивание теплоносителя между ячейками вдоль рядов твэлов и не вызывают унос жидкости с поверхности твэлов при образовании парожидкостной смеси в каналах по сравнению с прототипом.
Кроме того, при выполнении коротких наклонных канавок с длиной ~0,3Н на ячейках с высотой Н в их внутренней полости формируются короткие наклонные выступы, с помощью которых может быть выполнена, по крайней мере, одна из функций дистанционирования - предохранение твэлов от искривления в течение всего времени эксплуатации ТВС. При этом, вследствие короткой длины наклонных выступов возможность образования закрутки теплоносителя, попадающего внутрь ячейки с твэлом, может быть незначительной.
Для выявления возможности образования поперечных течений теплоносителя в ТВС, оснащенной предлагаемой структурой решетки, были проведены опыты на сборке из девятнадцати стержней (трубок) с наружным диаметром 9,1 мм и длиной 1 м при течении воздуха со средней линейной (продольной) скоростью 35-40 м/сек. Стержни с помощью двух фрагментов штатных дистанционирующих решеток, которые находились на их концах, располагались по треугольной схеме с шагом 12,75 мм. Сборка размещалась в чехле шестиугольной формы с размером под ключ 60 мм. На расстоянии 50 мм от входного фрагмента штатной дистанционирующей решетки находилась исследуемая структура решетки, ячейки которой имели канавки с углом наклона α=30°. В опытах с помощью индикатора динамического напора потока на расстоянии 250 мм от выходного сечения структуры решетки производились измерения, по которым вычислялась средняя поперечная скорость конвективного переноса в долях от среднерасходной скорости в пучке.
В результате проведения опытов выявлено образование поперечных течений вдоль рядов стержней. Отношение поперечной к продольной скорости воздуха на расстоянии 250 мм составляет 0,1, что является достаточно большим значением по сравнению с другими исследованными структурами решеток.
Таким образом, предложенное техническое решение по сравнению с ближайшим аналогом повышает эксплуатационную надежность ТВС из-за повышения величины критического теплового потока путем образования протяженных поперечных течений, которые вызывают эффективное перемешивание теплоносителя между ячейками вдоль рядов твэлов и не способствуют уносу жидкости с поверхности твэлов при образовании парожидкостной смеси в каналах.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где
на фигуре 1 показано объемное изображение структуры решетки, в которой одна часть ячеек имеет канавки, выполненные с наклоном в правую сторону, а другая часть ячеек имеет канавки, выполненные с наклоном в левую сторону;
на фигуре 2 изображена структура решетки, где в центре (б) показан вид спереди, а сверху (а) и снизу (в) - два вида ее сечений;
на фигуре 3 изображены слева виды сверху (а) и спереди (б) ячейки, имеющей канавки с правым наклоном, а справа (в-г) - три вида ее сечений;
на фигуре 4 изображены слева виды сверху (а) и спереди (б) ячейки, имеющей канавки с левым наклоном, а справа (в-г) - три вида ее сечений;
на фигуре 5 изображен принцип работы структуры решетки, где стрелками показаны направления поперечного движения теплоносителя между твэлами.
Структура решетки для тепловыделяющей сборки с треугольной схемой расположения твэлов 1 состоит из соединенных между собой ячеек 2 и 3 в виде трубок, имеющих на краевых частях форму многогранника, а в средней части имеющих канавки соответственно с правым наклоном и с левым наклоном относительно продольной оси ячейки. Продольные оси ячеек 2 и 3 параллельны оси ТВС и расположены в узлах треугольной сетки.
Грани ячеек 2 и 3, расположенные от одних краев канавок до одной кромки ячейки, повернуты относительно граней, расположенных от других краев канавок до другой кромки этой ячейки, и параллельны продольной оси ячеек. Три несмежные грани 4, расположенные вокруг оси каждой ячейки с шагом 120°, имеют наибольшую одинаковую ширину по сравнению с другими гранями с возможностью образования при соединении (примыкании) ячеек каналов для прохода теплоносителя. При этом ячейки с канавками одного наклона расположены только в одном направлении 5 треугольной сетки, а ячейки с канавками правого и левого наклона расположены с чередованием между собой в каждом из двух других направлений 6 и 7.
В другом варианте канавки всех ячеек имеют наклон в одну сторону относительно продольных осей ячеек.
Все ячейки 2 и 3 могут быть изготовлены из металлического трубчатого материала и скреплены в местах плотного примыкания граней при помощи сварки.
Глубина трех канавок, равномерно расположенных в средней части ячейки, может быть выбрана достаточной для обеспечения центровки твэлов.
Структура решетки используется в работе следующим образом.
Решетка, конструкция которой основана на предложенной структуре (фигура 2), устанавливается в ТВС перпендикулярно ее продольной оси и закрепляется на продольных силовых элементах ТВС, например обод решетки закрепляется на уголках каркаса ТВС. При этом в местах прохождения через решетку направляющих каналов, также являющихся продольными силовыми элементами ТВС, ячейки могут отсутствовать. Твэлы 1 проходят внутри ячеек 2 и 3. В активной зоне ядерного реактора ТВС омывается теплоносителем, с помощью которого производится охлаждение поверхности твэлов 1. Потоку теплоносителя, попадающему в каналы, образованные структурой решетки, придается поперечная составляющая скорости, из-за чего образуются протяженные поперечные течения вдоль рядов твэлов 1, посредством которых создается эффективное перемешивание теплоносителя без уноса жидкости с поверхности твэлов при возникновении парожидкостной смеси в проходном сечении ТВС. Это приводит к повышению запаса по величине критического теплового потока по сравнению с прототипом, а следовательно, и эксплутационной надежности ТВС.
Кроме того, с помощью наличия наклонных выступов на внутренней поверхности ячейки, полученных в результате формирования канавок, может быть выполнена, по крайней мере, одна из функций дистанционирования - предохранение твэлов от искривления в течение всего времени эксплуатации ТВС.