ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩАЯ СБОРКА ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА
FUEL ASSEMBLY OF NUCLEAR REACTOR

Изобретение относится к атомной технике, в частности к конструкциям бесчехловых тепловыделяющих сборок (ТВС), из которых сформированы активные зоны водо-водяных энергетических реакторов (ВВЭР), особенно типа ВВЭР-1000.
В конструкции ТВС основными узлами являются пучок тепловыделяющих элементов (твэл), головка и хвостовик.
Пучок твэл, как правило, состоит из твэлов, которые размещены в ячейках, расположенных по длине ТВС дистанционирующих решеток (ДР), и соединяется с головкой и хвостовиком ТВС посредством различных конструктивных элементов.
Хвостовик ТВС, как правило, состоит из опорного стакана и опорной плиты. Твэлы или опираются на опорную плиту или, как правило, закреплены в опорной плите хвостовика и имеют возможность температурного и радиационного расширения вдоль ТВС.
Нормальное и безопасное функционирование твэлов в составе ТВС предполагает наличие узла крепления нижнего концевика твэла в хвостовике ТВС, который должен обеспечивать надежную фиксацию твэлов и удобство дистанционной сборки -разборки пучка твэлов.
В настоящее время разработано множество конструкций узлов и элементов крепления нижнего концевика твэла, удовлетворяющих требованиям их безопасной эксплуатации в составе ТВС.
Известна конструкция ТВС ядерного реактора, содержащая пучок твэлов, размещенный в расположенных по длине ТВС дистанционирующих решетках, головку и хвостовик, соединенные направляющими каналами, в которых перемещаются регулирующие стержни, причем направляющие каналы жестко соединены с хвостовиком, а их верхние части размещены в пружинном блоке головки (RU 2137223, G21C 3/32, публикация 1999 г.). В известной тепловыделяющей сборке хвостовик представляет собой конструкцию из опорной плиты и опорного стакана. Опорная плита предназначена для фиксирования и крепления нижних концевиков твэл.
Известна конструкция ТВС, содержащая пучок тепловыделяющих элементов, соединяемых с опорной плитой хвостовика узлом крепления, в качестве которого использован нижний концевик твэла (RU 2129738, G21С 3/30, G21С 3/32, 27.04.99). Нижняя часть концевика твэла выполнена в виде упругого цилиндра, установленного в посадочном отверстии опорной плиты, при этом упругое поперечное сечение цилиндра выполнено в форме кольца, имеющего разрез. Цилиндр имеет в нижней части буртик, контактирующий с нижней поверхностью опорной плиты.
Данные технические решения не позволяют полностью автоматизировать процесс дистанционной сборки-разборки пучка твэлов, т.к. контактирующие с нижней поверхностью опорной плиты элементы нижних концевиков твэл имеют необтекаемую форму и для проходки твэл через систему дистанционирующих решеток на концевики твэл необходимо одевать технологические наконечники обтекаемой формы. Одновременно неизбежное наличие осевых и радиальных зазоров в месте посадки концевиков твэл в опорной плите приводит к повышенному истиранию нижних частей концевиков, что снижает ресурсные показатели ТВС.
Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является конструкция ТВС, содержащая пучок тепловыделяющих элементов и направляющих каналов, размещенных в дистанционирующих решетках, головку и хвостовик, причем дистанционирующие решетки соединены между собой и с хвостовиком элементами, расположенными по длине тепловыделяющей сборки (заявка №2006136240 от 16.10.06).
В известной тепловыделяющей сборке хвостовик представляет собой конструкцию из соединенных между собой антивибрационной решетки, опорной плиты и опорного стакана. В данной конструкции нижний концевик твэл закреплен в опорной плите хвостовика, а цилиндрическая поверхность твэла фиксирована в антивибрационной решетке с целью компенсации осевых и радиальных зазоров в месте посадки концевиков твэл в опорной плите.
Недостатком данной конструкции является сложность изготовления нижнего концевика твэл под его закрепление в опорной плите и его форма, не позволяющая полностью автоматизировать процесс сборки пучков твэл.
Задачей настоящего изобретения является разработка и создание тепловыделяющей сборки ядерного реактора, обладающей повышенными ресурсными и экономическими показателями.
Данные технические результаты достигаются тем, что в тепловыделяющей сборке ядерного реактора, содержащей пучок тепловыделяющих элементов и направляющих каналов, размещенных в дистанционирующих решетках, головку, хвостовик, хвостовик состоит из соединенных между собой стакана, опорной плиты и антивибрационной решетки, антивибрационная решетка состоит из соединенных между собой ячеек, а нижние концевики твэлов и направляющих каналов закреплены в хвостовике, согласно изобретению нижний концевик твэл выполнен в виде цилиндра, переходящего в наконечник конусообразной форы, имеет кольцевую проточку, выполненную на цилиндрической части, с двумя наклонными буртами, посредством которых закрепляется в упругих элементах ячейки антивибрационной решетки, а между нижними торцевыми буртами концевиков направляющих каналов и опорной плитой установлены ступенчатые втулки, посредством которых закреплено поле ячеек антивибрационной решетки.
Отличительная особенность настоящего изобретения состоит в следующем. Закрепление нижнего концевика твэл осуществляется в ячейке антивибрационной решетки посредством сопряжения между упругими элементами ячейки решетки и цилиндрической поверхностью проточки и ограничивающими ее наклонными буртами концевика твэл. При этом поле ячеек антивибрационной решетки дополнительно закреплено от осевых перемещений между нижними торцевыми буртами концевиков направляющих каналов и опорной плитой ступенчатыми втулками, опирающимися на опорную плиту.
Закрепление нижнего концевика твэл в антивибрационной решетке дает возможность компенсации осевых и радиальных люфтов в местах крепления концевиков твэлов за счет натягов, возникающих между упругими элементами (опорами) антивибрационной решетки и цилиндрической поверхностью проточки концевика твэл, а наличие конусообразного наконечника обтекаемой формы на концевике твэл позволяет полностью автоматизировать процесс сборки пучков твэл.
Целесообразно антивибрационную решетку выполнить из сваренных или паянных между собой ячеек, расположенных по гексагональной схеме и имеющих шестигранную форму с тремя опорами для твэла, расположенными через 120 градусов друг от друга и образованными выпуклостями на гранях ячейки внутрь ее.
Изобретение поясняется чертежом.
На фиг.1 приведена принципиальная схема ТВС, на фиг.2 показан хвостовик ТВС с антивибрационной решеткой (АВР), фиксирующими ее втулками, нижними концевиками тепловыделяющих элементов (твэл), фиксированными в АВР, направляющими каналами (НК), закрепленными в опорной плите хвостовика, на фиг.3 показано поперечное сечение А-А на фиг.2, на фиг.4 показан выносной элемент Б на фиг.2 с узлом крепления твэл в ячейке АВР, на фиг.5 показан выносной элемент В на фиг.2 с креплением НК в опорной плите и фиксирующей АВР втулкой, на фиг.6 показана ячейка АВР.
Тепловыделяющая сборка ядерного реактора (см. фиг.1) содержит пучок 1 твэл и НК, размещенных в дистанционирующих решетках 2, соединенных между собой посредством сварки угловыми элементами 3, хвостовик 4 и головку 5. Угловые элементы 3 посредством винтов 6 соединены с хвостовиком 4.
Хвостовик 4 (см. фиг.2) состоит из опорного стакана 7, опорной плиты 8 и АВР 9, которые соединены между собой посредством сварки пластинами 10. В АВР 9 закреплены нижние концевики твэл 11, которые упираются в опорную плиту 8.
Нижние концевики НК 12 проходят сквозь втулку 13, расположенную между опорной плитой 8 и АВР 9, и крепятся к опорной плите 8, например, посредством болтового соединения.
Антивибрационная решетка 9 (см. фиг.2, 3) состоит из ячеек 14, расположенных по гексагональной схеме и соединенных между собой в местах контакта посредством сварки или пайки.
Нижние концевики твэл 11 (см. фиг.2, 3, 4) фиксируются от радиальных и осевых перемещений в упругих элементах 15 ячеек 14 АВР посредством проточки 16 с двумя наклонными буртами 17, выполненными на цилиндрической поверхности 18 нижних концевиков твэл, а конусообразный наконечник 19 упирается в опорную плиту 8.
Поле ячеек АВР 9 (см. фиг.2, 3) фиксируется от осевых перемещений за счет ячеек 14 АВР, сквозь которые проходят нижние концевики НК 12 и втулки 13. Втулки 13 (см. фиг.5) имеют бурт 20, в который упираются нижние торцы ячеек 14, при этом верхние торцы ячеек 14 поджимаются нижними торцевыми буртами концевиков НК 12.
Ячейки 14 (см. фиг.6) предпочтительно выполнять шестигранной формы с тремя упругими элементами (пуклевками) 15, расположенными на гранях ячейки через 120 градусов друг от друга, выдавленными внутрь ячейки.
Предлагаемая тепловыделяющая сборка работает следующим образом.
После установки ТВС в реактор она поджимается верхней плитой реактора путем упора в торец обечайки головки 5. Затем усилие передается через пружинный блок головки, который поджимается на величину, рассчитанную таким образом, чтобы удержать ТВС от всплытия в потоке движущегося снизу теплоносителя, на направляющие каналы 12 и далее на опорную плиту 8 и через пластины 10 на опорный стакан 7 хвостовика 4, который входит в отверстие нижней плиты реактора.
Дистанционирующие решетки 2, соединенные между собой угловыми элементами 3, образуют каркас, который посредством винтов 6 соединен с хвостовиком 4.
Теплоноситель, поступая в ТВС через входное отверстие опорного стакана 7 хвостовика 4, проходит через проливные отверстия опорной плиты 8 и далее омывает твэлы пучка 1, нагреваясь за счет контакта с поверхностью твэл 11. Твэлы, а с ними и каркас, нагреваясь за счет процесса ядерного деления внутри твэл, начинают удлиняться вверх за счет теплового и радиационного роста; при этом пучок 1 растет независимо от направляющих каналов 12, т.к. последние с гарантированным зазором проходят сквозь ячейки дистанционирующих решеток 2 и антивибрационной решетки 9. Таким образом пучок 1 с твэлами не оказывает воздействия на несущие силовую нагрузку направляющие каналы 12 и не деформирует их.
Нижние концевики твэл 11, проходя сквозь ячейки 14 антивибрационной решетки 9, за счет натягов, возникающих между упругими элементами (пуклевками 15) ячеек и оболочкой твэл, надежно фиксируются в антивибрационной решетке от осевых и радиальных люфтов и упираются наконечниками 19 в опорную плиту 8. В свою очередь антивибрационная решетка 9, закрепленная посредством пластин 10 и ступенчатых втулок 13, надежно фиксируется в хвостовике 4. Тем самым исключается возможность истирания и разрушения концевиков твэл в процессе эксплуатации от воздействия вибрации потока теплоносителя.
Использование предлагаемой конструкции твэл 11 с наконечником 19 обтекаемой формы с креплением твэл в АВР 9 хвостовика 4 позволяет полностью автоматизировать процесс сборки пучков твэл с сохранением ресурсных характеристик ТВС.
Изготовление настоящей конструкции может быть осуществлено на известном оборудовании с использованием стандартных технологий.