ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩАЯ СБОРКА
FUEL ASSEMBLY

Изобретение относится к области атомной энергетики и может быть использовано в ядерных реакторах, охлаждаемых водой под давлением.
7
Известна тепловыделяющая сборка, содержащая микротвэльные элементы, размещенные в перфорированном чехле, а также центральный коллектор для подвода теплоносителя и направляющие трубы для регулирующих стержней, продольно установленные внутри чехла, хвостовик и головку (см. FR 2807563 А1, МПК G21C 3/07, опубл. 12.10.2001).
Недостатком известной тепловыделяющей сборки является наличие большой водяной полости в центральном коллекторе. Соответственно, вблизи коллектора имеет место сильный всплеск потока тепловых нейтронов, приводящий к неравномерной глубине выгорания микротвэльных элементов по радиусу тепловыделяющей сборки, что повышает затраты на топливо.
К настоящему изобретению наиболее близким техническим решением из известных (прототипом) является тепловыделяющая сборка, содержащая микротвэльные элементы, размещенные в перфорированном стальном чехле, а также коллекторы для подвода теплоносителя и направляющие трубы для регулирующих стержней, продольно установленные внутри чехла, хвостовик и головку, к которым прикреплены чехол и коллекторы (Перспективы применения микротвэлов в ВВЭР / Пономарев-Степной Н.Н., Кухаркин Н.Е., Хрулев А.А., Дегальцев Ю.Г., Глушков Е.С., Филиппов Г.А., Гришанин Е.И., Фальковский Л.Н. // Атомная энергия. Т.86. Вып. 6. Июнь 1999. С.443-449).
В прототипе все детали конструкции сборки, кроме микротвэльных элементов, выполнены из нержавеющей стали. Это обеспечивает работоспособность тепловыделяющей сборки в режимах тяжелой аварии с нагревом ее металлоконструкций и наружных защитных покрытий микротвэлов до температуры ~1200°С. Между тем, коллекторы для подвода теплоносителя и направляющие трубы для регулирующих стержней даже при тяжелой аварии охлаждаются проходящим по ним входным потоком теплоносителя и поэтому всегда имеют относительно низкую температуру. Завышенное количество стали в тепловыделяющей сборке ухудшает в ней нейтронный баланс и понижает глубину выгорания микротвэльных элементов, что повышает затраты на топливо.
Таким образом, недостатком прототипа является пониженная глубина выгорания микротвэльных элементов из-за повышенного количества стали в тепловыделяющей сборке.
Технической задачей изобретения является повышение глубины выгорания микротвэльных элементов путем снижения количества стали в тепловыделяющей сборке.
Техническая задача решается в тепловыделяющей сборке, содержащей микротвэльные элементы, размещенные в перфорированном стальном чехле, а также коллекторы для подвода теплоносителя и направляющие трубы для регулирующих стержней, продольно установленные внутри чехла, хвостовик и головку, причем коллекторы для подвода теплоносителя и трубы для регулирующих стержней выполнены из сплава циркония, а чехол выполнен подвижным в продольном направлении относительно головки.
Кроме того, головка выполнена с радиальными штифтами, а чехол имеет продольные пазы, в которых установлены штифты головки.
Выполнение коллекторов для подвода теплоносителя и труб для регулирующих стержней из сплава циркония снижает количество стали в тепловыделяющей сборке и повышает глубину выгорания микротвэльных элементов. При этом чехол обязательно должен быть выполнен подвижным в продольном направлении относительно головки. Объясняется это тем, что сплав циркония, из которого выполнены упомянутые коллекторы и трубы, имеет в 2 раза меньший коэффициент линейного расширения по сравнению с нержавеющей сталью, материалом чехла. К тому же рабочая температура, до которой разогревается чехол, существенно превышает температуру коллекторов и труб, охлаждаемых проходящими по ним входными потоками теплоносителя. Поэтому если чехол не выполнить подвижным в продольном направлении относительно головки, он разрушится, и поставленная техническая задача не будет решена.
При возникновении тяжелых аварий работоспособность наружных защитных покрытий микротвэлов в контакте с конструкционными материалами тепловыделяющей сборки подтверждена экспериментально до температуры 1200°С.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен общий вид тепловыделяющей сборки; на фиг.2 - узел I фиг.1.
Тепловыделяющая сборка содержит микротвэльные элементы 1, размещенные в перфорированном стальном чехле 2, а также коллекторы 3 для подвода теплоносителя и направляющие трубы 4 для регулирующих стержней, продольно установленные внутри чехла 2 и выполненные из сплава циркония. Коллекторы 3 выполнены перфорированными по высоте и по радиусу и соединены с хвостовиком 5 и головкой 6. При этом чехол 2 соединен с хвостовиком 5 и выполнен подвижным в продольном направлении относительно головки 6. Для этого головка 6 выполнена с радиальными штифтами 7, а чехол 2 имеет продольные прорези 8, в которых расположены штифты 7.
Трубы 4 для регулирующих стержней установлены внутри коллекторов 3 для подвода теплоносителя. Однако возможен вариант выполнения тепловыделяющей сборки, в котором трубы 4 размещены в засыпке микротвэльных элементов 1 (на чертеже этот вариант условно не показан).
Неподвижность микротвэльных элементов 1 обеспечивается прижимной крышкой 9 и пружинами 10, установленными между засыпкой и головкой 6.
Несколько тепловыделяющих сборок, установленных с зазором  относительно друг друга и параллельно включенных по теплоносителю, образуют активную зону ядерного реактора (на чертеже активная зона ядерного реактора условно не показана).
Тепловыделяющая сборка работает следующим образом.
Теплоноситель подается через хвостовик 5 в перфорированные коллекторы 3, равномерно распределяется по засыпке микротвэльных элементов 1 и нагревается в ней. Нагретый теплоноситель через перфорацию чехла 2 выходит в полость между соседними тепловыделяющими сборками, и затем выводится из активной зоны ядерного реактора.