СТРУКТУРА ПЛАСТИНЧАТОЙ РЕШЕТКИ ДЛЯ ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩЕЙ СБОРКИ
STRUCTURE OF PLATE GRID FOR FUEL ASSEMBLY

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 дистанционирующей и перемешивающей решетки для ТВС с треугольной схемой расположения твэлов (см. патент России №2249865, G21C 3/34, 3/352, опубл. 10.04.2005). Решетка содержит опоясывающий обод и три группы взаимно пересекающихся и параллельных между собой в каждой группе полос, снабженных прорезями в местах пересечения, центрирующими упорами в виде гибов, расположенными между соседними прорезями с чередованием через одну. При пересечении полос образуются шестигранные ячейки для дистанционирования твэл, а также смежные с ними трехгранные ячейки в форме выпуклого треугольника и в форме правильного равностороннего треугольника, на одной из граней которого выполнены смесительные лопатки, отогнутые в сторону последних трехгранных ячеек. В пределах одной группы полос лопатки имеют одинаковую ориентацию. С помощью воздействия таких лопаток на поток теплоносителя образуются протяженные поперечные течения вдоль параллельных рядов твэлов. Это вызывает перемешивание теплоносителя, а соответственно, и выравнивание теплосодержаний и температур в проходном сечении ТВС.
Недостатком такой конструкции решетки является недостаточная эксплуатационная надежность ТВС. Это обусловлено отсутствием возможности регулирования конфигурации лопаток с целью более эффективного воздействия на поток теплоносителя.
Известна конструкция перемешивающей решетки, содержащей обод и набор взаимно пересекающихся пластин в форме полос, соединенных между собой и ободом в местах пересечения, образующих поле шестигранных ячеек для размещения твэлов и опорных элементов тепловыделяющей сборки (см. патент России №2383954, кл. G21C 3/32, опубл. 10.03.2010 г.). Смежные с шестигранными трехгранные ячейки для прохода теплоносителя имеют две грани вогнутые, а на торце третьей грани выполнены отогнутые в сторону трехгранных ячеек перемешивающие пластинчатые дефлекторы - лопатки. Причем они отогнуты таким образом, что лопатки трехгранных ячеек, смежных с одной шестигранной ячейкой, наклонены в одном окружном направлении вокруг этой шестигранной ячейки для создания вихревого движения вокруг твэл. Это способствует его перемешиванию и,  соответственно, выравниванию теплосодержаний и температур теплоносителя в проходном сечении ТВС.
Недостатком такой конструкции решетки является недостаточная эксплуатационная надежность ТВС. Это обусловлено, во-первых, отсутствием возможности регулирования конфигурации лопаток с целью более эффективного воздействия на поток теплоносителя. Во-вторых, закрутка потока вокруг твэл при образовании на верхнем участке ТВС двухфазного потока теплоносителя будет вызывать отброс жидкой фазы от поверхности твэл. Это приведет к снижению эффективности воздействия лопаток на поток теплоносителя, а следовательно, к преждевременному возникновению кризиса теплоотдачи и уменьшению запаса по величине критической мощности.
Известна конструкция дистанционирующей решетки (прототип) для ТВС с треугольной схемой расположения стержней (см. заявку Великобритании 2277191 А, кл. G21C 3/352, опубл. 19.10.94 г.). Указанная решетка образована с помощью трех групп, взаимно пересекающихся под углом 120° друг к другу, параллельных между собой в каждой группе полос, снабженных прорезями в местах пересечения, центрирующими упорами, расположенными между соседними прорезями, с чередованием через одну, образующих при пересечении шестиугольные ячейки для размещения твэлов и треугольные элементы для прохода теплоносителя. На верхних кромках одной группы полос размещены смесительные лопатки, которые отогнуты у их основания в сторону треугольных элементов. С помощью воздействия лопаток на поток теплоносителя осуществляется его перемешивание и,  соответственно, выравнивание теплосодержаний и температур теплоносителя в проходном сечении ТВС.
Недостатком такой конструкции решетки - прототипа является недостаточная эксплуатационная надежность ТВС. Это обусловлено, во-первых, формированием лопаток только на одной группе полос с противоположной ориентацией лопаток между собой. Во-вторых, отсутствует возможность регулирования конфигурации лопаток с целью более эффективного воздействия на поток теплоносителя. Под действием этих лопаток в пределах проходного сечения двух треугольных элементов образуются встречные короткодействующие поперечные течения, которые вызывают уменьшение не только интенсивности перемешивания, но и осаждения жидкости на поверхность твэлов при наличии двухфазного потока теплоносителя. Это приводит к преждевременному возникновению кризиса теплоотдачи и уменьшению запаса по величине критической мощности.
Технической задачей является создание структуры решетки, позволяющей повысить эксплуатационную надежность ТВС за счет получения гарантированного повышения величины критической мощности путем образования с помощью локальных двухлопаточных дефлекторов с регулируемой конфигурацией как протяженных поперечных течений вдоль рядов твэл, так и круговых вихрей теплоносителя между тремя соседними твэлами.
Поставленная задача решается за счет того, что в структуре решетки для ТВС с треугольной схемой расположения твэлов, содержащей три группы взаимно пересекающихся и параллельных между собой в каждой группе полос, снабженных прорезями в местах пересечения, образующих при пересечении шестиугольные ячейки для размещения твэлов и треугольные каналы со смесительными лопатками, расположенными на верхних кромках полос и отогнутыми у их основания в сторону треугольных каналов, при этом на торце каждого канала имеются по две лопатки, ориентированные между собой так, что одна из двух лопаток отогнута вдоль одной группы полос для создания протяженных поперечных течений вдоль параллельных рядов твэл, а другая - отогнута к ней для возможности образования круговых вихрей в потоке теплоносителя между тремя соседними твэлами.
Указанная совокупность признаков позволяет создать локальные двухлопаточные дефлекторы с регулируемой конфигурацией, так как с их помощью можно получить совокупность вращательных и протяженных поперечных течений теплоносителя между твэлами. При этом преимущественный вид поперечного течения будет зависеть от величины угла наклона каждой лопатки относительно продольной оси потока теплоносителя. Совокупность таких течений способствует как осаждению жидкости на поверхность твэлов при возникновении двухфазного потока в проходном сечении ТВС, так и более эффективному перемешиванию однофазного теплоносителя между ячейками, по сравнению с прототипом, а следовательно, получить гарантированное повышение величины критической мощности.
Для исследования смесительной способности и гидравлического сопротивления предлагаемой структуры решетки были проведены опыты при течении воды на сборке из девятнадцати стержней (трубок) с наружным диаметром 9,1 мм, расположенных по треугольной упаковке с шагом 12,75 мм. Сборка размещалась в вертикальном экспериментальном канале из органического стекла шестигранной формы с размером "под ключ" - 58 мм и длиной 1,3 м. Испытуемая решетка крепилась к двум подвижным стержням с целью ее перемещения по длине канала. Канал устанавливался в известной установке «ТРАССЕР» (Пометько Р.С., Селиванов Ю.Ф. Результаты исследований кризиса теплообмена и перемешивания теплоносителя применительно к реакторам ВВЭР - Сб. трудов 3-й научно-техн. конф. «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР», с. 153-162, Подольск, ОКБ «Гидропресс», 26-30 мая 2003 г.).
п
Суть методики проведения опытов состояла в том, что при подаче снизу в сборку воды с расходами 5 т/ч, 10 т/ч и 20 т/ч на входе в ячейку подается краситель (трассер), а на ее выходе измеряется распределение концентрации по проходному сечению сборки. Краситель "метиленовый голубой" подавался через один из подвижных стержней по центру межстержневой ячейки 6, примыкающей к центральному стержню и ограниченной двумя соседними стержнями промежуточного ряда (нумерация ячеек показана на рисунке 1). Подача трассера осуществлялась на расстоянии 30 мм ниже исследуемой решетки. По результатам измерений рассчитывался коэффициент перемешивания К, представляющий собой отношение средней поперечной скорости конвективного переноса к среднерасходной скорости теплоносителя.
В качестве исследуемых решеток использовались: решетка предлагаемой структуры и решетка с размещением в ее треугольных элементах по одной лопатке при одинаковой величине коэффициента перекрытия проходного сечения сборки - 0,32. Под указанным коэффициентом принимается отношение площади проекции решетки к площади проходного сечения канала. Геометрия лопаток была одинаковой, а угол отгиба лопаток относительно продольной оси потока был равен 20° для решетки предлагаемой структуры и 36° для решетки с одиночными лопатками. Схемы размещения лопаток в этих решетках показаны на рисунках 2 и 3.
т
т
т
т
В результате проведения опытов выявлено, что на расстоянии за решетками от 0,025 м до 0,25 м по ходу потока теплоносителя средняя величина К=0,13 для решетки предлагаемой структуры и К=0,11 для решетки с одиночными лопатками. На расстоянии 0,025 м средняя величина К=0,12 для решетки предлагаемой структуры и К=0,009 для решетки с одиночными лопатками. При этом величина их коэффициентов гидравлических сопротивлений для расходов воды больше 20 т/ч практически одинакова и равна 0,60-0,61. Кроме того, здесь следует отметить, что при повышении угла отгиба лопатки до 40° для решетки с одиночными лопатками происходит резкий рост коэффициента гидравлического сопротивления решетки.
Таким образом, предложенное техническое решение, по сравнению с прототипом, повышает эксплуатационную надежность ТВС из-за получения гарантированного повышения величины критической мощности путем образования с помощью локальных двухлопаточных дефлекторов с регулируемой конфигурацией совокупности вращательных и протяженных поперечных течений теплоносителя между твэлами.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется эскизами, где:
на фиг. 1 изображен вид сверху структуры решетки;
на фиг. 2 изображен вид одной из полос с отогнутыми смесительными лопатками;
на фиг. 3 изображен вид в изометрии двух расположенных рядом локальных дефлекторов, каждый из которых представляет совокупность двух отогнутых лопаток;
на фиг. 4 показан принцип работы данной структуры.
Структура решетки для тепловыделяющей сборки с треугольной схемой расположения твэлов состоит из ячеек 1, предназначенных для размещения твэлов 2, связующих их треугольных элементов 3 и расположенных над ними по ходу потока теплоносителя, локальных двухлопаточных дефлекторов 4. Ячейки 1 и связующие элементы 3 образованы пересечением трех групп параллельных между собой полос 5, 6 и 7. Полное или частичное совмещение этих полос обеспечено прорезями 8. Локальные дефлекторы 4 представляют собой совокупность двух смесительных лопаток 9 трапецеидальной формы, которые размещены на верхних кромках полос 5, 6 и 7 и отогнуты у их основания в сторону связующих элементов 3. Угол наклона у каждой из двух лопаток в зависимости от режима течения может быть одинаковым или различным.
Все элементы структуры решетки могут быть изготовлены из металлического полосового материала и скреплены в местах возможного плотного примыкания при помощи сварки.
Структура решетки используется в работе следующим образом.
Решетка, конструкция которой основана на предложенной структуре (фиг. 1), устанавливается в ТВС перпендикулярно ее продольной оси и закрепляется на продольных силовых элементах ТВС, например на направляющих каналах. При этом в местах прохождения данных элементов через решетку ячейки могут отсутствовать. Твэлы 2 проходят внутри ячеек 1. В активной зоне ядерного реактора ТВС омывается теплоносителем, с помощью которого производится охлаждение поверхности твэлов 2. При проходе теплоносителя через связующий элемент 3 под воздействием локального двухлопаточного дефлектора образуется как поперечное течение вдоль рядов твэлов, так и круговой вихрь между тремя соседними твэлами. Эти течения показаны линиями тока 13 на фиг. 4.
В результате образования таких течений создается эффективное перемешивание теплоносителя, а в случае образования двухфазного потока происходит интенсивное осаждение жидкости на поверхность твэлов. Это приводит к гарантированному повышению запаса по величине критической мощности по сравнению с прототипом, а следовательно, и эксплуатационной надежности ТВС.
На основе предложенной структуры решетки можно создавать как дистанционирущие перемешивающие решетки, так и только перемешивающие решетки, которые в отличие от первых не содержат центрирующих упоров для фиксации твэлов.