Дистанционирующая и перемешивающая решетка тепловыделяющей сборки ядерного реактора
SEPARATION AND MIXING GRID OF NUCLEAR REACTOR FUEL ASSEMBLY

Изобретение относится к области атомной техники, конкретно к конструкциям перемешивающих дистанционирующих решеток для тепловыделяющих сборок ядерных реакторов. Дистанционирующие решетки обеспечивают фиксацию и заданный шаг расположения тепловыделяющих элементов между собой. Расстояние между стержневыми элементами остается неизменным в течении всего срока эксплуатации тепловыделяющей сборки за счет жесткой фиксации в ячейках дистанционирующей решетки. Для выравнивания теплогидравлических характеристик теплоносителя, а также обеспечения равномерности температурного поля поперечного сечения кассеты, применяются перемешивающие решетки, включающие в себя специальные элементы – лепестки, которые создают турбулизацию потока теплоносителя и его перемешивание в межтвэльном пространстве, обеспечивая необходимую интенсификацию теплообмена.
Известна перемешивающая дистанционирующая решетка, содержащая ячейки, выполненные в виде перфорированной обечайки, образующей в поперечном сечении фигурную форму, полученную путем штамповки заготовки в четырех угловых точках внутрь ячейки (US6816563, G21C3/344, 09.11.2004). В данной конструкции ячейки соединены между собой при помощи сварки и снаружи стянуты ободом. На ячейках с обоих сторон перемешивающей дистанционирующей решетки выполнены дистанционирующие выступы сферической формы, а также перемешивающие лопатки, сформированные при помощи прямолинейного выреза на обечайке ячейки и гиба ее свободной части.
Недостатком данной конструкции является недостаточная жесткость ячеек, необходимая для предотвращения смещения тепловыделяющего элемента в течение эксплуатации, что обосновывается наличием перфораций в обечайке, образующих упругие элементы, не обладающих требуемой жесткостью. Так же недостатком является требование к точности изготовления штампованных заготовок для обеспечения гарантированного контакта элементов при помощи точечной сварки, что в свою очередь характеризуется большим объемом работ и сложностью в автоматизации процесса.
Известна перемешивающая дистанционирующая решетка, содержащая ячейки, образованные перпендикулярными взаимно пересекающимися пластинами, в которых выполнены дистанционирующие элементы, представляющие собой отогнутые, зеркально расположенные относительно центра пластины, направленные под углом в продольной оси внутрь ячейки пластинчатые полоски, на свободном конце которых расположены элементы пуклевки (US9620250, G21C3/352, 04.11. 2017). В данной конструкции на пластинах, кроме четырех латеральных, выполнены отогнутые пластинчатые элементы - интенсификаторы, расположенные на торцевой части пластин со стороны выхода теплоносителя, предназначенные для перемешивания потока. В свою очередь, на краях четырех латеральных пластин выполнены вырезы, свободная часть которых отогнута внутрь решетки, предназначенная для предотвращения повреждения интенсификаторов при столкновении двух перемешивающих дистанционирующих решеток.
Недостатком данной конструкции является высокий коэффициент загромождения канала, обусловленный большой площадью перекрытия элементами дистанционирования. Так же недостатком является высокая сложность технологического процесса изготовления и сборки конструкции, что обуславливается большим количеством элементов штамповки и разнородностью элементов дистанционирования на пластинах, зависящей от конкретной позиции пластины в сборке.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к настоящему изобретению является дистанционирующая решетка, содержащая ячейки, образованные перпендикулярными пересекающимися пластинами, на краях которых на выходе потока теплоносителя выполнены отогнутые лопатки, предназначенные для перемешивания теплоносителя (EP2929539B1, G21C3/356, 01.11.2017). В данной конструкции дистанционирование тепловыделяющих элементов осуществляется трубчатыми пружинными элементами квадратного сечения, располагаемых в центре пересечения пластин, для чего в них выполнены специальные пазы.
Недостатком данной конструкции является большая длина пазов для вставного дистанционирующего элемента, что уменьшает изгибную жесткость ячеек и жесткость общей конструкции в целом. Так же большая длина дистанционирующих элементов создает большое гидравлическое сопротивление и характеризуется большой силой трения при проталкивании тепловыделяющих элементов в момент сборки.
Задачей данного изобретения является создание более совершенной конструкции элементов, интенсифицирующих теплообмен, и их взаимной ориентации в канале тепловой сборки, учитывая конструктивные особенности дистанционирования тепловыделяющих элементов.
Технический результат – более равномерное распределение поля температур в поперечном сечении канала, увеличение интенсивности теплообмена на поверхности тепловыделяющих элементов, что в свою очередь позволяет увеличить запас до кризиса теплообмена.
Технический результат достигается тем, что перемешивающая дистанционирующая решетка, состоящая из взаимно перпендикулярных в двух плоскостях пластин, образует в поперечном сечении каналы квадратного сечения решетки с закреплёнными в центре пересечения пластин со стороны входа и выхода теплоносителя дистанционирующих пружинных элементов – колец; на торцах пластин располагаются дефлекторы, один край которых располагается у основания пересечения пластин, а другой в поперечном сечении ограничивается формой дистанционирующих элементов с учетом запаса до касания в поперечном сечении, что необходимо для установки второго ряда дистанционирующих элементов со стороны выхода теплоносителя.
Для повышения критического теплового потока в каналах тепловых сборок, как правило, стремятся к увеличению интенсивности следующих явлений: внутриячейковое вихреобразование и межъячейковое перемешивание. Для образования крупномасштабного долгоживущего вихря в центре каждой ячейки четыре дефлектора в основании пересечения пластин ориентированы таким образом, что направление отгиба дефлекторов имеет одно направление в круговой оси. Для увеличения интенсивности межъячейкового перемешивании создается конвективный поток, образованный при обтекании потоком дефлекторов, ориентированных таким образом, что в ячейке располагаются два дефлектора на одной пластине противоположно направленные друг другу, а в смежных ячейках в направлении отклоненного потока дефлектор отсутствует, но дефлекторы, расположенные на перпендикулярных пластинах в поперечном сечении, занимают ту же область, что и смежные ячейки. Для сборки данной перемешивающей решетки, в частности закрепления пружинных элементов со стороны выхода теплоносителя, обеспечивается запас до касания d между внешним краем дефлектора и внутренней стороной кольцевого пружинного элемента в поперечном сечении канала течения теплоносителя.
Суть изобретения раскрывается полным образом графически на чертежах:
фиг. 1 – вставной дистанционирующий элемент в общей сборке;
фиг. 2 – ячейка тепловыделяющей сборки;
фиг. 3 – поперечная проекция пластины;
фиг. 4 – перемешивающая дистанционирующая решетка с 2 дефлекторами на ячейку;
фиг. 5 – перемешивающая дистанционирующая решетка c 4 дефлекторами на ячейку;
фиг. 6 – профили дефлекторов для различных углов отгиба.
Перемешивающая дистанционирующая решетка представляет собой пересекающиеся перпендикулярные пластины (1), (2) (фиг.1), соединенных между собой в специально выполненных пазах (3) (фиг.3), выполненных до середины пластины (фиг. 3), образуя ячейки (4) (фиг. 2) формы квадрата в поперечном сечении. Так же с обоих сторон пластина (фиг.3) имеет пазы квадратного сечения (5) для установки и ячеистых дистанционирующих элементов – колец (6) фиксирующих тепловыделяющие элементы (7), имеющих запас до касания d.
На (фиг.4) представлена перемешивающая дистанционирующая решетка с дефлекторами (8) ориентированных таким образом, что в ячейке (9) два дефлектора (10) находятся на одной пластине противоположно направленные друг другу, а в смежных ячейках (11) в направлении отклоненного потока дефлекторы (12) отсутствуют.
На (фиг.5) представлена перемешивающая дистанционирующая решетка с дефлекторами (13), направление гиба имеет одно направление по круговой оси (14).
На (фиг.6) представлены профили дефлекторов для угла отгиба 25 градусов (15) и 30 градусов (16), геометрия которых обусловлена внутренней формой пружинного элемента (6).