ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ, РАБОЧАЯ КАССЕТА И ВОДО-ВОДЯНОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ РЕАКТОР ТЕПЛОВОЙ МОЩНОСТЬЮ ОТ 1150 ДО 1700 МВт
FUEL ELEMENT, WORKING HOLDER AND WATER-COOLED POWER REACTOR WITH HEAT POWER RANGING FROM 1150 MW TO 1700 MW

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к ядерной технике, в частности к конструкциям тепловыделяющих элементов (твэлов) и набранных из них рабочих кассет (РК), используемых в водо-водяных ядерных энергетических реакторах тепловой мощностью от 1150 МВт до 1700 МВт, особенно в ядерных реакторах с водой под давлением типа ВВЭР-440, и может быть применено в разрабатываемых реакторах для атомных электростанций (АЭС) средней мощности, а также при модернизации действующих реакторов.
Уровень техники
Условия, в которых эксплуатируются тепловыделяющие элементы и рабочие кассеты ядерного реактора, определяются сложным комплексом взаимосвязанных факторов, протекающих в активной зоне ядерного реактора. Большое тепловыделение в активной зоне приводит к высоким тепловым потокам в поперечном сечении твэлов и РК. Следствием высокой плотности тепловых потоков являются большие температурные перепады по поперечному сечению твэлов. В свою очередь значительные температурные перепады вызывают весьма заметные термические напряжения, которые особенно значительны при маневрировании мощностью реактора. Тепловыделение в активной зоне ядерного реактора характеризуется неравномерностью распределения по объему активной зоны. Следствием этого является различная тепловая нагруженность твэлов и РК, расположенных в различных областях активной зоны, и разных участках одного твэла и одной РК, а также неравномерное распределение температуры. Неравномерное распределение температуры приводит к дополнительным термическим напряжениям. С неравномерностью тепловыделения связана неравномерность выгорания ядерного топлива.
При конструировании твэлов и рабочих кассет особое внимание следует уделить обеспечению надежных условий теплосьема. С этой целью увеличивают теплоотдающую поверхность, например, за счет выполнения твэлов кольцевой формы (см. US 4059484, G21C 3/30, 1977 г.), а также путем выполнения оболочки твэла с ребрами (см. US 4324618, G21C 3/08, 1982 г.).
Несмотря на довольно развитую поверхность теплоотвода в известных вышеприведенных конструкциях степень неоднородности энерговыделения в них достаточно велика.
Увеличение суммарной поверхности подогрева теплоносителя возможно, в частности, при использовании гибридных тепловыделяющих сборок (ТВС), в которых часть тепловыделяющих элементов выполнена кольцевой формы, а другие тепловыделяющие элементы выполнены кольцевой формы и установлены коаксиально (см. US 4059484, G21C 3/30, 1977 г.).
Однако гибридные ТВС конструктивно сложны и не технологичны при изготовлении.
Известно также, что оптимизировать распределение тепловыделения в тепловыделяющей сборке, а следовательно, уменьшить линейные тепловые нагрузки тепловыделяющих элементов можно за счет установки тепловыделяющих элементов с переменным по поперечному сечению тепловыделяющей сборки шагом (см. US 4863680, G21C 3/32, 1989 г.).
Данная конструкция достаточно сложна при изготовлении, а изменение шага тепловыделяющих элементов может дать ощутимые результаты лишь в случае, если шаг меняется не только по поперечному сечению тепловыделяющей сборки, но и по поперечному сечению собственно активной зоны.
Изменение шага расположения тепловыделяющих элементов приводит к изменению водо-уранового отношения по сечению, которое должно быть определено в соответствии с нейтронно-физическим расчетом (см. US 4522781, G21C 3/30, 1985 г.). При этом для обеспечения требуемого значения водо-уранового отношения зачастую следует варьировать не только шаг, но и диаметр тепловыделяющих элементов (см. US 5383229, G21C 3/32, 1995 г.).
Наиболее близким к описываемому тепловыделяющему элементу является тепловыделяющий элемент водо-водяного энергетического реактора тепловой мощностью от 1150 МВт до 1700 МВт, содержащий цилиндрическую оболочку с торцевыми заглушками и топливный столб, размещенный в цилиндрической оболочке и набранный из таблеток ядерного топлива (см. Г.Г.Бессалов, В.П.Денисов, Н.Ф.Мельников и Ю.Г.Драгунов. Реакторы ВВЭР для АЭС средней мощности. М.: ФГУП ОКБ «ГИДРОПРЕСС», 2004, с.8-25).
Наиболее близкой к описываемой рабочей кассете является рабочая кассета водо-водяного энергетического реактора тепловой мощностью от 1150 МВт до 1700 МВт, содержащая головку, хвостовик и пучок тепловыделяющих элементов, расположенных по гексагональной решетке, каждый из которых включает размещенный в цилиндрической оболочке и набранный из таблеток ядерного топлива топливный столб (см. Г.Г.Бессалов, В.П.Денисов, Н.Ф.Мельников и Ю.Г.Драгунов. Реакторы ВВЭР для АЭС средней мощности. М.: ФГУП ОКБ «ГИДРОПРЕСС», 2004, с.8-25, 82-83).
Наиболее близким к описываемому ядерному реактору является водо-водяной энергетический реактор тепловой мощностью от 1150 МВт до 1700 МВт, содержащий активную зону, сформированную из рабочих кассет с шестигранной головкой и внутрикорпусные устройства, включающие подвижную плиту и нижнюю плиту корзины активной зоны с посадочными гнездами для хвостовиков рабочих кассет, с гексагональной топливной решеткой (см. Г.Г.Бессалов, В.П.Денисов, Н.Ф.Мельников и Ю.Г.Драгунов. Реакторы ВВЭР для АЭС средней мощности. М.: ФГУП ОКБ «ГИДРОПРЕСС», 2004, с.8-25, 82-83, 108-123).
Известные конструкции достаточно длительное время эксплуатируются в составе АЭС средней мощности с серийными реакторами ВВЭР-440. Однако тепловыделяющие элементы, рабочие кассеты и сформированные из них активные зоны функционируют в условиях существенных тепловых потоков. Проходя через активную зону реактора по рабочей кассете между тепловыделяющими элементами, теплоноситель должен быть нагрет до заданной температуры. При этом очевидно, что чем больший путь теплоноситель будет проходить, омывая греющую поверхность, тем больше он нагреется. Существенным фактором является также неравномерность энерговыделения по высоте активной зоны и рабочих кассет. Энерговыделение по высоте активной зоны подчиняется синусоидальному закону. Поэтому у активной зоны с меньшей высотой неравномерность по высоте будет выше, что увеличивает линейные тепловые потоки на тепловыделяющие элементы рабочих кассет.
Сущность изобретения
Задачей настоящего изобретения является разработка и создание тепловыделяющего элемента, рабочей кассеты и водо-водяного энергетического реактора тепловой мощностью от 1150 МВт до 1700 МВт, обладающих улучшенными характеристиками, в частности повышенной безопасностью и надежностью при эксплуатации вновь проектируемых и действующих реакторов для АЭС средней мощности.
В результате решения данной задачи при реализации изобретения могут быть получены новые технические результаты, заключающиеся в снижении тепловых нагрузок тепловыделяющих элементов, уменьшении вероятности разгерметизации оболочек твэлов, снижении неравномерности энерговыделения, расширении диапазона маневрирования мощностью реактора и улучшении характеристик топливоиспользования за счет повышения глубины выгорания ядерного топлива.
CT
ЗАГ
-3
Данные технические результаты достигаются тем, что в тепловыделяющем элементе водо-водяного энергетического реактора тепловой мощностью от 1150 МВт до 1700 МВт, содержащем цилиндрическую оболочку с торцевыми заглушками и топливный столб, размещенный в цилиндрической оболочке и набранный из таблеток ядерного топлива, длина L топливного столба выбрана от 2,480 м до 2,700 м, а суммарная длина L частей торцевых заглушек, выступающих из цилиндрической оболочки, выполнена не менее 5·10м.
CT
CT
PK
ГОЛ
XB
-3
-3
-3
-3
В этих же целях в рабочей кассете водо-водяного энергетического реактора тепловой мощностью от 1150 МВт до 1700 МВт, содержащей головку, хвостовик и пучок тепловыделяющих элементов, расположенных по гексагональной решетке, каждый из которых включает размещенный в цилиндрической оболочке и набранный из таблеток ядерного топлива топливный столб, длина L топливного столба выбрана от 2,480 м до 2,700 м, отношение длины L топливного столба к размеру L между верхним торцом головки и нижним торцом шаровой поверхности хвостовика составляет от 0,8276 до 0,9000, а длина L головки и длина L хвостовика от нижнего торца шаровой поверхности до верхнего торца хвостовика выбраны соответственно от 120·10 м до 163·10 м и от 90·10 м до 238·10 м.
ГОЛ
XB
AЗ
AЗ
-3
-3
-3
-3
С теми же целями в водо-водяном энергетическом реакторе тепловой мощностью от 1150 МВт до 1700 МВт, содержащем активную зону, сформированную из рабочих кассет с шестигранной головкой и внутрикорпусные устройства, включающие подвижную плиту и нижнюю плиту корзины активной зоны с посадочными гнездами для хвостовиков рабочих кассет, с гексагональной топливной решеткой, в активной зоне установлена, по крайней мере, одна рабочая кассета в которой длина L и длина L хвостовика от нижнего торца шаровой поверхности до верхнего торца хвостовика выбраны соответственно от 120·10 м до 163·10 м и от 90·10 м до 238·10 м, а высота H активной зоны выбрана от 2,480 м до 2,700 м, причем отношение высоты Н активной зоны к размеру L между нижним торцом подвижной плиты и нижней кромкой посадочного гнезда нижней плиты корзины активной зоны составляет от 0,8262 до 0,9000.
CT
ЗАГ
ЗАГ
ЗАГ
-3
Отличительная особенность описываемого тепловыделяющего элемента состоит в том, что длина L топливного столба выбрана от 2,480 м до 2,700 м, а суммарная длина L частей торцевых заглушек, выступающих из цилиндрической оболочки, выполнена не менее 5·10м. Увеличение длины топливного столба приведет к возможности формирования активной зоны с большей высотой, что уменьшит неравномерность энерговыделения по высоте активной зоны, а следовательно, и по высоте тепловыделяющих сборок, длина которых не меняется и составляет 3,217 м. Если длина топливного столба будет менее 2,480 м, то при существующей величине суммарной длины L частей торцевых заглушек, выступающих из цилиндрической оболочки, равной 0,03 м, или при величине суммарной длины указанных частей торцевых заглушек более 0,03 м существенно увеличивается длина твэла (незанятая ядерным топливом) и возрастает паразитный захват нейтронов, что обусловлено увеличением массы конструкционных материалов. Действительно, при уменьшении отношения массы топлива к массе конструкционных материалов резко снижается коэффициент топливоиспользования. Если длина топливного столба будет выше 2,700 м, то линейного размера тепловыделяющего элемента будет недостаточно для размещения газосборника и/или пружинного фиксатора, а при величине суммарной длины L частей торцевых заглушек, выступающих из цилиндрической оболочки, менее 0,005 м будет невозможно осуществлять ремонт рабочих кассет и/или фиксацию нижних концов твэлов в нижней решетке. Таким образом, из вышеприведенного следует, что новые технические результаты могут быть получены при реализации всех существенных признаков, характеризующих описываемый тепловыделяющий элемент.
CT
CT
PK
ГОЛ
XB
-3
-3
-3
-3
Отличительная особенность описываемой рабочей кассеты заключатся в том, что длина L топливного столба выбрана от 2,480 м до 2, 700 м, отношение длины L топливного столба к размеру L между верхним торцом головки и нижним торцом шаровой поверхности хвостовика составляет от 0,8276 до 0,9000, а длина L головки и длина L хвостовика от нижнего торца шаровой поверхности до верхнего торца хвостовика выбраны соответственно от 120·10 м до 163·10 м и от 90·10 м до 238·10 м. Эмпирическим путем было установлено, что выбранный диапазон отношения длины топливного столба к размеру между верхним торцом головки и нижним торцом шаровой поверхности хвостовика обеспечивает увеличение глубины выгорания ядерного топлива при выполнении длины топливного столба твэлов от 2,480 м до 2,700 м, а также при выполнении длины головки рабочей кассеты от 0,12 м до 0,163 м и длины хвостовика от нижнего торца шаровой поверхности до верхнего торца хвостовика от 0,09 м до 0,238 м.
Таким образом, только при реализации всей совокупности существенных признаков, характеризующих описываемую рабочую кассету, возможно получение новых технических результатов.
AЗ
Отличительная особенность описываемого водо-водяного энергетического реактора тепловой мощностью от 1150 МВт до 1700 МВт заключатся дополнительно в том, что в активной зоне реактора установлена, по крайней мере, одна рабочая кассета, а отношение высоты Н активной зоны к размеру L между нижним торцом подвижной плиты и нижней кромкой посадочного гнезда нижней плиты корзины активной зоны составляет от 0,8262 до 0,9000. В результате расширяется диапазон маневрирования мощностью реактора и улучшение характеристик топливоиспользования. Причем эмпирически было установлено, что выбранный диапазон отношения высоты активной зоны к размеру между нижним торцом подвижной плиты и нижней кромкой посадочного гнезда нижней плиты корзины активной зоны обеспечивает расширение диапазона маневрирования мощностью реактора и улучшение характеристик топливоиспользования лишь при выполнении высоты активной зоны водо-водяного энергетического реактора (длина топливного столба твэлов рабочей кассеты) от 2,480 м до 2,700 м, а также при выполнении длины головки рабочей кассеты от 0,12 м до 0,163 м и длины хвостовика от нижнего торца шаровой поверхности до верхнего торца хвостовика от 0,09 м до 0,238 м.
Следовательно, только при реализации всей совокупности существенных признаков, характеризующих описываемый водо-водяной энергетический реактор, можно получить новые технические результаты.
U
U
CT
Кроме того, масса m топлива в тепловыделяющем элементе и масса M топлива в рабочей кассете выбраны соответственно от 1,124 кг до 1,435 кг и от 134,88 кг до 180,81 кг, а отношение длины L топливного столба к размеру Н «под ключ» рабочей кассеты составляет от 17,000 до 18,700.
Перечень чертежей
На фиг.1 показан фрагмент водо-водяного энергетического реактора средней мощности, на фиг.2 показан фрагмент корзины активной зоны, на фиг.3 изображен общий вид рабочей кассеты, а на фиг.4 приведен общий вид тепловыделяющего элемента.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
AЗ
Водо-водяной энергетический реактор тепловой мощностью от 1150 МВт до 1700 МВт содержит корпус реактора 1 внутри которого размещены внутрикорпусные устройства, включающие шахту 2, которая является основным несущим элементом внутрикорпусных устройств, корзину 3, предназначенную для размещения в ней активной зоны 4, и подвижную плиту 5, предназначенную для удержания рабочих кассет 6 от всплытия (фиг.1). Корзина 3 активной зоны содержит нижнюю плиту 7, в которой выполнены посадочные гнезда 8 для установки в них хвостовиков 9 рабочих кассет 6 (фиг.2). Активная зона 4 сформирована из 331 или 349 кассет, установленных с шагом 0,147 м, из которых 37 кассет относятся к аварийным, регулирующим и компенсирующим кассетам (не показаны), а остальными кассетами в количестве 276 или 312 штук соответственно являются рабочие кассеты 6. Отношение высоты Н активной зоны 4 к размеру L между нижним торцом подвижной плиты 5 и нижней кромкой посадочного гнезда 8 нижней плиты 7 корзины 3 активной зоны составляет от 0,8262 до 0,9000.
-3
-3
-3
-3
-3
-3
ГОЛ
XB
CT
PK
CT
Рабочая кассета 6 содержит головку 10, хвостовик 9, чехол 11, жестко соединяющий головку 10 и хвостовик 9, внутри которого расположен пучок тепловыделяющих элементов 12, установленных в дистанционирующих решетках 13 по гексагональной сетке с шагом t от 12,1·10 м до 12,75·10 м (фиг.3). В случае бесчехлового исполнения рабочей кассеты головка 10 и хвостовик 9 жестко соединены посредством шести уголков 14. Длина L головки 10 и длина L хвостовика 9 от нижнего торца шаровой поверхности до верхнего торца хвостовика выбраны соответственно от 120·10 м до 163·10 м и от 90·10 м до 238·10 м. Отношение длины L топливного столба к размеру L между верхним торцом головки 10 и нижним торцом шаровой поверхности хвостовика 9 составляет от 0,8276 до 0,9000, а отношение длины L топливного столба к размеру Н «под ключ» рабочей кассеты 6 составляет от 17,000 до 18,700.
-3
-3
-3
-3
-3
-3
-3
-3
-3
U
U
CT
ЗАГ
Каждый тепловыделяющий элемент 12 включает заглушку верхнюю 15, заглушку нижнюю 16, цилиндрическую оболочку 17, внутри которой размещен топливный столб 18, набранный из таблеток 19 ядерного топлива, и пружинный фиксатор 20. Наружный и внутренний диаметры цилиндрической оболочки 17 выбраны соответственно от 9,06·10 м до 9,14·10 м и от 7,87·10 м до 7,96·10м. Диаметр и длина каждой таблетки ядерного топлива выбраны соответственно от 7,60·10 м до 7,80·10 м и от 10·10 м до 12·10 м. Масса m топлива в тепловыделяющем элементе (загрузка твэла по сумме изотопов урана) выбрана от 1,124 кг до 1,435 кг, а масса M топлива в рабочей кассете (загрузка рабочей кассеты по сумме изотопов урана) выбрана от 134,88 кг до 180,81 кг. Длина L топливного столба 18 выбрана от 2,480 м до 2,700 м, а суммарная длина L частей верхней 15 и нижней 16 торцевых заглушек, выступающих из цилиндрической оболочки, выполнена не менее 5·10 м (фиг.4).
Тепловыделяющие элементы 12 и рабочие кассеты 6 водо-водяного энергетического реактора тепловой мощностью от 1150 МВт до 1700 МВт работают следующим образом. Холодный теплоноситель подается в нижнюю часть активной зоны 4, протекая снизу вверх внутри чехлов 11 рабочих кассет 6, омывает поверхность твэлов 12 и таким образом осуществляет теплосъем с таблеток 19 ядерного топлива.
-3
-3
Технология изготовления описываемых конструкций тепловыделяющего элемента и рабочей кассеты производится на известном штатном оборудовании и не имеет отличий с точки зрения производства аналогичных устройств. Количество тепловыделяющих элементов в сборке составляет 120 или 126, а размер «под ключ» шестигранного чехла равен 145·10 м (без учета допусков на изготовление) при толщине стенки чехла 1,5·10 м.
Таким образом, тепловыделяющий элемент и рабочая кассета водо-водяного энергетического реактора тепловой мощностью от 1150 МВт до 1700 МВт, имеющие определенные величины размеров и иные вышеуказанные параметры, будут иметь более низкие значения тепловых нагрузок, пониженную вероятность разгерметизации тепловыделяющих элементов, а также возможность эксплуатации в более широком диапазоне маневрирования мощностью при одновременном улучшении параметров топливоиспользования.