ДИСТАНЦИОНИРУЮЩАЯ РЕШЕТКА ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩЕЙ СБОРКИ ВЫСОКОЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА

Полезная модель относится к атомной технике и может быть использована при изготовлении тепловыделяющих сборок (ТВС) ядерных реакторов, особенно для реакторов с большой удельной мощностью.
Известна ТВС ядерного реактора (патент РФ №2262754, МПК G21C 3/344, опубл. 10.05.2005 г.). Тепловыделяющая сборка представляет собой каркас в виде центральной трубы, на которой закреплены концевые решетки и многоярусная дистанционирующая система. В такой сборке все твэлы фиксируются в ячейках дистанционирующих решеток, которые расположены либо на одинаковых по высоте уровнях, либо расположены уступом. При такой конструкции ТВС твэл фиксируется всего лишь в нескольких точках по всей длине, и при интенсивном движении теплоносителя возможны касания твэлов и их прожег. Исправить этот недостаток можно увеличением количества дистанционирующих решеток. Однако это ведет к затеснению потока теплоносителя, что не способствует интенсивному теплообмену, вызывает повышенные напряжения в стенках ячеек и приводит к ускоренному их разрушению
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату является конструкция дистанционирующей решетки для ТВС энергетических ядерных реакторов, состоящая из ячеек (каналов) с треугольной схемой расположения стержней (патент РФ №2389091, МПК G21C 3/344, опубл. 10.05.2010 г.). Крайние части каждой ячейки соединены между собой, образуя поле ячеек. Каналы имеют форму трубок с гранями, образующими винтообразную поверхность, продольные оси которых параллельны оси ТВС и распложены в узлах треугольной сетки, и которые примыкают друг к другу гранями. Образованная таким образом винтообразная поверхность каналов при наличии потока теплоносителя приводит к образованию круговых поперечных течений вокруг твэла, установленного в канал, что способствует перемешиванию и соответственно выравниванию теплосодержаний и температур однофазного теплоносителя в проходном сечении ТВС. Потоку теплоносителя, попадающему в каналы, образованные структурой решетки, придается так же поперечная составляющая скорости, из-за чего образуются протяженные поперечные течения вдоль рядов твэлов, посредством которых создается эффективное перемешивание теплоносителя.
Недостаткам такой конструкции - прототипа является недостаточная эксплуатационная надежность ТВС. Она обусловлена отсутствием надежной фиксации твэла в канале и затрудненным съемом тепла с поверхности твэла. Ненадежная фиксация твэлов вызвана тем, что у граней каналов отсутствует возможность упругой деформации. Что касается теплосъема. то в дайной конструкции съем тепла с твэла осуществляет только часть теплоносителя, которая находится внутри трубок, а другая часть охлаждает сами трубки.
Предлагаемая конструкция дистанционирующей решетки ТВС энергетических ядерных реакторов свободна от выше перечисленных недостатков.
Технической задачей на решение, которой направлена полезная модель, является повышение эксплуатационной надежности ТВС ядерного реактора за счет улучшения качества крепления твэлов в сборке и формирования оптимальных газодинамических или гидравлических характеристик движения теплоносителя в активной зоне реактора.
Поставленная задача решается за счет того, что в дистанционирующей решетке тепловыделяющей сборки (ТВС) ядерного реактора с треугольной схемой расположения тепловыделяющих элементов, в виде набора соединенных между собой каналов для размещения тепловыделяющих элементов, продольные оси которых параллельны оси ТВС, каналы выполнены в виде многозаходных свободных от пересечения друг с другом пространственных цилиндрических спиралей, снабженных на торцах концевыми элементами, расположенными в одной плоскости и жестко соединенными между собой и с формирующими канал спиралями с образованием трубной доски, при этом внутренний диаметр концевых элементов равен наружному диаметру тепловыделяющих элементов.
Спирали могут быть выполнены из прутков с сечением круглого или прямоугольного профиля.
При этом на поверхности спиралей с прямоугольным профилем сечения прутка могут быть выполнены траншейные лунки, ориентированные внутрь канала.
Наличие искусственных шероховатостей (траншейных лунок) на поверхности спиралей позволяет интенсифицировать теплообмен, поскольку обтекание поверхности с углублениями двойной кривизны приводит к возникновению и самоорганизации вторичных смерчеобразных струй.
Сущность полезной модели поясняется чертежами.
На фиг.1 представлен фрагмент канала дистанционирующей решетки для ТВС.
На фиг.2 представлена фотография части макета ТВС на 7 твэлов.
На фиг.3 представлен фрагмент образующей канала дистанционирующий решетки с лунками.
На фиг.4 представлена фотография опытного образца дистанционирующей решетки.
Конструкция дистанционирующей решетки ТВС состоит из набора одинаковых унифицированных каналов для размещения твэлов. В свою очередь каждый канал состоит из образующих канала, представляющих собой многозаходную (не менее трех) пространственную цилиндрическую спираль, внутренний диаметр которой определяется наружным диаметром твэлов, входящих в тепловыделяющую сборку, а длина канала определяется длиной упомянутых твэлов.
Форма сечения прутка, из которого изготовляется спираль, в частном варианте может быть как круглой, а в другом частном варианте - прямоугольной. В спирали с прямоугольным сечением формы прутка, в частном варианте могут быть сделаны небольшие углубления (траншейные лунки), ориентированные внутрь канала, что увеличит интенсивность теплосъема с поверхности твэла.
Число заходов спирали, и ее шаг определяются из условий организации необходимого течения теплоносителя в ТВС. В частном варианте шаг может быть переменным.
Каждый канал снабжен концевыми элементами, в частном варианте - кольцами, с внутренним диаметром равным наружному диаметру твэла. Концевые элементы каналов имеют неразъемные соединения по торцу с образующими канал спиралями и между собой, например, сваркой или пайкой высокотемпературным припоем. Образующие один канал спирали между собой не соприкасаются, не пересекаются и не имеют других неразъемных соединений кроме концевых элементов. Все каналы, соприкасающиеся между собой, в местах касания снабжены неразъемными соединениями, например, сваркой. Концевые элементы каналов расположены в одной плоскости и образуют так называемые трубные доски.
Конструктивное оформление каналов в тепловыделяющую сборку определяется количеством твэлов в ТВС. Для надежного соединения каналов между собой в сборке и удобного набора активной зоны выбрана форма ТВС, в основании которой лежит правильный шестиугольник. В этом случае каждый внутренний канал ТВС соединен с шестью другими каналами сборки, а внешний с тремя. Такая сборка может содержать 7, 19, 37 и т.д. каналов. Количество каналов в тепловыделяющей сборке определяется конструкцией реактора.
Указанная совокупность признаков позволяет получить надежное крепление твэлов в ТВС, препятствует касанию твэлов друг с другом и создает условия для интенсивного съема тепла с твэлов. Надежное крепление твэла обеспечено возможностями упругих деформаций конструкции. В момент помещения твэла в ТВС дистанционирующая решетка упруго деформируется в радиальном направлении, и образующие канала надежно фиксируют твэл по всей его длине. Одновременно элементы пространственных спиралей выполняют дистанционирующую роль. Винтообразное исполнение спиралей вносит поперечную составляющую в направление потока теплоносителя, перемешивая его между ячейками увеличивая эффективность теплосъема и препятствуя локальным перегревам. С другой стороны, такая конструкция практически не затеняет твэл, обеспечивая доступ ко всей его поверхности.
Опытный образец дистанционирующей решетки представлен на фиг.4. Образец изготовлен из нержавеющий стали 12Х18Н10Т (ГОСТ 5949-75). Дистанционирующая решетка состоит из 7 каналов диаметром 12 мм для установки твэлов. Каждый канал образован тремя пространственными спиралями, изготовленными из круглого стального прутка диаметром 2 мм, шаг спирали 160 мм. Спирали соседних каналов в местах касания сварены между собой аргонно-дуговой сваркой. По торцам каналов к ним приварены концевые элементы в виде колец. Внутренний диаметр кольца - 12 мм, внешний - 16 мм, высота кольца - 3 мм. Все концевые элементы расположены в одной плоскости и в местах касания сварены между собой, образуя так называемую трубную доску.
Таким образом, предложенное техническое решение по сравнению с прототипом повышает эксплуатационную надежность ТВС из-за улучшения качества крепления твэлов в сборке и формирования оптимальных газодинамических или гидравлических характеристик движения теплоносителя в активной зоне реактора.