Тепловыделяющая сборка ядерного реактора
NUCLEAR REACTOR FUEL ASSEMBLY

Изобретение относится к атомной энергетике, а именно к тепловыделяющим сборкам (ТВС) ядерных реакторов типа ВВЭР (ВВЭР-440, ВВЭР-1000 и т.п.).
Из уровня техники известна конструкция ТВС ядерных реакторов ВВЭР-440, ВВЭР-1000 (см. Кириллов П.Л. и др. Справочник по теплогидравлическим расчетам (ядерные реакторы, теплообменники, парогенераторы. М.: Энергоатомиздат, 1990, рис. П.8.1, П.8.3 и П.8.5, с. 317-319), рабочая кассета (РК) которой состоит из пучка твэлов 1, закрепленных в несущей нижней решетке (HP) 7, имеющей круглые отверстия, предназначенные для закрепления твэлов и центральной трубы (ЦТ) 6 и фигурные отверстия для прохода теплоносителя, и соединенных между собой дистанционирующими решетками (ДР) 2, закрепленными на ЦТ. HP соединяется с хвостовиком 4 с помощью уголков 3 и сварки и подкрепляется ребром 8, приваренным к верхней части хвостовика 4. В ТВСА ВВЭР-1000 ДР крепятся дополнительно к уголкам, прикрепленным винтами к хвостовику, HP соединяется с хвостовиком с помощью пластин и сварки и подкрепляется ребрами, приваренными к хвостовику. Во всех конструкциях ТВС имеется головка 5 для обеспечения загрузки-выгрузки ТВС.
Из уровня техники известна ТВС ядерного реактора ВВЭР-440, HP которой шестиугольной формы, имеет 126 круглых отверстий 9 для установки твэлов, центральное отверстие 10 для установки центральной трубы и 102 отверстия в форме «гантели» для прохода теплоносителя (см. Дементьев Б.Д. Ядерные энергетические реакторы. М.: Энергоатомиздат, 1990, с. 31-35). Несущая решетка РК-3 ВВЭР-440 имеет дополнительно круглые отверстия для установки несущих труб (НТ).
Аналогичную конструкцию имеет несущая решетка ТВС ВВЭР-1000, которая дополнительно имеет круглые отверстия для установки направляющих каналов (НК).
Известна тепловыделяющая сборка ядерного реактора (ТВСА ВВЭР-1000), содержащая антидебризный фильтр (АДФ), установленный в хвостовике и представляющий собой густо перфорированную плоскую пластину с цилиндрическими отверстиями формы «шеврон», шириной 2 мм (RU 2264666, опубл. 20.11.2005)
Данная конструкция АДФ была исследована в ОАО «ЭНИЦ» и результаты исследований были представлены на 7-ой МНТК «Безопасность, эффективность и экономика атомной энергетики», Москва, 26-27 мая 2010 г. в докладе «Экспериментальное исследование эффективности антидебрисных фильтров кассет ВВЭР-1000», согласно которым ее эффективность достигает ~80%.
При этом, однако, увеличивается и перепад давления теплоносителя на входном участке ТВС в 1,45…1,65 раза по сравнению с перепадом давления на HP.
Важным свойством современных конструкций ТВС как ВВЭР-440, так и ВВЭР-1000 является ремонтопригодность - возможность замены отказавшего твэла на новый или имитатор-вытеснитель. В связи с большим количеством твэлов в ТВС: 126 в ТВС ВВЭР-440 и 312 в ТВС ВВЭР-1000 - это дает существенный экономический эффект.
Предполагалось, что такая операция может быть выполнена путем вытаскивания отказавшего твэла за верхнюю заглушку. Однако исследования, проведенные в НИИАР, показали, что вероятность извлечения отказавшего твэла таким способом составляет ~50%, т.к. дефекты оболочки отказавшего твэла могут привести к его разрушению при попытке извлечения, что из-за радиационной опасности недопустимо на АЭС.
Чтобы повысить вероятность извлечения отказавшего твэла, было предложено перед вытаскиванием страгивать твэл путем механического воздействия на нижнюю заглушку твэла, однако наличие АДФ ограничивает доступ снизу к заглушкам твэлов и тем самым исключает возможность ремонта ТВС.
Наиболее близким аналогом предлагаемой является ТВСА, оснащенная нижней решеткой (RU 2473989, 27.03.2013) с фильтрующими свойствами (НРФ), имеющей отверстия для прохода теплоносителя цилиндрической формы с поперечным сечением в форме вытянутых прямоугольников.
За счет аналогичной испытанным ранее известным АДФ конфигурации проливных пазов данная НРФ имеет эффективность задержания криволинейных debris-частиц ~80%. При этом экспериментально определенный коэффициент гидравлического сопротивления (КГС) ее соизмерим с КГС HP, что является положительным фактором.
Однако известные конструкции АДФ и НРФ при их довольно высокой эффективности по отношению к криволинейным debris-предметам практически неэффективны против debris-предметов в форме прямолинейных стержней и плоских предметов любой длины, имеющих толщину менее 2 мм.
Задачей настоящего изобретения является снижение количества отказов ТВС при эксплуатации, повышение надежности и работоспособности ТВС.
Одной из важных задач, определяющих надежность ТВС, является снижение уровня вибрации твэлов на входе в пучок твэлов, где возникают поперечные перетечки теплоносителя вследствие изменения конфигурации сечения теплоносителя при входе его в пучок из HP, приводившие в ряде случаев к истиранию оболочек твэлов в процессе эксплуатации.
Задача была решена, в том числе, с помощью установки под плиту HP подкрепляющих ребер, увеличивающих жесткость опорного узла и тем самым снижающим уровень вибрации твэлов на входном участке ТВС.
Трудноразрешимой проблемой при изготовлении ТВС является установка подкрепляющих ребер под HP, при которой необходимо исключить зазоры между плитой HP и ребрами для эффективного их влияния на жесткость нижнего опорного узла. Для ее решения необходима индивидуальная подгонка ребер и плиты, которая выполнялась вручную, однако наличие зазоров практически устранить невозможно.
Другая сторона проблемы заключается в обеспечении при приварке собранного пучка твэлов с HP, имеющей приваренные к ней уголки или пластины, соосности с хвостовиком, имеющим установленными в его верхней части подкрепляющие ребра. В случае существенной несоосности возможно затирание ТВС в AЗ или хвостовика в гнезде реактора при ТТО, что неоднократно наблюдалось на практике.
Для решения этой проблемы предлагается объединить HP, соединительные уголки или пластины и подкрепляющие ребра в одну деталь, изготавливаемую с помощью аддитивной технологии.
В этом случае подкрепляющие ребра гарантированно соединены с плитой HP без зазора и выполняют полностью свою функцию. Не требуется изготовление и сварка соединительных уголков и пластин с HP, что фиксирует соединительные их поверхности с хвостовиком с большой точностью и значительно уменьшает несоосность пучка и хвостовика ТВС.
Одновременно предлагается придать HP антидебризные свойства и повысить эффективность задержания посторонних предметов в теплоносителе за счет изгиба отверстий для прохода теплоносителя в окружном направлении вокруг круглых отверстий, предназначенных для установки твэлов, ЦТ, НК или НТ до обеспечения их непрозрачности в направлении продольной оси ТВС. При этом не будет увеличения КГС НРФ и ТВС в целом, т.к. будет исключен АДФ как отдельный конструктивный элемент.
Техническим результатом изобретения является создание более надежной и работоспособной конструкции ТВС с НРФ лабиринтного типа, обладающей повышенной эффективностью по отношению к улавливанию debris-предметов прямолинейной формы.
Данный технический результат достигается тем, что в тепловыделяющей сборке ядерного реактора, содержащей пучок твэлов, закрепленных в нижней решетке, имеющей круглые отверстия 9-10, предназначенные для установки твэлов, центральной трубы, направляющих каналов или несущих труб и фигурные отверстия для прохода теплоносителя, соединенной с помощью конструктивных элементов типа уголков 3 или пластин с хвостовиком, имеющим подпирающие нижнюю решетку ребра 8, и фильтр для задержания посторонних предметов в теплоносителе, фильтр, нижняя решетка, подпирающие пластины и соединительные элементы нижней решетки с хвостовиком выполнены с помощью аддитивной технологии в виде одной детали, имеющей отверстия для прохода теплоносителя криволинейной формы 11, расположенные равномерно относительно осей круглых отверстий, изогнутые в окружном направлении до обеспечения их непрозрачности в направлении продольной оси тепловыделяющей сборки, и соединенной с хвостовиком 4 посредством сварки.
При этом отверстия для прохода теплоносителя имеют ширину не более 2 мм, что определяется техническими требованиями.
Если профиль отверстий для прохода теплоносителя имеет форму ломаной прямой, угол наклона отверстия в нижней половине, на входе теплоносителя в НРФ, при котором обеспечивается наибольшая эффективность НРФ определяется соотношением α=arctg(4δ/h), где δ - ширина канала, h – высота НРФ.
Наиболее предпочтительным является угол 15°…25° по отношению к оси ТВС для обеспечения минимального гидравлического сопротивления НРФ предлагаемой ТВС при высокой эффективности задержания debris-частиц.
Хвостовик также может быть выполнен с использованием аддитивной технологии из нержавеющей стали.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг. 1 изображена предлагаемая ТВС ВВЭР-440.
На фиг. 2 изображен опорный узел предлагаемой ТВС для ВВЭР-440.
На фиг. 3 изображен хвостовик предлагаемой ТВС ВВЭР-440.
На фиг. 4 изображен фрагмент НРФ предлагаемой ТВС.
На фиг. 5 изображены отверстия для прохода теплоносителя через НРФ предлагаемой ТВС.