ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩАЯ СБОРКА ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА
NUCLEAR REACTOR FUEL ASSEMBLY

Изобретение относится к области ядерной энергетики, а именно - к конструкции тепловыделяющих сборок ядерных реакторов, и направлено на обеспечение эффективного перемешивания теплоносителя с целью улучшения теплоотвода от тепловыделяющих элементов.
Современные отраслевые задачи по повышению энерговыработки на АЭС типа ВВЭР и повышению эффективности использования топлива на АЭС требуют внедрения усовершенствованных топливных циклов. Наиболее простым и эффективным способом увеличения энерговыработки эксплуатирующихся энергоблоков АЭС является повышение их установленной мощности и увеличение длительности работы топливных загрузок, что в настоящее время и реализуется на энергоблоках с ВВЭР. Реализация этих задач сопровождается ужесточением условий эксплуатации тепловыделяющих сборок (повышение мощности, увеличение неравномерностей энерговыделения, увеличения длительности эксплуатации). Требования обеспечения надежной и безопасной эксплуатации при этом возрастают.
Энерговыделение по сечению тепловыделяющей сборки ядерного реактора имеет существенные неравномерности. Это приводит к неравномерному распределению параметров теплоносителя, повышению паросодержания и, соответственно, уменьшению запасов до кризиса теплообмена, особенно во внутренних рядах тепловыделяющих элементов (твэлов) в тепловыделяющей сборке.
Анализ способов повышения запаса до кризиса теплообмена для ВВЭР по работам российских и зарубежных специалистов показывает, что использование в конструкции тепловыделяющей сборки интенсификаторов теплообмена позволяет при выборе оптимальной конструкции и взаимном расположении интенсификаторов и дистанционирующих решеток обеспечить увеличение запаса до кризиса теплообмена на 30-40%, что составляет 10-15% тепловой мощности реактора. Таким образом, исходя из необходимости обеспечения теплофизической надежности тепловыделяющих сборок в условиях эксплуатации при повышенной мощности тепловыделяющих сборок и реактора, становится крайне актуальной задача интенсификации теплообмена в тепловыделяющих сборках за счет внедрения новых элементов конструкции - интенсификаторов теплообмена (перемешивающих решеток).
Известна тепловыделяющая сборка ядерного реактора, содержащая устройство для интенсификации теплообмена теплоносителя по сечению тепловыделяющей сборки (см. патент США №3.862.000, заявлен 31.08.72. МКИ G21C 3/34), представляющее решетку, выполненную из пересекающихся пластин, образующих при пересечении ячейки, снабженные дефлекторами (отклоняющими элементами). Дефлекторы расположены концентрично месту схождения смежных углов соседних топливных сборок и ориентированы в периферийном направлении так, чтобы отклонять в поперечном направлении внутри каждой сборки часть продольного потока теплоносителя.
Недостатком данного устройства тепловыделяющей сборки является пульсация потока теплоносителя от действия циркуляционного насоса, передающаяся на устройство для интенсификации теплообмена теплоносителя. В определенных случаях это может привести как к отгибу, так и к отрыву элементов устройства. Кроме того, решетка данной конструкции является технологически сложной в изготовлении.
Наиболее близкой по технической сути и достигаемому результату к предлагаемому техническому решению является тепловыделяющая сборка ядерного реактора с поперечным сечением в форме правильного шестиугольника, содержащая верхний и нижний хвостовики, направляющие каналы, твэлы, расположенные в узлах треугольной сетки и, по крайней мере, одну решетку, состоящую из неразъемно соединенных между собой ячеек, выполненных в форме трубки, продольная ось которой совпадает с продольной осью твэла (см. патент РФ №2273062, опубл. 27.03.2006, бюл. №9) - прототип.
Недостатком данной конструкции тепловыделяющей сборки является отсутствие возможности эксплуатации на повышенном режиме работы реакторной установки - в пределах 107-110% номинальной мощности из-за невозможности обеспечения безопасности эксплуатации ядерного топлива.
Технической задачей, на решение которой направлено заявленное устройство, является повышение надежности тепловыделяющей сборки, безопасности ядерного реактора и повышение перемешивающих свойств.
Техническим результатом, достигаемым при использовании заявленного устройства, является интенсификация теплообмена потока теплоносителя в тепловыделяющей сборке путем создания вихревых структур в струях теплоносителя.
Указанный технический результат достигается тем, что в известной тепловыделяющей сборке ядерного реактора с поперечным сечением в форме правильного шестиугольника, содержащей верхний и нижний хвостовики, направляющие каналы, твэлы, расположенные в узлах треугольной сетки и, по крайней мере, одну решетку, состоящую из неразъемно соединенных между собой ячеек, выполненных в форме трубки, продольная ось которой совпадает с продольной осью твэла, согласно изобретению, ячейки решетки выполнены в форме профилированной трубки и имеют поперечное сечение в форме шестиугольника, грани которого состоят из среднего и двух крайних участков. По крайней мере, у торцов ячеек со стороны верхнего хвостовика крайние участки граней имеют прогиб, монотонно изменяющийся по величине вдоль продольной оси ячейки. У соседних граней ячейки примыкающие к общей вершине шестиугольника крайние участки имеют противоположное относительно центра ячейки направление прогиба. У контактирующих друг с другом граней смежных ячеек направления прогибов по отношению к центрам собственных ячеек противоположны. Задача решается также и тем, что между ячейками решетки отсутствует зазор.
Указанная совокупность признаков позволяет решить поставленную задачу. При эксплуатации в реакторе тепловыделяющей сборки с треугольным расположением тепловыделяющих элементов предложенный выбор геометрии граней ячеек перемешивающей решетки, содержащих средний и два крайних участка, обеспечивает круговое поступательное движение теплоносителя, проходящего через указанную решетку между гранями ячеек и установленными в ячейки твэлами, с образованием вихря. В двухфазном потоке теплоносителя, содержащем воду и пар, за счет центробежных сил созданного вихря тяжелые частицы потока (вода) отбрасываются на соседние твэлы, разрушая паровую пленку на их поверхности, а легкие частицы (пар) остаются в центре вихря, что в результате увеличивает интенсификацию теплообмена.
Выполнение прогиба на крайних участках, по крайней мере, у торцов ячеек со стороны верхнего хвостовика, монотонно изменяющегося по величине вдоль продольной оси ячейки, позволяет усилить воздействие решетки на поток теплоносителя.
Противоположность направления прогибов по отношению к центрам собственных ячеек у контактирующих друг с другом граней смежных ячеек и прогибов крайних участков соседних граней, примыкающих к общей вершине шестиугольника, обеспечивает создание направления вихрей таким образом, что суммарный момент вихрей, действующий на тепловыделяющую сборку, равен нулю.
Отсутствие зазора между ячейками решетки позволяет минимизировать коэффициент гидравлического сопротивления решетки, увеличить зону распространения созданных вихрей.
В результате достигается максимальный суммарный эффект по интенсификации теплообмена в тепловыделяющей сборке в двухфазном потоке теплоносителя.
На фиг. 1 представлена тепловыделяющая сборка ядерного реактора, общий вид.
На фиг. 2 представлен принцип работы устройства тепловыделяющей сборки (фрагмент).
На фиг. 3 представлена перемешивающая решетка:
а) разрез А-А над перемешивающей решеткой (фрагмент);
б) вид в изометрии (фрагмент).
На фиг. 4 представлена ячейка (вариант), сечение.
На фиг. 5 представлена ячейка (вариант), вид спереди.
На фиг. 6 представлена ячейка, вид в изометрии.
Тепловыделяющая сборка ядерного реактора содержит верхний 1 и нижний 2 хвостовики, направляющие каналы (не показаны), твэлы 3, расположенные в узлах треугольной сетки, по крайней мере, одну перемешивающую решетку 4, состоящую из неразъемно соединенных между собой ячеек 5, выполненных в форме многогранной трубки, продольная ось 6 которой совпадает с продольной осью 7 твэла 3. Между твэлами 3 и ячейками 5 решетки образованы наклонные каналы 8 для прохождения теплоносителя 9, образующего вследствие геометрии ячейки вихрь 10. Поток теплоносителя 9 проходит от верхнего к нижнему хвостовику тепловыделяющей сборки.
Ячейки 5 решетки 4 имеют поперечное сечение в форме шестиугольника, грани 11 которого состоят из среднего 12 и двух крайних 13 участков. По крайней мере, у торцов 14 ячеек 5 со стороны верхнего хвостовика крайние участки 13 граней 11 выполнены с прогибом 15, монотонно изменяющимся по величине вдоль продольной оси 6 ячейки 5.
У соседних граней 11 ячейки 5 примыкающие к общей вершине 16 шестиугольника крайние участки 13 имеют противоположное относительно центра 17 ячейки 5 направление прогиба 15, у контактирующих друг с другом граней 11 смежных ячеек 5 направления прогибов 15 по отношению к центрам 17 собственных ячеек 5 противоположны. Задача решается также и тем, что между ячейками 5 решетки отсутствует зазор.
Для увеличения наклона стенка ячейки 5 с одной стороны имеет вогнутый участок 18, а с другой стороны ячейки 5 на стенке выполнен выпуклый участок 19.
В качестве примера приведена тепловыделяющая сборка ядерного реактора, в которой решетка предлагаемой конструкции устанавливается перпендикулярно продольной оси тепловыделяющей сборки и закрепляется на продольных силовых элементах, например, направляющих каналах. При этом в местах прохождения направляющих каналов сквозь решетку ячейки могут быть пропущены.
Твэлы 3 проходят сквозь перемешивающую решетку 4 внутри ячеек 5, при этом между ячейками 5 и твэлами 3 образуются наклонные каналы 8. Во время работы тепловыделяющей сборки в реакторе теплоноситель 9 поступает в тепловыделяющую сборку и нагревается за счет энерговыделения твэлов 3. Теплоноситель 9, проходя через ячейки 5 и наклонные каналы 8, вовлекается в круговое поступательное движение и образует вихрь 10. В двухфазном потоке теплоносителя, содержащем воду и пар, за счет центробежных сил тяжелые частицы потока (вода) отбрасываются на соседние твэлы 3, разрушая паровую пленку на их поверхности, а легкие частицы (пар) остаются в центре вихря 10, что в результате увеличивает интенсификацию теплообмена.
Выполнение соседних граней 11 ячейки 5 с крайними участками 13, примыкающими к общей вершине 16 шестиугольника, имеющими противоположное относительно центра 17 ячейки 5 направление прогиба 15, а контактирующих друг с другом граней 11 смежных ячеек 5 - с противоположным направлением прогибов 15 по отношению к центрам 17 собственных ячеек 5 обеспечивает исключение крутящего момента, передаваемого на тепловыделяющую сборку от решетки, так как образующиеся в результате смежные вихри имеют противоположное направление вращения.
Выполнение вогнутого участка 18 с одной стороны стенки ячейки 5 и выпуклого участка 19 с другой стороны стенки ячейки 5 обеспечивает величину наклона граней ячейки оптимальных размеров с точки зрения отклонения потока теплоносителя 9 и образования вихря 10.
Установка ячеек 5 в перемешивающей решетке 4 без зазоров обеспечивает минимизацию коэффициента гидравлического сопротивления.
Настоящее изобретение промышленно применимо и может быть использовано при изготовлении тепловыделяющих сборок ядерных энергетических реакторов, обладающих повышенной безопасностью за счет снижения неравномерности параметров теплоносителя в тепловыделяющей сборке и активной зоне, с возможностью повышения мощности реактора за счет увеличения запасов до критических параметров теплоносителя.