РАБОЧАЯ КАССЕТА ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА ТЕПЛОВОЙ МОЩНОСТЬЮ ОТ 1150 МВт ДО 1700 МВт (ВАРИАНТЫ)
WORKING HOLDER FOR NUCLEAR REACTOR WITH THERMAL POWER BETWEEN 1150 MW AND 1700 MW (VERSIONS)

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к атомной энергетике, в частности к конструкциям рабочих кассет активных зон ядерных энергетических реакторов тепловой мощностью от 1150 МВт до 1700 МВт, особенно для усовершенствования и модернизации действующих активных зон реакторов типа ВВЭР-440.
Уровень техники
Известна рабочая кассета, которая может быть использована для формирования активной зоны реактора ВВЭР-440 (RU 2126999, G21C 1/04, 27.02.1999 г.). Рабочая кассета содержит от 216 до 270 стержневых тепловыделяющих элементов (твэлов), имеющих наружный диаметр оболочки от 5,85 мм до 6,17 мм и/или от 6,66 мм до 6,99 мм. Шаг установки тепловыделяющих элементов по треугольной решетке в рабочей кассете и их диаметр выбраны исходя из условия обеспечения величины водоуранового отношения от 1,6 до 2,0. Известная рабочая кассета обладает повышенной работоспособностью, как в нормальных условиях эксплуатации, так и в аварийных режимах. Активная зона реактора ВВЭР-440, сформированная из таких рабочих кассет, позволяет расширить диапазон маневрирования мощностью реактора, повысить выгорание ядерного топлива. В данной рабочей кассете снижена также вероятность разгерметизации тепловыделяющих элементов, что обусловлено использованием тепловыделяющих элементов с диаметром меньшим, чем диаметр штатных тепловыделяющих элементов.
Известна также рабочая кассета для серийного реактора ВВЭР-440, содержащая чехол, гексагональный пучок тепловыделяющих элементов, размещенный в расположенных по длине кассеты дистанционирующих решетках, головную и хвостовую части кассеты (Шмелев В.Д., Драгунов Ю.Г., Денисов В.П., Васильченко И.Н. Активные зоны ВВЭР для атомных электростанций, ИКЦ «Академкнига», М., 2004 г., с.37-40).
Известная рабочая кассета, используемая для формирования активных зон реакторов типа ВВЭР-440, состоит из 126 стержневых тепловыделяющих элементов диаметром 9,1 мм, которые размещены в полости шестигранного чехла, с концами которого соединены головка и хвостовик кассеты. Тепловыделяющие элементы закреплены на нижней опорной решетке и дистанционируются в пучок с шагом 12,2 мм посредством одиннадцати сотовых дистанционирующих решеток, предварительно сформированных в каркас на центральной трубе. Конструкция рабочей кассеты обеспечивает аксиальные смещения гексагональных дистанционирующих решеток по центральной трубе и тепловыделяющих элементов в ячейках дистанционирующих решеток, что необходимо для компенсации неравномерности температурных и радиационных удлинений твэлов, возникающих в процессе эксплуатации.
Наличие чехла вносит «паразитный» металл в активную зону, ухудшает условия теплообмена в аварийных ситуациях, связанных с потерей теплоносителя и пр.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к настоящему изобретению является рабочая кассета ядерного реактора тепловой мощностью от 1150 МВт до 1700 МВт, содержащая хвостовую и головную части, соединенные каркасом, выполненным из опорных угловых элементов, соединенных контактной сваркой с дистанционирующими решетками, набранными из ячеек, установленных по треугольной сетке с образованием вокруг центральной трубы коаксиальных шестиугольных рядов (RU 2234752, G21C 3/30 20.08.2004).
В известной конструкции рабочей кассеты головная часть, хвостовая часть и дистанционирующие решетки жестко соединены с опорными угловыми элементами, выполненными из циркониевого сплава, причем ширина d луча пластины выбрана от 0,117·Н до 0,177·Н, где Н - размер рабочей кассеты «под ключ». Наличие опорных угловых элементов повышает жесткость каркаса рабочей кассеты. Однако экспериментальная отработка конструкции известной тепловыделяющей сборки показала, что угловые опорные элементы, в основном, выполняют функцию направляющих, обеспечивающих перемещение кассет АРК без зацепления дистанционирующих решеток рабочих кассет. В то же время ажурные дистанционирующие решетки, не обладающие необходимой изгибной жесткостью, при взаимодействии с пучком твэлов испытывают реверсивный изгиб, в результате чего прочность каркаса кассеты и изгибная жесткость рабочей кассеты оказываются недостаточными для обеспечения требуемого ресурса кассет в условиях эксплуатации.
Таким образом, наличие опорных угловых элементов не обеспечивает достаточной жесткости рабочей кассеты, не имеющей чехла.
Раскрытие изобретения
Задачей настоящего изобретения является создание и разработка рабочей кассеты ядерного реактора тепловой мощностью от 1150 МВт до 1700 МВт, обладающей улучшенными характеристиками.
U
В результате решения данной задачи могут быть получены новые технические результаты, заключающиеся в том, что повышается жесткость и прочность конструкции рабочей кассеты в целом, снижается неравномерность энерговыделения по объему рабочей кассеты, улучшается эффективность использования топлива за счет повышения водоуранового отношения и обеспечивается геометрическая стабильность кассеты, что особенно важно при реализации топливных циклов с глубоким (до 65-70 МВт·сут/кг) выгоранием топлива.
Указанные технические результаты по первому варианту настоящего изобретения достигаются тем, что в рабочей кассете ядерного реактора тепловой мощностью от 1150 МВт до 1700 МВт, содержащей хвостовую и головную части, соединенные каркасом, выполненным из опорных угловых элементов, соединенных контактной сваркой с дистанционирующими решетками, набранными из ячеек, установленных по треугольной сетке с образованием вокруг центральной трубы коаксиальных шестиугольных рядов, во втором, или третьем, или четвертом от центра ряду вместо ячеек установлены с равным угловым шагом вокруг оси центральной трубы три или шесть каркасных труб, соединенных с хвостовой частью и соседними ячейками.
Отличительная особенность по первому варианту настоящего изобретения состоит в том, что во втором, или третьем, или четвертом от центра ряду вместо ячеек установлены с равным угловым шагом вокруг оси центральной трубы три или шесть каркасных труб, соединенных с хвостовой частью и жестко соединенных с соседними ячейками. В результате существенно повышается прочность и жесткость конструкции рабочей кассеты за счет замены тепловыделяющих элементов и соответствующих ячеек во втором, или третьем, или четвертом от центра ряду на каркасные трубы.
Указанные технические результаты по второму варианту настоящего изобретения достигаются тем, что в рабочей кассете ядерного реактора тепловой мощностью от 1150 МВт до 1700 МВт, содержащей хвостовую и головную части, соединенные каркасом, выполненным из опорных угловых элементов, соединенных контактной сваркой с дистанционирующими решетками, набранными из ячеек, установленных по треугольной сетке с образованием вокруг центральной трубы коаксиальных шестиугольных рядов, в углах третьего и четвертого или третьего и второго от центра рядов вместо ячеек установлены по три равноудаленные друг от друга каркасные трубы, соединенных с хвостовой частью и соседними ячейками, расположенные с угловым шагом 60 градусов вокруг оси центральной трубы.
Отличительная особенность по второму варианту настоящего изобретения состоит в том, что в углах третьего и четвертого или третьего и второго от центра рядов вместо ячеек установлены по три равноудаленные друг от друга каркасные трубы, соединенные с хвостовой частью и жестко соединенные с соседними ячейками, расположенные с угловым шагом 60 градусов вокруг оси центральной трубы.
Указанные технические результаты по третьему варианту настоящего изобретения достигаются тем, что в рабочей кассете ядерного реактора тепловой мощностью от 1150 МВт до 1700 МВт, содержащей хвостовую и головную части, соединенные каркасом, выполненным из опорных угловых элементов, соединенных контактной сваркой с дистанционирующими решетками, набранными из ячеек, установленных по треугольной сетке с образованием вокруг центральной трубы коаксиальных шестиугольных рядов, в углах или серединах сторон четвертого и второго от центра рядов вместо ячеек установлены по три равноудаленные друг от друга каркасные трубы, соединенные с хвостовой частью и соседними ячейками, расположенные с угловым шагом 60 градусов вокруг оси центральной трубы.
Отличительная особенность по третьему варианту настоящего изобретения состоит в том, что в углах или серединах сторон четвертого и второго от центра рядов вместо ячеек установлены по три равноудаленные друг от друга каркасные трубы, соединенные с хвостовой частью и жестко соединенные с соседними ячейками, расположенные с угловым шагом 60 градусов вокруг оси центральной трубы.
Отличительной особенностью каждого из вариантов является выбор места установки каркасных труб. Если каркасные трубы располагать в первом от центра ряду, повышение жесткости каркаса в целом практически отсутствует, а имеет место незначительное усиление центральной области кассеты. Если каркасные трубы устанавливать в углах или серединах сторон пятого или шестого рядов, повышение жесткости каркаса в целом также практически отсутствует, а имеет место незначительное усиление периферийной области рабочей кассеты.
При этом установка каркасных труб в центральной или периферийной областях рабочей кассеты приводит к неравномерности водоуранового отношения по поперечному сечению рабочей кассеты, что вызывает неоднородность энерговыделения по поперечному сечению рабочей кассеты.
Для первого варианта предпочтительно установить каркасные трубы в углах второго, или третьего, или четвертого ряда или в серединах сторон второго или четвертого ряда.
Для всех вариантов настоящего изобретения:
- предпочтительно, ширину d луча опорного углового элемента выбрать от 1,71·t до 1,91·t, где t - шаг треугольной сетки;
- предпочтительно шаг t треугольной сетки выбрать от 12,55 мм до 12,65 мм;
- предпочтительно каркас соединить с головной частью посредством разборного соединения;
- предпочтительно в качестве разборного соединения использовать резьбовое соединение в виде винтов, резьбовая часть которых взаимодействует с ответной резьбой, выполненной в головной части кассеты;
- предпочтительно каркасные трубы и опорные угловые элементы выполнить из циркониевого сплава Э635;
- предпочтительно каркасные трубы выполнить с возможностью заполнения их полости теплоносителем;
- предпочтительно для соединения каркасных труб с соседними ячейками использовать сварку, а с хвостовой частью - сварку или резьбу или цангу.
Анализ решений, известных из предшествующего уровня техники, не выявил устройства, совпадающего с вариантами по настоящему изобретению по всей совокупности существенных признаков, включенных в независимые пункты формулы изобретения, что свидетельствует о том, что настоящее изобретение соответствует условию патентоспособности «новизна».
Из уровня техники известна тепловыделяющая сборка ядерного реактора, содержащая часть признаков, сходных с признаками описываемого изобретения - RU 2093906, C1, G21C 3/30, 1997 г. Известная рабочая кассета предназначена для использования в ядерном реакторе с тепловой мощностью 3000 МВт. Общими признаками известного и настоящего изобретений являются признаки, касающиеся наличия опорных элементов в виде угловых пластин, выполненных из циркониевого сплава и жестко соединенных с хвостовой частью и дистанционирующими решетками, а также наличия полых труб (направляющих каналов). Однако в известном решении опорные угловые пластины (элементы) не соединены с головной частью, что не позволяет использовать их в качестве единого каркаса для пучка тепловыделяющих элементов и кассеты в целом. В известном устройстве жесткость кассеты формируют угловые опорные элементы, а направляющие каналы не оказывают существенного влияния на формирование жесткости, так как они не имеют жесткого соединения с дистанционирующими решетками. Таким образом, вся совокупность отличительных признаков настоящего изобретения из уровня техники неизвестна, а известные признаки не позволяют получить результат, заключающийся в повышении жесткости конструкции рабочей кассеты в целом, увеличения использования топлива за счет улучшения водоуранового отношения по поперечному сечению кассеты и обеспечения геометрической стабильности кассеты, что особенно важно при реализации топливных циклов с глубоким выгоранием топлива. Поэтому настоящее изобретение соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень».
Перечень чертежей
На фиг.1 изображен общий вид тепловыделяющей сборки ядерного реактора, на фиг.2 показан первый вариант сечения А-А на фиг.1, на фиг.3 показан второй вариант сечения А-А на фиг.1, на фиг.4 показан третий вариант сечения А-А на фиг.1, на фиг.5 показан четвертый вариант сечения А-А на фиг.1, на фиг.6 показан пятый вариант сечения А-А на фиг.1, на фиг.7 показан шестой вариант сечения А-А на фиг.1, на фиг.8 показан седьмой вариант сечения А-А на фиг.1, на фиг.9 показан восьмой вариант сечения А-А на фиг.1, на фиг.10 показан девятый вариант сечения А-А на фиг.1, на фиг.11 показан десятый вариант сечения А-А на фиг.1, на фиг.12 изображена каркасная труба.
Осуществление изобретения
Рабочая кассета ядерного реактора тепловой мощностью от 1150 МВт до 1700 МВт содержит центральную трубу 1 и пучок 2 тепловыделяющих элементов 3, размещенный в расположенных по длине рабочей кассеты гексагональных дистанционирующих решетках 4 (см. фиг.1-3). Шаг размещения тепловыделяющих элементов 3 в пучке 2 выполнен от 12,55 до 12,65 мм. Каркас рабочей кассеты включает шесть опорных угловых элементов 5, девять дистанционирующих решеток 4, шестигранную обечайку 6 и каркасные трубы 7. Гексагональные дистанционирующие решетки 4 включают ячейки 8, установленные по треугольной сетке с образованием вокруг центральной трубы 1 коаксиальных шестиугольных рядов (см. фиг.2-11). Во втором, или третьем, или четвертом от центра ряду установлены с равным угловым шагом вокруг оси центральной трубы три (см. фиг.2, 4, 6) или шесть (см. фиг.3, 5, 7) каркасных труб 7, жестко соединенных с соседними ячейками 8 контактно-точечной сваркой. В других вариантах рабочей кассеты шесть каркасных труб 7, жестко соединенных контактно-точечной сваркой с соседними ячейками 8, установлены поочередно в углах третьего и четвертого от центра рядов (см. фиг.8), или в углах третьего и второго от центра рядов (см. фиг.9), или в углах четвертого и второго от центра рядов (см. фиг.10), или в серединах сторон четвертого и второго рядов (см. фиг.11).
Каркасная труба (см. фиг.12) представляет собой циркониевую трубу 11 со стальным наконечником 12 в нижней части. В наконечнике 12 выполнены отверстия 13 для обеспечения прохода теплоносителя через полости каркасных труб при эксплуатации кассеты, что приводит к улучшению водоуранового отношения кассеты, поскольку полые каркасные трубы установлены вместо тепловыделяющих элементов. Наконечник 12 выполнен с возможностью фиксации посредством приварки, резьбового или цангового соединения в стальной нижней решетке 14 хвостовой части 15 кассеты. В качестве материала трубы 11 использован циркониевый сплав Э635.
На наружной поверхности шестигранной обечайки 6, в местах крепления опорных угловых элементов 5 имеются углубления, необходимые для обеспечения не выступания опорных угловых элементов над поверхностью шестигранной обечайки. В центре каждой грани обечайки выполнено сквозное отверстие 16 для прохода винтов 17. Головная и хвостовая части рабочей кассеты жестко соединены с опорными угловыми элементами 5 винтовыми соединениями, причем резьбовая часть винтов взаимодействует с ответной резьбой, выполненной в хвостовой и головной частях кассеты. Кроме того, винтовое соединение головной части выполнено разборным, а хвостовой части выполнено неразборным.
Опорные угловые элементы 5 изготовлены из циркониевого листа сплава Э635, а по центру каждой из сторон опорного углового элемента с конца крепления к хвостовой части 15 выполнены сквозные отверстия 19. Ширина d луча опорного углового элемента 5 выбрана от 1,71·t до 1,91·t, где t - шаг треугольной сетки, составляющий от 12,55 мм до 12,65 мм. Опорные угловые элементы 5 соединены с ободами 20 дистанционирующих решеток 4 посредством контактно-точечной сварки. Причем на опорных угловых элементах 5 в пролетах между дистанционирующими решетками 4 и хвостовой частью 15 выполнены ребра жесткости в виде отбортовок, отогнутых внутрь рабочей кассеты под углом 90° к опорным угловым элементам.
Головная часть 18 выполнена из нержавеющей стали и снабжена шестью подпружиненными упорами 21, удерживающими рабочую кассету от всплытия и служащими компенсаторами тепловых расширений и технологических допусков внутрикорпусных устройств реактора.
Хвостовая часть 15 кассеты изготовлена из нержавеющей стали и предназначена для установки рабочей кассеты в днище корзины реактора и опирается шаровой поверхностью 22 на конусную часть гнезда. Для ориентации в плане хвостовая часть 15 снабжена фиксирующим пальцем 23, а в днище корзины выполнен соответствующий паз. Целесообразно установить посредством сварки на внутренней конической поверхности хвостовой части 15 рабочей кассеты антидебрисный фильтр 24, состоящий, например, из набора концентрических колец.
Количество тепловыделяющих элементов в кассете составляет от 120 до 123, а размер под ключ кассеты равен 145,5 мм.
Эксплуатация рабочей кассеты по настоящему изобретению осуществляется известным (штатным) способом. Холодный теплоноситель подается в нижнюю часть активной зоны реактора и, протекая снизу вверх внутри рабочих кассет, омывает поверхность тепловыделяющих элементов 3 и таким образом осуществляет теплосъем с ядерного топлива, размещенного в тепловыделяющих элементах. Тепловыделяющая сборка в соответствии с настоящим изобретением может быть изготовлена с использованием известных технологий на известном оборудовании и не требует создания специальных средств и оснастки.
U
Описанная рабочая кассета позволяет повысить прочность кассеты при осевых нагрузках, что особенно важно при операциях перегрузки рабочих кассет. Дело в том, что при извлечении кассеты из активной зоны к головной части кассеты может быть приложена осевая нагрузка N≈20000 Н, которая через шестигранную обечайку, а затем через сварные точки передается на обод верхней дистанционирующей решетки, от которого нагрузка передается через сварные точки на опорные угловые элементы и верхнюю решетку, которая, в свою очередь, нагружает каркасные трубы. Расчетно-экспериментальное обоснование заявляемой кассеты показало, что применение каркасных труб позволяет перераспределить нагрузку между опорными угловыми элементами и каркасными трубами и обеспечить необходимую прочность кассеты, в том числе в топливных циклах с глубоким (до 65-70 МВт·сут/кг) выгоранием топлива. В заявляемой кассете также повышается эффективность использования топлива за счет увеличения водоуранового отношения. Из расчетов следует, что водоурановое отношение увеличивается на 4,3% (с 1,86 до 1,94) при установке трех каркасных труб и на 8,6% (с 1,86 до 2,02) при установке шести каркасных труб. Расчетные исследования оценки длительности топливного цикла и выгорания топлива при использовании заявляемой конструкции рабочей кассеты показали, что использование шести циркониевых каркасных труб дает прирост выгорания, то есть наибольшую энерговыработку на 1 кг урана ~6%, а увеличение длительности цикла составляет ~6,5%. Причем наличие в конструкции кассеты пустотелых каркасных труб позволяет осуществлять спектральное регулирование реактивности в активной зоне, что, в свою очередь, также позволяет увеличить глубину выгорания топлива и/или продолжительность кампании. Сопоставительные расчеты стационарного цикла показали, что использование шести каркасных труб с циркониевыми вытеснителями, извлекаемыми после первого года эксплуатации, увеличивает длительность работы топливной загрузки от 0,4 до 0,8 эфф. суток.