ДИСТАНЦИОНИРУЮЩАЯ РЕШЕТКА ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩЕЙ СБОРКИ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА, ИМЕЮЩАЯ СТРУКТУРУ ПРОСТОЙ ФОРМЫ
SPACER GRID OF THE FUEL ASSEMBLY OF A NUCLEAR REACTOR, HAVING A STRUCTURE OF A SIMPLE SHAPE

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННУЮ ЗАЯВКУ
Настоящая заявка заявляет приоритет заявки на корейский патент № 10-2019-0126782, поданной 14 октября 2019 г., полное содержание которой включено в настоящий документ для всех целей посредством данной ссылки.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к дистанционирующей решетке тепловыделяющей сборки ядерного реактора, которая может быть изготовлена за счет использования 3D-печати с высокой степенью свободы при проектировании с исключением технологии обработки и сварки листовых металлов.
Описание существующего уровня техники
Ядерное топливо, используемое в ядерном реакторе, изготовлено из стержневых тепловыделяющих элементов за счет предоставления обогащенного урана в виде цилиндрических таблеток заданного размера, а затем загрузки нескольких таблеток в оболочку. Далее несколько стержневых тепловыделяющих элементов, как описано выше, образуют тепловыделяющую сборку и загружаются в активную зону, а затем сжигаются в процессе ядерных реакций.
В целом, тепловыделяющая сборка ядерного реактора содержит несколько стержневых тепловыделяющих элементов, расположенных в осевом направлении; несколько дистанционирующих решеток, расположенных в поперечном направлении стержневых тепловыделяющих элементов для поддержки стержневых тепловыделяющих элементов; несколько направляющих труб, прикрепленных к дистанционирующим решеткам для образования каркаса сборки; и головку и хвостовик, которые поддерживают соответственно верхний и нижний концы направляющей трубы.
Дистанционирующая решетка представляет собой один из главных компонентов тепловыделяющей сборки ядерного реактора, который ограничивает поперечные перемещения стержневого тепловыделяющего элемента и предотвращает осевые перемещения за счет силы трения для сохранения расположения стержневого тепловыделяющего элемента. Подобные дистанционирующие решетки различаются по форме и количеству в зависимости от типа и конструкции реактора. Однако дистанционирующие решетки подразделяются на защитную дистанционирующую решетку, нижнюю дистанционирующую решетку, верхнюю дистанционирующую решетку и промежуточные дистанционирующие решетки в соответствии с положением в сборке относительно стержневого тепловыделяющего элемента. В дополнение, дистанционирующие решетки имеют одинаковую структуру, в которой предусмотрена ячейка решетки, состоящая из нескольких пластин решетки, вертикально собранных для пересечения друг с другом таким образом, что стержневой тепловыделяющий элемент вставляется и располагается в ней.
В частности, несколько промежуточных дистанционирующих решеток, которые составляют большую долю дистанционирующих решеток, расположены между нижней дистанционирующей решеткой и верхней дистанционирующей решеткой. Соответственно несколько промежуточных дистанционирующих решеток составляют каркас тепловыделяющей сборки для сохранения механических свойств стержневых тепловыделяющих элементов и, наряду с выполнением функции опоры для стержневых тепловыделяющих элементов, выполняет функцию перемешивания воды для охлаждения первичного контура, таким образом тепло, генерируемое урановыми таблетками, передается в воду для охлаждения первичного контура через стержневой тепловыделяющий элемент (оболочку). Кроме того, промежуточные дистанционирующие решетки представляют собой главные компоненты для определения сейсмической устойчивости ядерного топлива, и динамическая ударопрочность промежуточных дистанционирующих решеток представляет собой главный параметр, включенный в расчеты сейсмической устойчивости ядерного топлива.
В частности, в ячейке решетки каждой из дистанционирующих решеток предусмотрены пружины решетки для упругой поддержки стержневого тепловыделяющего элемента и углубления для ограничения изменений в горизонтальном направлении стержневого тепловыделяющего элемента. В настоящем изобретении пружины решетки и углубления обеспечены за счет обработки листовых металлов пластин решетки, которые образуют каждую из ячеек решетки. В целом, каждая из пружин решетки и каждое из углублений предусмотрены на двух из четырех поверхностей каждой ячейки решетки, которые соответственно обращены друг к другу, вследствие чего стержневой тепловыделяющий элемент в каждой ячейке решетки упруго поддерживается двумя пружинами решетки.
В процессе производства дистанционирующей решетки каждую из внутренних пластин решетки и наружных пластин решетки, обеспеченных за счет обработки листовых металлов пластин, собирают и фиксируют на предусмотренном отдельно сварочном приспособлении, и затем свариваемые вкрест части внутренних пластин решетки, стыки внутренних и наружных пластин решетки и муфтовые соединения облучают лазерными лучами, вследствие чего выполняют лазерную сварку с плавлением и соединением основного металла.
С другой стороны, дистанционирующая решетка оснащена перемешивающей лопастью, предоставленной с выступанием в направлении вниз по потоку воды для охлаждения, и при этом перемешивающая лопасть имеет форму, за счет которой окружает периферию стержневого тепловыделяющего элемента, и служит для способствования передаче тепла за счет перемешивания воды для охлаждения вокруг стержневого тепловыделяющего элемента. В целом, перемешивающая лопасть имеет заданную форму для изменения направления воды для охлаждения и перемешивания воды для охлаждения за счет прохождения до верхнего конца пластины решетки. В результате, характер перемешивания воды для охлаждения определяется в соответствии с размером, формой, углом сгиба и положением перемешивающей лопасти.
Как описано выше, процесс изготовления традиционной дистанционирующей решетки включает серию процессов, таких как процесс подготовки листовых металлов, процесс сварки и т. п. В дополнение, в процессе конструирования технология геометрического конструирования, например, перемешивающей лопасти для обеспечения динамической ударопрочности для сейсмической устойчивости и для перемешивания воды для охлаждения является довольно сложной.
Процесс изготовления дистанционирующей решетки из известного уровня техники является стабилизированной технологией, но, как описано выше, поскольку необходимо выполнение нескольких производственных этапов, возникает множество ограничений при геометрическом конструировании дистанционирующей решетки. В частности, что касается дистанционирующей решетки из известного уровня техники, пружины решетки и углубления обеспечены за счет обработки листовых металлов пластин дистанционирующей решетки, и, следовательно, формы и количество пружин решетки и углублений, которые могут быть спроектированы в каждой ячейке решетки, ограничены, что, таким образом, ограничивает степень свободы при проектировании.
В связи с этим утверждается, что ударопрочность дистанционирующих решеток в значительной степени снижается в конце срока службы (EOL). Следовательно, даже при разработке будущих видов топлива и разработке топлива с длиной активного стержневого тепловыделяющего элемента, составляющей 14 футов, учитывая высокое выгорание топлива и длительную эксплуатацию, существует неизбежная необходимость обеспечить сейсмическую устойчивость и механическую целостность ядерного топлива в конце срока службы. В связи с этим, поскольку в способе изготовления традиционной дистанционирующей решетки существует большое количество ограничений относительно геометрического конструирования, как описано выше, существует ограничение в реализации дистанционирующей решетки, имеющей прочность, которая является по существу неизменной и высокой в конце срока службы.
Вышеприведенное описание, описанное как существующий уровень техники настоящего изобретения, предназначено только для способствования пониманию предпосылок создания настоящего изобретения и не предназначено для определения, что настоящее изобретение подпадает под действие существующего уровня техники, который уже известен специалистам в данной области техники.
Документы существующего уровня техники
[Патентный документ]
(Патентный документ 1) публикация заявки на корейский патент № 10-2003-0038493 (16 мая 2003 г.)
(Патентный документ 2) корейский патент № 10-0771830 (30 октября 2007 г.)
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ
Соответственно настоящее изобретение направлено на решение проблем известного уровня техники, и его цель заключается в предоставлении дистанционирующей решетки тепловыделяющей сборки ядерного реактора, которая может быть изготовлена за счет использования 3D-печати, что может увеличить степень свободы при проектировании и упростить процесс изготовления, с исключением технологии обработки и сварки листовых металлов.
Для достижения вышеприведенной цели предоставлена дистанционирующая решетка тепловыделяющей сборки ядерного реактора согласно настоящему изобретению, причем дистанционирующая решетка содержит: квадратные ячейки решетки, имеющие соответствующие внутренние стенки и составляющие структуру квадратной сетки, причем каждая из ячеек решетки содержит несколько пружин для упругой поддержки стержневого тепловыделяющего элемента, при этом каждая из нескольких пружин имеет закрепленный конец вдоль вертикального направления на каждой из внутренних стенок и свободный конец, предоставленный с изгибом в горизонтальном направлении от закрепленного конца; несколько проточных каналов, каждый из которых предусмотрен в вертикальном направлении к каждой из ячеек решетки; и несколько перемешивающих лопастей, каждая из которых предоставлена с выступанием в направлении вниз по потоку воды для охлаждения на концевых частях каждой из ячеек решетки.
Каждый из проточных каналов может быть предусмотрен на пересечении ячеек решетки, и каждая из нескольких пружин и каждый из проточных каналов могут иметь такую же высоту, что и высота каждой из ячеек решетки.
Как описано выше, дистанционирующая решетка тепловыделяющей сборки согласно настоящему изобретению содержит квадратные ячейки решетки, имеющие соответствующие внутренние стенки и составляющие структуру квадратной сетки, причем каждая из ячеек решетки содержит: несколько пружин для упругой поддержки стержневого тепловыделяющего элемента, при этом каждая из нескольких пружин имеет закрепленный конец вдоль вертикального направления на каждой из внутренних стенок и свободный конец, предоставленный с изгибом в горизонтальном направлении от закрепленного конца; несколько проточных каналов, каждый из которых предусмотрен в вертикальном направлении к каждой из ячеек решетки; и несколько перемешивающих лопастей, каждая из которых предоставлена с выступанием в направлении вниз по потоку воды для охлаждения на концевых частях каждой из ячеек решетки. В результате, за счет использования 3D-печати с высокой степенью свободы при проектировании с исключением технологии обработки и сварки листовых металлов обеспечивается эффект, при котором ударопрочность может быть увеличена, в то же время даже упрощая структуру, и перепад давления может быть уменьшен.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
Вышеописанная и другие цели, признаки и иные преимущества настоящего изобретения станут более понятны из следующего подробного описания, которое используется в сочетании с сопутствующими графическими материалами, на которых:
на фиг. 1 показана конфигурационная схема в перспективе дистанционирующей решетки тепловыделяющей сборки ядерного реактора согласно варианту осуществления настоящего изобретения;
на фиг. 2 показана конфигурационная схема в перспективе дистанционирующей решетки тепловыделяющей сборки ядерного реактора в разрезе по линии A-A по фиг. 1;
на фиг. 3 показана конфигурационная схема в плане дистанционирующей решетки тепловыделяющей сборки ядерного реактора согласно варианту осуществления настоящего изобретения; и
на фиг. 4 показана конфигурационная схема в плане дистанционирующей решетки тепловыделяющей сборки ядерного реактора согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ
Здесь и далее примерные варианты осуществления настоящего изобретения будут подробно описаны со ссылками на сопутствующие графические материалы. На графических материалах подобными ссылочными позициями будут отмечены подобные или одинаковые элементы.
Конкретные структурное или функциональное описания, представленные в вариантах осуществления настоящего изобретения, проиллюстрированы только в целях описания вариантов осуществления в соответствии с идеей изобретения, и варианты осуществления в соответствии с идеей изобретения могут быть реализованы в различных формах. В дополнение, настоящее изобретение не следует рассматривать как ограниченное вариантами осуществления, описанными в настоящем документе, а следует понимать, что оно должно включать все модификации, эквиваленты и замены, включенные в сущность и объем настоящего изобретения.
В то же время термин, использованный в настоящем документе, предоставлен с целью описания только определенных примерных вариантов осуществления и не предназначен для ограничения настоящего изобретения.
Выражения в единственном числе включают выражения во множественном числе, если в контексте явно не указано иное.
В данном документе термины «содержать» и «иметь» предназначены для обозначения того, что имеет место реализуемый признак, количество, этап, действие, компонент, часть или их сочетание, и следует понимать, что они заранее не исключают возможность наличия или добавления по меньшей мере одного другого признака, количества, этапа, действия, компонента, части или их сочетания.
Настоящее изобретение предназначено для предоставления дистанционирующей решетки, которая может быть изготовлена за счет использования 3D-печати из металла с исключением технологии обработки и сварки листовых металлов в процессе изготовления дистанционирующей решетки, таким образом устраняя ограничения относительно геометрической конструкции дистанционирующей решетки, изготовленной посредством традиционной технологии обработки и сварки листовых металлов, и укорачивая процессы изготовления.
3
В целом, произведены различные устройства 3D-печати из металла. Например, устройство 3D-печати от немецкой компании CONPCEPTLASER имеет максимальный размер в собранном виде 250 × 250 × 280 мм, вследствие чего может быть изготовлена полноразмерная дистанционирующая решетка. В данном документе для устройства 3D-печати используется способ расплавления порошка в заранее сформированном слое (PBF), при котором продукт изготавливают таким образом, что слой порошка в несколько десятков микрометров располагают на слое для размещения порошка с заданной площадью в устройстве для подачи порошка и расплавляют и наслаивают один за другим после того, как его выборочно облучили лазерными или электронными лучами в соответствии с конструкторским чертежом. В то же время для дистанционирующей решетки согласно настоящему изобретению могут применять обычный способ изготовления посредством ламинирования металла, применяемый при обычной 3D-печати из металла, и не ограничивают конкретным способом.
Здесь и далее варианты осуществления настоящего изобретения будут подробно описаны со ссылками на сопутствующие графические материалы.
На фиг. 1 показана конфигурационная схема в перспективе дистанционирующей решетки тепловыделяющей сборки ядерного реактора согласно варианту осуществления настоящего изобретения, на фиг. 2 показана конфигурационная схема в перспективе дистанционирующей решетки тепловыделяющей сборки ядерного реактора в разрезе по линии A-A по фиг. 1, и на фиг. 3 показана конфигурационная схема в плане дистанционирующей решетки тепловыделяющей сборки ядерного реактора согласно варианту осуществления настоящего изобретения. В дальнейшем описании вертикальное направление соответствует направлению оси z на фигурах, а горизонтальное направление соответствует плоскости x-y.
Как показано на фиг. 1-3, в дистанционирующей решетке 100 согласно настоящему варианту осуществления квадратные ячейки 110 решетки, имеющие соответствующие внутренние стенки 111 и составляющие структуру квадратной сетки (n × n), скреплены при наружном соприкосновении друг с другом, и при этом каждая из ячеек 110 решетки выполнена как одно целое с несколькими пружинами 120, несколькими проточными каналами 130 и несколькими перемешивающими лопастями 140 в вертикальном направлении (в направлении оси z).
Высота каждой из нескольких пружин 120 и каждого из проточных каналов 130 может быть такой же, как и высота H каждой из ячеек 110 решетки.
Каждая ячейка 110 решетки представляет собой твердую пластину без предусмотренных в ней прорезей или отверстий и содержит несколько пружин 120, предоставленных с изгибом и с выступанием. Каждая из пружин 120 может иметь закрепленный конец 121 вдоль вертикального направления на каждой из внутренних стенок 111 и иметь свободный конец 122, предоставленный с изгибом в горизонтальном направлении (плоскость x-y) от закрепленного конца 121. Здесь каждая из пружин 120 может иметь по существу полуцилиндрическое поперечное сечение и иметь угол θ дуги, составляющий по меньшей мере 180°.
В частности, как показано на фиг. 3, каждая ячейка 110 решетки снабжена четырьмя пружинами 120, каждая из которых предоставлена с изгибом в горизонтальном направлении (плоскость x-y) вдоль вертикального направления на четырех внутренних стенках 111, каждая из которых составляет квадрат, и точка на максимальной высоте каждой из пружин 120 от каждой соответствующей внутренней стенки 111 расположена на расстоянии, которое равно радиусу r от центра ячейки 110 решетки. Если радиус определяется посредством диаметра «D2», диаметр D2, который представляет собой расстояние между пружинами 120, обращенными друг к другу, меньше наружного диаметра «D1» стержневого тепловыделяющего элемента 10 (D2 < D1). Следовательно, стержневой тепловыделяющий элемент 10 упруго поддерживается пружинами 120.
Поскольку четыре пружины предоставлены под одинаковым углом (90°) в каждой квадратной ячейке дистанционирующей решетки согласно настоящему изобретению, дистанционирующая решетка, выполненная как описано выше, однородно и упруго поддерживает стержневые тепловыделяющие элементы 10 и в то же время может выполнять функции перемешивания воды для охлаждения. С другой стороны, расположение нескольких пружин, размещенных под одинаковым углом на внутренних сторонах каждой ячейки решетки, не может быть реализовано посредством только обычного листового металла или его сварки, но может быть просто обеспечено за счет использования 3D-печати с высокой степенью свободы при проектировании.
Проточный канал 130 предоставлен в качестве одной детали вдоль ячейки 110 решетки в вертикальном направлении, может иметь форму полого цилиндра и предусмотрен на пересечении ячеек 110 решетки.
Такой проточный канал 130 предоставлен в качестве одной детали в вертикальном направлении к ячейке 110 решетки для увеличения эффективности теплообмена за счет увеличения площади контакта с водой для охлаждения и, в частности, расположен на пересечении ячеек 110 решетки, таким образом распределяя концентрацию напряжений в дистанционирующей решетке, имеющей общую квадратную структуру, и улучшая ударные характеристики в диагональном направлении боковой поверхности дистанционирующей решетки.
Перемешивающая лопасть 140 предоставлена с выступанием в направлении вниз по потоку воды для охлаждения на концевой части ячейки 110 решетки, и показано, что перемешивающая лопасть 140 предусмотрена на верхнем конце ячейки 110 решетки в настоящем варианте осуществления. Такая перемешивающая лопасть 140, имеющая заданный угол, расположена на верхнем конце ячейки 110 решетки для инициирования перемешивания с поперечным потоком и перемешивания с вращающимся потоком, и могут быть предоставлены несколько перемешивающих лопастей, имеющих разные формы и углы, в соответствии с положениями.
На фиг. 4 показана конфигурационная схема в плане дистанционирующей решетки тепловыделяющей сборки ядерного реактора согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения, и она будет описана на основании различий без повторного описания конфигурации, аналогичной вышеприведенному варианту осуществления.
Как показано на фиг. 4, в дистанционирующей решетке 200 согласно настоящему варианту осуществления несколько пружин 221 предусмотрены на двух внутренних стенках, расположенных под прямым углом друг к другу, из четырех внутренних стенок, составляющих каждую из ячеек решетки, и каждое из углублений, обращенное к каждой из нескольких пружин, предусмотрено на каждой из оставшихся двух внутренних стенок.
Каждая из пружин 221 имеет закрепленный конец вдоль вертикального направления на внутренней стенке, предоставленный таким же образом, что и в предыдущем варианте осуществления, и имеет свободный конец, предоставленный с изгибом в горизонтальном направлении от закрепленного конца. В то же время каждое из углублений 222 предоставлено с изгибом в горизонтальном направлении вдоль вертикального направления на соответствующей внутренней стенке и имеет закрепленные противоположные концы, прикрепленные к соответствующей внутренней стенке.
В настоящем варианте осуществления край R угла дистанционирующей решетки имеет скос изогнутой поверхности, и такая конфигурация может свести к минимуму взаимодействие на угловых краях между дистанционирующими решетками, расположенными смежно друг с другом в тепловыделяющей сборке. В дополнение, в существующем уровне техники при изготовлении дистанционирующей решетки за счет обработки листовых металлов было сложно реализовать дистанционирующую решетку, имеющую такую структуру, однако она может быть просто реализована за счет 3D-печати.
В то же время ссылочные позиции 230 и 240 обозначают проточный канал и перемешивающую лопасть соответственно.
Вышеописанное настоящее изобретение не ограничено вышеописанными вариантами осуществления и сопутствующими графическими материалами, и специалистам в данной области техники станет очевидно, что возможны различные замены, модификации и изменения в рамках объема без отступления от технической сущности настоящего изобретения.