Перемешивающая и дистанционирующая решетки тепловыделяющей сборки ядерного реактора (варианты)
MIXING AND SPACER GRIDS OF NUCLEAR REACTOR FUEL ASSEMBLY (VERSIONS)

Изобретение относится к атомной технике, в частности к конструкциям дистанционирующих и перемешивающих решеток тепловыделяющих сборок (ТВС) энергетических ядерных реакторов.
В конструкции ТВС основными узлами являются пучок тепловыделяющих элементов (твэл), головка и хвостовик.
Твэлы, как правило, закреплены в опорной плите хвостовика и имеют возможность температурного и радиационного расширения вдоль ТВС; при этом твэлы дистанционируются между собой за счет их упругого подпружинивания и фиксирования в ячейках дистанционирующих решеток (ДР), расположенных по длине ТВС.
Для достижения выравнивания энтальпии в активной зоне реактора между менее нагруженными и более нагруженными областями в конструкциях ТВС применяются устройства для перемешивания теплоносителя - перемешивающие решетки (ПР) с дефлекторами для турбулизации потока теплоносителя, расположенные по длине ТВС.
Известна конструкция перемешивающей и дистанционирующей решетки, разработанная для тепловыделяющей сборки ядерного реактора, которая имеет управляющую потоком конструкцию, состоящую из ленточных элементов с устройством для турбулизации потока, внутрь которой устанавливается дистанционирующее устройство, состоящее из ячеек, в которых фиксируются твэлы (патент ЕР 0795177 B1, G21C 3/322, 25.08.99).
Управляющая потоком конструкция (перемешивающая решетка) содержит набор ленточных элементов (пластин), расположенных крестообразно, на торцах которых выполнены дефлекторы для турбулизации потока теплоносителя; при этом пластины закреплены на ободе перемешивающей решетки. Внутри перемешивающей решетки установлено поле ячеек, предназначенное для дистанционирования твэлов и закрепленное на ободе перемешивающей решетки.
Известна конструкция дистанционирующей и перемешивающей решетки, разработанная для тепловыделяющей сборки ядерного реактора, которая содержит опоясывающий обод и три группы взаимно пересекающихся и параллельных между собой в каждой группе полос, снабженных прорезями в местах пересечения, при этом полосы закреплены на ободе. При пересечении полос образуются ячейки в форме шестигранной фигуры с вогнутыми гранями с чередованием через одну для дистанционирования твэлов, а также смежные с ними трехгранные ячейки в форме выпуклого треугольника и трехгранные ячейки в форме правильного равностороннего треугольника, на одной из граней которого выполнены дефлекторы - лопатки трапецеидальной формы, предназначенные для перемешивания теплоносителя (патент RU 2249865 C1, G21C 3/34, 3/352, 09.09.2003).
Известна конструкция дистанционирующей решетки шестиугольной формы для тепловыделяющей сборки ядерного реактора, которая состоит из фигурных ячеек, соединенных между собой контактной точечной сваркой, центральной ячейки для крепления ДР к центральной трубе ТВС и обода. Для обеспечения фиксации твэлов в ячейках ДР в местах контакта с твэлом выполнены выступы к центру ячейки (Крамеров А.Я. Вопросы конструирования ядерных реакторов. - М.: Атомиздат, 1971).
Известна конструкция дистанционирующей решетки шестиугольной формы для тепловыделяющей сборки ядерного реактора, содержащая группы взаимно пересекающихся параллельных пластин, расположенных в один ярус и образующих шестиугольные ячейки для размещения твэлов, расположенные по правильной треугольной сетке, и треугольные ячейки, расположенные между шестиугольными (патент RU 2518058 C1, G21C 3/00, 10.06.2014).
Наиболее близким аналогом заявленного изобретения (вариант перемешивающей решетки) является конструкция перемешивающей решетки, разработанная для тепловыделяющей сборки ядерного реактора, которая содержит обод и набор взаимно пересекающихся пластин в форме полос, соединенных между собой и с ободом в местах пересечения, образующих поле ячеек для размещения твэлов и опорных элементов тепловыделяющей сборки, по меньшей мере часть которых выполнена шестигранными, и смежных с шестигранными ячейками трехгранных ячеек для прохода теплоносителя, на торцах которых выполнены отогнутые в сторону трехгранных ячеек перемешивающие пластинчатые дефлекторы (патент RU 2383954 C1, G21C 3/32, 10.03.2010).
Наиболее близким аналогом заявленного изобретения (вариант дистанционирующей решетки) является конструкция дистанционирующей решетки, содержащая обод и фигурные ячейки, соединенные между собой по сопрягаемым поверхностям, причем на сопрягаемых поверхностях выполнены монтажные площадки для соединения фигурных ячеек (патент RU 2256960 C1, G21C 3/34, 21/00, 20.07.2005).
Недостатком данных конструктивных решений является:
- сложность конструкции ПР и ДР, которая обусловлена наличием большого количества комплектующих элементов (пластин или ячеек) различной конфигурации и необходимостью их соединения посредством сварки или пайки;
- необходимость создания и применения для изготовления комплектующих элементов ПР и ДР большого количества специальной оснастки и для сборки и соединения данных элементов специального оборудования.
Задачей настоящего изобретения является создание усовершенствованной перемешивающей (дистанционирующей) решетки, которая закрепляется на опорных элементах конструкции пучка ТВС.
В результате решения данной задачи возможно получение новых технических и технологических результатов, заключающихся в возможности снижения уровня сложности конструкции ПР и ДР, а значит в возможности внедрения высокопроизводительных и более эффективных технологических циклов изготовления ПР и ДР.
Данные технические результаты достигаются вариантами конструкции:
- перемешивающей решетки (вариант 1);
- дистанционирующей решетки (вариант 2).
Перемешивающая решетка тепловыделяющей сборки ядерного реактора (вариант 1) содержит обод и набор взаимно пересекающихся пластин в форме полос, соединенных между собой и с ободом в местах пересечения, образующих поле ячеек для проходки твэлов и опорных элементов тепловыделяющей сборки, по меньшей мере часть которых выполнена шестигранными, и смежных с шестигранными ячейками трехгранных ячеек для прохода теплоносителя, на торцах которых выполнены отогнутые в сторону трехгранных ячеек перемешивающие пластинчатые дефлекторы, согласно изобретению поле ячеек выполнено в виде цельнометаллической матрицы сотового типа со скругленными отверстиями в поперечном сечении для проходки опорных элементов, с отверстиями шестигранного профиля для проходки твэлов, с отверстиями трехгранного профиля для прохода теплоносителя, причем перемешивающие дефлекторы выполнены на торце одной из граней трехгранного отверстия с наклоном внутрь трехгранного отверстия.
Дистанционирующая решетка тепловыделяющей сборки ядерного реактора (вариант 2) содержит обод и набор ячеек, соединенных между собой и с ободом по сопрягаемым поверхностям, расположенных по гексагональной схеме и образующих поле ячеек для проходки твэлов и опорных элементов тепловыделяющей сборки, имеющих каждая шестигранную форму с упорными элементами для твэла, образованных выпуклостями на гранях ячейки внутрь нее, согласно изобретению поле ячеек выполнено в виде цельнометаллической матрицы сотового типа с фигурными отверстиями в поперечном сечении для проходки опорных элементов, с отверстиями фигурного шестигранного профиля для проходки твэлов с выполненными на стенках отверстий упорными элементами для твэла выпуклостями внутрь отверстия и расположенными через 120 градусов друг от друга.
Отличительная особенность настоящего изобретения состоит в том, что поле ячеек ПР или ДР образовано совокупностью перемычек цельнометаллической матрицы, непрерывно переходящих друг в друга и создающих заданную конфигурацию поперечного сечения ячеек различного профиля.
Данное техническое решение позволяет применить для изготовления ПР и ДР высокопроизводительный и безотходный метод послойного нанесения исходного материала с использованием современных 3D-принтеров; при этом отпадает необходимость изготовления большого количества комплектующих деталей ПР и ДР и их соединения посредством сварки или пайки.
Обод перемешивающей и дистанционирующей решеток представляет собой обечайку, внутри которой размещено поле ячеек в виде цельнометаллической матрицы, соединенное с ободом посредством сварки или пайки; при этом целесообразно с целью повышения технологичности изготовления перемешивающей и дистанционирующей решеток обод выполнять из шести отдельных секторов.
Как вариант поле ячеек и обод перемешивающей и дистанционирующей решеток могут быть выполнены совместно в виде цельнометаллической матрицы сотового типа.
Предлагаемое техническое решение поясняется графически.
На фиг. 1 приведена принципиальная схема ПР существующей конструкции, на фиг. 1а показан фрагмент поля ячеек ПР, выполненный из набора пересекающихся пластин.
На фиг. 2 изображена ПР предложенной конструкции (вариант 1), на фиг. 2а показан фрагмент цельнометаллической матрицы поля ячеек ПР, на фиг. 2б показан фрагмент цельнометаллической ПР с выполненным совместно полем ячеек и ободом.
На фиг. 3 приведена принципиальная схема ДР существующей конструкции, на фиг. 3а показан фрагмент поля ячеек ДР, выполненный из набора ячеек, изготовленных из труб-заготовок.
На фиг. 4 изображена ДР предложенной конструкции (вариант 2), на фиг. 4а показан фрагмент цельнометаллической матрицы поля ячеек ДР и поперечное сечение Б-Б упорного элемента для твэла, на фиг. 4б показан фрагмент цельнометаллической ДР с выполненным совместно полем ячеек и ободом.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
Вариант 1
Перемешивающая решетка (ПР) (см. фиг. 2) содержит шестигранный обод 1, внутри которого размещена цельнометаллическая матрица 2 поля ячеек ПР, соединенная с гранями обода посредством сварки или пайки.
Поле ячеек (см. фиг. 2, 2а) содержит фрагменты гексагональной структуры из шестигранных ячеек 3 для свободного прохода твэлов и смежных с ними трехгранных ячеек 4. На одной из граней трехганных ячеек выполнены пластинчатые дефлекторы 5 предпочтительно трапецеидальной формы, отогнутые внутрь ячейки 4. Ячейки 6 для прохода опорных элементов конструкции ТВС выполнены в форме фигурной окружности.
Обод 1 представляет собой обечайку (см. фиг. 2), имеющую шесть граней. Обод может быть выполнен из шести отдельных пластин-секторов.
Как вариант (см. фиг. 2б) ПР может быть выполнена в виде цельнометаллической матрицы с единым полем ячеек 7 и ободом 8.
Вариант 2
Дистанционирующая решетка (ДР) (см. фиг. 4) содержит шестигранный обод 9, внутри которого размещена цельнометаллическая матрица 10 поля ячеек ДР, соединенная с гранями обода посредством сварки или пайки.
Поле ячеек (см. фиг. 4, 4а) содержит фрагменты гексагональной структуры из фигурных отверстий 11 в поперечном сечении для проходки опорных элементов, отверстий 12 фигурного шестигранного профиля для проходки твэлов с выполненными на стенках отверстий упорными элементами 13 для твэла выпуклостями внутрь отверстия и расположенными через 120 градусов друг от друга.
Обод 9 представляет собой обечайку (см. фиг. 4), имеющую шесть граней. Обод может быть выполнен из шести отдельных пластин-секторов.
Как вариант (см. фиг. 4б) ДР может быть выполнена в виде цельнометаллической матрицы с единым полем ячеек 14 и ободом 15.
Предлагаемые ДР и ПР, установленные в ТВС, работают следующим образом:
В ТВС основным функциональным элементом конструкции является пучок твэлов. Твэлы фиксируются в ячейках 12 дистанционирующих решеток (ДР), расположенных по длине ТВС, посредством упорных элементов 13. ДР соединяются с конструктивными опорными элементами, например, канальными трубами, проходящими в ячейках 11 ДР, посредством сварки, образуя каркас.
С целью более эффективного перемешивания теплоносителя и улучшения теплосъема с поверхности оболочек твэлов в пролетах между ДР устанавливаются ПР, которые фиксируются в каркасе ТВС, например, путем приварки ПР к опорным элементам, проходящим в ячейках 6 ПР; при этом твэлы свободно проходят сквозь ячейки 3 ПР. Теплоноситель проходит через свободное пространство ячеек 3, охлаждая твэлы, а также через трехгранные ячейки 4; при этом в ячейках 4 теплоноситель отклоняется дефлекторами 5 и на выходе из ПР перемешивается с теплоносителем из соседних ячеек 3, тем самым происходит выравнивание энтальпии между соседними областями теплоносителя, проходящего через ТВС.
Реализация предлагаемого технического решения позволяет упростить конструкцию ПР и ДР, сократить количество комплектующих деталей и необходимой для их изготовления оснастки до минимума, резко снизить себестоимость изготовления ПР и ДР.
Изготовление настоящей конструкции может быть осуществлено с применением высокопроизводительного и безотходного инновационного метода послойного нанесения металлического материала с использованием современных 3D-принтеров по аддитивной технологи.
Сначала на специальную платформу распыляют дозу порошкового материала. Согласно координатам, полученным с компьютерной модели, с помощью электронно-лучевой пушки или лазера начинают воздействовать на поверхность порошка; при этом генерируется достаточное количество тепла, позволяющее расплавить металл. Затем процесс повторяется послойно.