ПАКЕТНАЯ ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩАЯ СБОРКА С ШАРОВЫМИ ТВЭЛАМИ
PACKET FUEL ASSEMBLY WITH BALL FUEL ELEMENTS

Изобретение относится к области атомной энергетики и может быть использовано в реакторах с водяным или газовым теплоносителем.
Известны тепловыделяющие сборки (ТВС) с тепловыделяющими элементами (ТВЭЛами) в виде сфер с одинаковым диаметром миллиметрового диапазона - микротвэлы (Шмелев В.Д., Драгунов Ю.Г., Денисов В.П., Васильченко И.Н., Активные зоны для ВВЭР для атомных электростанций. М.: ИКЦ «Академкнига», 2004; Филиппов Г.А., Богоявленский Р.Г., Авдеев А.А. Перспективы создания микротвэльных ядерных реаторов с перегревом пара. Тяжелое Машиностроение, ISSN 0131-1336, 2002 г., №1, стр.7; Патент RU 2179752 Тепловыделяющая сборка ядерного реактора, МПК G21C 3/30 3/332, оп. 20/02/2002, Бюл. №5).
Недостатком известных конструкций является большое гидродинамическое сопротивление потоку жидкого теплоносителя. Кроме того, при прохождении теплоносителя через засыпку микротвэлов возможно механическое перемещение микротвэлов относительно друг друга, приводящее к поверхностному истиранию микротвэлов и загрязнению теплоносителя.
Наиболее близкой по технической сущности является тепловыделяющая сборка (Патент RU 2355053, МПК G21C 3/38, Тепловыделяющая сборка, оп. 10.05.2009, Бюл. №13), содержащая микротвэльные элементы, размещенные в стальном перфорированном чехле, коллекторы подвода и отвода теплоносителя, силовую штангу, размещенную по оси симметрии сборки, каналы для регулирующих стержней, хвостовик и головку.
Недостатком известной тепловыделяющей сборки является большое гидродинамическое сопротивление потоку жидкого теплоносителя и значительное аэродинамическое сопротивление при фазовом переходе теплоносителя, возникающие при свободной засыпке твэлов внутрь стального перфорированного чехла. Каналы между контактирующими между собой шаровыми твэлами не дают возможности равномерной теплоотдачи с поверхности твэла, а форма этих каналов не позволяет турбулизировать поток теплоносителя, что в результате приводит к снижению теплоотдачи. Свободная засыпка шаровых твэлов внутрь чехла сборки не позволяет обеспечить высокую жесткость всей конструкции. Кроме того, при прохождении теплоносителя через засыпку твэлов и возникновении паровых пузырей с возрастающим давлением возможно механическое перемещение твэлов относительно друг друга, приводящее к поверхностному истиранию твэлов и загрязнению теплоносителя.
Технической задачей изобретения является улучшение теплоотдачи твэлов, повышение механической жесткости сборки и обеспечение фиксации твэлов в сборке, исключающее их взаимное истирание и, как следствие, загрязнение теплоносителя.
Поставленная задача решается тем, что в известную пакетную тепловыделяющую сборку, содержащую шаровые твэлы, коллекторы подвода и отвода теплоносителя, силовую штангу для установки и извлечения тепловыделяющей сборки из корпуса реактора, размещенную по оси симметрии сборки, каналы для регулирующих стержней, хвостовик и головку, введены теплоотводящие и фиксирующие пластины, закрепленные в верхней и нижней частях коллекторами для подвода и отбора теплоносителя, теплоотводящие и фиксирующие пластины имеют сквозные отверстия и сферические лунки на обеих сторонах пластин, в оппозитных сферических лунках на смежных теплоотводящих и фиксирующих пластинах закреплены шаровые твэлы с переменным шагом как по высоте, так и по ширине теплоотводящих и фиксирующих пластин.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен общий вид пакетной тепловыделяющей сборки с шаровыми твэлами; на фиг.2 изображен поперечный разрез тепловыделяющей сборки; на фиг.3 изображен фрагмент сборки, содержащий смежные фиксирующие и теплоотводящие пластины и шаровые твэлы, закрепленные в сферических лунках в смежных фиксирующих и теплоотводящих пластинах; на фиг.4 изображена фиксирующая и теплоотводящая пластина со сквозными отверстиями и переменным шагом размещения шаровых твэлов по ширине и высоте пластины.
Пакетная тепловыделяющая сборка с шаровыми твэлами 1 содержит, коллектор 2 подвода и коллектор 3 отвода теплоносителя, силовую штангу 4 для установки и извлечения тепловыделяющей сборки из корпуса реактора, размещенную по оси симметрии сборки, каналы 5 для регулирующих стержней, хвостовик 6 и головку 7, теплоотводящие и фиксирующие пластины 8, закрепленные в верхней и нижней частях коллекторами 2 и 3 для подвода и отвода теплоносителя, теплоотводящие и фиксирующие пластины 8 имеют сферические лунки 9 на обеих сторонах пластин, а также сквозные отверстия 10, кривизна поверхности сферических лунок соответствует кривизне шаровых твэлов, в оппозитных сферических лунках 9 на смежных теплоотводящих и фиксирующих пластинах закреплены шаровые твэлы 1.
Пакетная тепловыделяющая сборка с шаровыми твэлами работает следующим образом.
Снизу через коллектор 2 подачи теплоносителя в сборку под давлением подается теплоноситель, например вода, поток которой распределяется коллектором 3 по зазорам между фиксирующими и теплоотводящими пластинами 8. Поскольку в зазорах находятся шаровые твэлы 1, закрепленные сферическими лунками 9 в смежных фиксирующих и теплоотводящих пластинах 8, вода, обтекая шаровые твэлы 1, нагревается. При этом теплосъем происходит не только с поверхности шарового твэла 1, но и с прилегающих к твэлу поверхностей фиксирующих и теплоотводящих пластин 8, выполняющих функцию радиаторов. В потоке воды, обтекающей шаровой твэл 1 и проходящей локальные сужения, образованные сферическими лунками 9 (Фиг.3), возникают турбулентные вихри, эффективно перемешивающие поток в поперечном направлении. Последовательное повышение температуры воды и перемешивание потока приводят к тому, что на определенной высоте сборки достигается температура насыщения и формируется двухфазное состояние теплоносителя. Вода в мелкокапельном состоянии за счет кинетической энергии движения по извилистым каналам, образованными шаровыми твэлами, ударяется о поверхность твэла 1 и растекается по ней, переходя в режим пленочного кипения, а отсепарированный пар продолжает движение вдоль сборки с повышением температуры. В коллекторе 3 собирается перегретый пар, поступающий из зазоров между фиксирующими и теплоотводящими пластинами. Поскольку при движении теплоносителя вдоль сборки его плотность, теплоемкость и скорость движения изменяются в несколько раз, для выполнения условий равномерной энергоотдачи по высоте сборки, шаг размещения шаровых твэлов делается неравномерным как по высоте, так и по ширине фиксирующих и теплоотводящих пластин. В частном случае при нулевом приращении шага образуется регулярная сетка, в узлах которой размещаются шаровые твэлы. Для выравнивания возможного неравномерного нагрева теплоносителя в зазорах фиксирующих и теплоотводящих пластин 8 в них выполнены сквозные отверстия 10 для поперечного перемешивания теплоносителя.
Таким образом, за счет фиксированного размещения шаровых твэлов между фиксирующими и теплоотводящими пластинами, собранными в пакет, имеющий в поперечном сечении форму правильного шестиугольника или квадрата, улучшается теплоотдача шаровых твэлов, так как она осуществляется не только с поверхности твэла, но и с поверхности теплоотводящих пластин. Кроме того, интенсивность теплообмена повышается за счет турбулизации потока теплоносителя, обтекающего шаровые твэлы и локальные сужения с тыльной стороны сферических лунок. Эти факторы позволяют, с одной стороны, повысить энергонапряженность процессов в сборке, а с другой стороны, повысить степень выгорания топлива в шаровых твэлах.
Пакетная конструкция сборки обеспечивает механическую жесткость сборки в направлении плоскости пластин, а фиксация шаровых твэлов в сферических лунках между пластинами образует многослойную сотовую структуру, обеспечивая жесткость сборки в перпендикулярном направлении.
Поскольку положение шаровых твэлов фиксировано, исключен их взаимный контакт и истирание покрытий, поэтому в процессе работы сборки не происходит загрязнение теплоносителя.
Использование изобретения обеспечивает повышение интенсивности теплообмена, повышение жесткости сборки и уменьшение загрязнения теплоносителя обуславливают повышение надежности сборки и безопасности энергоустановки в целом.