ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩАЯ СБОРКА ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА
NUCLEAR REACTOR FUEL ASSEMBLY

Изобретение относится к атомной технике и может быть использовано в тепловыделяющих сборках водоохлаждаемых ядерных реакторов.
Известна тепловыделяющая сборка водоохлаждаемого энергетического реактора [Патент РФ №2192051 «Тепловыделяющая сборка». Заявлено 26.10.1993, опубликовано 27.10.2002]. В устройстве используются тепловыделяющие элементы с гладкой цилиндрической поверхностью, центровка которых в ячейках дистанционирующих решеток обеспечивается наличием центрирующих элементов. Центрирующие элементы являются частью дистанционирующей решетки.
Недостаток известного технического решения состоит в повреждении оболочки твэла в результате фреттинг-коррозии, вызванной наличием трущихся пар «оболочка твэла - дистанционирующая решетка». Повреждение оболочки приводит к выходу радиоактивных продуктов в теплоноситель, повышению дозовых нагрузок на персонал и к досрочной выгрузке недожженной тепловыделяющей сборки.
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому техническому решению является тепловыделяющая сборка ядерного реактора [Заявка WO 96/19811 «Топливная сборка и дистанционирующая решетка для ядерного реактора». Заявлено 21.12.1994, опубликовано 27.06.1996]. Топливная сборка содержит головку, хвостовик, пучок твэлов и направляющих каналов, размещенных в дистанционирующих решетках. Центровка гладких цилиндрических твэлов в ячейках дистанционирующих решеток обеспечивается наличием центрирующих элементов с образованием трущихся пар «оболочка твэла - дистанционирующая решетка».
Недостаток известного технического решения состоит в повреждении оболочки твэла в результате фреттинг-коррозии, вызванной наличием трущихся пар «оболочка твэла - дистанционирующая решетка», и пониженной интенсивностью теплоотдачи твэлов.
Задачей заявляемого технического решения является устранение указанных недостатков, а именно, исключение повреждения оболочки твэлов и повышение теплоотдачи твэлов.
Технический результат состоит в повышении ресурса и тепловой эффективности тепловыделяющей сборки ядерного реактора.
Для исключения указанного недостатка в тепловыделяющей сборке ядерного реактора, содержащей головку, хвостовик, пучок цилиндрических тепловыделяющих элементов и направляющих каналов, размещенных в дистанционирующих решетках, и центрирующие элементы, выполненные в ячейках дистационирующих решеток, предлагается, по меньшей мере, часть центрирующих элементов, контактирующих с дистанционирующей решеткой, выполнить на оболочках тепловыделяющих элементов в местах расположения дистанционирующих решеток.
В частных случаях выполнения тепловыделяющей сборки ядерного реактора предлагается, по меньшей мере, на части внешней поверхности оболочек тепловыделяющих элементов выполнить пристенные интенсификаторы теплообмена, высота выступа которых над поверхностью оболочек меньше высоты выступа центрирующих элементов.
Сущность изобретения поясняется фигурами чертежей 1-3, где приняты следующие обозначения: 1 - дистанционирующая решетка; 2 - неупругий центрирующий элемент; 3 - оболочка тепловыделяющего элемента; 4 - топливная таблетка; 5 - упругий центрирующий элемент.
Тепловыделяющая сборка ядерного реактора содержит головку, хвостовик, пучок цилиндрических тепловыделяющих элементов и направляющих каналов, размещенных в дистанционирующих решетках, и центрирующие элементы, выполненные, в ячейках дистационирующих решеток.
По меньшей мере, часть центрирующих элементов, контактирующих с дистанционирующей решеткой, выполнена на оболочках тепловыделяющих элементов в местах расположения дистанционирующих решеток.
В частных случаях выполнения тепловыделяющей сборки ядерного реактора, но меньшей мере, на части внешней поверхности оболочек тепловыделяющих элементов выполнены пристенные интенсификаторы теплообмена, высота выступа которых над поверхностью оболочек меньше высоты выступа центрирующих элементов.
На фигуре 1 показан пример центровки твэла с помощью неупругих центрирующих элементов 2, выполненных в виде неподвижных ребер на оболочке тепловыделяющего элемента 3, и упругого центрирующего элемента 5, закрепленного на стенке ячейки квадратной дистанционирующей решетки 1.
На фигуре 2 показан пример центровки твэла с помощью упругого центрирующего элемента 5, закрепленного на оболочке тепловыделяющего элемента 3.
На фигуре 3 показан пример центровки твэла с помощью упругого центрирующего элемента 5, выполненного на оболочке твэла 3, и неупругого центрирующего элемента 2, выполненного в форме кольца (сплошного или перфорированного) и закрепленного на стенке ячейки квадратной дистанционирующей решетки 1.
В качестве варианта последней конструкции возможен случай, когда сама дистанционирующая решетка набрана из кольцевых втулок с внешним диаметром, равным шагу расположения твэлов в тепловыделяющей сборке. В этом случае роль неупругого центрирующего элемента будет выполнять стенка ячейки дистанционирующей решетки. При этом неупругого центрирующего элемента 2, показанного на фигуре 3, не понадобится.
Как видно из представленных на фигурах 1-3 чертежей, трущейся парой в данных конструкциях является «центрирующий элемент-дистанционирующая решетка». Оболочка тепловыделяющего элемента при этом в трении не участвует, что уменьшает вероятность фреттинг-коррозии и, соответственно, снижает вероятность повреждения оболочки.
Наличие центрирующих элементов на оболочке создает зазор между оболочкой и дистанционирующей решеткой, достаточный для размещения на внешней поверхности оболочек пристенных интенсификаторов теплообмена, не препятствующих протаскиванию твэлов сквозь ячейки дистанционирующих решеток при изготовлении тепловыделяющих сборок.
Оптимальная форма, материал и размер центрирующих элементов, форма, материал и размер выполненных пристенных интенсификаторов зависит от типа реактора, вида дистанционирующей решетки, технологии изготовления тепловыделяющей сборки, условий ее работы в активной зоне и определяются на основе стандартных прочностных и теплогидравлических расчетов, экспериментальных исследований.
Для выполнения центрирующих элементов и пристенных интенсификаторов могут быть использованы известные технологические процессы пайки, прокатки, газодинамического напыления металлов и др.
По статистике среди механизмов повреждений топлива на PWR США между 2000 и 2008 гг. 77% составляет фреттинг «решетка-твэл» [Опыт эксплуатации топлива в реакторах PWR (Обзор по материалам конференции Top Fuel 2009, Париж, Франция, 6-10 сентября 2009 г.). Атомная техника за рубежом, 2010, №6, р. 3-11].
Предлагаемое техническое решение - размещение неупругих 2 или упругих 5 центрирующих элементов на оболочке твэла 3 позволяет устранить условия возникновения фреттинг-коррозии и тем самым повысить ресурс тепловыделяющих сборок, а пристенные интенсификаторы дают возможность существенно повысить коэффициент теплопередачи от твэла к теплоносителю и, как следствие, тепловую эффективность тепловыделяющей сборки.
Пример конкретной реализации устройства.
Тепловыделяющая сборки ядерного реактора имеет квадратное поперечное сечение со стороной 21,5 см, содержит 264 твэла с внешним радиусом 9,5 мм, 24 направляющие канала и центральную трубку, размещенных в ячейках квадратных дистанционирующих решеток с шагом 12,6 мм. Высота активной части твэла составляет 366 см. На этой высоте расположено 6 дистанционирующих решеток, высотой 4 см каждая. Толщина стенки дистанционирующей решетки 1 равна 0,5 мм.
Реализация изобретения в соответствии с фигурой 1 предполагает наличие упругого центрирующего элемента 5, закрепленного с помощью контактной сварки в ячейках дистанционирующей решетки 1. Толщина упруго центрирующего элемента 0,3 мм, его форма показана на чертеже фигуры 1. На оболочках твэлов в районе расположения дистанционирующих решеток с помощью газодинамического напыления [Алхимов А.П., Клинков СВ., Косарев В.Ф., Фомин В.М. Холодное газодинамическое напыление. Теория и практика. - М., Физматлит, 2010] выполнены по 4 неупругих центрирующих элемента 2 длиной 20 мм, выступающих над поверхностью оболочки на 1,5 мм. Для интенсификации теплообмена на оболочках тепловыделяющих элементов по высоте их активной части с помощью газодинамического напыления выполнены пристенные интенсификаторы в виде кольцеобразных выступов высотой 0,4 мм, шириной 3 мм с шагом 10 мм. Такие интенсификаторы позволяют увеличить коэффициент теплопередачи до 2 раз, по сравнению с гладкими оболочками [Калинин Э.К., Дрейцер Г.А., Ярхо С.А. Интенсификация теплообмена в каналах. 3-е изд., перераб. и доп. - Машиностроение, 1990]. В местах расположения дистанционирующих решеток пристенные интенсификаторы отсутствуют.