Тепловыделяющая сборка ядерного реактора
FUEL ASSEMBLY OF A NUCLEAR REACTOR

Изобретение относится к атомной технике, в частности к конструкциям бесчехловых тепловыделяющих сборок, из которых сформированы активные зоны водо-водяных энергетических реакторов (ВВЭР), особенно типа ВВЭР-1000.
В конструкции тепловыделяющей сборки основными узлами являются тепловыделяющие элементы, головка и хвостовик.
Пучок тепловыделяющих элементов, как правило, устанавливается в каркасе, образованном направляющими каналами и дистанционирующими решетками, и соединяется с головкой и хвостовиком тепловыделяющей сборки.
Хвостовик тепловыделяющей сборки, как правило, состоит из опорного стакана и опорной плиты. Направляющие каналы, как правило, соединены с головкой тепловыделяющей сборки посредством цангового узла, закреплены в опорной плите хвостовика и имеют возможность температурного и радиационного расширения вдоль тепловыделяющей сборки, в частности, за счет их упругого подпружинивания в головке тепловыделяющей сборки.
Нормальное и безопасное функционирование направляющих каналов в составе тепловыделяющих сборок предполагает наличие узла крепления нижнего наконечника направляющего канала в опорной плите хвостовика, который должен обеспечивать надежную фиксацию направляющего канала и прилегание к опорной плите.
В настоящее время разработан ряд конструкций узлов направляющих каналов и элементов крепления наконечников направляющих каналов.
Известна конструкция направляющего канала, состоящая из трубы, захватной втулки для соединения с головкой тепловыделяющей сборки, наконечника для соединения с хвостовиком тепловыделяющей сборки, при этом втулка и наконечник закреплены на трубе посредством обжатия (США 4687619, G21C 19/20,1987 г.). Соединение направляющего канала с головкой осуществляется путем фиксации цангового захвата головки на втулке направляющего канала; соединение направляющего канала с хвостовиком осуществляется путем сварки наконечника направляющего канала с плитой хвостовика. Недостатком данной конструкции является низкая надежность соединений: втулка-труба и наконечник-труба, выполненных обжатием, так как в процессе эксплуатации из-за температурных расширений и вибрации в потоке теплоносителя данные соединения разупрочняются, что приводит к недопустимому искривлению и перекосам направляющих каналов и пучка тепловыделяющих элементов, сквозь который проходят направляющие каналы.
Известна конструкция направляющего канала, состоящая из трубы, захватной втулки для соединения с головкой тепловыделяющей сборки, наконечника для соединения с хвостовиком тепловыделяющей сборки, при этом втулка и наконечник закреплены на трубе посредством сварки (RU 2152084, G21C 3/04, 27.06.2000). Наконечник направляющего канала выполнен из стержня, на теле которого установлена втулка, закрепленная завальцовкой торца стержня. Втулка выполнена из материала трубы и посредством сварки обеспечивает соединение наконечника с трубой направляющего канала. Закрепление направляющего канала в составе тепловыделяющей сборки осуществляется путем установки наконечника направляющего канала в отверстие плиты хвостовика и сварки торца стержня направляющего канала с плитой. Недостатком данной конструкции является посадка втулки на тело стержня наконечника направляющего канала с гарантированным зазором, что в процессе эксплуатации из-за температурных расширений и вибрации в потоке теплоносителя также приводит к разупрочнению данного соединения.
Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является конструкция тепловыделяющей сборки ядерного реактора, содержащая пучок тепловыделяющих элементов, дистанционирующие решетки, расположенные по длине тепловыделяющей сборки, головку и хвостовик, соединенные направляющими каналами, в которых перемещаются регулирующие стержни, причем направляющие каналы жестко соединены с хвостовиком, а их верхние части размещены в пружинном блоке головки (RU 2137223, G21C 3/32, 10.09.1999). В известной тепловыделяющей сборке хвостовик представляет собой конструкцию из опорной плиты и опорного стакана. Опорная плита предназначена для фиксирования и крепления нижних концевиков тепловыделяющих элементов и направляющих каналов, устанавливаемых в отверстия опорной плиты, причем нижние наконечники направляющих каналов крепятся в опорной плите хвостовика посредством резьбового соединения с помощью гаек.
В данной конструкции направляющего канала применяются известные наконечники направляющего канала, обладающие вышеуказанными недостатками.
Задачей настоящего изобретения является разработка и создание тепловыделяющей сборки ядерного реактора, обладающей улучшенными прочностными характеристиками.
Технический результат изобретения заключается в повышении надежности крепления наконечников направляющих каналов, повышении ремонтопригодности и увеличении ресурса эксплуатации тепловыделяющих сборок.
Технический результат достигается тем, что тепловыделяющая сборка ядерного реактора содержит головку, тепловыделяющие элементы и направляющие каналы, дистанционирующие решетки, хвостовик, нижние наконечники тепловыделяющих элементов и нижние наконечники направляющих каналов закреплены в опорной плите хвостовика. Наконечник направляющего канала выполнен в виде конструкции, состоящей из втулки, во внутренней полости которой размещены болт и фиксирующий его винт с центральным отверстием, болт проходит сквозь отверстие опорной плиты и посредством резьбового соединения с гайкой закрепляет наконечник в опорной плите, во втулке и винте выполнены четыре радиальных отверстия, выходящие в полость центрального отверстия винта.
Отличительная особенность настоящего изобретения состоит в следующем. Применение наконечника направляющего канала предложенной конструкции позволяет при изготовлении направляющего канала использовать трубу направляющего канала и втулку наконечника, выполненные из однородных циркониевых сплавов, при этом создается надежное цельнометаллическое соединение труба-втулка путем применения контактно-стыковой сварки. При этом внутри втулки устанавливается болт из нержавеющей стали, который позволяет надежно посредством резьбового соединения с гайкой, выполненной из нержавеющей стали, закрепить направляющий канал в опорной плите хвостовика. При этом винт, установленный во внутренней полости втулки наконечника, надежно фиксирует болт в наконечнике и одновременно выполняет функцию опорного элемента при проведении контактно-стыковой сварки. При этом в винте выполнено центральное проливное отверстие, которое соединяется с четырьмя проливными радиальными отверстиями, выполненными во втулке. Данная система проливных отверстий предназначена для поступления теплоносителя во внутреннюю полость направляющего канала с целью охлаждения при эксплуатации стержней органов регулирования и защиты реакторной установки, перемещаемых в направляющих каналах.
Целесообразно над опорной плитой хвостовика установить антивибрационную решетку, состоящую из соединенных между собой ячеек. Причем ячейки решетки расположить по гексагональной схеме и выполнить их шестигранной формы с тремя опорами для тепловыделяющих элементов, расположенными через 120 градусов друг от друга, образованными пуклевками на гранях этого шестигранника с выступами, направленными внутрь ячейки. Антивибрационная решетка, опорная плита хвостовика и опорный стакан хвостовика соединены между собой крепежными элементами, выполненными в виде шести пластин.
Целесообразно расположить элементы, соединяющие дистанционирующие решетки между собой и с хвостовиком, по длине тепловыделяющей сборки и выполнить их в виде шести уголковых профилей с ребрами жесткости в форме отбортовок между дистанционирующими решетками.
Целесообразно выполнить дистанционирующие решетки, состоящими из соединенных между собой ячеек. Причем ячейки решеток расположить по гексагональной схеме и выполнить их шестигранной формы с тремя опорами для тепловыделяющих элементов, расположенными через 120 градусов друг от друга, образованными пуклевками на гранях этого шестигранника с выступами, направленными внутрь ячейки.
Целесообразно нижний наконечник тепловыделяющего элемента выполнить в виде цилиндрической заглушки, нижняя часть которой представляет собой упругий кольцевой элемент, имеющий один продольный разрез и цилиндрический буртик, который при установке в отверстие опорной плиты хвостовика образует цанговое соединение.
Целесообразно верхнюю часть направляющего канала, предназначенную для закрепления в головке тепловыделяющей сборки, выполнить в виде гильзы, соединенной с трубой направляющего канала через спираль посредством ротационной ковки.
Целесообразно в нижней части хвостовика установить антидебрисный фильтр в виде плиты с V-образными проливными отверстиями.
Целесообразно конструкцию головки выполнить с 19-ю независимыми демпфирующими пружинными элементами для индивидуального крепления направляющего канала.
Целесообразно в верхней части тепловыделяющих элементов между дистанционирующими решетками установить перемешивающие решетки, содержащие обод и набор взаимно пересекающихся пластин в форме полос, соединенных между собой и с ободом в местах пересечения, образующих поле ячеек для прохождения тепловыделяющих элементов и направляющих каналов тепловыделяющих сборок, выполненных шестигранными, и смежных с шестигранными ячейками трехгранных ячеек для прохода теплоносителя, на торцах которых выполнить отогнутые в сторону трехгранных ячеек перемешивающие пластинчатые дефлекторы.
Изобретение поясняется графически.
На фиг. 1 приведена принципиальная схема тепловыделяющей сборки (ТВС), на фиг. 2 показан хвостовик с антивибрационной решеткой и схема крепления направляющего канала и тепловыделяющих элементов в опорной плите хвостовика тепловыделяющей сборки, на поперечном сечении А-А фиг. 2 показана схема расположения направляющего канала и тепловыделяющих элементов в пучке, на фиг. 3 показан выносной элемент Б фиг. 2 с продольным сечением наконечника направляющего канала (НК), на фиг. 4 показан уголковый профиль и поперечное сечение Г-Г уголкового профиля с отбортовками, на фиг. 5 показана ячейка дистанционирующей и антивибрационной решетки, на фиг. 6 показан выносной элемент В фиг. 2 с наконечником тепловыделяющего элемента, на фиг. 7 показано продольное сечение направляющего канала (НК), на фиг. 8 показано поперечное сечение антидебрисного фильтра, на фиг. 9 показана головка с 19-ю независимыми пружинными элементами для крепления направляющего канала, на фиг. 10 показана перемешивающая решетка.
Тепловыделяющая сборка ядерного реактора (см. фиг. 1) содержит пучок тепловыделяющих элементов 1 и направляющие каналы 2, дистанционирующие решетки 3, соединенные между собой посредством сварки угловыми элементами 4, хвостовик 5 и головку 6. Угловые элементы 4 посредством винтов 7 соединены с хвостовиком 5. Между дистанционирующими решетками в верхней части пучка тепловыделяющих элементов установлены перемешивающие решетки 8, соединенные посредством сварки с угловыми элементами.
Хвостовик (см. фиг. 2) состоит из опорного стакана 9 и опорной плиты 10, соединенных между собой и с антивибрационной решеткой 11 посредством сварки шестью пластинами 12. Во внутренней полости опорного стакана 9 установлен антидебрисный фильтр 13, соединенный с опорным стаканом посредством сварки.
Направляющие каналы 2 (см. фиг. 1, 2) проходят между ячейками дистанционирующих решеток 3 и антивибрационной решетки 11 и крепятся к опорной плите 10 посредством болтового соединения.
Нижний наконечник направляющего канала (см. фиг. 3) выполнен в виде конструкции, состоящей из втулки 14, во внутренней полости которой размещены болт 15 и фиксирующий его винт 16 с центральным отверстием 17, причем болт проходит сквозь отверстие опорной плиты 10 и посредством резьбового соединения с гайкой 18 закрепляет наконечник в опорной плите 10, причем во втулке и винте выполнены четыре радиальных отверстия 19, выходящие в полость центрального отверстия 17 винта.
Элементы, соединяющие дистанционирующие решетки между собой и с хвостовиком (см. фиг. 1, 4), выполнены в виде шести уголковых профилей 4 с ребрами жесткости в форме отбортовок 20 между дистанционирующими решетками 3.
Дистанционирующие решетки 3 (см. фиг. 1) и антивибрационная решетка 11 (см. фиг. 2) выполнены из соединенных между собой ячеек 21 (см. сечение А-А на фиг. 2, фиг. 5), причем ячейки решеток расположены по гексагональной схеме и выполнены шестигранной формы с тремя опорами для тепловыделяющих элементов, расположенными через 120 градусов друг от друга, образованными пуклевками 22 на гранях шестигранника с выступами, направленными внутрь ячейки.
Нижние наконечники тепловыделяющих элементов 1 (см. фиг. 2) за счет упругих элементов устанавливаются в отверстия опорной плиты 10 хвостовика и фиксируются от радиальных и осевых перемещений в ячейках 21 антивибрационной решетки 11. Наконечник тепловыделяющего элемента (см. фиг. 6) выполнен в виде цилиндрической заглушки 23, нижняя часть которой представляет собой упругий кольцевой элемент 24, имеющий один продольный разрез 25 и цилиндрический буртик 26, который при установке в отверстие опорной плиты 10 хвостовика образует цанговое соединение.
Верхняя часть направляющего канала (см. фиг. 7), предназначенная для закрепления в головке тепловыделяющей сборки, выполнена в виде гильзы 27, соединенной с трубой 28 направляющего канала через спираль 29 посредством ротационной ковки. Нижняя часть трубы 28 соединена посредством контактно-стыковой сварки с наконечником 30 направляющего канала.
В нижней части хвостовика установлен антидебрисный фильтр 13 (см. фиг. 2, 8), выполненный в виде плиты 31 с V-образными проливными отверстиями 32.
Конструкция головки 6 (см. фиг. 1, 9), выполнена с 19-ю независимыми демпфирующими пружинными элементами 33 для индивидуального крепления направляющих каналов 2.
В верхней части пучка твэлов между дистанционирующими решетками 3 установлены перемешивающие решетки 8 (см. фиг. 1, 10), содержащие обод 34 и набор взаимно пересекающихся пластин в форме полос, соединенных между собой и с ободом в местах пересечения сваркой, образующих поле ячеек 35 для прохождения тепловыделяющих элементов и направляющих каналов тепловыделяющей сборки, выполненных шестигранными, и смежных с шестигранными ячейками трехгранных ячеек 36 для прохода теплоносителя, на торцах которых выполнены отогнутые в сторону трехгранных ячеек перемешивающие пластинчатые дефлекторы 37.
Предлагаемая тепловыделяющая сборка работает следующим образом:
После установки тепловыделяющей сборки в реактор она поджимается верхней плитой реактора путем упора в торец обечайки головки 6. Затем усилие передается через пружинный блок головки, который поджимается на величину, рассчитанную таким образом, чтобы удержать тепловыделяющую сборку от всплытия в потоке движущегося снизу теплоносителя, на направляющий канал 2 и далее на опорную плиту 10 и через пластины 12 на опорный стакан 9 хвостовика 5, который входит в отверстие нижней плиты реактора.
Дистанционирующие решетки 3 и перемешивающие решетки 8, соединенные между собой угловыми элементами 4, образуют каркас, который посредством винтов 7 соединен с хвостовиком 5.
Теплоноситель, поступая в тепловыделяющую сборку через входное отверстие опорного стакана 9 хвостовика 5, проходит через антидебрисный фильтр 13, проливные отверстия опорной плиты 10 и далее омывает тепловыделяющие элементы 1 пучка, нагреваясь за счет контакта с поверхностью тепловыделяющего элемента. Тепловыделяющие элементы 1, а с ними и каркас, нагреваясь за счет процесса ядерного деления внутри тепловыделяющих элементов, начинают удлиняться вверх за счет теплового и радиационного роста; при этом пучок растет независимо от направляющего канала 2, так как последние с гарантированным зазором проходят сквозь дистанционирующие решетки 3. Таким образом, пучок с тепловыделяющими элементами 1 не оказывает воздействия на несущие силовую нагрузку направляющие каналы 2 и не деформирует их.
Одним из основных элементов конструкции тепловыделяющей сборки являются направляющие каналы 2, которые соединяют между собой головку 6 и хвостовик 5.
Нижние наконечники 30 направляющих каналов 2 посредством болтового соединения надежно закреплены в опорной плите 10 хвостовика 5 и с гарантированным натягом проходят между ячеек антивибрационной решетки 11. Гильзы 27 верхних частей направляющего канала 2 проходят сквозь втулки головки 6; при этом головка фиксируется на гильзах направляющих каналов посредством, например, цангового замка.
Нижние наконечники тепловыделяющих элементов 1 посредством цангового соединения закреплены в опорной плите 10 хвостовика 5 и, проходя сквозь ячейки 21 антивибрационной решетки 11 за счет натягов, возникающих между упругими элементами (пуклевками 22) ячеек и оболочкой тепловыделяющих элементов, надежно фиксируются в антивибрационной решетке от осевых и радиальных люфтов. В свою очередь, антивибрационная решетка 11 надежно соединена посредством пластин 12 с хвостовиком 5. Тем самым исключается возможность истирания и разрушения наконечников тепловыделяющих элементов в процессе эксплуатации от воздействия вибрации потока теплоносителя.
Использование предлагаемой конструкции наконечника 30 направляющего канала 2 позволяет повысить надежность соединения труба-наконечник направляющего канала и увеличить срок эксплуатации тепловыделяющей сборки.
Изготовление настоящей конструкции может быть осуществлено на известном оборудовании с использованием стандартных технологий.