РАБОЧАЯ КАССЕТА ДЛЯ АТОМНОГО РЕАКТОРА АЭС С УЛУЧШЕННЫМИ ПРОЧНОСТНЫМИ И ФИЗИЧЕСКИМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ
WORKING CASE FOR NUCLEAR REACTOR OF NPS WITH IMPROVED STRENGTH AND PHYSICAL CHARACTERISTICS

Настоящее изобретение относится к ядерной технике и, более конкретно, к рабочей кассете с урановым топливом для атомного реактора.
В настоящее время широко используются атомные реакторы ВВЭР-440, В-1000 разной конструкции для атомных электростанций (АЭС) (использующих тепловыделяющие сборки В-1000 и В-1000А), в которых активная зона реакторов состоит из рабочих кассет (РК), неподвижно устанавливаемых в активной зоне, кассет аварийной защиты АРК (для реакторов В-440), стержней управления и защиты (для реакторов В-1000, В-1000А).
Рабочая кассета, как известно, например, из патента RU 2198439, представляет собой гексогональную тепловыделяющую сборку, которая состоит из пучка из 126 тепловыделяющих элементов (твэлов), размещенного в расположенных по длине сборки дистанционирующих решетках, головной части (головки) и имеющей опорную решетку хвостовой части (хвостовика), соединенных между собой кожуховой трубой или опорными элементами в виде угловых пластин, как в случае кассеты В-440, или, как в случае кассеты В-1000(А), состоит из гексогонального пучка из 312 твэлов, размещенного в расположенных по длине сборки дистанционирующих решетках, головной и хвостовой частей, установленных на противоположных концах направляющих каналов.
В случае рабочей кассеты В-1000А она состоит из гексогонального пучка твэлов, размещенного в расположенных по длине сборки дистанционирующих решетках, головной и хвостовой частей и направляющих каналов. Дистанционирующие решетки и хвостовая часть соединены между собой опорными элементами в виде угловых пластин.
В настоящее время в основном используются конструкции пучков твэлов, которые закреплены (в том числе и каждый твэл) в опорных решетках хвостовиков.
При работе реактора, например при выходе на заданный режим, остановке реактора, колебаниях мощности из-за разности температур элементов конструкции, имеют место перемещения твэлов относительно направляющих каналов, уголковых пластин, которые жестко связаны с дистанционирующими решетками.
Поскольку твэлы установлены в ячейках дистанционирующих решеток с натягом, т.е. наружный диаметр твэла несколько превышает внутренний диаметр ячейки решетки, то перемещение твэлов в ячейках дистанционирующих решеток, жестко связанных с уголками или направляющими каналами, происходит при определенном усилии и связано с деформацией дистанционирующих решеток (как правило прогибом), вначале с упругой, а затем и, возможно, с пластической. При этом при превышении критического значения перемещения твэлов может произойти разрушение дистанционирующих решеток.
Кроме того, при наличии жестких связей дистанционирующих решеток между собой посредством упомянутых пластин имеют место большие механические нагрузки на уголковые пластины, особенно в нижней части кассет, что также может привести к возникновению значительных напряжений и, как следствие, к их разрушению. Причем в случае резкого увеличения усилий перемещения твэла относительно дистанционирующей решетки также возможны большие напряжения на нижней опорной решетке.
Для снижения таких механических нагрузок при сохранении эффективности эксплуатации тепловыделяющей сборки возможно применение любой из следующих мер: уменьшение числа дистанционирующих решеток, устранение жесткой связи дистанционирующих решеток с пластинами или изменение ширины (толщины) пластин по длине сборки.
Меры, предотвращающие деформации дистанционирующих решеток и снижающие напряжения на уголковых пластинах и опорных решетках, связаны с повышением прочности дистанционирующих решеток, введением дополнительных пустотелых трубок для жесткого их соединения с дистанционирующими решетками, а значит, влекут за собой снижение экономической эффективности эксплуатации кассет, связанное с увеличением стоимости производства кассет.
Для увеличения эффективности эксплуатации тепловыделяющей сборки, среди прочих мер, можно увеличить длину активной зоны кассет, не ухудшая при этом надежности эксплуатации кассеты.
Одной из важных характеристик эффективности эксплуатации кассеты, в частности ее охлаждения, является ее водоурановое отношение, т.е. отношение площади воды в сечении кассеты к площади урана. Такое отношение рассчитывается как для отдельной кассеты, так и для всего реактора.
Таким образом, технической задачей настоящего изобретения стало создание такой конструкции кассеты для атомного реактора, которая в рабочих режимах обеспечила бы максимально возможное значение водоуранового отношения на определенной длине кассеты, а также предотвращение деформаций ее дистанционирующих решеток и снижение напряжений на уголковых пластинах и опорных решетках, тем самым обеспечив высокую надежность кассет при эксплуатации, одновременно обеспечив, по меньшей мере, сохранение экономической эффективности эксплуатации кассет.
Техническим результатом настоящего изобретения стало создание такой конструкции рабочих кассет атомных реакторов, которые позволяют повысить эффективность их эксплуатации с одновременным повышением эксплуатационной надежности кассет за счет увеличения длины активной зоны кассет и повышения их водоуранового отношения.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в рабочей кассете ядерного реактора, имеющей продольную ось и шестигранное сечение и содержащей головную часть и хвостовую часть, установленную на противоположном головной части конце кассеты и выполненную с возможностью подачи теплоносителя через нее внутрь корпуса кассеты, гексагональный пучок тепловыделяющих элементов, расположенный параллельно продольной оси кассеты и удерживаемый с помощью расположенных по длине кассеты дистанционирующих решеток, верхнюю опорную решетку, установленную смежно с головной частью, и нижнюю опорную решетку, установленную смежно с хвостовой частью и выполненную с возможностью закрепления нижних концов тепловыделяющих элементов, согласно изобретению, по меньшей мере, часть тепловыделяющих элементов пучка установлена, т.е. закреплена или упирается нижними концами в верхней опорной решетке, при этом как верхняя, так и нижняя опорные решетки выполнены с возможностью закрепления нижних концов тепловыделяющих элементов.
Предпочтительно, половина тепловыделяющих элементов пучка установлена нижним концом в нижней опорной решетке, а половина - в верхней опорной решетке.
При этом в нижней опорной решетке места установки нижних концов тепловыделяющих элементов могут быть расположены рядами, параллельными сторонам шестигранника кассеты, и тепловыделяющие элементы могут быть закреплены в нижней опорной решетке и расположены чередующимися рядами.
Предпочтительно, верхняя опорная решетка кассеты выполнена с возможностью извлечения через нее всех тепловыделяющих элементов, включая элементы, закрепленные в нижней опорной решетке.
Далее изобретение будет пояснено более подробно со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг.1 и Фиг.2 - схематические изображения продольного сечения различных рабочих кассет ядерного реактора согласно изобретению.
На Фиг.1 и Фиг.2 как примеры представлены схематические изображения продольных сечений рабочих кассет, таких, например, как ВВЭР 440 и ВВЭР 1000(А) соответственно, ядерного реактора согласно изобретению.
Согласно одному варианту воплощения изобретения рабочая кассета ядерного реактора имеет шестигранное сечение и продольную ось. Кассета может иметь корпус 1, выполненный в форме шестигранной трубы, а может удерживаться уголками. Причем в одном конце кассеты размещается головная часть 2 кассеты. Такая головная часть 2 выполнена с возможностью упругого, например с помощью пружины, взаимодействия с верхней плитой реактора. На конце корпуса, противоположном головной части 2, установлена хвостовая часть 4, через которую теплоноситель может подаваться внутрь корпуса 1 кассеты. Соосно с корпусом установлен гексагональный пучок тепловыделяющих элементов 5, установленных соосно с корпусом 1 и удерживаемых в расположенных по длине корпуса дистанционирующих решетках 6. При этом смежно с головной частью 2 расположена верхняя опорная решетка 7, и смежно с хвостовой частью 4 расположена нижняя опорная решетка 8. Согласно настоящему изобретению ориентация, по меньшей мере, части тепловыделяющих элементов 5 пучка изменена на противоположную, и тепловыделяющие элементы 5, имеющие традиционную ориентацию, установлены своими нижними концами на нижней опорной решетке 8, а тепловыделяющие элементы 5, имеющие противоположную ориентацию, установлены своими «нижними» концами в верхней опорной решетке 7, причем как верхняя 7, так и нижняя 8 опорные решетки выполнены с возможностью закрепления нижних концов тепловыделяющих элементов 5. В контексте настоящей заявки под определением «установлены» следует понимать, что тепловыделяющие элементы могут быть как закреплены, так и свободно опираться на опорную решетку.
Согласно изобретению число тепловыделяющих элементов 5, имеющих противоположную ориентацию, не ограничено, однако предпочтительно половина тепловыделяющих элементов 5 пучка должна иметь противоположную ориентацию и быть закреплена нижним концом в нижней опорной решетке 8, а половина - в верхней опорной решетке 7, поскольку наибольший положительный эффект от указанного расположения тепловыделяющих элементов 5 наблюдается уже при незначительном числе перевернутых элементов 5 и достигает своего максимума при «переворачивании» по существу половины тепловыделяющих элементов 5 при их установке.
При этом поскольку, как правило, труба корпуса 1 имеет шестигранное сечение, то предпочтительна установка нижних концов тепловыделяющих элементов 5 в нижней опорной решетке рядами, параллельными сторонам сечения корпуса 1 (или уголков), как показано на Фиг.2, причем тепловыделяющие элементы 5 предпочтительно закреплены в нижней опорной решетке 8 чередующимися рядами, т.е. параллельными рядами через ряд.
В случае, когда кассета выполняется разборной для замещения отработавших тепловыделяющих элементов 5 новыми элементами, в кассете согласно изобретению предусматривается возможность извлечения всех тепловыделяющих элементов 5, независимо от способа их крепления, через верхнюю опорную решетку 7. Практическая реализация такой конструкции может быть любой известной в данной области техники, однако поскольку практическая реализация такой конструкции не является предметом настоящего изобретения, подробное ее описание опущено.
Изобретение работает следующим образом.
В кассете согласно изобретению части, а по существу половина тепловыделяющих элементов 5 установлена в нижней опорной решетке 8, а остальная часть, также по существу половина - в верхней опорной решетке 7. Таким образом, часть отверстий для нижних концов тепловыделяющих элементов 5 в нижней решетке 8 остается свободной, в рабочих режимах обеспечивает поступление большего объема охладителя, а следовательно, и максимально возможное значение водоуранового отношения кассеты. При этом благодаря снижению числа, по существу до половины, тепловыделяющих элементов, вызывающих деформацию дистанционирующих решеток кассеты, значительно снижается такая деформация и напряжения на уголковых пластинах и опорных решетках. В результате обеспечивается высокая надежность кассет при эксплуатации, с одновременным обеспечением, по меньшей мере, сохранения экономической эффективности эксплуатации кассет.
Настоящее изобретение было описано на примерах вариантов выполнения, показанных на чертежах. Однако изобретение может иметь многочисленные модификации и вариации в пределах, определяемых объемом формулы изобретения.