Активная зона ядерного реактора
NUCLEAR REACTOR CORE

Область техники
Изобретение относится к области ядерной энергетики, а именно - к размещению бесчехловых тепловыделяющих сборок в активной зоне ядерных реакторов и направлено на обеспечение улучшения теплоотвода от тепловыделяющих элементов в ядерных реакторах.
Уровень техники
Список сокращений, используемых в данном тексте:
ТВС - тепловыделяющая сборка;
твэл- тепловыделяющий элемент;
ЯР – ядерный реактор.
Известна активная зона модульного ЯР на быстрых нейтронах с жидкометаллическим теплоносителем (патент РФ №2699229), сформированная вертикально установленными бесчехловыми тепловыделяющими сборками с силовыми элементами и расположенными в верхней части дистанционирующими поясками, с треугольной сеткой размещения цилиндрических тепловыделящих элементов (твэлов).
Известна активная зона водо-водяного ЯР (патент РФ №2216056), в состав которой входят ТВС, содержащие гексагональный в поперечном сечении пучок твэлов в каркасе, размещенные с зеркальным отражением по граням. В указанном изобретении решается задача уменьшения неравномерности энерговыделения в активной зоне и предупреждение деформации ТВС за счет плотной упаковки ТВС между собой.
К недостаткам описанных выше решений следует отнести избыточный «холостой» расход теплоносителя в квадратных ячейках твэлов на гранях ТВС, что снижает среднюю температуру теплоносителя на выходе из активной зоны и ухудшает технико-экономические показатели энергоблока. Указанный недостаток обусловлен размещением ТВС в активной зоне с зеркальным отражением по граням.
Известно также техническое решение, описанное в патенте РФ №261770, в котором предложена активная зона термоэмиссионного реактора-преобразователя ядерной энергетической установки, в которой электрогенерирующие каналы размещены по всей активной зоне по узлам правильной треугольной сетки, в том числе, и на стыках пучков электрогенерирующих каналов.
В известном техническом решении исключены «холостые» протечки теплоносителя на стыках граней пучков (ТВС) в случае их бесчехловой конструкции.
Однако техническая реализация известного изобретения обеспечит надежную эксплуатацию активной зоны только в случае «плотной» упаковки электрогенерирующих каналов (твэлов), когда шаг твэлов практически равен их диаметру.
s
a
d
s
s
При плотной упаковке твэлов в треугольной сетке относительная площадь свободного поперечного сечения в активной зоне для прохода теплоносителя (объёмная доля теплоносителя), ε, вычисляемая по формуле , где относительный шаг твэлов, равный отношению шага твэлов в треугольной сетке , к диаметру твэла , (в данном случае =1), равна 9.25%. Это подходит для термоэмиссионного реактора очень малой мощности, заявленного а патенте РФ №261770. Для энергетических реакторов объёмная доля теплоносителя ε лежит в диапазоне 30 ¬ 50%. Такое значение объёмной доли теплоносителя можно обеспечить при относительном шаге твэлов , лежащем в диапазоне 1,1 ¬ 1,3, т.е. при наличии зазоров между твэлами. В этом случае для исключения прогибов твэлов, создающих локальное «затеснение» проходного сечения теплоносителя, вызывающего перегрев твэлов, и устранения вибраций твэлов, повреждающих тонкостенную оболочку, необходимо обеспечить дистанционирование твэлов по высоте активной зоны.
Раскрытие изобретения
Технической задачей изобретения является повышение мощности реактора при сохранении общего расхода теплоносителя и средней температуры теплоносителя на выходе из активной зоны, а также повышение надежности правильного размещения ТВС в соответствующих местах активной зоны.
Технический результат, достигаемый при использовании изобретения, заключается в снижении максимальной температуры оболочки твэла, уменьшении коррозионного износа и увеличении длительной прочности материала оболочки твэла, которая чувствительна к повышению температуры, а также в исключении ошибочного размещения ТВС в активной зоне.
Указанный технический результат достигается благодаря тому, что в активной зоне ядерного реактора, включающей шестигранные бесчехловые тепловыделяющие сборки с тепловыделяющими элементами, размещёнными по треугольной сетке, шаг размещения которых больше диаметра оболочек твэлов, тепловыделяющие элементы снабжены дистанционирующими спиральными ребрами на оболочке и жестко зафиксированы с заданной угловой ориентацией таким образом, что обеспечивается касание твэлов «ребро-по-ребру» на высоте, на которой при работе реактора достигается максимальная температура оболочки твэла, и тепловыделяющие сборки размещены так, что тепловыделяющие элементы, расположенные на гранях соседних тепловыделяющих сборок, образуют единую треугольную сетку c остальными тепловыделяющими элементами в активной зоне, и касание всех твэлов активной зоны «ребро-по-ребру» обеспечивается на высоте, на которой при работе реактора достигается максимальная температура оболочки твэла.
Заданное расположение ТВС обеспечивается путем использования механических «шифраторов» в опорной решетке ТВС и решетке активной зоны, в которой крепятся ТВС, выполненных по принципу «ключ-замок».
Основная техническая задача, которую обеспечивает конструкция механического «шифратора» - это техническая невозможность установки ТВС в ненадлежащее место, и/или с ненадлежащей ориентацией по угловому положению, даже с учетом потенциальных ошибочных действий персонала, осуществляющего сборку активной зоны.
Одним из вариантов реализации шифратора является использование пустотелых пальцев, одним концом закрепленных в нижней опорной решетке активной зоны любым известным способом. Второй конец пальца должен выступать наружу в направлении нижней решетки ТВС. При этом в нижней решетке ТВС строго напротив пальца должно быть отверстие. При совпадении правильного положения пальца и соответствующего ему отверстия, палец погружается в отверстие и ТВС может быть установлена в нижнюю опорную решетку активной зоны. Если палец не попадает в отверстие, то он упирается в нижнюю решетку ТВС и не позволяет опустить ТВС в нижнее рабочее положение, что может быть надежно зафиксировано.
Геометрическое расположение пальцев и соответствующих им отверстий должно быть уникальным для каждой группы ТВС и/или отдельных ТВС и обеспечено при конструировании активной зоны и на производстве. При необходимости может использоваться несколько пальцев и, соответственно, несколько соответствующих им отверстий в опорной плите. При этом, как минимум, один из пальцев в разных группах ТВС и/или отдельных ТВС должен отличаться расположением.
Альтернативным решением, обеспечивающим тот же технический результат, является использование пустотелых пальцев, закрепленных в нижней решетке ТВС и соответствующих им отверстий в нижней опорной решетке активной зоны. Могут применяться также пальцы разного сечения (например, круглые, квадратные, треугольные, с каналами для прохода теплоносителя или без них). Основное требование, которое должно выполняться – это физическая невозможность установки ТВС в ненадлежащее положение и/или неверная угловая ориентация ТВС.
Указанные пальцы могут применяться, например, для групп ТВС с различным обогащением урана (с различным содержанием плутония для смешанного уран-плутониевого топлива).
В предложенном решении твэлы, находящиеся на гранях ТВС, образуют единую треугольную сетку твэлов активной зоны, что исключает избыточный расход теплоносителя в ячейках твэлов на гранях ТВС, при этом одинаковое расстояние между твэлами внутри ТВС и твэлами, расположенными на гранях соседних ТВС, обеспечивается за счет наличия дистанционирующих спиральных ребер на оболочках твэлов и расположения ТВС таким образом, что для всех твэлов активной зоны обеспечивается касание твэлов «ребро-по-ребру» на высоте, на которой при работе реактора достигается максимальная температура оболочки твэла.
Расположение твэлов соседних ТВС на границах этих ТВС, геометрически идентичное расположению твэлов внутри ТВС, создает одинаковое гидравлическое сопротивление в окрестности всех твэлов. При таком расположении твэлов в треугольной сетке, любой из твэлов окружен 6-ю твэлами, находящимися на одинаковом расстоянии от него. Вокруг каждого твэла существуют 6 идентичных условных каналов для протока теплоносителя, ограниченных линиями, соединяющими центры соседних твэлов и оболочками твэлов. Любое отклонение компоновки твэлов от описанной выше компоновки приводит к формированию условных каналов с увеличенным проходным сечением. Гидравлическое сопротивление продольному течению в таких каналах уменьшается, что ведет к формированию, так называемых, «холостых протечек». Из-за повышенного расхода теплоносителя через такие каналы, подогрев теплоносителя в них уменьшается, а в других каналах с «затесненным» сечением,  к уменьшению расхода, повышению подогрева теплоносителя и увеличению температуры оболочек твэлов.
Жесткая фиксация твэлов с размещенными на наружной поверхности оболочки спиральными ребрами в решетке ТВС и, соответственно, ТВС в активной зоне заданным образом с обеспечением касания твэлов «ребро-по-ребру» на высоте, на которой при работе реактора достигается максимальная температура оболочки твэла, позволяет создать вокруг каждого твэла идентичные условные каналы.
Исключение «холостых» протечек теплоносителя на стыках граней ТВС в случае их бесчехловой конструкции при размещении твэлов в ТВС по треугольной сетке приводит к увеличению расхода теплоносителя в стандартных треугольных ячейках, что снижает максимальную температуру оболочки твэла, уменьшению коррозионного износа и увеличению длительной прочности материала оболочки твэла, которая чувствительна к повышению температуры. Это позволяет повысить мощность реактора при сохранении общего расхода теплоносителя и средней температуры теплоносителя на выходе из активной зоны.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 показана схема размещения ТВС 1 с заданной ориентацией в активной зоне, при которой твэлы 2, образуют единую треугольную сетку. В нижних концевиках твэлов 2 выполнены отверстия 3, в которые вставлена проволока, ориентирующая твэлы 2 в ТВС 1. На фиг. 1 также показаны пальцы 4, ориентирующие ТВС 1 в опорной решетке активной зоны, в которой крепятся ТВС 1, предназначенные для размещения ТВС 1 с заданной ориентацией в активной зоне, и пальцы 5, устанавливающие ТВС по обогащению, если ТВС 1 содержат твэлы 2 с различным обогащением урана (с различным содержанием плутония для смешанного уран-плутониевого топлива), а также отверстия 6 устанавливающие (ориентирующие) решетки опорной 7, в которые вставляются соответствующие пальцы при сборке ТВС 1 в активной зоне.
На фиг. 2 показано сечение а-а активной зоны, на котором показаны твэлы 2, решетка опорная 7 ТВС 1, отверстия 3 в твэлах и проволока ориентирующие твэлы 2 в ТВС 1, пальцы 4, ориентирующие ТВС 1 в активной зоне, пальцы 5, устанавливающие ТВС 1 по обогащению, отверстия устанавливающие (ориентирующие) 6 решетки опорной  активной зоны.
Вариант осуществления изобретения
Для реализации представленной на фиг.1 схемы размещения ТВС в активной зоне используют шестигранные бесчехловые ТВС 1, в которых твэлы 2 с дистанционирующими спиральными ребрами на оболочке установлены в решетках ТВС 1 по треугольной сетке. ТВС 1 размещают в активной зоне таким образом, что твэлы 2, образуют треугольную сетку, при этом расстояние между осями соседних твэлов 2, расположенных в разных ТВС 1 на их гранях, равно расстоянию между осями соседних твэлов 2, находящихся внутри ТВС 1.
В ТВС 1 осуществляют фиксацию твэлов 2 в опорной решетке 7 ТВС 1 от углового и осевого перемещений и свободное по скользящей посадке осевое перемещение концевиков твэлов 2 в другой решетке ТВС 1. Фиксацию твэлов 2 осуществляют таким образом, чтобы обеспечить касание твэлов 2 «ребро-по-ребру» в плоскости по высоте активной зоны, где реализуется максимальная температуры оболочки твэла 2. Для этого, используемыми при разработке реакторов методами, определяют сначала теплогидравлическим расчетом с учетом осевой неравномерности поля энерговыделения высоту активной зоны, на которой достигается максимальная температура оболочки твэла. Далее осуществляют позиционирование под определенным углом нижних концевиков твэлов 2 с заранее выполненными отверстиями 3 для закрепления с помощью проволоки в отверстиях решетки опорной 7 ТВС 1.
Затем с помощью шплинтующей проволоки осуществляют фиксацию концевиков твэлов 2 в опорной решетке 7 ТВС 1 от углового и осевого перемещений и свободное по скользящей посадке осевое перемещение концевиков твэлов 2 в другой решетке ТВС 1.
Заданное расположение ТВС 1 обеспечивают путем использования пальцев 4 и, при необходимости, пальцев 5 в опорной решетке 7 ТВС 1 и решетке активной зоны, в которой крепится ТВС 1. Пальцы 4, 5 выполнены пустотелыми.
Активная зона работает следующим образом.
Теплоноситель поступает в активную зону и равномерно распределяется по каналам, образованным между твэлами 2, как внутри ТВС 1, так и между ТВС 1.
Промышленная применимость
Заявленная активная зона используется в ядерных реакторах, активная зона которых включает шестигранные бесчехловые тепловыделяющие сборки с тепловыделяющими элементами, размещёнными по треугольной сетке, шаг размещения которых больше диаметра оболочек твэлов.
Перечень ссылочных обозначений, используемых на чертежах
1 ТВС
2 твэл
3 отверстия в твэл и проволока ориентирующие твэлы в ТВС
4 пальцы «шифраторы» ориентирующие ТВС
5 пальцы «шифраторы» устанавливающие ТВС по обогащению
6 отверстия устанавливающие (ориентирующие) решетки опорной активной зоны
7 решетка опорная ТВС.