Тепловыделяющая сборка ядерного реактора

 

Изобретение относится к ядерной технике и может быть использовано в реакторах на быстрых нейтронах Цель изобретения - повышение ресурса и надежности тепловыделяющей сборки за счет выравнивания азимутальной и осевой неравномер ности Для реализации цели в тепловыделяющей сборке ядерного реактора содержащей пучок стержневых тепловыделяющих элементов со спиральной дистанционирующей проволокой, шаг спиральной навивки последней выполнен переменным по высоте уменьшающимся к центру активной зоны и увеличивающимся на концах твэ лов в определенных пределах бил

сОюз сОВетских

СОЦИАЛИС1ИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

„., .Ж„„1702435 А1 (я)з G 21 С 3/32

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ...", ", :;:.,а

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (54) ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩАЯ СБОРКА ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА (21) 4454712/25 (22) 04,07.88 (46) 30,12,91. Бюл, ¹48 (72) Г.П.Богословская, Ю.Б.Базанов, В.И.Кривенцев, А.П.Сорокин и П.А.Титов (53) 621.039.546(088.8) (56) Уолтер А, Рейнольд М. Реакторы-размножители на быстрых нейтронах. — М.;

Э нергоатомиздат, 1986, с.262-266.

Патент ФРГ № 2402511, кл. G 21 С 3/30, опублик. 19.01.74.

Изобретение относится к ядерной технике и может быть использовано в реакторах на быстрых нейтронах.

Известны тепловыделяющие сборки, состоящие из стержневых твэлов со спиральной дистанционирующей навивкой.

Данное техническое решение подразумевает сборку твэлов цилиндрического сечения, дистанционируемых проволочной (либо ленточной и т.п,) навивкой с постоянным шагом, выбранным из условия не превышения заданного перепада давления по длине пучка твэлов.

Недостатками данного технического решения являются возможность деформирования твэлов в центральной части активной зоны вследствие распухания и ползучести, приводящие к значительному перегреву оболочек и к разрушению, или к потере герметичности твэлами. (57) Изобретение относится к ядерной технике и может быть использовано в реакторах на быстрых нейтронах. Цель изобретения — повышение ресурса и надежности тепловыделяющей сборки за счет выравнивания азимутальной и осевой неравномерности. Для реализации цели в тепловыделяющей сборке ядерного реактора, содержащей пучок стержневых тепловыделяющих элементов со спиральной дистанционирующей проволокой, шаг спиральной навивки последней выполнен переменным по высоте, уменьшающимся к центру активной зоны и увеличивающимся на концах твэлов в определенных пределах, 6 ил.

Данная проблема может быть решена за счет изменения шага дистанционирования навивки на твэлах относительно первоначально определенного варианта дистанционирования проволочной навивкой.

Одним из вариантов изменения первоначального шага навивки является техническое решение, в котором стержневые твэлы устанавливаются в кассеты так, чтобы шаг навивки увеличивался по направлению к стенке канала с целью выравнивания температуры по сечению сборки, Недостатком этого технического решения является то, что разный шаг навивки у соседних твэлов приводит к тому, что под воздействием больших нейтронных потоков в центре активной зоны они начинают изгибаться неодинаково, а с разными шагами по высоте, в результате чего может произойти касание этих сосед1702435 пэ > ()ном мин (2) ИИ11 2 ("а.э. "ном ) где P = Ia,з,/!пучка отношение длины актив35 най зоны к длине пучка твэлов;

Ином — шаг дистанционирующей проволочной навивки, выбранный из условия не превышения определенного значения падения давления на длине пучка твэлов;

ha,э. — шаг дистанционирующей проволочной навивки на длине участка активной зоны;

ha э, — минимальное значение ha.з., 45

Д " — минимальное значение шага дистанцианирующей проволочной навивки на участках экранов.

На фиг.1 и фиг.2 изабражень(два твэла с равномерной (а) и неравномерной (б) дис- 50 танционирующей навивкой, ТВС работает следующим образом, На вход в ТВС подается тепланаситель, который, проходя через активную зону, подогревается да температуры выхода. 55

Максимальные и минимальные пределы изменения шага дистанцианирующей проволочной навивки на участках активной зоны и экранов выбирают из следующих соображений. них твэлов, приводящее к недапустимь)м температурным перегревам.

Кроме того, недостатком дэн ного технического решения является техническая сложность как изготовления нескольких ти- 5 поразмеров, твэлов с различными шагами навивки, так и сборки кассеты, поскольку необходим постоянный контроль правильности установки нужного твэла в определенные координаты. 10

Цель изобретения — устранение указанных недостатков, а именна повышение ресурса и надежности тепловыделяющей сборки за счет улучшения дистанцианирования твэлов, уменьшения перегревов и 15 азимутальной неравномерности температуры оболочек топливных элементов твэлов, уменьшения суммарного гидравлического сопротивления кассеты.

Для достижения указанной цели пред- 20 лагается кассету ядерного.реактора выполнить из твэлов со спиральной дистанционирующей навивкой, навитой с переменным шагом по высоте, уменьшающимся к центру активной зоны и увеличивающимся 25 на концах твэлов, причем шаг навивки находится в пределах: в области активной зоны реактора

}1ном ф < } а.з. < } )ном (1) в области экранов реактора 30

Результаты экспериментальных и расчетных исследований указывают, что при уменьшении шага дистанционирующей проволочной навивки происходит увеличение интенсивности межканального обмена (фиг.3,а)

f(âÄ Re (3)

/ " = — h/d где S/d — относительный шаг решетки твэлов;

Re — значение числа Рейнольдса;

h/d — относительный шаг проволочной навивки;

d — диаметр твэлов.

Соответственно снижается перегрев теплоносителя и неравномерность температуры в

ТВС.

Наибольший уровень температуры может иметь место на формоизмененном участке в центре активной зоны или на выходе из активной зоны. Больший локальный эффект выравнивания температурного поля определяется большей локальной интенсивностью межканальнога обмена, общий эффект на участке активной зоны — числом шагов проволочной навивки, укладывающихся на дпине активной зоны, Наилучший эффект выравнивания температурного поля достигается при необходимом и достаточном условии: шаг дистанцианирующей навивки на участке активной зоны меньший, чем номинальный

"а.з. < hh)oM. (4)

Номинальный шаг дистанционирующей навивки, рассчитанный из условия не превышения определенного значения падения давления на длине пучка твэлов

+ Рпучка < Л Рпредельное (5) рассчитывается по формуле

7(о!д, ке) ((ж„„„„„М, ч„, „„,))-tj (6} где значение функции f>(S/d,Re) находится в результате экспериментальных исследований по формуле

1,(Э7d, Re)= (g — 1} (h/d) (7)

2 Л Рпучка dr (8) р )/)Г= пучка где ЛР— падение давления на длине(! пучка) пучка твэлов;

p — платность теплоносителя; уу — скорость теплоносителя;

dг — гидравлический диаметр канала;

4 — коэффициент гидравлического сопротивления гладкого пучка.

1702435

Падение давления на длине пучка при различных значениях шага навивки на длине активной зоны и экранов находится из соотношения

Л пччка 2 г или по отношению к пучку с номинальным шагом навивки (Янам 2 + — — — 2, (10} (} а.з. }1ном ) (h "ном ) а при переменном шаге дистанционирующей проволочной навивки увеличение гидравлического сопротивления MB участке активной зоны за счет уменьшения шага навивки не превышает

Л (Ь (нам } Sp ( (}}а.з. 4}ном )

30 и уменьшение гидравлического сопротивления за счет увеличения шага навивки на участке экранов (вход и выход из пучка твэлов) не менее, чем

Л (/(ном } (1 — P} (1 — 135 (} мин )2 (12) то общее на длине ТВ С уменьшение гидравлического сопротивления не превышает ве- 40 личины .ИМ... -.-ЛИ...)-"(...) =

И) (ghA114j} )2} (I(Мин

-<-(-р) „,- (ь

4 з "4ом) ("а.з/" иом)

При выполнении условия

}мин э > пном а.зоном величина Л((б ном ) ) О, т.е. имеет место уменьшение гидравлического сопротивления пучка твэлов по сравнению с номинальным значением.

Это справедливо только при условии

} мин

)Ф (0(/<1) (15) когда знаменатель правой части соотношения (14) больше нуля, следовательно, подкоренное выражение имеет смысл, Изменение шага навивки дистанционирующей проволоки в предлагаемых пределах позволяет за счет интенсификации межканального обмена на участке активной зоны уменьшить перегрев и азимутальную неравномерность температуры твэлов без увеличения гидравлического соп ротивления пучка твэлов, т.е. получить новое качество ТВС. Это дает основание утверждать о соответствии технического решения критерию "Существенные отличия".

Рассчитывали варианты ТВС реактора

БН-600 из 127 твэлов с наружным диаметром оболочки 6,9 мм, с относительным шагом решетки 1,17, длиной участка энерговыделения 750 мм, длиной пучка твэлов 2900 мм с равномерным шагом навивки

100 мм и неравномерным шагом (на участке активной зоны 55 мм, на участке экранов

500 мм). При этом выполняются условия (1) и (2)

}}э /hHoM > 2,3;

h " h«M > 0,2б = 0,51.

Выигрыш в гидравлическом сопротивлении пучка твэлов (Л (,"I ном ) — Л ((/(Ho )J составляет более 11%. Максимальная температура оболочки твэлов снижается на 10 С, максимальная азимутальная неравномерность температуры — на 10 С (фиг.4).

При деформации пучка за счет меньшего возможного изгиба твэлов и меньшей зоны контакта оболочками твэлов s области центра активной зоны с максимальным тепловым потоком перегрев теплоносителя в зоне контакта снижается до 20-30 С, максимальная температура оболочки твэлов уменьшается на 30-50 С и максимальная азимутал ьная неравномерность температуры твэлов падает на 20-50 С (фиг.5). На фиг.6 изображены изгибы твэлов в центре активной зоны для стандартной и предлагаемой сборок, Таким образом, как показывают расчеты, изобретение позволяет снизить максимальную температуру оболочек твэлов как для недеформированной, так и особенно существенно для деформированной ТВС. Кро1702435

"э > "ном мин

&pxwu

3APQh

Аю аЖ

50НЯ

6 фиг. Е ме того, за счет увеличения шага навивки на входных и выходных участках кассеты вне активной зоны (которые, как правило, составляют существенную часть сборки, даже превышающую размер а ктивной зоны) общее гидравлическое сопротивление кассеты уменьшается. Следовательно, данное изобретение позволяет повысить работоспособность, надежность и экономичность тепловыделяющей сборки ядерного реактора по сравнению с существующими образцами.

Формула изобретения

Тепловыделяющая сборка ядерного реактора, содержащая пучок стержневых тепловыделяющих элементов со спиральной дистанционирующей проволокой, о т л и ч аю щ а я с я тем, что, с целью повышения ресурса и надежности тепловыделяющей сборки за счет выравнивания азимутальной и осевой неравномерности, шаг спиральной навивки дистанционирующей проволоки выполнен переменным по высоте, уменьшающимся.к центру активной зоны и увеличивающимся на концах твэлов и находится в пределах: в области активной зойы реактора

5 11ном ф < на.э. нном в области экранов реактора

10 ("а.э. ном ) где P =!а.э./ln — отношение длины активной зоны к длине пучка твэлов;

h oM — шаг дистанционирующей проволочной навивки, выбранный из условия не превышения определенного значения падения давления на длине пучка твэлов; йэ.g. — шаг дистанционирующей проволочной навивки на длине активной зоны;

hM — минимальное значение шага дистанционирующей проволочной навивки на участках экранов;

h M;" — минимальное значение h3,3..

Ы

5 10 15 20 25

a)

2,5 го

f,5 !!/

5 10 S ) 15 20 25 Риз. 5

1 2 Ъ 4 5 Ь > 8 9 !О 1! 12 13 М ТЮЗИА а)

t,,с

Ъ 5 7 9 !! 15 !5 !7 19 2! 23 25 йВКаНЯЛЯ

Г)

c t ;C

ЗО

1 2 3 4 5 68)7 8 9 10 11 12 1ЪИачвзлл

Фиг.4

1702435

Центр

A.Ç. ос с

>60

4

Вариант А

Фнг. 5-б ол с

655 С мах

С (6 И з

„ Ю Q

Вариант В

Go Г ху оооооо (ooooooo

QOQ000C

ЗОООООО

QQßÝ 00С

300G0О0

OQO0QQ Г

3OO0O00(1702435 Рит.. 6

Составитель А.Пискарев

Редактор М.Кобылянская Техред ММоргентал орректор .Кравцова

Заказ 4547 Тираж

ВНИИПИ Гос а т

Подписное

Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина 101