Тепловыделяющая сборка ядерного реактора

 

Изобретение относится к области атомной техники, а конкретнее - к бесчехловым тепловыделяющим сборкам (ТВС) активных зон энергетических ядерных реакторов типа ВВЭР. Задачей изобретения является повышение надежности ТВС и безопасности активной зоны ядерного реактора путем обеспечения прямолинейности направляющих труб для регулирующих стержней в процессе работы реактора, обеспечения надежного закрепления верхнего наконечника ТВС, а также улучшение экономических показателей топливного цикла за счет увеличения глубины выгорания топлива, съемности верхнего наконечника (ремонтопригодности ТВС) и использования для изготовления направляющих труб промышленно освоенных циркониевых материалов. Тепловыделяющая сборка ядерного реактора содержит циркониевые направляющие трубы, жестко закрепленные на нижнем наконечнике и имеющие в верхней части жестко закрепленные стальные переходные втулки. Каждая переходная втулка снабжена уступом, на который оперта нижняя опорная втулка, подпружиненная пружиной, верхний конец которой поджат сверху верхней опорной втулкой, перемещение которой вверх ограничено упорной гайкой, навинченной на переходную втулку и зафиксированной на ней. Пружины и опорные втулки размещены между нижней и верхней плитами верхнего наконечника, а диаметр упорной гайки меньше диаметра соответствующего отверстия в верхней плите. 6 ил.

Изобретение относится к области атомной техники, а конкретнее - к бесчехловым тепловыделяющим сборкам активных зон энергетических ядерных реакторов типа ВВЭР.

Известна тепловыделяющая сборка (см., например, патент Японии N 2-22353, G 21 C 3/33, опубл. 85.06.04), имеющая нижний наконечник, по меньшей мере одну направляющую трубу для регулирующего стержня, зафиксированную на нижнем наконечнике и вытянутую вдоль оси сборки, дистанционирующие решетки, установленные по высоте труб для поддержания рядности тепловыделяющих элементов; верхний наконечник, зафиксированный на верхних концах направляющих труб. Верхний наконечник состоит из нижней переходной плиты и верхней прижимной плиты. Подпружиненная верхняя плита может скользить вдоль направляющих труб, а нижняя переходная плита неподвижно закреплена на трубах.

Недостатком этой конструкции является то, что все направляющие трубы объединены вверху одной закрепленной на них плитой. Циркониевые сплавы (например, циркалой-4), из которых изготовлены направляющие трубы, имеют свойство распухать под облучением нейтронным потоком. Поэтому у ТВС, простоявшей некоторое время в реакторе, направляющие трубы удлиняются, но вследствие неравномерности нейтронного потока по радиусу ТВС и разницы в структуре металла труб (не бывает абсолютно одинаковых труб даже в одной партии) их удлинение будет неодинаковым. Причем, чем дальше будет стоять ТВС в реакторе, тем больше будет проявляться разница в росте, что в конце концов может привести к переносу верхнего наконечника, а также к искривлению направляющих труб, зажатых между нижним и верхним наконечниками.

Такой недостаток не только снижает надежность ТВС и безопасность активной зоны, так как может привести к застреванию регулирующих стержней в искривленных направляющих трубах и заклиниванию верхнего наконечника ТВС в верхней плите активной зоны, но и ухудшает экономические показатели активной зоны, так как не позволяет достигать больших глубин выгорания топлива. Ухудшает экономические показатели и то, что верхний наконечник выполнен несъемным, поэтому в случае повреждения одного или нескольких твэлов придется отправлять на переработку всю ТВС с невыгоревшим ураном из-за невозможности отремонтировать ее - заменить поврежденные твэлы циркониевыми вытеснителями.

Известна тепловыделяющая сборка ядерного реактора, содержащая пучок тепловыделяющих элементов, размещенный в расположенных по длине сборки дистанционирующих решетках, нижний и верхний наконечники, соединенные направляющими трубами, в которых перемещаются регулирующие стержни. Для снижения паразитного поглощения нейтронов и лучшего использования урана направляющие трубы выполнены из циркониевого сплава циркалой-4, а не из нержавеющей стали. Верхний наконечник сделан съемным: его переходная плита крепится к верхушкам направляющих труб при помощи гаек, которые затем контрятся в пазы на переходной плите (см., например, "Improvements in Water Reactor Fuel Technology and Utilization", Proceedings of a symposium, Stockholm, 15-19 September 1986, IAEA, Vienna, 1987, p. 183).

Такая конструкция позволяет ремонтировать ТВС: снимать верхний наконечник, отвинтив гайки, заменять поврежденные твэлы и опять надевать наконечник. Это снижает стоимость топливного цикла, так как ТВС с незначительными повреждениями, содержащая дорогостоящий обогащенный уран, не выводится прежде времени из работы.

Недостатком такой конструкции является то, что все направляющие трубы свинчены с одной плитой верхнего наконечника, что не позволяет им расширяться независимо друг от друга. Это снижает надежность ТВС из-за возможности искривления направляющих труб и безопасность активной зоны ядерного реактора из-за возможности застревания регулирующих стержней в искривленных трубах, а также ухудшает экономические показатели топливного цикла, так как ограничивает глубину выгорания топлива.

Для снижения разницы в радиационном росте циркониевых труб вынуждены применять специальные методы их обработки, например отжиг в среде инертного газа, что должно уменьшить разброс в металлургической структуре труб из циркалоя-4 (см. например, ЦНИИатоминформ, ЭИ, 1987, N 41 (1531)). Это ведет к удорожанию сборок, однако не дает гарантии стабильности геометрических размеров ТВС при больших глубинах выгорания. Так, на 4 блоке шведской АЭС Рингалз (Ringhals-4) было выявлено изгибание тепловыделяющих сборок такой конструкции. Одной из причин такого искривления ТВС мог быть неравномерный радиационный рос направляющих труб, зажатых между нижним и верхним наконечниками ТВС (см., например, "Ньюклеоникс Уик", N 5, 1995).

Известна тепловыделяющая сборка, у которой съемный верхний наконечник крепится на направляющих трубах из циркониевого сплава, верхушки которых разрезаны и действуют как пружины. Когда выступы на направляющей трубе входят в пазы отверстия в плите верхнего наконечника, внутрь трубы вставляется запирающая втулка, которая не дает разрезанным частям направляющей трубы сжаться (см., например, патент Великобритании N 2255669, G 21 C 3/32, 16 апреля 1992).

Такая конструкция обеспечивает простоту съема верхнего наконечника: для этого достаточно вытащить запирающие втулки и сдернуть верхний наконечник с направляющих труб. Кроме того, разрезы в верхней части направляющих труб могут выполнять роль демпфирующих устройств, компенсирующих разницу в радиационном росте труб, упирающихся в общую плиту.

Но возможности таких демпфирующих устройств крайне незначительны, поэтому для достижения больших глубин выгорания ведутся поиски новых, более радиационностойких циркониевых сплавов. Так, European Fuel Group, куда входят фирмы BNFL, ENUSA и Westinghouse, для достижения глубин выгорания 50-55 МВт. сут/кг урана рекомендует использовать новый циркониевый сплав ZIRLO^TM, радиационный рост которого на 40% меньше, чем у стандартного сплава циркалой-4 (см, например, "Nuclear Europe Worldscan, 11-12/1994, p. 52). Однако этот дорогостоящий сплав еще недостаточно изучен и опыт его использования в промышленных масштабах отсутствует.

Другим недостатком данной конструкции является недостаточная надежность закрепления съемного верхнего наконечника. Разрезы в верхней части направляющих труб ослабляют их механическую прочность. Запирающие втулки ничем не законтрены и могут вылететь при аварийной ситуации, связанной с разрывом выходного участка трубопровода 1 контура, когда из-за перепада давления ТВС подскакивает вверх и происходит жесткий удар со значительными перегрузками о верхнюю плиту активной зоны.

Задачей изобретения является повышение надежности ТВС и безопасности активной зоны ядерного реактора путем обеспечения прямолинейности направляющих труб для регулирующих стержней в процессе работы, обеспечения надежного закрепления верхнего наконечника ТВС, а также улучшение экономических показателей топливного цикла за счет увеличения глубины выгорания топлива, съемность верхнего наконечника (ремонтопригодности ТВС) и использования для изготовления направляющих труб промышленно освоенных, давно применяемых в атомной энергетике, относительно недорогих циркониевых сплавов.

Решение задачи достигается тем, что в известной тепловыделяющей сборке ядерного реактора, содержащей циркониевые трубы, жестко закрепленные на нижнем наконечнике ТВС и имеющие в верхней части жестко закрепленные стальные переходные втулки с уступами, данные уступы упираются в нижние опорные втулки верхнего наконечника ТВС, подпружиненные спиральными пружинами, надетыми на указанные переходные втулки и работающими на сжатие как при движении верхнего наконечника вниз, так и при движении его вверх, а другими концами указанные пружины упираются в верхние опорные втулки верхнего наконечника ТВС, движение которых вверх ограничено упорными гайками, навинченными на указанные переходные втулки и зафиксированными на них, причем диаметр этих гаек меньше диаметра соответствующих отверстий в верхней плите верхнего наконечника ТВС, поджимающей указанные верхние опорные втулки при движении верхнего наконечника вниз.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, на которых изображены на фиг. 1 - общий вид предлагаемой тепловыделяющей сборки ядерного реактора; на фиг. 2 - общий вид съемного верхнего наконечника тепловыделяющей сборки; на фиг. 3 - положение пружинного блока верхнего наконечника относительно направляющих труб после того, как съемный верхний наконечник надет на направляющие трубы; на фиг. 4 - положение пружинного блока верхнего наконечника относительно направляющих труб в только что установленной в реактор и поджатой сверху от всплытия верхней плитой активной зоны "свежей" тепловыделяющей сборке; на фиг. 5 - положение пружинного блока и неравномерно выросших направляющих труб в конце кампании топлива; на фиг. 6 - положение пружинного блока и неравномерно выросших направляющих труб при выгрузке ТВС из реактора.

Тепловыделяющая сборка ядерного реактора имеет нижний наконечник 1, верхний наконечник 2, соединенные между собой направляющими трубами 3 для регулирующих стержней. К нижнему наконечнику направляющие трубы 3 крепятся с помощью гаек 4 и контрятся сваркой. К нижнему наконечнику крепится центральная труба 5, на которой закреплены дистанционирующие решетки 6, служащие для поддержания рядности тепловыделяющих элементов 7. Направляющие трубы состоят из циркониевых труб 8, к которым внизу и вверху прикреплены стальные переходные втулки 9 и 10.

На верхние стальные переходные втулки 10 надевается съемный верхний наконечник, состоящий из шестигранной перфорированной стальной плиты 11, соединенной стальными ребрами 12 с цилиндрическим пружинным блоком, состоящим из нижней плиты 13, верхней плиты 14, пружин 15, нижних 16 и верхних 17 опорных втулок. Нижняя и верхняя плиты 13 и 14 стянуты через проставку 18 шпильками 19 и гайками 20. Верхняя плита сварена с цилиндрическим присоединительным узлом 21, служащим для взаимодействия с верхней плитой активной зоны (на чертежах не показана).

Этот узел имеет две шпонки 22, за которые цепляют ТВС при загрузке в реактор и выгрузке.

После того, как на стальные переходные втулки 10 направляющих труб надевается верхний наконечник ТВС, на них навинчиваются упорные гайки 23 и фиксируются (контрятся кернением) на стальных втулках 10.

Для снятия верхнего наконечника достаточно отвернуть упорные гайки 23, чем обеспечивается разборность ТВС и ее ремонтопригодность.

Предлагаемая тепловыделяющая сборка работает следующим образом.

После установки верхнего наконечника на направляющие трубы, нижние опорные втулки 16 упираются в уступы на стальных переходных втулках 10, удерживая верхний наконечник от движения вниз, а от сдергивания с направляющих труб он удерживается упорными гайками 23 (см. фиг. 3).

После установки тепловыделяющей сборки в реактор, она поджимается сверху верхней плитой активной зоны. Усилие сжатия пружин 15 рассчитано таким образом, чтобы удержать ТВС от всплытия в потоке движущегося снизу вверх теплоносителя. Сжатие пружин 15 осуществляется через верхние опорные втулки 17 при движении вниз верхнего наконечника и его верхней плиты 14.

Усилие пружин передается через нижние опорные втулки 16 на направляющие трубы. В исходном положении высота направляющих труб I и II одинакова (см. фиг. 4).

В процессах работы тепловыделяющей сборки длина направляющих труб увеличилась из-за радиационного роста циркония, но вследствие неравномерности облучения и различия в структуре металла рост оказался неодинаковым. Направляющая труба II выросла больше, чем направляющая труба I, однако эта разница в росте не приводит к искривлению направляющих труб и ТВС, так как компенсируется пружинами 15 (см. фиг. 5).

Отработавшую тепловыделяющую сборку выгружают из реактора. Усилие от перегрузочной машины через нижнюю плиту 13 верхнего наконечника, нижние опорные втулки 16, пружины 15 и верхние опорные втулки 17 передается на упорные гайки 23 и направляющие трубы 3. При этом нагрузка распределяется по всем направляющим трубам, а не приходится на одну, наименее выросшую трубу (см. фиг. 6).

Таким образом, пружины 15 служат не только для удержания ТВС от всплытия в потоке теплоносителя, но и компенсируют неравномерность роста направляющих труб и выравнивают усилия от перегрузочной машины при выгрузке ТВС из реактора, при этом во всех случаях работают на сжатие.

Предлагаемая конструкция повышает надежность тепловыделяющей сборки и безопасность активной зоны ядерного реактора, а также улучшает экономические показатели топливного цикла.

Надежность тепловыделяющей сборки и безопасность активной зоны повышаются благодаря тому, что циркониевые направляющие трубы имеют возможность удлиняться под воздействием облучения нейтронным потоком независимо друг от друга, что исключает искривления направляющих труб и перекосы верхнего наконечника ТВС, приводящие к застреванию регулирующих стержней и заклиниванию верхнего наконечника в верхней плите активной зоны, а также благодаря надежному закреплению съемного верхнего наконечника ТВС. Повышаются надежность и безопасность и вследствие распределения усилий от перегрузочной машины по всем направляющим трубам при выгрузке отработавшей ТВС, что исключает обрыв наименее выросшей трубы и последовательный обрыв всех направляющих труб в случае, если все они выросли на разную величину.

Экономические показатели топливного цикла улучшаются благодаря тому, что данная конструкция позволяет увеличить время облучения в реакторе тепловыделяющей сборки с циркониевыми направляющими трубами, достигнуть больших глубин выгорания топлива без предъявления жестких требований к циркониевым трубам в части радиационного роста, а также благодаря легкосъемности верхнего наконечника, обеспечивающей ремонтопригодность ТВС.

Формула изобретения

Тепловыделяющая сборка ядерного реактора, содержащая циркониевые направляющие трубы, жестко закрепленные на нижнем наконечнике и имеющие в верхней части жестко закрепленные стальные переходные втулки, отличающаяся тем, что каждая переходная втулка снабжена уступом, на который оперта нижняя опорная втулка, подпружиненная пружиной, верхний конец которой поджат сверху верхней опорной втулкой, перемещение которой вверх ограничено верхней плитой верхнего наконечника или упорной гайкой, навинченной на переходную втулку и зафиксированной на ней, при этом пружины и опорные втулки размещены между нижней и верхней плитами верхнего наконечника.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6